一種遠距離的水下可見光通信方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種遠距離的水下可見光通信方法及系統，按照已知的傳輸速率檢測發送端發送的可見光信息，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似然比；將接收到的每個比特的對數似然比相乘，構建聯合判別準則；根據聯合判別準則判別接收到的每個比特的值。可見，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似然比，將接收到的每個比特的對數似然比相乘，構建聯合判別準則，可以對接收端接收到的多個比特的可見光信息進行聯合檢測，充分利用接收到的可見光信息之間的相關性，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，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
技術領域
[0001] 本發明涉及通信技術領域，特別涉及一種遠距離的水下可見光通信方法及系統。
【背景技術】
[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、井下監控 系統、深海中繼通信)時，到達接收端的光子數通常很少，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。
【發明內容】
[0005] 有鑒于此，本發明提供了一種遠距離的水下可見光通信方法及系統，以提高接收 端的檢測性能。
[0006] 為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：
[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送端發送的可見光信息，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似然比；
[0009] 將接收到的每個所述比特的所述對數似然比相乘，構建聯合判別準則；
[0010] 根據所述聯合判別準則判別接收到的每個所述比特的值。
[0011] 優選地，所述按照已知的傳輸速率檢測發送端發送的可見光信息，包括：
[0012] 利用單光子雪崩二級管SPAD構建水下遠距離通信鏈路，并利用雙gamma函數脈沖 模型擬合實際信道脈沖，按照已知的傳輸速率檢測所述發送端發送的所述可見光信息。
[0013] 優選地，所述將接收到的每個所述比特的所述對數似然比相乘，構建聯合判別準 貝1J，包括：
[0014] 將接收到的每個所述比特的所述對數似然比相乘，計算總對數似然比的最大值， 并根據所述最大值構建聯合判別準則。
[0015] 優選地，所述可見光信息是由所述發送端采用二進制啟閉鍵控00K調制方式發送 的。
[0016] -種遠距離的水下可見光通信系統，包括：
[0017] 檢測模塊，用于按照已知的傳輸速率檢測發送端發送的可見光信息，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似然比；
[0018] 構建模塊，用于將接收到的每個所述比特的所述對數似然比相乘，構建聯合判別 準則；
[0019] 判別模塊，用于根據所述聯合判別準則判別接收到的每個所述比特的值。
[0020] 優選地，所述檢測模塊，具體用于：
[0021] 利用單光子雪崩二級管SPAD構建水下遠距離通信鏈路，并利用雙gamma函數脈沖 模型擬合實際信道脈沖，按照已知的傳輸速率檢測所述發送端發送的所述可見光信息。 [0022]優選地，所述構建模塊，具體用于：
[0023] 將接收到的每個所述比特的所述對數似然比相乘，計算總對數似然比的最大值， 并根據所述最大值構建聯合判別準則。
[0024] 優選地，所述可見光信息是由所述發送端采用二進制啟閉鍵控00K調制方式發送 的。
[0025]通過本發明提供的遠距離的水下可見光通信方法及系統，按照已知的傳輸速率檢 測發送端發送的可見光信息，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 個所述比特的對數似然比；將接收到的每個所述比特的所述對數似然比相乘，構建聯合判 別準則;根據所述聯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似然比，將接收到的 每個所述比特的所述對數似然比相乘，構建聯合判別準則，可以對接收端接收到的多個比 特的可見光信息進行聯合檢測，充分利用接收到的可見光信息之間的相關性，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，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明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術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 發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以 根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0027] 圖1是本發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是本發明第二具體實施例提供的遠距離的水下可見光通信系統的結構示意 圖。
【具體實施方式】
[0029] 本發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，能夠提升接收端的檢測性能。
[0030] 下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0031] 請參閱圖1，圖1是本發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送端發送的可見光信息，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似然比；
[0034]本發明屬于基于水下可見光通信的高效檢測技術，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送端采用二進制啟閉鍵控00K調 制方式發送的。在按照已知的傳輸速率檢測發送端發送的可見光信息時，是利用單光子雪 崩二級管SPAD構建水下遠距離通信鏈路，并利用雙gamma函數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送端發送的所述可見光信息的。
[0036]相比于傳統光電二極管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的性能優于普通PD約46dB，在傳輸速率為IMb/s 時，SPAD的性能優于普通Η)約30.5dB。利用SPAD構建水下遠距離通信鏈路，可以實現數千米 范圍內數十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沒有簡單普適的閉式表達式，只能 通過數值模擬獲取特定條件下的信道描述。基于遠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函數的閉式表達式來近似表示信道的沖擊響應。雙Gamma函數 的閉式表達式為：
[0038]
[0039]
[0040] 對于水下遠距離單光子檢測系統，發送端LED采用開關鍵控00K調制方式，單光子 雪崩二極管SPAD檢測的是光子數，在一個比特傳輸時間內，SPAD接收到的光子數服從泊松 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，檢測的性能則不會是最 優的。
[0041 ] S102:將接收到的每個所述比特的所述對數似然比相乘，構建聯合判別準則；
[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似然比相乘，構建聯合 判別準則時，是將接收到的每個所述比特的所述對數似然比相乘，計算總對數似然比的最 大值，并根據所述最大值構建聯合判別準則。
[0043]具體的，本發明的檢測方法的實施條件是發送端采用00K調制，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可以認為是緩慢變化的，當信號的傳 輸速率在數百Mbp s到數千Mbp s之間變化時，信道的雙gamma函數可以認為是相對恒定的。換 言之，在1-lOOus范圍內，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)表征發送信號，ri表示轉換因子，NDCR為暗計數，T為單個比特的持續后期。
[0051] S103:根據所述聯合判別準則判別接收到的每個所述比特的值。
[0052]本發明的目的在于提供了一種水下的遠距離單光子多比特聯合檢測方案，該方案 采用了一種新穎的多個比特的聯合檢測方法，提升了系統的檢測性能。這種基于多比特的 聯合檢測方案通過計算軟信息(概率），在發送端0和1等概率發送時，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，該方案的可以獲得 更好的性能增益。總體而言，本發明提出了針對水下環境的遠距離高效檢測的方案，可以提 升系統的性能，本發明的意義就在于此。
[0053]這種基于軟信息的最大似然序列檢測技術，在適合近海以及港口的環境的雙 gamma函數脈沖模型下，通過對SPAD接收到的光子數進行聯合多比特檢測，接收端SPAD檢測 的得到光子數后，采用對數邏輯似然率LLR計算多個比特的光字數的軟信息，大大提升了傳 輸系統的性能。總體而言，根據本發明采用的多符號聯合解調算法，有效的保證了其直接應 用性。
[0054] 此外，本發明還提供了一種上述遠距離的水下可見光通信方法對應的遠距離的水 下可見光通信系統，參照圖2所示，是本發明第二具體實施例提供的遠距離的水下可見光通 信系統的結構示意圖。該系統包括：
[0055] 檢測模塊1，用于按照已知的傳輸速率檢測發送端發送的可見光信息，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似然比；
[0056] 優選地，所述可見光信息是由所述發送端采用二進制啟閉鍵控00K調制方式發送 的。
[0057]優選地，所述檢測模塊1，具體用于：
[0058] 利用單光子雪崩二級管SPAD構建水下遠距離通信鏈路，并利用雙gamma函數脈沖 模型擬合實際信道脈沖，按照已知的傳輸速率檢測所述發送端發送的所述可見光信息。
[0059] 構建模塊2,用于將接收到的每個所述比特的所述對數似然比相乘，構建聯合判別 準則；
[0060] 優選地，所述構建模塊2,具體用于：
[0061] 將接收到的每個所述比特的所述對數似然比相乘，計算總對數似然比的最大值， 并根據所述最大值構建聯合判別準則。
[0062] 判別模塊3，用于根據所述聯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，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]通過本發明提供的遠距離的水下可見光通信方法及系統，按照已知的傳輸速率檢 測發送端發送的可見光信息，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 個所述比特的對數似然比；將接收到的每個所述比特的所述對數似然比相乘，構建聯合判 別準則;根據所述聯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似然比，將接收到的 每個所述比特的所述對數似然比相乘，構建聯合判別準則，可以對接收端接收到的多個比 特的可見光信息進行聯合檢測，充分利用接收到的可見光信息之間的相關性，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，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。
[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絡單元上。可以根 據實際的需要選擇其中的部分或者全部模塊來實現本實施例方案的目的。本領域普通技術 人員在不付出創造性勞動的情況下，即可以理解并實施。
[0067] 專業人員還可以進一步意識到，結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合來實現，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行，取決于技術方案的特定應用和設計約束條件。專業 技術人員可以對每個特定的應用來使用不同方法來實現所描述的功能，但是這種實現不應 認為超出本發明的范圍。
[0068] 結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 行的軟件模塊，或者二者的結合來實施。軟件模塊可以置于隨機存儲器(RAM)、內存、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 領域內所公知的任意其它形式的存儲介質中。
[0069] 對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。 對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術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明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明 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送端發送的可見光信息，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似然比； 將接收到的每個所述比特的所述對數似然比相乘，構建聯合判別準則； 根據所述聯合判別準則判別接收到的每個所述比特的值。2. 根據權利要求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送端發送 的可見光信息，包括： 利用單光子雪崩二級管SPAD構建水下遠距離通信鏈路，并利用雙gamma函數脈沖模型 擬合實際信道脈沖，按照已知的傳輸速率檢測所述發送端發送的所述可見光信息。3. 根據權利要求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 似然比相乘，構建聯合判別準則，包括： 將接收到的每個所述比特的所述對數似然比相乘，計算總對數似然比的最大值，并根 據所述最大值構建聯合判別準則。4. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述可見光信息是由所述發送端采用二進 制啟閉鍵控OOK調制方式發送的。5. -種遠距離的水下可見光通信系統，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送端發送的可見光信息，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似然比； 構建模塊，用于將接收到的每個所述比特的所述對數似然比相乘，構建聯合判別準則； 判別模塊，用于根據所述聯合判別準則判別接收到的每個所述比特的值。6. 根據權利要求5所述的系統，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構建水下遠距離通信鏈路，并利用雙gamma函數脈沖模型 擬合實際信道脈沖，按照已知的傳輸速率檢測所述發送端發送的所述可見光信息。7. 根據權利要求5所述的系統，其特征在于，所述構建模塊，具體用于： 將接收到的每個所述比特的所述對數似然比相乘，計算總對數似然比的最大值，并根 據所述最大值構建聯合判別準則。8. 根據權利要求5所述的系統，其特征在于，所述可見光信息是由所述發送端采用二進 制啟閉鍵控OOK調制方式發送的。
【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