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专利名称：一种全周期交互式的水下光通信系统性能实时优化的方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202211572191.X

专利申请（专利权）人：桂林电子开云优惠体育网页版入口大学
权利人地址：广西壮族自治区桂林市七星区金鸡路1号

专利发明（设计）人：敖珺,熊珎,马春波

专利摘要：本发明公开了一种全周期交互式的水下光通信系统性能实时优化的方法，包括：建立水下光通信系统描述模块，描述模块用于真实反映物理水下光通信系统的构架；建立水下光通信系统分析处理模块，分析处理模块包括运行状态数据库、知识经验库和分析处理平台；描述模块和分析处理模块构成一个可以真实反映物理水下光通信系统状态的数字化空间，数字化空间将优化后的参数通过可视化界面呈现给用户，数字化空间和物理水下光通信系统之间构成一个实时映射和交互的过程。该方法贯穿整个水下光通信系统运行周期，适用于全球海域，可为设计开发水下光通信系统节省大量的人力和财力。

主权利要求：
1.一种全周期交互式的水下光通信系统性能实时优化的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、建立水下光通信系统描述模块，描述模块用于真实反映物理水下光通信系统的构架，描述模块是通过对水下光通信系统运行周期中的物理水下光通信系统进行功能特征分析、结构特征分析，确定水下光通信系统的主要组成部分，包括信号发送端、信道和信号接收端，根据信号发送端和信号接收端的长宽高以及信号发送端中光源和信道的特点，通过点、线、面的方式对各组成部分通过三维建模对水下光通信系统的主要组成部分进行三维模拟；
步骤二、建立水下光通信系统分析处理模块，分析处理模块包括运行状态数据库、知识经验库和分析处理平台；
运行状态数据库用于存储整个水下光通信系统运行周期中的历史信道参数数据和实时信道参数数据，信道参数数据包括水下吸收系数和散射系数；
知识经验库集成了水下光通信系统在运行周期过程中的水下光通信系统误码率性能和水下传输过程中光能量分布的经验知识；
分析处理平台为用户提供智能化的服务，是一个可视化平台，该平台集成了经验知识库中的经验知识，分析处理平台通过调用运行状态数据库中来自物理水下光通信系统提供的海洋光学信道运行数据预测出水下光通信系统误码率性能、以及在水下传输过程中光的能量分布，对预测出的水下光通信系统误码率性能进行验证和优化，并通过分析处理平台将优化后的海洋光学信道运行状态数据和原设定的系统参数通过接口传递给描述模块；
步骤二中，分析处理平台对预测出的水下光通信系统误码率性能进行验证和优化，如?5
果预测出的水下光通信系统误码率性能的值小于10 数量级，则判定在该运行数据下的水下光通信系统性能处于最优工作状态，如果预测出的水下光通信系统误码率性能的值大于?5
10 数量级，则对原设定的系统参数进行优化调整，将数据传输速率和传输距离调。⑸?5
光功率和接收机半径调大，使得水下光通信系统误码率性能的值小于10 数量级；
步骤三、所述描述模块和分析处理模块构成一个可以真实反映物理水下光通信系统状态的数字化空间，数字化空间将优化后的参数通过可视化界面呈现给用户，数字化空间和物理水下光通信系统之间构成一个实时映射和交互的过程，该过程在水下光通信系统的整个工作周期中随着季节和海域的变化而周而复始的运作，使水下光通信系统始终处于最优的工作状态。 说明书 : 一种全周期交互式的水下光通信系统性能实时优化的方法技术领域[0001] 本发明涉及水下光通信与数字化技术领域，尤其是一种全周期交互式的水下光通信系统性能实时优化的方法。背景技术[0002] 海水是一个复杂的物理、化学、生物组合系统，它含有溶解物质、悬浮体和各种各样的活性有机体。由于海水的不均匀性，导致光波在水下传播过程中因吸收和散射作用而产生衰减。光波的水下传输特性是制约水下光通信质量的重要因素之一，它对整个水下光通信系统在运行周期内设计方案的确定有着重要的影响。[0003] 海水中叶绿素浓度的分布情况随季节的更替、海域的位置变换存在着明显的差异。由于水下光学参数与海水中的叶绿素浓度有着密切的联系，所以海水中的吸收系数和散射系数也会随着时间和海域的变换而存在很大的不同，进而导致水下光通信系统在运行周期中的系统性能和传输过程中的能量分布存在着不确定性。[0004] 在工程实践中，工程师们很难对每个海域都通过实测的方式来评估某一个季节下某一天的水下光通信质量以及水下光传输过程中的能量分布。因此，提出一种适用于不同季节、不同海域，对水下光通信系统在运行周期中的系统性能和传输过程中的能量分布进行实时预测和优化的方法是尤为必要的。发明内容[0005] 如何准确预测和优化在水下光通信系统运行周期中的系统性能和传输过程中的能量分布情况是设计开发水下激光通信系统的关键，本发明提供一种全周期交互式的水下光通信系统性能实时优化的方法，它是一种适用于不同季节、不同海域，实时预测和优化水下光通信系统在运行周期中的系统性能和传输过程中的能量分布的方法。该方法贯穿整个水下光通信系统运行周期，适用于全球海域，能在不同季节下对水下光通信系统性能和传输过程中的能量分布进行实时预测和优化，可以为设计开发水下光通信系统节省大量的人力和财力。[0006] 本发明解决其技术问题所采用的方案是：[0007] 一种全周期交互式的水下光通信系统性能实时优化的方法，包括：[0008] 步骤一、建立水下光通信系统描述模块，描述模块用于真实反映物理水下光通信系统的构架，描述模块是通过对水下光通信系统运行周期中的物理水下光通信系统进行功能特征分析、结构特征分析，确定水下光通信系统的主要组成部分，包括信号发送端、信道和信号接收端，根据信号发送端和信号接收端的长宽高以及信号发送端中光源和信道的特点，通过点、线、面的方式对各组成部分通过三维建模对水下光通信系统的主要组成部分进行三维模拟；[0009] 步骤二、建立水下光通信系统分析处理模块，分析处理模块包括但不限于运行状态数据库、知识经验库和分析处理平台；[0010] 其中运行状态数据库用于存储整个水下光通信系统运行周期中的历史信道参数数据和实时信道参数数据，信道参数数据包括水下吸收系数和散射系数；[0011] 知识经验库集成了水下光通信系统在运行周期过程中的水下光通信系统误码率性能和水下传输过程中光能量分布的经验知识；[0012] 分析处理平台可为用户提供智能化的服务，是一个可视化平台，该平台集成了经验知识库中的经验知识，分析处理平台通过调用运行状态数据库中来自物理水下光通信系统提供的海洋光学信道运行数据预测出水下光通信系统误码率性能、以及在水下传输过程中光的能量分布，对预测出的水下光通信系统误码率性能进行验证和优化，如果预测出的?5水下光通信系统误码率性能的值小于10 数量级，则判定在该组运行数据下的水下光通信?5系统性能处于最优工作状态，如果预测出的水下光通信系统误码率性能的值大于10 数量级，则对原设定的系统参数进行优化调整，将数据传输速率和传输距离调。⑸涔夤β屎?5接收机半径调大，使得水下光通信系统误码率性能的值小于10 数量级，并通过分析处理平台将优化后的海洋光学信道运行状态数据和原设定的系统参数通过接口传递给描述模块；[0013] 步骤三、描述模块和分析处理模块构成一个可以真实反映物理水下光通信系统状态的数字化空间，数字化空间将优化后的参数通过可视化界面呈现给用户，可为用户提供一定的操作参考，进而实现对物理水下光通信系统的调控，使得数字化空间和物理水下光通信系统之间构成一个实时映射和交互的过程，该过程在水下光通信系统的整个工作周期中随着季节和海域的变化而周而复始的运作，使水下光通信系统始终处于最优的工作状态，进而为设计开发水下光通信系统节省大量的人力和财力。[0014] 本发明的优点或有益效果：[0015] （1）本发明提供了一种适用于不同季节、不同海域，实时预测水下光通信系统在运行周期中系统性能和水下传输过程中的能量分布，并可对预测出的水下光通信系统性能的结果进行优化的方法，该方法贯穿整个水下光通信系统运行周期且适用于全球海域；[0016] （2）本发明提出的方法可将优化后的结果通过可视化界面反馈给用户，可为用户提供一定的操作参考，进而实现对物理水下光通信系统的调控，为设计开发水下光通信系统节省大量的人力和财力。附图说明[0017] 图1为本发明实施例中一种全周期交互式的水下光通信系统性能实时优化的方法流程框图；[0018] 图2为水下光通信系统描述模块的三维图。具体实施方式[0019] 下面结合附图以及实施例对本发明内容作详细描述，所述实施例的实例在附图中示出，且附图中描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。[0020] 实施例：[0021] 如图1所示，一种全周期交互式的水下光通信系统性能实时优化的方法，包括如下步骤：[0022] 步骤（1），建立水下光通信系统描述模块，使得描述模块能够真实反映物理水下光通信系统的构架：[0023] 描述模块通过对水下光通信系统实体进行功能特征分析、结构特征分析，确定水下光通信系统的主要组成部分以及通信方式，水下光通信系统主要包括信号发送端、信道和信号接收端，信号发送端包括激光器，信号接收端包括接收器，根据信号发送端和信号接收端的长宽高以及激光器光源和信道的特点，通过点、线、面的方式对各组成部分使用AutoCAD三维建模软件对其进行三维模拟，如图2所示，水下光通信系统描述模块采用点对点的通信方式，其中点对点的通信方式描述的是信号发送端与信号接收端之间信息传递的方向与时间的关系；[0024] 步骤（2），建立水下光通信系统分析处理模块，分析处理模块包括运行状态数据库、知识经验库和分析处理平台，其中运行状态数据库是基于完全网络化的跨平台关系型数据库MySql进行数据的存储，数据主要依靠装载在Aqua和Terra这两颗卫星上的中分辨率成像光谱仪（Moderate?resolutionImagingSpectroradiometer，简称MODIS）提供的不同季节、不同海域下的海洋光学数据，主要包括各个波段下的吸收系数和散射系数；知识经验库集成了水下光通信系统运行周期中的误码率性能和水下光通信传输过程中光能量分布的经验知识，其中有关水下光通信系统性能的经验知识是由《约翰·威利父子》（JohnWiley&Sons）出版社出版，2006年，HamidH等人著作的“深空光通信”（DeepSpaceOpticalCommunications）以及发表于Springer出版社，2017年，KaushalH等人著作的“自由空间光通信”（FreeSpaceOpticalCommunication）中获得的，有关水下光通信传输过程中能量分布的经验知识是发表于《IEEE通信杂志》（IEEECommunicationsMagazine），2015年，KaushalH等人著作的“水下窄光束激光通信”（UnderseaLaserCommunicationwithNarrowBeams）中获得的；[0025] 分析处理平台是基于MATLAB中APP框架开发的，将运行状态数据库中的海洋光学信道运行状态数据通过开放数据库互连（OpenDatabaseConnectivity，简称ODBC）数据接口与分析处理平台进行连接，通过调用运行状态数据库中物理水下光通信系统提供的海洋光学信道运行状态数据，并结合集成在软件中的经验知识库，即可预测出水下光通信系统误码率性能以及水下光传输过程中光的能量分布，分析处理平台对预测出的水下光通信系统误码率性能的结果进行验证优化，如果预测出的水下光通信系统误码率性能的值小于?510 的数量级，则判定在该组运行数据下的水下光通信系统性能处于最优工作状态，如果预?5测出的水下光通信系统误码率性能的值大于10 的数量级，则对该组数据中的其它数据进行调整，一般情况是将数据传输速率和传输距离调。⑸涔夤β屎徒邮栈刖兜鞔，使得?5水下光通信系统误码率性能的值小于10 的数量级；[0026] 例如2021年南：Ｓ虻拇杭驹谒60m处通过调用运行状态数据库中物理水下光?1 ?1通信系统提供的运行状态数据，其中平均吸收系数为0.114m ，平均散射系数为0.037m ，原设定的系统参数为，数据传输速率20Mbps，传输距离100m，接收机半径0.1m，光束波长为532nm，因此在以上原设定的系统参数的条件下，该组运行状态数据经过分析处理平台处理?4 ?5后得到水下光通信系统误码率性能的预测结果为3.7×10 ，由此可知该预测值大于10 的数量级，因此需要对该组数据的其他参数进行优化调整，当把数据传输速率从20Mbps调整为5Mbps，并将接收机半径0.1m调整为0.5m时，该组运行状态数据经过分析处理平台后得到?6水下光通信系统误码率性能的预测结果为5.2×10 ，然后将这组海洋光学信道运行状态数据和优化调整后的系统参数通过接口传递给描述模块；[0027] 步骤（3），水下光通信系统数字化空间即为描述模块和分析处理模块的结合，由步骤（2）可知，分析处理模块通过分析处理平台将海洋光学信道运行状态数据和优化调整后的系统参数通过接口传递给描述模块，进而形成了一个完备的结合体，最后通过数字化空间将优化后的结果通过可视化界面的形式呈现给用户，为用户提供一定的操作参考，进而实现对物理水下光通信系统进行调控，因此水下光通信系统数字化空间与物理水下光通信系统之间构成了一个实时映射和交互的过程，该过程在水下光通信系统的整个工作周期中根据季节和海域的变换而周而复始的运作，使水下光通信系统始终处于最优的工作状态，可以为设计开发水下光通信系统节省大量的人力和财力。[0028] 以上所述仅是一种全周期交互式的水下光通信系统性能实时优化的方法的优选实施方式，一种全周期交互式的水下光通信系统性能实时优化的方法的保护范围不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

专利地区：广西

专利申请日期：2022-12-08

专利公开日期：2024-11-22

专利公告号：CN115865715B