一種遠距離的水下可見光通信方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種遠距離的水下可見光通信方法及系統(tǒng)，按照已知的傳輸速率檢測發(fā)送端發(fā)送的可見光信息，并在檢測到多個比特的可見光信息后，計算接收到的每個比特的對數(shù)似然比；將接收到的每個比特的對數(shù)似然比相乘，構(gòu)建聯(lián)合判別準則；根據(jù)聯(lián)合判別準則判別接收到的每個比特的值?？梢?，本申請方案在檢測到多個比特的可見光信息后，計算接收到的每個比特的對數(shù)似然比，將接收到的每個比特的對數(shù)似然比相乘，構(gòu)建聯(lián)合判別準則，可以對接收端接收到的多個比特的可見光信息進行聯(lián)合檢測，充分利用接收到的可見光信息之間的相關(guān)性，提升遠距離單光子的檢測性能，相比較于單個比特的硬判決解調(diào)，能夠大大提升接收端的檢測性能。
【專利說明】
一種遠距離的水下可見光通信方法及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種遠距離的水下可見光通信方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于海水對藍綠光的衰減比對其它波段光的衰減要小很多，這使得利用藍綠光進 行水下光通信成為可能。
[0003] 相比于短距離通信鏈路，當可見光通信VLC用于遠距離傳輸(燈塔導引、井下監(jiān)控 系統(tǒng)、深海中繼通信)時，到達接收端的光子數(shù)通常很少，可見光信號甚至可能湮沒在噪聲 中。
[0004] 因此，當可見光通信VLC用于遠距離傳輸時，接收端的檢測性能很低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種遠距離的水下可見光通信方法及系統(tǒng)，以提高接收 端的檢測性能。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0007] -種遠距離的水下可見光通信方法，包括：
[0008] 按照已知的傳輸速率檢測發(fā)送端發(fā)送的可見光信息，并在檢測到多個比特的所述 可見光信息后，計算接收到的每個所述比特的對數(shù)似然比；
[0009] 將接收到的每個所述比特的所述對數(shù)似然比相乘，構(gòu)建聯(lián)合判別準則；
[0010] 根據(jù)所述聯(lián)合判別準則判別接收到的每個所述比特的值。
[0011] 優(yōu)選地，所述按照已知的傳輸速率檢測發(fā)送端發(fā)送的可見光信息，包括：
[0012] 利用單光子雪崩二級管SPAD構(gòu)建水下遠距離通信鏈路，并利用雙gamma函數(shù)脈沖 模型擬合實際信道脈沖，按照已知的傳輸速率檢測所述發(fā)送端發(fā)送的所述可見光信息。
[0013] 優(yōu)選地，所述將接收到的每個所述比特的所述對數(shù)似然比相乘，構(gòu)建聯(lián)合判別準 貝1J，包括：
[0014] 將接收到的每個所述比特的所述對數(shù)似然比相乘，計算總對數(shù)似然比的最大值， 并根據(jù)所述最大值構(gòu)建聯(lián)合判別準則。
[0015] 優(yōu)選地，所述可見光信息是由所述發(fā)送端采用二進制啟閉鍵控00K調(diào)制方式發(fā)送 的。
[0016] -種遠距離的水下可見光通信系統(tǒng)，包括：
[0017] 檢測模塊，用于按照已知的傳輸速率檢測發(fā)送端發(fā)送的可見光信息，并在檢測到 多個比特的所述可見光信息后，計算接收到的每個所述比特的對數(shù)似然比；
[0018] 構(gòu)建模塊，用于將接收到的每個所述比特的所述對數(shù)似然比相乘，構(gòu)建聯(lián)合判別 準則；
[0019] 判別模塊，用于根據(jù)所述聯(lián)合判別準則判別接收到的每個所述比特的值。
[0020] 優(yōu)選地，所述檢測模塊，具體用于：
[0021] 利用單光子雪崩二級管SPAD構(gòu)建水下遠距離通信鏈路，并利用雙gamma函數(shù)脈沖 模型擬合實際信道脈沖，按照已知的傳輸速率檢測所述發(fā)送端發(fā)送的所述可見光信息。 [0022]優(yōu)選地，所述構(gòu)建模塊，具體用于：
[0023] 將接收到的每個所述比特的所述對數(shù)似然比相乘，計算總對數(shù)似然比的最大值， 并根據(jù)所述最大值構(gòu)建聯(lián)合判別準則。
[0024] 優(yōu)選地，所述可見光信息是由所述發(fā)送端采用二進制啟閉鍵控00K調(diào)制方式發(fā)送 的。
[0025]通過本發(fā)明提供的遠距離的水下可見光通信方法及系統(tǒng)，按照已知的傳輸速率檢 測發(fā)送端發(fā)送的可見光信息，并在檢測到多個比特的所述可見光信息后，計算接收到的每 個所述比特的對數(shù)似然比；將接收到的每個所述比特的所述對數(shù)似然比相乘，構(gòu)建聯(lián)合判 別準則;根據(jù)所述聯(lián)合判別準則判別接收到的每個所述比特的值。可見，本申請方案在檢測 到多個比特的所述可見光信息后，計算接收到的每個所述比特的對數(shù)似然比，將接收到的 每個所述比特的所述對數(shù)似然比相乘，構(gòu)建聯(lián)合判別準則，可以對接收端接收到的多個比 特的可見光信息進行聯(lián)合檢測，充分利用接收到的可見光信息之間的相關(guān)性，提升遠距離 單光子的檢測性能，相比較于單個比特的硬判決解調(diào)，能夠大大提升接收端的檢測性能。
【附圖說明】
[0026] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0027] 圖1是本發(fā)明第一具體實施例提供的遠距離的水下可見光通信方法的流程示意 圖；
[0028] 圖2是本發(fā)明第二具體實施例提供的遠距離的水下可見光通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意 圖。
【具體實施方式】
[0029] 本發(fā)明提供了一種遠距離的水下可見光通信方法，以及一種遠距離的水下可見光 通信系統(tǒng)，能夠提升接收端的檢測性能。
[0030] 下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；?本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0031] 請參閱圖1，圖1是本發(fā)明第一具體實施例提供的遠距離的水下可見光通信方法的 流程示意圖。
[0032] 本發(fā)明第一具體實施例提供的遠距離的水下可見光通信方法，包括以下步驟：
[0033] S101:按照已知的傳輸速率檢測發(fā)送端發(fā)送的可見光信息，并在檢測到多個比特 的所述可見光信息后，計算接收到的每個所述比特的對數(shù)似然比；
[0034]本發(fā)明屬于基于水下可見光通信的高效檢測技術(shù)，具體是指近海和港口條件下的 遠距離物理層通信。
[0035]在本申請實施例中，所述可見光信息是由所述發(fā)送端采用二進制啟閉鍵控00K調(diào) 制方式發(fā)送的。在按照已知的傳輸速率檢測發(fā)送端發(fā)送的可見光信息時，是利用單光子雪 崩二級管SPAD構(gòu)建水下遠距離通信鏈路，并利用雙gamma函數(shù)脈沖模型擬合實際信道脈沖， 按照已知的傳輸速率檢測所述發(fā)送端發(fā)送的所述可見光信息的。
[0036]相比于傳統(tǒng)光電二極管PD，單光子雪崩二極管SPAD可以檢測單一光子。目前公開 的材料顯示，在傳輸速率為lkb/s時，SPAD的性能優(yōu)于普通PD約46dB，在傳輸速率為IMb/s 時，SPAD的性能優(yōu)于普通Η)約30.5dB。利用SPAD構(gòu)建水下遠距離通信鏈路，可以實現(xiàn)數(shù)千米 范圍內(nèi)數(shù)十Mbps的通信量級。
[0037] 近海和港口的水下可見光通信信道的脈沖響應(yīng)沒有簡單普適的閉式表達式，只能 通過數(shù)值模擬獲取特定條件下的信道描述?；谶h距離渾濁水中的衰減距離大，多重散射 占主要地位，可以用雙Gamma函數(shù)的閉式表達式來近似表示信道的沖擊響應(yīng)。雙Gamma函數(shù) 的閉式表達式為：
[0038]
[0039]
[0040] 對于水下遠距離單光子檢測系統(tǒng)，發(fā)送端LED采用開關(guān)鍵控00K調(diào)制方式，單光子 雪崩二極管SPAD檢測的是光子數(shù)，在一個比特傳輸時間內(nèi)，SPAD接收到的光子數(shù)服從泊松 分布。對于單個比特而言，如果檢測時沒有和相鄰的幾個比特相關(guān)，檢測的性能則不會是最 優(yōu)的。
[0041 ] S102:將接收到的每個所述比特的所述對數(shù)似然比相乘，構(gòu)建聯(lián)合判別準則；
[0042]本申請實施例中，在將接收到的每個所述比特的所述對數(shù)似然比相乘，構(gòu)建聯(lián)合 判別準則時，是將接收到的每個所述比特的所述對數(shù)似然比相乘，計算總對數(shù)似然比的最 大值，并根據(jù)所述最大值構(gòu)建聯(lián)合判別準則。
[0043]具體的，本發(fā)明的檢測方法的實施條件是發(fā)送端采用00K調(diào)制，物理條件是由于水 下通信條件下，水流的湍流變化在固定的一段時間內(nèi)可以認為是緩慢變化的，當信號的傳 輸速率在數(shù)百Mbp s到數(shù)千Mbp s之間變化時，信道的雙gamma函數(shù)可以認為是相對恒定的。換 言之，在1-lOOus范圍內(nèi)，認為信道h(t)是恒定的。接收端SPAD檢測到若干個比特的信息后， 進行聯(lián)合檢測。
[0044] r(k) =n(h(t)*p(t))s(k)+n(h(t)*pn〇ise(t))+Ndcr · T
[0045] r(k+l)=n(h(t+T)*p(t+T))s(k+l)+n(h(+Tt)*pn〇ise(t+T))+NDCR · T
[0046] ……
[0047] r(k+n-l)=n(h(t+(n-l)T)*p(t+(n-l)T))s(k+l)+
[0048] n(h(t+(n-l)T)*pn〇ise(t+(n-l)T))+NDCR · T
[0049] 聯(lián)合判別準則』
[0050] 其中，r(k)表示第k個接收信號，r(k+n-l)表示第k+n個接收信號，h(t)表征信道，s (k)表征發(fā)送信號，ri表示轉(zhuǎn)換因子，NDCR為暗計數(shù)，T為單個比特的持續(xù)后期。
[0051] S103:根據(jù)所述聯(lián)合判別準則判別接收到的每個所述比特的值。
[0052]本發(fā)明的目的在于提供了一種水下的遠距離單光子多比特聯(lián)合檢測方案，該方案 采用了一種新穎的多個比特的聯(lián)合檢測方法，提升了系統(tǒng)的檢測性能。這種基于多比特的 聯(lián)合檢測方案通過計算軟信息(概率），在發(fā)送端0和1等概率發(fā)送時，等效為最大似然ML檢 測，接收端相當于最大似然判別準則。相比較于單個比特的硬判決解調(diào)，該方案的可以獲得 更好的性能增益?？傮w而言，本發(fā)明提出了針對水下環(huán)境的遠距離高效檢測的方案，可以提 升系統(tǒng)的性能，本發(fā)明的意義就在于此。
[0053]這種基于軟信息的最大似然序列檢測技術(shù)，在適合近海以及港口的環(huán)境的雙 gamma函數(shù)脈沖模型下，通過對SPAD接收到的光子數(shù)進行聯(lián)合多比特檢測，接收端SPAD檢測 的得到光子數(shù)后，采用對數(shù)邏輯似然率LLR計算多個比特的光字數(shù)的軟信息，大大提升了傳 輸系統(tǒng)的性能?？傮w而言，根據(jù)本發(fā)明采用的多符號聯(lián)合解調(diào)算法，有效的保證了其直接應(yīng) 用性。
[0054] 此外，本發(fā)明還提供了一種上述遠距離的水下可見光通信方法對應(yīng)的遠距離的水 下可見光通信系統(tǒng)，參照圖2所示，是本發(fā)明第二具體實施例提供的遠距離的水下可見光通 信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。該系統(tǒng)包括：
[0055] 檢測模塊1，用于按照已知的傳輸速率檢測發(fā)送端發(fā)送的可見光信息，并在檢測到 多個比特的所述可見光信息后，計算接收到的每個所述比特的對數(shù)似然比；
[0056] 優(yōu)選地，所述可見光信息是由所述發(fā)送端采用二進制啟閉鍵控00K調(diào)制方式發(fā)送 的。
[0057]優(yōu)選地，所述檢測模塊1，具體用于：
[0058] 利用單光子雪崩二級管SPAD構(gòu)建水下遠距離通信鏈路，并利用雙gamma函數(shù)脈沖 模型擬合實際信道脈沖，按照已知的傳輸速率檢測所述發(fā)送端發(fā)送的所述可見光信息。
[0059] 構(gòu)建模塊2,用于將接收到的每個所述比特的所述對數(shù)似然比相乘，構(gòu)建聯(lián)合判別 準則；
[0060] 優(yōu)選地，所述構(gòu)建模塊2,具體用于：
[0061] 將接收到的每個所述比特的所述對數(shù)似然比相乘，計算總對數(shù)似然比的最大值， 并根據(jù)所述最大值構(gòu)建聯(lián)合判別準則。
[0062] 判別模塊3，用于根據(jù)所述聯(lián)合判別準則判別接收到的每個所述比特的值。
[0063]本申請實施例提供的遠距離的水下可見光通信系統(tǒng)，可以采用上述方法實施例中 的遠距離的水下可見光通信方法，具體功能可以參照上述任一方法實施例中的步驟描述， 此處不再贅述。
[0064]通過本發(fā)明提供的遠距離的水下可見光通信方法及系統(tǒng)，按照已知的傳輸速率檢 測發(fā)送端發(fā)送的可見光信息，并在檢測到多個比特的所述可見光信息后，計算接收到的每 個所述比特的對數(shù)似然比；將接收到的每個所述比特的所述對數(shù)似然比相乘，構(gòu)建聯(lián)合判 別準則;根據(jù)所述聯(lián)合判別準則判別接收到的每個所述比特的值?？梢?，本申請方案在檢測 到多個比特的所述可見光信息后，計算接收到的每個所述比特的對數(shù)似然比，將接收到的 每個所述比特的所述對數(shù)似然比相乘，構(gòu)建聯(lián)合判別準則，可以對接收端接收到的多個比 特的可見光信息進行聯(lián)合檢測，充分利用接收到的可見光信息之間的相關(guān)性，提升遠距離 單光子的檢測性能，相比較于單個比特的硬判決解調(diào)，能夠大大提升接收端的檢測性能。
[0065]為了描述的方便，描述以上裝置時以功能分為各種單元分別描述。當然，在實施本 申請時可以把各單元的功能在同一個或多個軟件和/或硬件中實現(xiàn)。
[0066] 本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部 分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對于裝置或 系統(tǒng)實施例而言，由于其基本相似于方法實施例，所以描述得比較簡單，相關(guān)之處參見方法 實施例的部分說明即可。以上所描述的裝置及系統(tǒng)實施例僅僅是示意性的，其中所述作為 分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或 者也可以不是物理單元，即可以位于一個地方，或者也可以分布到多個網(wǎng)絡(luò)單元上。可以根 據(jù)實際的需要選擇其中的部分或者全部模塊來實現(xiàn)本實施例方案的目的。本領(lǐng)域普通技術(shù) 人員在不付出創(chuàng)造性勞動的情況下，即可以理解并實施。
[0067] 專業(yè)人員還可以進一步意識到，結(jié)合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元 及算法步驟，能夠以電子硬件、計算機軟件或者二者的結(jié)合來實現(xiàn)，為了清楚地說明硬件和 軟件的可互換性，在上述說明中已經(jīng)按照功能一般性地描述了各示例的組成及步驟。這些 功能究竟以硬件還是軟件方式來執(zhí)行，取決于技術(shù)方案的特定應(yīng)用和設(shè)計約束條件。專業(yè) 技術(shù)人員可以對每個特定的應(yīng)用來使用不同方法來實現(xiàn)所描述的功能，但是這種實現(xiàn)不應(yīng) 認為超出本發(fā)明的范圍。
[0068] 結(jié)合本文中所公開的實施例描述的方法或算法的步驟可以直接用硬件、處理器執(zhí) 行的軟件模塊，或者二者的結(jié)合來實施。軟件模塊可以置于隨機存儲器(RAM)、內(nèi)存、只讀存 儲器(R0M)、電可編程R0M、電可擦除可編程R0M、寄存器、硬盤、可移動磁盤、CD-ROM、或技術(shù) 領(lǐng)域內(nèi)所公知的任意其它形式的存儲介質(zhì)中。
[0069] 對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。 對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的 一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明 將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一 致的最寬的范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種遠距離的水下可見光通信方法，其特征在于，包括： 按照已知的傳輸速率檢測發(fā)送端發(fā)送的可見光信息，并在檢測到多個比特的所述可見 光信息后，計算接收到的每個所述比特的對數(shù)似然比； 將接收到的每個所述比特的所述對數(shù)似然比相乘，構(gòu)建聯(lián)合判別準則； 根據(jù)所述聯(lián)合判別準則判別接收到的每個所述比特的值。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述按照已知的傳輸速率檢測發(fā)送端發(fā)送 的可見光信息，包括： 利用單光子雪崩二級管SPAD構(gòu)建水下遠距離通信鏈路，并利用雙gamma函數(shù)脈沖模型 擬合實際信道脈沖，按照已知的傳輸速率檢測所述發(fā)送端發(fā)送的所述可見光信息。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述將接收到的每個所述比特的所述對數(shù) 似然比相乘，構(gòu)建聯(lián)合判別準則，包括： 將接收到的每個所述比特的所述對數(shù)似然比相乘，計算總對數(shù)似然比的最大值，并根 據(jù)所述最大值構(gòu)建聯(lián)合判別準則。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述可見光信息是由所述發(fā)送端采用二進 制啟閉鍵控OOK調(diào)制方式發(fā)送的。5. -種遠距離的水下可見光通信系統(tǒng)，其特征在于，包括： 檢測模塊，用于按照已知的傳輸速率檢測發(fā)送端發(fā)送的可見光信息，并在檢測到多個 比特的所述可見光信息后，計算接收到的每個所述比特的對數(shù)似然比； 構(gòu)建模塊，用于將接收到的每個所述比特的所述對數(shù)似然比相乘，構(gòu)建聯(lián)合判別準則； 判別模塊，用于根據(jù)所述聯(lián)合判別準則判別接收到的每個所述比特的值。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測模塊，具體用于： 利用單光子雪崩二級管SPAD構(gòu)建水下遠距離通信鏈路，并利用雙gamma函數(shù)脈沖模型 擬合實際信道脈沖，按照已知的傳輸速率檢測所述發(fā)送端發(fā)送的所述可見光信息。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述構(gòu)建模塊，具體用于： 將接收到的每個所述比特的所述對數(shù)似然比相乘，計算總對數(shù)似然比的最大值，并根 據(jù)所述最大值構(gòu)建聯(lián)合判別準則。8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述可見光信息是由所述發(fā)送端采用二進 制啟閉鍵控OOK調(diào)制方式發(fā)送的。
【文檔編號】H04B10/61GK105933062SQ201610504423
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月24日
【發(fā)明人】朱義君, 王超, 于宏毅, 鄔江興, 張劍, 田忠駿, 仵國鋒, 汪濤, 劉洛琨, 李青
【申請人】中國人民解放軍信息工程大學