一种远距离的水下可见光通信方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种远距离的水下可见光通信方法及系统，按照已知的传输速率检测发送端发送的可见光信息，并在检测到多个比特的可见光信息后，计算接收到的每个比特的对数似然比；将接收到的每个比特的对数似然比相乘，构建联合判别准则；根据联合判别准则判别接收到的每个比特的值。可见，本申请方案在检测到多个比特的可见光信息后，计算接收到的每个比特的对数似然比，将接收到的每个比特的对数似然比相乘，构建联合判别准则，可以对接收端接收到的多个比特的可见光信息进行联合检测，充分利用接收到的可见光信息之间的相关性，提升远距离单光子的检测性能，相比较于单个比特的硬判决解调，能够大大提升接收端的检测性能。
【专利说明】
一种远距离的水下可见光通信方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种远距离的水下可见光通信方法及系统。
【背景技术】
[0002] 由于海水对蓝绿光的衰减比对其它波段光的衰减要小很多，这使得利用蓝绿光进 行水下光通信成为可能。
[0003] 相比于短距离通信链路，当可见光通信VLC用于远距离传输(灯塔导引、井下监控 系统、深海中继通信)时，到达接收端的光子数通常很少，可见光信号甚至可能湮没在噪声 中。
[0004] 因此，当可见光通信VLC用于远距离传输时，接收端的检测性能很低。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明提供了一种远距离的水下可见光通信方法及系统，以提高接收 端的检测性能。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0007] -种远距离的水下可见光通信方法，包括：
[0008] 按照已知的传输速率检测发送端发送的可见光信息，并在检测到多个比特的所述 可见光信息后，计算接收到的每个所述比特的对数似然比；
[0009] 将接收到的每个所述比特的所述对数似然比相乘，构建联合判别准则；
[0010] 根据所述联合判别准则判别接收到的每个所述比特的值。
[0011] 优选地，所述按照已知的传输速率检测发送端发送的可见光信息，包括：
[0012] 利用单光子雪崩二级管SPAD构建水下远距离通信链路，并利用双gamma函数脉冲 模型拟合实际信道脉冲，按照已知的传输速率检测所述发送端发送的所述可见光信息。
[0013] 优选地，所述将接收到的每个所述比特的所述对数似然比相乘，构建联合判别准 贝1J，包括：
[0014] 将接收到的每个所述比特的所述对数似然比相乘，计算总对数似然比的最大值， 并根据所述最大值构建联合判别准则。
[0015] 优选地，所述可见光信息是由所述发送端采用二进制启闭键控00K调制方式发送 的。
[0016] -种远距离的水下可见光通信系统，包括：
[0017] 检测模块，用于按照已知的传输速率检测发送端发送的可见光信息，并在检测到 多个比特的所述可见光信息后，计算接收到的每个所述比特的对数似然比；
[0018] 构建模块，用于将接收到的每个所述比特的所述对数似然比相乘，构建联合判别 准则；
[0019] 判别模块，用于根据所述联合判别准则判别接收到的每个所述比特的值。
[0020] 优选地，所述检测模块，具体用于：
[0021] 利用单光子雪崩二级管SPAD构建水下远距离通信链路，并利用双gamma函数脉冲 模型拟合实际信道脉冲，按照已知的传输速率检测所述发送端发送的所述可见光信息。 [0022]优选地，所述构建模块，具体用于：
[0023] 将接收到的每个所述比特的所述对数似然比相乘，计算总对数似然比的最大值， 并根据所述最大值构建联合判别准则。
[0024] 优选地，所述可见光信息是由所述发送端采用二进制启闭键控00K调制方式发送 的。
[0025]通过本发明提供的远距离的水下可见光通信方法及系统，按照已知的传输速率检 测发送端发送的可见光信息，并在检测到多个比特的所述可见光信息后，计算接收到的每 个所述比特的对数似然比；将接收到的每个所述比特的所述对数似然比相乘，构建联合判 别准则;根据所述联合判别准则判别接收到的每个所述比特的值。可见，本申请方案在检测 到多个比特的所述可见光信息后，计算接收到的每个所述比特的对数似然比，将接收到的 每个所述比特的所述对数似然比相乘，构建联合判别准则，可以对接收端接收到的多个比 特的可见光信息进行联合检测，充分利用接收到的可见光信息之间的相关性，提升远距离 单光子的检测性能，相比较于单个比特的硬判决解调，能够大大提升接收端的检测性能。
【附图说明】
[0026] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0027] 图1是本发明第一具体实施例提供的远距离的水下可见光通信方法的流程示意 图；
[0028] 图2是本发明第二具体实施例提供的远距离的水下可见光通信系统的结构示意 图。
【具体实施方式】
[0029] 本发明提供了一种远距离的水下可见光通信方法，以及一种远距离的水下可见光 通信系统，能够提升接收端的检测性能。
[0030] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031] 请参阅图1，图1是本发明第一具体实施例提供的远距离的水下可见光通信方法的 流程示意图。
[0032] 本发明第一具体实施例提供的远距离的水下可见光通信方法，包括以下步骤：
[0033] S101:按照已知的传输速率检测发送端发送的可见光信息，并在检测到多个比特 的所述可见光信息后，计算接收到的每个所述比特的对数似然比；
[0034]本发明属于基于水下可见光通信的高效检测技术，具体是指近海和港口条件下的 远距离物理层通信。
[0035]在本申请实施例中，所述可见光信息是由所述发送端采用二进制启闭键控00K调 制方式发送的。在按照已知的传输速率检测发送端发送的可见光信息时，是利用单光子雪 崩二级管SPAD构建水下远距离通信链路，并利用双gamma函数脉冲模型拟合实际信道脉冲， 按照已知的传输速率检测所述发送端发送的所述可见光信息的。
[0036]相比于传统光电二极管PD，单光子雪崩二极管SPAD可以检测单一光子。目前公开 的材料显示，在传输速率为lkb/s时，SPAD的性能优于普通PD约46dB，在传输速率为IMb/s 时，SPAD的性能优于普通Η)约30.5dB。利用SPAD构建水下远距离通信链路，可以实现数千米 范围内数十Mbps的通信量级。
[0037] 近海和港口的水下可见光通信信道的脉冲响应没有简单普适的闭式表达式，只能 通过数值模拟获取特定条件下的信道描述。基于远距离浑浊水中的衰减距离大，多重散射 占主要地位，可以用双Gamma函数的闭式表达式来近似表示信道的冲击响应。双Gamma函数 的闭式表达式为：
[0038]
[0039]
[0040] 对于水下远距离单光子检测系统，发送端LED采用开关键控00K调制方式，单光子 雪崩二极管SPAD检测的是光子数，在一个比特传输时间内，SPAD接收到的光子数服从泊松 分布。对于单个比特而言，如果检测时没有和相邻的几个比特相关，检测的性能则不会是最 优的。
[0041 ] S102:将接收到的每个所述比特的所述对数似然比相乘，构建联合判别准则；
[0042]本申请实施例中，在将接收到的每个所述比特的所述对数似然比相乘，构建联合 判别准则时，是将接收到的每个所述比特的所述对数似然比相乘，计算总对数似然比的最 大值，并根据所述最大值构建联合判别准则。
[0043]具体的，本发明的检测方法的实施条件是发送端采用00K调制，物理条件是由于水 下通信条件下，水流的湍流变化在固定的一段时间内可以认为是缓慢变化的，当信号的传 输速率在数百Mbp s到数千Mbp s之间变化时，信道的双gamma函数可以认为是相对恒定的。换 言之，在1-lOOus范围内，认为信道h(t)是恒定的。接收端SPAD检测到若干个比特的信息后， 进行联合检测。
[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] 联合判别准则』
[0050] 其中，r(k)表示第k个接收信号，r(k+n-l)表示第k+n个接收信号，h(t)表征信道，s (k)表征发送信号，ri表示转换因子，NDCR为暗计数，T为单个比特的持续后期。
[0051] S103:根据所述联合判别准则判别接收到的每个所述比特的值。
[0052]本发明的目的在于提供了一种水下的远距离单光子多比特联合检测方案，该方案 采用了一种新颖的多个比特的联合检测方法，提升了系统的检测性能。这种基于多比特的 联合检测方案通过计算软信息(概率），在发送端0和1等概率发送时，等效为最大似然ML检 测，接收端相当于最大似然判别准则。相比较于单个比特的硬判决解调，该方案的可以获得 更好的性能增益。总体而言，本发明提出了针对水下环境的远距离高效检测的方案，可以提 升系统的性能，本发明的意义就在于此。
[0053]这种基于软信息的最大似然序列检测技术，在适合近海以及港口的环境的双 gamma函数脉冲模型下，通过对SPAD接收到的光子数进行联合多比特检测，接收端SPAD检测 的得到光子数后，采用对数逻辑似然率LLR计算多个比特的光字数的软信息，大大提升了传 输系统的性能。总体而言，根据本发明采用的多符号联合解调算法，有效的保证了其直接应 用性。
[0054] 此外，本发明还提供了一种上述远距离的水下可见光通信方法对应的远距离的水 下可见光通信系统，参照图2所示，是本发明第二具体实施例提供的远距离的水下可见光通 信系统的结构示意图。该系统包括：
[0055] 检测模块1，用于按照已知的传输速率检测发送端发送的可见光信息，并在检测到 多个比特的所述可见光信息后，计算接收到的每个所述比特的对数似然比；
[0056] 优选地，所述可见光信息是由所述发送端采用二进制启闭键控00K调制方式发送 的。
[0057]优选地，所述检测模块1，具体用于：
[0058] 利用单光子雪崩二级管SPAD构建水下远距离通信链路，并利用双gamma函数脉冲 模型拟合实际信道脉冲，按照已知的传输速率检测所述发送端发送的所述可见光信息。
[0059] 构建模块2,用于将接收到的每个所述比特的所述对数似然比相乘，构建联合判别 准则；
[0060] 优选地，所述构建模块2,具体用于：
[0061] 将接收到的每个所述比特的所述对数似然比相乘，计算总对数似然比的最大值， 并根据所述最大值构建联合判别准则。
[0062] 判别模块3，用于根据所述联合判别准则判别接收到的每个所述比特的值。
[0063]本申请实施例提供的远距离的水下可见光通信系统，可以采用上述方法实施例中 的远距离的水下可见光通信方法，具体功能可以参照上述任一方法实施例中的步骤描述， 此处不再赘述。
[0064]通过本发明提供的远距离的水下可见光通信方法及系统，按照已知的传输速率检 测发送端发送的可见光信息，并在检测到多个比特的所述可见光信息后，计算接收到的每 个所述比特的对数似然比；将接收到的每个所述比特的所述对数似然比相乘，构建联合判 别准则;根据所述联合判别准则判别接收到的每个所述比特的值。可见，本申请方案在检测 到多个比特的所述可见光信息后，计算接收到的每个所述比特的对数似然比，将接收到的 每个所述比特的所述对数似然比相乘，构建联合判别准则，可以对接收端接收到的多个比 特的可见光信息进行联合检测，充分利用接收到的可见光信息之间的相关性，提升远距离 单光子的检测性能，相比较于单个比特的硬判决解调，能够大大提升接收端的检测性能。
[0065]为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本 申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
[0066] 本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部 分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或 系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法 实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为 分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或 者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根 据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术 人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0067] 专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元 及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和 软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些 功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业 技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应 认为超出本发明的范围。
[0068] 结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执 行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存 储器(R0M)、电可编程R0M、电可擦除可编程R0M、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术 领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
[0069] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的 一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明 将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一 致的最宽的范围。
【主权项】
1. 一种远距离的水下可见光通信方法，其特征在于，包括： 按照已知的传输速率检测发送端发送的可见光信息，并在检测到多个比特的所述可见 光信息后，计算接收到的每个所述比特的对数似然比； 将接收到的每个所述比特的所述对数似然比相乘，构建联合判别准则； 根据所述联合判别准则判别接收到的每个所述比特的值。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述按照已知的传输速率检测发送端发送 的可见光信息，包括： 利用单光子雪崩二级管SPAD构建水下远距离通信链路，并利用双gamma函数脉冲模型 拟合实际信道脉冲，按照已知的传输速率检测所述发送端发送的所述可见光信息。3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将接收到的每个所述比特的所述对数 似然比相乘，构建联合判别准则，包括： 将接收到的每个所述比特的所述对数似然比相乘，计算总对数似然比的最大值，并根 据所述最大值构建联合判别准则。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可见光信息是由所述发送端采用二进 制启闭键控OOK调制方式发送的。5. -种远距离的水下可见光通信系统，其特征在于，包括： 检测模块，用于按照已知的传输速率检测发送端发送的可见光信息，并在检测到多个 比特的所述可见光信息后，计算接收到的每个所述比特的对数似然比； 构建模块，用于将接收到的每个所述比特的所述对数似然比相乘，构建联合判别准则； 判别模块，用于根据所述联合判别准则判别接收到的每个所述比特的值。6. 根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述检测模块，具体用于： 利用单光子雪崩二级管SPAD构建水下远距离通信链路，并利用双gamma函数脉冲模型 拟合实际信道脉冲，按照已知的传输速率检测所述发送端发送的所述可见光信息。7. 根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述构建模块，具体用于： 将接收到的每个所述比特的所述对数似然比相乘，计算总对数似然比的最大值，并根 据所述最大值构建联合判别准则。8. 根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述可见光信息是由所述发送端采用二进 制启闭键控OOK调制方式发送的。
【文档编号】H04B10/61GK105933062SQ201610504423
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】朱义君, 王超, 于宏毅, 邬江兴, 张剑, 田忠骏, 仵国锋, 汪涛, 刘洛琨, 李青
【申请人】中国人民解放军信息工程大学