一种面向动态跨水面信道含反馈的可见光通信系统及方法

本发明涉及跨水面通信和可见光通信系统领域，尤其涉及一种面向动态跨水面信道含反馈的可见光通信系统及方法。

背景技术：

1、随着人类需求的不断增长，军事、民用和科研等领域在海洋开展的活动日益增加，无人遥控潜水器、自主水下航行器与水下滑翔机等海工装备的应用趋势日渐明显。在实际海洋水下作业中，海工装备不仅需要相互之间通信，还需要与水上控制平台进行信息交互，水下无人潜航器进行勘探搜索等工作时，能实时将数据与信息反馈回陆上或者水上控制端显得尤为重要。

2、就无线传输而言，声波能够在水下实现几十千米的长距离通信，但声波本身载频较低，仅能实现几十kbps量级的传输速率，不能满足实时大容量的数据交换需求；另外声波在大气介质传输的衰减大，而且在空气-水界面发生严重的反射，损耗严重。射频能够在大气中进行高速传输，但由于趋肤效应导致射频信号在水下传输衰减极大，只能以极低的频率传输较短的距离。

3、相较于声波和射频，部分光频段电磁波能够在水下与大气同时实现高速、中距离传输，且光通信收发端器件可以做的很小，相比于声学和射频产品更加节能、成本更低，具有一定的潜在优势。由于蓝绿窗口的存在，使得水体对波长在450nm-550nm(蓝绿光)的可见光衰减很小，因此可以考虑采用蓝绿光波段实现跨水面通信。

4、虽然光通信在跨水面通信中具有很大的潜在优势，但在实际应用中，跨水面信道会存在很大的动态性，包括：水下通信节点位置与方向的动态性、水下传输介质的动态性，以及水空界面的波动动态性。这些动态性使得光信号产生非视距传输，接收端存在随机弱链路特征，从而导致通信链路的随机中断。

5、因此，针对动态跨水面信道的通信系统设计需要考虑到信道“擦除+噪声”的基本特征，通过选择合适的信道编码方案来联合抗擦除和噪声，提高通信系统的误码率性能，保证通信的可靠性；同时，引入反馈链路可以使通信系统根据信道质量的好坏自适应地进行调整，适应不同波浪环境下的信道，保证通信的有效性。

技术实现思路

1、本发明技术解决问题：针对跨水面信道的链路特性，克服现有技术的不足，提供一种面向动态跨水面信道含反馈的可见光通信系统及方法，采用适应动态跨水面信道的信道编码方案，可以根据信道质量自适应地调整系统码率参数，有效改善链路随机中断带来的通信影响，提高系统吞吐量性能。

2、本发明技术解决方案如下：

3、第一方面，本发明提供一种面向动态跨水面信道含反馈的可见光通信系统，包括发端、收端和反馈链路；发端采用适应动态跨水面信道的rs-ldpc信道编码方案，经过编码后的编码数据加上同步头和码率信息组成数据帧，数据帧经过光源调制后发送，调制方式采用ook调制；收端对光电探测器apd采集的信号进行解调，解调数据先后进行帧同步、信道估计与信道译码，根据信道估计结果结合mcs查表确定反馈信息，通过反馈链路将反馈信息反馈至发端；发端根据反馈信息自适应调整码率参数，采用后退n步式arq协议重传调整码率后的错误数据帧，收端接收到重传数据帧后采用软合并方式进行译码，实现对错误帧的恢复；

4、所述设计方案可以根据动态跨水面的不同信道特征自适应调整码率参数，在保证通信可靠性的同时，提升通信系统的吞吐量。

5、进一步，所述发端采用适应动态跨水面信道的rs-ldpc信道编码方案，跨水面信道特性为随机弱链路+噪声，随机弱链路可以建模为信道擦除，因此跨水面信道具有“擦除+噪声”特征，该信道编码方案为纠错码和纠删码的级联码，可以联合抗信道擦除和噪声带来的误码，提高系统的可靠性。

6、进一步，所述rs-ldpc信道编码方案中的rs码作为纠删码，ldpc码作为纠错码，rs-ldpc信道编码方案的信道编码过程为：

7、(1)编码前将待发送的信息比特按照行列顺序排列到矩阵当中，得到信息矩阵；

8、(2)对信息矩阵的每一列做rs编码；

9、(3)对(2)得到的矩阵每一行做ldpc编码，得到编码矩阵；

10、(4)将得到的编码矩阵按行展开成编码数据发送。

11、进一步，所述同步头为一段固定序列，用于收端定位有效数据起始位置；所述码率信息包含rs码与ldpc码的码率信息，用于收端信道译码。

12、进一步，所述光源的波长为450-550nm，即蓝绿光之间，降低光信号在水下传输过程中的功率损耗。

13、进一步，所述光电探测器apd接收到信号后，将光信号转化为电信号，对电信号进行解调，解调得到数据首先根据同步头，确定有效数据的起始位；然后根据数据帧中的码率信息，结合信道估计结果，对编码数据进行译码。

14、进一步，所述收端根据帧同步后的数据进行信道估计，得到信道状态信息csi，所述csi包含链路增益均值和方差，其中均值用于确定链路的整体snr的变化，方差用于确定不同程度波浪环境下的信道；所述调制编码表mcs包括不同csi下的rs码和ldpc码的码率信息，其中ldpc码率变化适应信道snr的变化，rs码率变化适应不同波浪环境的变化。

15、进一步，所述反馈信息包含重传信号ack/nack和码率参数，其中译码成功返回ack，译码失败反馈nack，码率参数包含rs码率和ldpc码率两个信息。

16、进一步，当发端接收到反馈的nack信号时，采用后退n步式arq协议，将缓存区中的包含错误数据帧的n个数据帧重新发送；收端将错误数据帧保存在缓存区中，与重传的数据帧进行软合并，完成译码后重新发送确认信号。

17、第二方面，本发明提供一种面向动态跨水面信道含反馈的可见光通信方法，用发端采用适应动态跨水面信道的rs-ldpc信道编码方案，经过编码后的编码数据加上同步头和码率信息组成数据帧，数据帧经过光源调制后发送，调制方式采用ook调制；收端对光电探测器apd采集的信号进行解调，解调数据先后进行帧同步、信道估计与信道译码，根据信道估计结果结合mcs查表确定反馈信息，通过反馈链路将反馈信息反馈至发端；发端根据反馈信息自适应调整码率参数，采用后退n步式arq协议重传调整码率后的错误数据帧，收端接收到重传数据帧后采用软合并方式进行译码，实现对错误帧的恢复。

18、本发明与现有技术相比的优点在于：

19、(1)本发明设计的通信系统考虑了跨水面信道“擦除+噪声”的基本特征，通过采用rs码和ldpc码矩阵结构的级联码，可以很好地应对信道擦除造成的通信中断问题，提高了系统的可靠性。与传统的跨水面无线光通信系统方案相比，本发明更好地解决了信道动态性带来的擦除问题，极大地提高了系统可靠性。

20、(2)本发明设计的通信系统引入了反馈链路，一方面通过arq协议对部分错误帧进行重传，通过软合并方式提高译码成功率；另一方面根据信道环境(snr和波浪环境)自适应调整码率参数，提高了系统的吞吐量性能。与传统的跨水面无线光通信系统方案相比，本发明以优化吞吐量为目标，在保证通信可靠性的基础上，改善了系统吞吐量性能，提高了通信效率。

21、(3)本发明通信系统根据反馈信息自适应调整传输码率，在信道质量好的情况下采用高码率传输，在信道质量差的情况下采用低码率传输，mcs以最大化吞吐量为目标进行优化，从而保证通信系统的传输效率，提高系统吞吐量。