Разработка гибридной подводной оптической системы связи

КРАТКАЯ АННОТАЦИЯ РАБОТЫ 3
ВВЕДЕНИЕ 4
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ВКЛАД АВТОРА 8
СТРУКТУРА ДОКУМЕНТА 10
1. ПРЕДЛАГАЕМАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ 10
2. МОДЕЛЬ СТАТИСТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ КАНАЛА 12
A. Приближенный коэффициент канала потери траектории 12
B. Модель коэффициента замирания канала турбулентности 14
C. Рассогласование (ошибка наведения). Замирание канала. Коэффициенты 16
3. АНАЛИТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАНАЛА 17
A. Анализ протокола ретрансляции декодирования и переадресации (DF) 18
4. АНАЛИЗ ВЕРОЯТНОСТИ ПЕРЕБОЕВ В РАБОТЕ 19
A. Вероятность выхода из строя при ошибке наведения 19
B. Характеристики перебоев в работе без ошибки наведения (WPE) 20
5. АНАЛИЗ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СРЕДНЕГО BER 22
A. Влияние ошибки наведения на средний BER 22
B. Средний BER без ошибки наведения 24
6. ЧИСЛЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 25
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 31
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ 32

Весь текст будет доступен после покупки

Оптические сигналы рассматриваются в качестве альтернативных потенциальных беспроводных носителей в различных сценариях гибридной связи, таких как передача сигналов внутри/вне помещений [1], спутниковая связь [2], системы «воздух-земля» [3] и гибридная подводная распределенная связь в системе «берег-суша» [4]. Наиболее значительными преимуществами оптических коммуникаций являются низкая стоимость, нелицензируемый спектр, простота развертывания в сложных каналах и широкая роль в качестве беспроводных носителей с высокой связностью и низкой задержкой [5]. Тем не менее, ухудшение качества канала из-за сильной турбулентности и несоосности приемопередатчиков являются решающими факторами затухания сигнала в оптической связи. Линии атмосферного канала связи (FSO) и связи в видимом свете (VLC) являются дополнительными каналами связи, которые применяются для исследования океана. Благодаря высокому качеству и преимуществам оптической сигнализации как перспективного средства беспроводной связи. Следует отметить, что многочисленные колебания и флуктуации происходят в основном в водных средах, таких как океаны. Океаны — это чрезвычайно глубокие и обширные водные резервуары со случайными физико-химическими свойствами молекул воды. Эти отличительные случайные свойства делают океаны уникальными и более сложными каналами. Поэтому океаны, как правило, являются сложной средой для развертывания беспроводных систем связи по сравнению с наземными линиями связи. Высокоскоростная подводная связь, имеющая минимальные задержки в передаче сигнала очень важна для распределенных подводных объектов – беспилотников (AUVs) или подводных беспроводных сенсорных сетей (UWSNs). Однако, электромагнитные волны (ЭМ) страдают от высокого затухания, частотной дисперсии, и многолучевые замирания под водой [6]. Кроме того, электромагнитные волны требуют больших размеров антенны и энергоемких приемопередатчиков. С другой стороны, акустические волны широко используются в качестве беспроводных носителей для передачи данных на большие расстояния (в км). Тем не менее, акустические волны передают данные со скоростью несколько кбит/с, с высокой задержкой и узкой полосой пропускания из-за ограниченной скорости распространения (1500 м/с) [7]. Соединение WSNs или AUVs с прибрежными базовыми станциями является важной задачей для обеспечения связи на больших расстояниях.

Весь текст будет доступен после покупки

1. ПРЕДЛАГАЕМАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ
В предлагаемой модели системы сигналы передаются от базовой станции s (наземная базовая станция) через протокол ретрансляции DF r (плавучий буй) к подводному пункту назначения d (подводная лодка или AUV рассматривается как подводный пункт назначения). В отличие от этого, сигналы передаются между береговой базовой станцией и ретранслятором через FSO а ретранслятор связывается с подводным пунктом назначения через канал VLC. Следует отметить, что полученная копия сигнала на ретрансляторе перекодируется в формат VLC и затем передается на подводный AUV. Более того, ретранслятор оснащен двунаправленными антеннами, в то время как одна антенна установлена в направлении береговой базовой станции для приема сигнала по FSO каналу и другая установлена по направлению к месту назначения, которая отвечает за передачу информации на AUV. Вся система связи работает в полнодуплексном режиме и изображена на рис. 1.
При моделировании оптических линий связи относительные свойства узлов связи, такие как эффективность преобразования сигнала и чувствительность приемника. Береговая базовая станция передает информационный символ x с мощностью сигнала Ps в направлении ретранслятора. Информация принимается плавающим узлом и модулируется по схеме PAM, которая может быть выражена следующим образом,
(1)
где hsr - коэффициент усиления канала для FSO канала, а nsr представляет собой аддитивный белый гауссовский шум (AWGN) с нулевым средним и ?2 дисперсией s-r. ?sr и Rsr обозначаются как эффективность преобразования оптического сигнала в электрический и чувствительность приемника-фотодетектора узла ретрансляции, соответственно. Протокол ретрансляции декодирует полученный информационный символ и повторно модулирует исходную информацию в формат VLC как ?x, и передает в направлении AUV по схеме модуляции PAM. Полученный сигнал AUV имеет вид:
(2)
где hrd и Pr обозначают коэффициент усиления канала VLC и мощность оптического сигнала ретрансляционного узла, аналогично эффективность преобразования электрического сигнала в оптический ?rd, чувствительность фотодиода приемника Rrd, комплексный AWGN (nrd), соответственно. Rrd, комплексный AWGN (nrd) с нулевым средним и дисперсией ?2rd также представлены соответственно. Кроме того, комбинированное состояние канала для обоих каналов обозначается hmn. Мгновенное отношение сигнал-шум (SNR) для обоих каналов s–r и r-d каналов задается , в котором средний электрический SNR определяется как . Дополнительно m, n представляются s–r и r-d связями с m, n ? (s, r, d).

Рис. 1. Гибридная регенеративная ретрансляционная связь FSO-UVLC.
Плавучее судно (береговая базовая станция) связывается с автономным подводным аппаратом (AUV). Обмен данными с плавучим узлом идет по FSO-каналу, а ретранслятор передает полученные сигналы на AUV по VLC-каналу.
2. МОДЕЛЬ СТАТИСТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ КАНАЛА
В исследовании обе линии связи являются оптическими линиями связи и рассматриваются почти одинаковые ухудшения канала в двух различных средах. Тем не менее, условия канала hmn ухудшаются коэффициентом потерь на пути hlmn, турбулентностью канала htmn, и рассогласование hpmn приемопередатчиков. Комбинированный нормированный коэффициент канала затухания для обоих каналов рассматривается как произведение затухания канала и формулируется как [31],
(3)
A. Приближенный коэффициент канала потери траектории
На канал связи FSO непосредственно влияют условия атмосферного канала, которые вызывают ослабление сигнала. Поэтому, в соответствии с законом Бира-Ламберта, потери пути для FSO канала составляют записывается в (4) [43] следующим образом,
(4)
В (4) коэффициент экстинкции атмосферы ?c(?) зависит от длины волны зависит от длины волны и описывается в терминах канала параметров, таких как атмосферная видимость V (в км), размер коэффициент распределения рассеяния ? вместе с расстоянием L между узлами s и r, соответственно [43].
В линии FSO распространяемый луч имеет узкий диаметр и рассматривается как полуколлимированный луч. В то время как диаметр луча в апертуре очень мал. В связи с этим геометрические потери в FSO канале в данной работе исключены. C другой стороны затухание сигнала в канале UVLC зависит от жестких условий канала и геометрии приемопередатчиков. Однако геометрические потери возникают из-за неэффективной экспериментальной установки. Следует отметить, что в данной работе геометрические потери учитываются в канале UVLC. В результате, потери на пути в UVLC являются комбинацией условий канала и геометрических потерь. В дополнение к этому коэффициент экстинкции зависит от типа воды и определяется как сумма полного поглощения сигнала и рассеяния фотонов взвешенными частицами. Зависимое от длины волны поглощение отвечает за повышение химической жизнеспособности воды или повышение температуры воды. В UWOC явления поглощения можно определить следующим образом [44]:
(5)
где коэффициент поглощения чистой воды bw, поглощение хлорофилловой кислотой bcl, коэффициент поглощения фульвокислот bf и коэффициент поглощения гуминовых кислот bh определяются соответственно. Между тем, в UWOC фотоны рассеиваются взвешенными частицами. В результате общий коэффициент рассеяния s(?) [45] описывает потерю потока из-за перенаправления фотонов и может быть записан следующим образом,
(6)
В (6), коэффициент на воде sw(?), коэффициенты рассеяния на малых масштабах ss(?), и больших масштабах sl(?) как функция длины волны показаны. В соответствии с моделью Халрана, коэффициент экстинкции коэффициент экстинкции e(?) является общей суммой коэффициента поглощения b(?), а также коэффициента рассеяния s(?) в различных водных средах, как указано в таблице 1. Потеря пути в UVLC определяется по закону Беера-Ламберта [46]:
(7)
где dt - вертикальное расстояние прямой видимости (LOS) для r-d связь. Кроме того, геометрические потери связаны с физической структурой приемопередатчиков и возникают из-за распространения передаваемого луча между апертурой ретранслятора и приемника в водном канале. Для рассмотрения полуколлимированного источника света с гауссовой формой луча, геометрические потери соответствуют параметры установки, которые зависят от апертуры приемника диаметра Dr и угла расхождения луча на всю ширину ?e вместе с коэффициентом коррекции ?. Модифицированное выражение (7) комбинированных потерь в UVLC имеет вид [47],
(8)
Таблица 1 – Детерминированные значения коэффициентов поглощения, рассеяния и затухания в разных типах водных сред [7]
Тип воды b(?) c(?) e(?)
Чистая морская вода 0.053 0.003 0.056
Чистая океанская вода 0.069 0.081 0.150
Прибрежная морская вода 0.089 0.216 0.305
Мутная вода в гавани 0.295 1.875 2.170
B. Модель коэффициента замирания канала турбулентности
Явление турбулентности в FSO возникает из-за переменного ветра, существующих взвешенных частиц и ухудшения качества канала. В то время как в подводных условиях коэффициент затухания, вызванный турбулентностью, возникает из-за случайности температуры, плотности, солености и высокого давления. Коэффициент затухания турбулентности моделируется с учетом независимых, но не обязательно идентично распределенных случайных величин GG. Данная работа разработана в соответствии с распределением GG для каналов замираний с индуцированных турбулентностью. Выражение PDF для канала турбулентности для обеих линий связи имеет вид [47],
(9)
где модифицированная функция Бесселя второго рода K(?mn-?mn)(-), крупномасштабные и мелкомасштабные параметры для обоих предложенных звеньев обозначаются ?mn и ?mn, соответственно. Следует отметить, что оба звена разработаны в соответствии с моделью плоской волны. Поэтому большие и масштабные коэффициенты для связи s-r (связь FSO) могут быть записаны как [48-49]:
(10)
(11)

Для связи s-r в (10) и (11) показатель сцинтилляции обозначается как дисперсия Рытова и далее рассчитывается как , оптическое волновое число обозначается k=2?/?, которое зависит от длины волны передаваемого сигнала ?, и вместе с диаметром апертуры приемника Dr. Показатель преломления описывается C2n, изменяется от 10-13m-2/3 (для режима сильной турбулентности) до 10-17m-2/3 (для режима слабой турбулентности) с неопределенностью 10-15m-2/3. Кроме того, дисперсия Рытова, связанная для крупномасштабных ячеек, в то время как относится к мелкомасштабным ячейкам при рассмотрении модели плоской волны. С другой стороны, для r - d звена (звено UVLC) в (12) и (13), крупно- и мелкомасштабные логарифмические дисперсии ?rd и ?rd моделируются следующим образом [31], [50 уравнение46],
(12)
(13)

Сцинтилляционный индекс для связи r-d моделируется с учетом плоской волны гауссова пучка и рассчитывается в (14) как в [26 уравнение18]:

Параметр Определение
k0=2?/? Волновое число
? Длина волны оптического луча
d0 Длина волны оптического луча
? Величина спактической частоты в модели спектра UOT
?T Скорость диссипации среднеквадратичной температуры показателя преломления
?s Скорость диссипации среднеквадратичной солености показателя преломления
? Относительная сила температуры и солености
? Скорость диссипации турбулентной кинетической энергии на единицу массы жидкости
? Микромасштабная длина Колмогорова
PT Число Прандтля для температуры
PS Число Прандтля для солености
C0 и C1 Константы

C. Рассогласование (ошибка наведения). Замирание канала. Коэффициенты
Явления смещения возникают из-за гибкого перемещения приемопередатчиков под воздействием ветровых нагрузок, теплового расширения, водных течений, приливов и т.д. Для поддержания наведения точность наведения является важнейшей характеристикой, определяющей производительность системы производительность системы в сценарии связи в условиях прямой видимости (LOS). Как правило, ошибки наведения определяются в двух терминах, а именно вариации бокового обзора и джиттера [31]. Дальность видимости описывает как фиксированное смещение между центром детектора и центром луча. центром детектора, в то время как джиттер – это случайное смещение центра луча в плоскости детектора. Однако необходимо учитывать ошибку наведения в UVLC-канале из-за случайных перемещений приемопередатчиков под воздействием ветра, тепловых расширений, наклона положения ретрансляционного буя и/или приемника из-за океанских волн и водных течений. В ответ на это случайное движение коммуникационных узлов связи точный механизм наведения и отслеживания необходим для желаемой связи в сложных условиях канала. Таким образом, коэффициент замираний ошибки наведения hpmn записывается для обоих каналов [31] следующим образом,
(15)
где amn определяет случайное радиальное смещение коммуникационных узлов. RRD рассчитывается по . Далее, горизонтальная и вертикальная оси эвентрации обозначаются a2x и a2y, соответственно. Amn – это собранный фактор pwer при amn = 0. Эквивалентная ширина луча представлена омегой. PDF равномерной ошибки наведения выражается как [51],

Весь текст будет доступен после покупки

1. S. Yahia, Y. Meraihi, A. Ramdane-Cherif, A. B. Gabis, D. Acheli, and H. Guan, “A survey of channel modeling techniques for visible light communications,” J. Netw. Comput. Appl., vol. 194, Nov. 2021, Art. no. 103206.
2. T. V. Nguyen, H. D. Le, T. V. Pham, and A. T. Pham, “Link availability of satellite-based FSO communications in the presence of clouds and turbulence,” IEICE Commun. Exp., vol. 10, no. 5, pp. 206–211, 2021.
3. F. A. Miranda et al., “An overview of key optical communications technologies under development at the NASA Glenn Research Center,” in Proc. Opt. Interconnects XXI, vol. 11692, 2021, pp. 130–144.
4. S. A. H. Mohsan and H. Amjad, “A comprehensive survey on hybrid wireless networks: Practical considerations, challenges, applications and research directions,” Opt. Quantum Electron., vol. 53, no. 9, pp. 1–56, 2021.
5. M. F. Ali, D. N. K. Jayakody, and Y. Li, “Recent trends in underwater visible light communication (UVLC) systems,” IEEE Access, vol. 10, pp. 22169–22225, 2022.
6. P. A. Hoeher, J. Sticklus, and A. Harlakin, “Underwater optical wireless communications in swarm robotics: A tutorial,” IEEE Commun. Surveys Tuts., vol. 23, no. 4, pp. 2630–2659, 4th Quart., 2021.
7. M. F. Ali, D. N. K. Jayakody, Y. A. Chursin, S. Affes, S. Dmitry. Recent advances and future directions on underwater wireless communications. Arch. Comput. Methods Eng., vol. 27, no. 100, pp. 1379–1412, 2020.
8. K. Ye, C. Zou, and F. Yang, “Dual-hop underwater optical wireless communication system with simultaneous Lightwave information and power transfer,” IEEE Photon. J., vol. 13, no. 6, pp. 1–7, Dec. 2021.
9. X. Sun et al., “A review on practical considerations and solutions in underwater wireless optical communication,” J. Lightw. Technol., vol. 38, no. 2, pp. 421–431, Jan. 15, 2020.
10. S. Ghasvarianjahromi, M. Karbalayghareh, P. D. Diamantoulakis, G. K. Karagiannidis, and M. Uysal, “Simultaneous lightwave information and power transfer in underwater visible light communications,” in Proc. IEEE 30th Annu. Int. Symp. Pers. Indoor Mobile Radio Commun. (PIMRC), 2019, pp. 1–6.
11. N. Saeed, A. Celik, T. Y. Al-Naffouri, and M.-S. Alouini, “Localization of energy harvesting empowered underwater optical wireless sensor networks,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 18, no. 5, pp. 2652–2663, May 2019.
12. N. Saeed, A. Celik, M.-S. Alouini, and T. Y. Al-Naffouri, “Analysis of 3D localization in underwater optical wireless networks with uncertain anchor positions,” Sci. China Inf. Sci., vol. 63, no. 10, pp. 1–8, 2020.
13. A. Ismail, X. Wang, A. Hawbani, S. Alsamhi, S. A. Aziz. Routing protocols classification for underwater wireless sensor networks based on localization and mobility. Wireless Netw., vol. 28, pp. 797–826, Jan. 2022.
14. M. Erol-Kantarci, H. T. Mouftah, and S. Oktug, “A survey of architectures and localization techniques for underwater acoustic sensor networks,” IEEE Commun. Surveys Tuts., vol. 13, no. 3, pp. 487–502, 3rd Quart., 2011.
15. F. Akhoundi, A. Minoofar, and J. A. Salehi, “Underwater positioning system based on cellular underwater wireless optical CDMA networks,” in Proc. 26th Wireless Opt. Commun. Conf. (WOCC), 2017, pp. 1–3.
16. L. Zhang, K. Wang, J. Li, J. Qi, and S. Tang, “An experimental system for underwater audio communication based on visible light,” in Proc. 6th Int. Conf. Intell. Comput. Signal Process. (ICSP), 2021, pp. 507–510.
17. F. Wang, “Research on seawater laser communication channel based on visible light,” in Proc. IEEE Asia-Pacific Conf. Image Process. Electron. Comput. (IPEC), 2021, pp. 1141–1143.
18. A. Al-Kinani, C.-X. Wang, L. Zhou, and W. Zhang. Optical wireless communication channel measurements and models. IEEE Commun. Surveys Tuts., vol. 20, no. 3, pp. 1939–1962, 3rd Quart., 2018.
19. H. G. Sandalidis, A. Vavoulas, T. A. Tsiftsis, and N. Vaiopoulos, “Illumination, data transmission, and energy harvesting: The threefold advantage of VLC,” Appl. Opt., vol. 56, no. 12, pp. 3421–3427, 2017.
20. G. Xu and Z. Song, “Performance analysis for mixed ?-? fading and M-distribution dual-hop radio frequency/free space optical communication systems,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 20, no. 3, pp. 1517–1528, Mar. 2021.
21. M. C. Gokce, “Aperture averaged scintillation of Gaussian beam in strong oceanic turbulence,” Gazi Univ. J. Sci., vol. 34, no. 1, pp. 100–110, 2021.
22. R. Cai, M. Zhang, D. Dai, Y. Shi, and S. Gao, “Analysis of the underwater wireless optical communication channel based on a comprehensive multipara meter model,” Appl. Sci., vol. 11, no. 13, p. 6051, 2021.
23. H. Kaushal and G. Kaddoum, “Underwater optical wireless communication,” IEEE Access, vol. 4, pp. 1518–1547, 2016.
24. I. N’doye, D. Zhang, M.-S. Alouini, and T.-M. Laleg-Kirati, “Establishing and maintaining a reliable optical wireless communicationin underwater environment,” IEEE Access, vol. 9, pp. 62519–62531, 2021.
25. B. K. Levidala, P. N. Ramavath, and P. Krishnan, “Performance enhancement using multiple input multiple output in dual-hop convergent underwater wireless optical communication–free-space optical communication system under strong turbulence with pointing errors,” Opt. Eng., vol. 60, no. 10, 2021, Art. no. 106106.
26. M. Elamassie, M. Uysal, Y. Baykal, M. Abdallah, and K. Qaraqe, “Effect of eddy diffusivity ratio on underwater optical scintillation index,” J.Opt. Soc. America A, vol. 34, no. 11, pp. 1969–1973, 2017.
27. P. N. Ramavath, S. A. Udupi, and P. Krishnan, “Co-operative RFUWOC link performance over hyperbolic tangent log-normal distribution channel with pointing errors,” Opt. Commun., vol. 469, Aug. 2020, Art. no. 125774.
28. E. Illi, F. El Bouanani, and F. Ayoub, “On the performance of mixed FSO-UOWC communication system with the presence of pointing error,” in Proc. 2nd Int. Conf. Smart Digit. Environ., 2018, pp. 112–118.
29. K. O. Odeyemi, P. A. Owolawi, and O. O. Olakanmi, “Performance analysis of reconfigurable intelligent surface assisted underwater optical communication system,” Progr. Electromagn. Res., vol. 98, pp. 101–111, Nov. 2020.

Весь текст будет доступен после покупки