摘要
当前由于陆地资源短缺而海洋资源丰富，海洋成为了各国探索的重点。随着海洋事业的不断发展，海洋设备增多，海洋设备间的高速数据传输需求随之日益凸显。水下无线光通信（UnderwaterWirelessOpticalCommunication，UWOC）因具有带宽高、延迟低、功耗低、安全性高等优势，在海洋探索中发挥着重要作用，引起了世界各国的广泛关注。目前，UWOC系统通信速率可达Gbps级别，通信距离能够达到百米级别。然而，长距离UWOC系统中的一些器件往往具有非线性特性，造成接收信号非线性失真，从而限制了通信速率与距离。非线性均衡器能够有效补偿该失真，却具有较高的复杂度。因此，本文针对长距离UWOC系统的非线性失真与补偿技术展开研究，设计了相应的非线性均衡器。此外，依据均衡器的稀疏性，设计了稀疏方法，实现了UWOC系统的非线性失真补偿，并在水槽与泳池中通过实验进行了验证。本文的主要研究内容包括以下几个方面： （1）本文基于海水的光学性质，通过理论与蒙特卡洛仿真对清洁海水中的长距离UWOC信道进行了研究，分析了水质、波长、距离等因素对接收端光强特性与光束分布的影响，从而为长距离UWOC系统的设计提供指导。 （2）本文研究了UWOC系统的非线性失真，分析了激光器（LaserDiode，LD）与光电倍增管（PhotoMultiplierTube，PMT）的非线性特性，并通过无线光通信实验中接收信号的高次谐波与时域幅值分布情况验证了系统的非线性失真，以及研究了不同峰峰值电压与偏置电压下系统的非线性失真程度。然后，本文分析了无记忆非线性模型与记忆非线性模型的特性，并基于简化的三阶Volterra级数模型与最小二乘（LeastSquare，LS）算法设计了非线性均衡器。其次，研究了记忆长度、训练序列长度等参数对均衡器性能的影响，验证了非线性均衡器补偿系统非线性失真的能力。 （3）本文针对非线性均衡器的稀疏性，采用贪婪算法降低了均衡器复杂度，并提出了一种基于变步长广义正交匹配追踪（VariableStepsizegeneralizedOrthogonalMatchingPursuit，VSgOMP）的稀疏算法。而后，通过水槽实验验证了均衡器的稀疏性，研究了稀疏度、步长等参数对稀疏均衡器性能的影响，验证了稀疏均衡器的可行性与VSgOMP在复杂度上的优势，并基于低接收光功率模拟了长距离通信场景。通过泳池实验，验证了同时可达到200m水下通信距离、500Mbps数据速率的UWOC系统。稀疏后的Volterra均衡器复杂度降低到原来的70%，基于VSgOMP的稀疏过程计算时长降低到OMP的31.4%，验证了采用基于VSgOMP的稀疏Volterra均衡器的可行性和优势。
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