[论文解读] Effects of Turbulence Induced Scattering on Underwater Optical Wireless Communications

Callum T. Geldard, John Thompson+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2020

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 24被引用 7

一句话总结

本文将水下光湍流建模为小角度散射，将其与吸收和散射相结合，以实现对水下自由空间光通信（UOWC）信道的精确模拟。结果表明，湍流会增加信号的空间和时间扩展，降低数据速率，且在高度散射的水域中其影响较弱——验证了对数正态衰落模型，并强调了在建模中需将湍流与吸收和散射联合处理，以实现更真实的性能预测。

ABSTRACT

This paper presents a comprehensive description of the relative effect of optical underwater turbulence in combination with absorption and scattering. Turbulence induced scattering is shown to cause and increase both spatial and temporal spreading at the receiver plane. It is also demonstrated that the relative impact of turbulence on a received signal is lower in a highly scattering channel. Received intensity distributions are presented confirming that fluctuations in received power from this method follow the commonly used Log-Normal fading model. The impact of turbulence induced scattering on maximum achievable data rate in the underwater channel is investigated.

研究动机与目标

• 开发一个综合性的UOWC信道模型，将湍流与吸收和散射整合，而非孤立地处理湍流。
• 量化湍流引起的散射对不同水体中信号空间和时间展宽的相对影响。
• 分析湍流对水下光通信链路接收信号强度分布及最大可实现数据速率的影响。
• 证明在高度散射信道中，湍流的影响被削弱，挑战了自由空间光通信中的既有假设。
• 验证在湍流条件下，接收功率波动是否符合对数正态分布。

提出的方法

• 将湍流建模为由温度和盐度变化引起的折射率涨落导致的小角度散射。
• 使用蒙特卡罗方法模拟光子传播，追踪光子在具有不同吸收、散射和湍流折射率涨落的水体中的传输过程。
• 采用消光系数 c(λ) = a(λ) + b(λ) 来建模总衰减，其中 b(λ) 由体积散射函数 β(θ) 推导得出。
• 通过计算归一化接收强度方差与均值之比，得出闪烁指数 σ²_I，以量化功率波动。
• 采用DGF（增益因子分布）方法估算数据速率，使用单极性OOK调制，发射功率固定为20 mW。
• 在不同链路距离（15 m 和 30 m）下，对比沿海（清澈）、沿海（浑浊）和港口（高度浑浊）水体的仿真结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 湍流引起的散射如何影响水下信道中光信号的空间和时间展宽？
• RQ2 在不同散射和吸收特性的水体中，湍流对信号衰落和数据速率的相对影响如何？
• RQ3 在水下光学无线通信中，湍流条件下接收强度分布是否符合对数正态衰落模型？
• RQ4 随着湍流增强，最大可实现数据速率如何变化？这种变化在不同信道条件下有何差异？
• RQ5 湍流能否被准确建模为一种散射形式？与孤立的湍流模型相比，这种建模方式是否能提高信道仿真精度？

主要发现

• 湍流引起的散射会增加接收端的信号空间和时间展宽，其程度取决于水体类型和链路距离。
• 在高度散射的信道中（如港口水域），湍流对信号波动的相对影响降低，因为多次散射会掩盖单个湍流事件的影响。
• 闪烁指数 σ²_I 随链路距离增加而增大——例如，在沿海水域中，15 m 处为 0.1518，30 m 处增至 0.4273，证实长距离链路中衰落更严重。
• 对于 30 m 的沿海链路，无湍流时最大数据速率可达 80 Gbps，但在湍流条件下显著下降，需增加链路余量或使用均衡技术。
• 在 15 m 的港口链路中，无湍流时最大数据速率为 3.8 Gbps，但湍流会进一步降低该速率，且为达到与沿海水域相同的 σ²_I，需更高的 b_tmax。
• 在湍流条件下，接收强度分布符合对数正态衰落模型，验证了其在UOWC系统性能分析中的适用性。