Page 35 - 网络电信2023年2月刊

光 通 信

基于微气泡散射的水下无线光通信复合信道

建模

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贺锋涛 ，杨航宇 ，李碧丽 ，寇琳琳 ，张建磊 ，聂 欢 ，南艺璇
１. 西安邮电大学电子工程学院
２. 中国船舶集团公司第７０５研究所水下信息与控制重点实验室
摘 要：海浪、船舶尾流以及海洋生物游动与呼吸等原因会导致海水中存在大量的气泡，气泡群带来的
散射效应对光信号的水下传输具有重要影响，但典型的水下无线光通信信道模型一般不考虑气泡群带来的
负面效应。为了进一步完善传统的水下无线光通信信道模型，本文利用Mie散射理论分析海水中的微气泡
及微气泡群光散射特性，基于蒙特卡洛法建立包含气泡散射的复合海水信道模型，分析不同海水水质、气
泡密度、链路距离等参数条件下接收端的光学特性和信号特性。结果表明：当链路距离为5 m时，随着气
泡密度的增大，接收端光斑的弥散程度加剧，其面积可增至初始大小的3～5倍，中心能量也显著降低，最
多可降至最大值的0.5%;当链路距离为10～40 m时，气泡群的存在以及链路距离的增长会导致接收端第一
次接收到光子的时间延长约10～200 ns,且使脉冲展宽值增大；当链路距离为2～10 m时，气泡群密度的
增大最多可使归一化接收功率降低至初始值的0.004%,但随着水质的恶化，其他粒子含量提高，气泡群对
接收功率的影响逐渐减小。该研究可以为水下无线光通信系统的设计和理论分析提供参考。
关键词：水下无线光通信;Mie散射;微气泡;蒙特卡洛法;信道建模;

引 言 泡和温度梯度时的辐照度波动，但研究过程中使用空气流量来
水下无线光通信具有高传输带宽，高数据速率，高安全 表征气泡水平，不能直观的表达气泡的尺寸、密度等参数对辐
性及低成本等诸多优点，是海洋探索过程中的一项重要技术手 照度的影响；Oubei等人[13]将接收强度作为指标，通过实验分
段。然而，由于光在水下传输时容易受到水体中存在的各种微 析了不同大小、密度的气泡种群下UWOC系统的接收性能，给出
粒、湍流以及气泡的影响，导致光信号衰落或接收端处的光斑 了不同流量下气泡的尺寸分布，并提出使用光束展宽技术来降
闪烁，从而降低UWOC系统的性能[1]。目前已有许多国内外学者 低气泡对UWOC通信性能的影响；SHIN等人[14]提出了单个气泡
[2,3,4,5,6]从理论或实验入手研究了上述因素对UWOC系统性能 的产生、大小和水平分布的统计模型以模拟真实的水下气泡，
的影响，但对气泡散射效应带来的性能恶化考虑不足。 在此基础上研究了随机气泡对光束传播的阻碍，建立了气泡存
海浪、船舶尾流以及海洋生物游动与呼吸等原因会导致海 在时归一化接收功率的统计模型。以上研究虽然具有重要的参
水中存在大量的气泡，大气泡可使用几何光学分析，微小气泡 考价值，但存在链路距离较短和海水环境模拟困难等局限，从
则可以近似为粒子散射[7]。微气泡的光散射特性研究已有一定 而影响了模型的准确性和有效性。
的理论基础：Arnott等人[8]研究了单气泡临界角附近的光散射 基于此，本文提出一种耦合微气泡群散射和粒子吸收散
情况，并发现对于半径小于150 μm的气泡，可使用Mie散射理 射的复合信道模型，能够综合考虑粒子吸收散射及微气泡散射
论分析；Zhang[9]等人提出海水中气泡的散射可从总体散射函 对海水信道的影响，可为水下无线光通信系统的设计和性能
数中推断出来，解决了海洋气泡群引起的体积散射不能直接测 分析提供理论参考。首先基于Mie散射理论分析海水中半径为
量的问题；Lee等人[10]使用体积散射仪测量了气泡群的体积散 10～150 μm之间的单个微气泡的散射光特性，利用Junge谱
射函数，进一步证明了临界角处的散射增强。 [15]对气泡尺寸抽样，推导了微气泡群的体散射函数及散射相
近年来，有科研人员开始关注水体中气泡对UWOC系统性能 函数；结合HG散射相函数[16],得到了包含气泡散射的复合信道
的影响，但研究存在一定的局限性。例如，Jamali等人[11]通 的光散射特性参数；利用蒙特卡洛方法建立包含粒子吸收散射
过实验研究了有气泡存在时温度或盐度随机变化的UWOC接收强 与气泡散射的UWOC复合信道模型。通过对到达接收面的信号特
度波动的统计分布，并建立了这三种信道场景下的模型，提出 性进行统计，分析不同水质参数、气泡密度、链路距离等条件
采用发射波束扩展器-准直器和接收孔径平均透镜来降低链路对 下的光斑弥散情况和空间能量分布、时域扩展特性以及归一化
光束散射的敏感性；Zedini等人[12]结合实验数据，提出了一 接收功率。
种由指数分布和伽马分布加权表示的统计模型，可表征存在气

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