海面波动对无线光通信的影响

编号本科生课程设计论文海面波动对无线光通信的影响及基本性能分析Influenceofoceanwaveonwirelessopticalcommunicationandthebasicperformanceanalysis学生姓名赵长远专业光电信息工程学号120212704指导教师冷雁冰学院光电工程二〇一二年六月长春理工大学本课程设计论文毕业设计（论文）原创承诺书1．本人承诺：所呈交的毕业设计（论文）《海面波动对无线光通信的影响及基本性能分析》，是认真学习理解学校的《长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例》后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2．本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。3．在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4．本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！作者签名：赵长远2016年1月3日长春理工大学本课程设计论文海面波动对无线光通信的影响及基本性能分析摘要:研究了大气—水下无线光通信下行链路中海面折射对光信道和光接收的影响，采Windows三维图形函数Direct3D通过图形处理器(GPU)进行复杂的几何运算并实现光信道三维可视化，利用二维谱的海浪模型得出不同风速和风区等条件下海面的随机波动对光线簇传输路径、海底光斑和接收点光强的影响;根据仿真所得数据对接收端积分判决电路的时间常数、光强起伏和误码率三者之间的关系进行了分析，为跨界面传输的无线光通信系统设计提供预见性的动态信道模型参考。关键词:信道仿真;图形处理器运算;Direct3D;海浪模型;无线光通信;误码率InfluenceofoceanwaveonwirelessopticalcommunicationandthebasicperformanceanalysisAbstract:Theinfluenceofrefractionbytheair-seainterfaceontheopticalchannelandreceptioninthedownwardlinkfromtheairtounderwaterwirelessopticalcommunicationwasstudied．Thecomplicated3-DgeometrycalculationsandvisualizationoftheopticalchannelwereimplementedviaGraphicProcessingUnit(GPU)bytheDirect3DfunctionsintheWindowssystem．Refractionofthelightrayclusterbytheseasurfacefluctuationintheseawavemodelof2-Dspectrumwerecomputed，wherebythelightfieldonthehorizontalplanewithinwhichthereceiverwaslocatedundervariouswindspeedandwindfieldcouldbecalculated.Therelationshipamongthetimeconstantofintegratingjudgingcircuitofthereceiver，lightintensityfluctuationandBitErrorRate(BER)wasanalyzedfromthesimulationdata，toprovideapredictiveanddynamicmodeloftransmissionchannelinreferenceforthewirelessopticalcommunicationsystemdesigninthecaseofthetrans-interfacetransmission．Keywords:channelsimulation;GraphicProcessingUnit(GPU)computation;Direct3D;oceanwavemodel;wirelessopticalcommunication;BitErrorRate(BER)长春理工大学本课程设计论文一、应用由于水介质对射频波段电磁波的高损耗，水下无线通信通常借助其蓝绿光传输的低损耗窗口［1］(波长为470nm～540nm)进行，如何提高水下光通信链路的稳定性和可靠性是需要解决的关键问题［2－4］。水下光通信主要应用于海洋水深较大的区域，经常需要水上(大气或空气)和水下进行跨介质界面的传输。海面因受各种因素影响总存在一定波动，使光束中多条光线穿过海水界面时入射角各不相同，因而折射方向不同，导致光束漂移、光斑畸变和光强起伏，造成光强在时间和空间分布上的不均匀，给接收端引入一定噪声，成为制约光信号在空海环境中有效传输的重要问题［5－6］。预先知道光束偏离的方向与大小、光斑分布等情况，对准确接收光信号，合理选择光源功率、采用合适的通道编码和提高通信系统的整体性能具有重要意义。二、原理1、计算方法本文在计算中要解决的关键问题就是在三维空间里从任意方向入射到任意法线方向的水界面后的折射方向。本文试图用Matlab编程计算来解决，但得出的折射方程解过于复杂，处理数据量很大，计算过程非常耗时(在3．4GHz主频CPU的机器上连续运行10天左右才能得出分析所需要的基本数据结果)，另外Matlab的三维可视化功能也比较弱，对于这种基于通用型处理器(general-purposeprocessor)的计算，速度肯定不是它的长处。计算机图形处理器(GraphicProcessingUnit，GPU)的工作频率一般都比其中央处理器CPU要低，但由于GPU对图形数据的流水线处理方式和强大的浮点运算功能［7］，使它对于三维空间中点、线、面的运算具有比CPU高得多的性能。一般硬件同时支持当前两大图形函数库———SGI公司创建的OpenGL和微软的Direct3D，两者性能相当，本文采用了后者，将其库档导入到VC++编程环境中调用，进行计算并将结果可视化。2、海浪模型海面的波动一般分为三种情况:风力引起的海浪、重力及离心力引起的潮汐和大地构造力引起的海啸［8］。其中潮汐和海啸的波长很长，不会对光通信产生很大的影响，所以本文只考虑风力引起的海浪所产生的影响。在风力作用下，水质点离开平衡位置做圆或椭圆运动并向着一定的方向传播，同时出现许多高低长短不同的波，所以海浪可看做由无限多个不同波幅和不同传播方向的波线性叠加而成，其数学模型可表示为:长春理工大学本课程设计论文其中:k，m为波数;w，m为角频率;θ，n为方向角;ξm，n为随机相位;a，m，n表示角频率为w，m、方向角为θ，n的组成波振幅，且:其中:s(w，θ)为海浪的能量谱;s(w)为海浪频谱;G(w，θ)为海浪方向谱。选用平均JONSWAP谱作为海浪频谱[9]其中:w0为谱峰频率，α为尺度系数，两者都是风区与风速的函数;σ称为峰形参量。选用SWOP方向函数作为海浪方向谱[10]:其中：根据式(1)～(4)便可得到由不同频率、不同传播方向组成波叠加生成的海面高度场。在仿真过程中海面由Direct3D中基于COM的ID3DXMESH三维网面描述，它由多个顶点及由相邻顶点编织的三角形面元(face)构成，网面可直接在Direct3D硬件加速设备环境中渲染和显示。只要把相应的坐标数据赋给这些顶点，就可以形成动态的海面。三、实验1、任意曲面折射光线的路径计算首先要解决的关键问题是精确求出一定方向指数的光线与描述波浪海面的动态网状曲面的交点，通常需要采用逐步逼近的方法，对于光线簇的计算耗时量将会很大，这种方法性能低下。而Direct3D所提供的D3DXIntersect函数则可以快速准确地求出射线ray与网面的交点及交点发生的面元定位索引，由该面元的三个顶点A、B、C求出其法线。如图1所示，法线方向为:n=CB×BA（5）入射角为:长春理工大学本课程设计论文（6）折射角α2可由斯奈尔定律得:（7）其中:n1、n2分别为空气和海水的折射率;矢量refr为折射光线，它相当于入射光线的延长线在入射平面内向法线方向旋转了β=α1－α2的角度，旋转轴为:axis=ray×n（8）这样可用Direct3D中D3DXMatrixRotationAxis函数得到折射光线矢量的方向指数，此外Direct3D提供了大量的函数可以满足本文所涉及的所有几何计算的需要。为便于观察光路随海面波动的变化情况，暂将入射光束设为11×11阵列，经仿真得到风速为15m/s，风区为200m情况下光路传输情况如图2所示。其中有些折射光束偏折方向比较大主要由海浪模型中随机相位ξm，n的随机变化引起。图2光线簇从大气穿过海水界面后折射光线的三维图示3．2光束在海水界面的透过率光由空气进入海面时，光强的界面透射率［11］为:（9）其中是由折射率不连续性决定的界面透射率;由菲涅尔公式可得:其中:α1、α2分别为入射角和折射角。Tap2是由海水泡沫及条纹决定的界面透射率，与海面的风速有关，表达式［12］为:长春理工大学本课程设计论文其中U的单位为m/s。3．3光强分布计算常用的光强分布计算方法有光束断面积法、蒙特卡罗法、投射立体角法［13］等，这些方法都一定程度地受光源结构和光线分布形式的限制。本文针对经过波动海面的光线会发生交叉的情况所提出的光强叠加法比蒙特卡罗法有更小的时间复杂度和更高精确性，且有一定的通用性。设光束的初始光强沿中心呈高斯分布，即:其中:pli，j为光线Li，j的光强，i，j∈(0～m－1)，i、j为光线Li，j的索引号，经海面折射后，光线索引号不变;ri，j=cn为光束中心，cn=［m/2］，［a］表示对a取整数;c常数;σ为高斯分布的均方根。设每相邻三条光线依次组成的光束子截面内光强均匀分布，即入射光线组成的截面面积上光强为均匀分布，且光强值可表示为:经过水面折射后，折射光线的传播方向会随着海面的波动发生改变，光束面积也随之变化。光束中各光线映射到接收平面上会形成新的顶点阵列，如图3所示，每个新的子截面依旧由原来相同索引号的3个顶点组成，由此可算出各子截面映射到接收面上后的面积，且经折射后子截面上光强，变为:若平行光线以角α斜入射到倾角为θ海面上，经计算:其中θ'为折射角，可由斯奈尔定律求出。将接收点所在平面上的有限范围分为n×n的二维点阵(像素阵列)，将接收面上各像素坐标值与光线映射到接收面。若接收面上某一个点同在k个面积为St'，光强为pt(t=1，2，3，…，k)的子截面内，则A点处光强为:由此光强叠加法便可得到接收面上各点的光强分布情况。具体实现的流程如图4所示。长春理工大学本课程设计论文相干光通信中，不能对光强进行简单的叠加，还要考虑各光线的相位差即折射后到达接收点所在平面各点的光程差，对此将在今后的工作中作进一步的研究。四、三维仿真结果利用以上光路传输方法和亮度计算方法对从100m高度入射到海中的蓝光传输过程进行了仿真，假设在水深60m处有接收机对光信号进行处理，且整个仿真过程仅考虑海面对光传输的影响。考虑到计算机运算速度和计算量的问题，本文所用光线数为41×41，接收平面为513×513的点阵。图5分别为风速(m/s)、风区(km)在(0．5，0．7)、(3，5)、(550)、(15，200)的情况下，某时刻接收平面上的光斑变化情况。其中图5(c)和(d)光强放大到2倍。图6为在以上四种情况下光斑中心点的光强变化情况。长春理工大学本课程设计论文由图5、图6可见，在不同