学术报告：水下可见光通信OFDM系统设计与实现
1. 主要作者及研究机构
本研究的作者为胡锋，指导老师为仵国锋副教授，研究机构为解放军信息工程大学信息系统工程学院。该论文于2017年4月提交，并于2017年6月完成答辩，申请工程硕士学位，研究方向为无线与移动通信技术。
2. 学术背景
随着全球对海洋权益的日益重视，水下无线通信技术成为各国竞相研究的核心技术之一。水下可见光通信（Underwater Visible Light Communication, UVLC）利用海水对蓝绿光的“透光窗口”特性，能够实现高速数据传输，具有广阔的应用前景。然而，水下光信道环境复杂多变，缺乏普适性的理论模型，这成为制约UVLC技术发展的主要瓶颈。本研究旨在通过建立水下光信道模型，提出基于正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）技术的水下可见光通信系统，并通过实验验证其性能。
3. 研究流程
本研究分为以下几个主要步骤：
水下光信道建模：
- 针对现有水下光信道模型的局限性，采用蒙特卡洛（Monte Carlo）方法模拟光子在水下的传输过程，建立了不同水质条件下的光信道模型。
- 对传统的蒙特卡洛流程进行了改进，采用双伽玛函数（Double Gamma Function, DGF）拟合蒙特卡洛数值仿真结果，得出了拟合信道模型。该模型在复杂水域中比简单的比尔定律（Beer’s Law）更具适应性。
OFDM技术在水下可见光通信中的应用：
- 针对传统单载波调制在水下光通信中的不足，提出了将OFDM技术应用于水下可见光通信的研究。
- 通过OFDM技术，可以有效对抗水下高速通信时海水散射造成的码间干扰（Inter Symbol Interference, ISI），并降低接收误码率。
- 在水下长距离衰减环境下，采用单光子雪崩二极管（Single Photon Avalanche Diode, SPAD）检测接收设计，显著提升了系统传输性能。
系统设计与实现：
- 设计并实现了两种水下高速可见光通信离线处理系统，并在大型水池环境下进行了实际测试。
- 第一种系统面向水下双向可见光通信应用需求，设计了水下双向可见光通信测试验证系统，详细介绍了收发模块的结构和功能。
- 第二种系统面向水下高速可见光通信应用需求，采用均衡电路设计，结合OFDM信号传输方法，搭建了水下可见光通信OFDM离线处理系统，测试结果表明，离线速率可达1Gbps。
4. 主要结果
信道建模：
- 通过蒙特卡洛方法模拟光子在水下的传输过程，建立了拟合信道模型。该模型在复杂水域中比比尔定律更具适应性，能够更准确地描述水下光信号的接收效果。
OFDM技术应用：
- OFDM技术在水下可见光通信中的应用显著提升了系统的抗干扰能力和传输速率。与传统单载波OOK信号相比，OFDM技术能够有效对抗ISI，降低误码率。
- 在水下长距离衰减环境下，采用SPAD检测接收设计，进一步提升了系统的传输性能。
系统测试：
- 设计并实现了两种水下高速可见光通信系统，测试结果表明，系统在水下环境中能够实现高速数据传输，离线速率可达1Gbps。
5. 结论与意义
本研究通过建立水下光信道模型，提出并验证了基于OFDM技术的水下可见光通信系统，具有重要的科学和应用价值： - 科学价值：本研究提出的水下光信道模型和OFDM技术应用为水下可见光通信提供了新的理论支持和技术手段，填补了该领域的研究空白。 - 应用价值：该系统能够在水下环境中实现高速数据传输，具有广泛的应用前景，如海洋勘探、水下监测、军事通信等领域。
6. 研究亮点
- 信道建模创新：通过改进的蒙特卡洛方法和双伽玛函数拟合，建立了适应复杂水域的水下光信道模型。
- OFDM技术应用：首次将OFDM技术应用于水下可见光通信，显著提升了系统的抗干扰能力和传输速率。
- 系统实现与验证：设计并实现了两种水下高速可见光通信系统，并通过实验验证了其性能，离线速率可达1Gbps。
7. 其他有价值的内容
本研究还详细分析了海水对光的吸收和散射特性，总结了四种标准水质分类方法，并探讨了水下信道噪声的来源及其计算方法。这些内容为水下可见光通信系统的设计和优化提供了重要的理论依据。
总结
本研究通过理论分析与实验验证，提出了一种基于OFDM技术的水下可见光通信系统，具有重要的科学和应用价值。该研究为水下高速无线通信技术的发展提供了新的思路和方法，具有广阔的应用前景。