本发明属于水下通信角度优化，尤其涉及一种可降低对准角度要求的水下激光通信系统及方法。
背景技术：
1、水下激光通信是一种高速、高带宽的通信方式，具有抗干扰能力强、保密性强的特点。水下激光通信的复杂性、和不稳定性给激光通信带来了一些问题。目前水下激光通信的工作主要集中在视线(los)配置上，这要求通信的发射端和接收端严格同轴，使其取得高质量的通信。海水中存在的颗粒会产生吸收和散射效应，从而降低接收到的光功率，也会令光束不会严格按照直线传播。水下湍流的存在会导致光闪烁和光束漂移，增加对准的难度。此外，水下环境的温度、盐度和气泡等因素也可能对光线的传播路线产生影响。因此，在uwoc系统应用于实际水下环境之前，需要解决对准问题，这是建立水下激光通信的前提。
2、目前国内已开发出一些自适应对准技术，来令通信系统达到对准要求。例如基于图像处理的自动对准技术、基于光强的自动对准技术、基于光学干涉的自动对准技术等。这些技术能够实现精确的对准和追踪，但对硬件设备和算法提出了较高的要求。目前为了进一步提高对准的精确度和适应复杂水环境，一些新方式也被提出。这些方法包括基于机器学习的对准方法、基于深度学习的对准方法、基于模式识别的对准方法等。但是这些方法的复杂度较高，同时也需要大量的数据对模型进行训练和优化。
3、传统对准系统主要的研究重点是令发送端和接收端严格同轴，而忽略了光束可能无法垂直到达接收平面的情况，但即便是接收平面向一侧偏离很小的角度，也会对通信质量产生影响。
技术实现思路
1、针对上述问题，本发明提出了一种基于mimo-ofdm的水下激光通信对准角度优化方法及系统，显著降低角度对准的要求，使通信系统更加灵活和可靠。
2、本发明第一方面提供了一种可降低对准角度要求的水下激光通信系统，包括发送端和接收端，所述发送端包括qam调制模块、空时编码模块、ofdm调制模块、数模转换模块和电光调制模块；
3、所述qam调制模块用于将待传输的数据进行16阶qam调制，所述空时编码模块用于将qam调制完成的信号使用alamouti编码，将信号转化为两股数据流；所述ofdm调制模块用于将两股数据流分割成多个低速子载波，每个子载波负责传输一部分数据；所述数模转换模块用于将数字信号转换为模拟信号，即电信号，并通过电光调制模块将电信号转换为光信号；
4、所述接收端包括光电探测器、模数转换模块、ofdm解调模块、空时解码模块和qam解调模块；
5、所述光电探测器搭载在360°旋转台上，用于接收光信号并转为电信号；所述模数转换模块用于将模拟信号转换为数字信号；所述ofdm解调模块用于符号同步及信道估计，并将时域信号转换为频域信号，所述空时解码模块将两股数据流进行合并，最终通过qam解调模块进行解调。
6、优选的，所述qam调制模块及所述qam解调模块的具体工作过程为：
7、通过16阶qam调制，在每个符号周期内传输4个比特的信息，首先，将待传输的数据以每4个比特为一组进行分组，然后，将每个4比特组合映射到一个16qam调制星座图中的一个符号点，所述星座图为4x4的矩阵，矩阵中的每个元素都表示一个调制符号点，每个符号点表示一个复数，其中实部和虚部分别表示调制信号的幅度和相位；处理接收信号时，通过解调将调制符号转换回对应的4比特数据。
8、优选的，将信号转化为两股数据流，生成信号的多个独立样本，每个样本会经历不同的无线信道衰落，在接收端利用信道矩阵反解出两组信号，实现解复用；其中，alamouti编码矩阵公式为：
9、
10、其中s1、s2为发送内容，数据流转换为两个并行数据流。
11、优选的，所述ofdm调制模块选取128点进行快速傅里叶变换fft，将高速数据流被分割成多个低速子载波，每个子载波负责传输一部分数据，将空时编码调制后的符号序列进行逆傅里叶变换ifft，将其转换为时域信号，同时，采用厄米特对称性生成实值ofdm信号；添加符号同步序列和用于信道估计的mimo训练序列，进行封装组帧。
12、优选的，所述电光调制模块包含激光二极管、直流偏置器、电流控制器和温度控制器；所述激光二极管为450nm蓝色，频率范围大于100mhz，工作电流为75ma；电流控制器为激光二极管提供恒定电流；温度控制器调节激光二极管温度，使其工作在最佳状态；所述电光调制模块将信号叠加在直流上，进而改变激光二极管的输出光强。
13、优选的，所述ofdm解调模块与所述空时解码模块工作具体过程为：
14、s1.信号首先经过符号同步；使用fft窗对接收信号进行自相关，当fft与符号同步训练一致时，即可得到相关峰，该位置加上一个符号长度减去2即是去点符号同步序列后的起始位置；
15、s2.经过符号同步后，需要进行信道估计，两个发射机向两个接收机发送信息；为了得到信号矩阵，系统采用ls信道估计；当第i个发射机发送信道估计训练序列时，其他发射机在当前时隙不发送信号；由公式(2)可得，接收机接收到两个时隙的训练序列时就可估计出信道矩阵；
16、
17、其中ri为第i个接收机的接收信号；hij为第i个发射机到第j个接收机的信道估计值；
18、s3.ofdm解调，并通过空时解码，实现两束信号的恢复；通过信道后的信号表示如公式(3)(4)，此处为两发一收：
19、r1＝h1s1+h2s2+n1
20、(3)
21、
22、其中，s1、s2为两个数据，ri为第i次接收机接收到的信号，hj为j个发射机与接收机之间的信道估计值，nk为第k次接收到的噪声；第一次将s1、s2发出，第二次将发送；之后将公式(3)(4)改为公式(5)，
23、
24、对公式(4)等号两侧同时左乘hh，可得公式(6)和公式(7)：
25、
26、
27、忽略噪声，可解得两个信号为
28、
29、
30、从而获取解调信号。
31、本发明第二方面提供了一种可降低对准角度要求的水下激光通信方法，包括以下过程：
32、步骤1，把数据流每四个零一比特分为一组，16阶的qam的星座图进行调制；
33、步骤2，将qam调制的结果输入到空时编码模块中,使用alamouti编码将数据分为两路数据流；
34、步骤3，进行ofdm调制，将两股数据流分割成多个低速子载波，每个子载波负责传输一部分数据；添加符号同步序列和用于信道估计的mimo训练序列，进行封装组帧；
35、步骤4，将信号输入数模转换模块，将数字信号转换为模拟信号，再经过固定增益放大器放大幅值，由可调衰减器将幅值调整到激光二极管的工作区间；
36、步骤5，使用电光调制，使用激光二极管将电信号转化为光信号发送出去；
37、步骤6，使用光电探测器将光信号接收，转换为电信号，再经过模数转换器转换为数字信号后进行解调；
38、步骤7，先利用同步序列对信号进行帧同步操作，之后对信号进行ofdm解调，将信号从时域转化为频域；利用mimo训练序列进行信道估计，得到2*2的信道矩阵；根据alamouti解码，利用信道矩阵反解出两组信号，实现解复用；
39、步骤8，将步骤7的数据进行qam解调，依据星座图恢复出原始信号。
40、优选的，所述步骤1具体为：通过16阶qam调制，在每个符号周期内传输4个比特的信息，首先，将待传输的数据以每4个比特为一组进行分组，然后，将每个4比特组合映射到一个16qam调制星座图中的一个符号点，所述星座图为4x4的矩阵，矩阵中的每个元素都表示一个调制符号点，每个符号点表示一个复数，其中实部和虚部分别表示调制信号的幅度和相位。
41、优选的，所述步骤2具体为：
42、将信号转化为两股数据流，生成信号的多个独立样本，每个样本会经历不同的无线信道衰落，在接收端利用信道矩阵反解出两组信号，实现解复用；其中，alamouti编码矩阵公式为：
43、
44、其中s1、s2为发送内容，数据流转换为两个并行数据流。
45、优选的，所述步骤7具体为：
46、s1.信号首先经过符号同步；使用fft窗对接收信号进行自相关，当fft与符号同步训练一致时，即可得到相关峰，该位置加上一个符号长度减去2即是去点符号同步序列后的起始位置；
47、s2.经过符号同步后，需要进行信道估计，两个发射机向两个接收机发送信息；为了得到信号矩阵，系统采用ls信道估计；当第i个发射机发送信道估计训练序列时，其他发射机在当前时隙不发送信号；由公式(2)可得，接收机接收到两个时隙的训练序列时就可估计出信道矩阵；
48、
49、其中ri为第i个接收机的接收信号；hij为第i个发射机到第j个接收机的信道估计值；
50、s3.ofdm解调，并通过空时解码，实现两束信号的恢复；通过信道后的信号表示如公式(3)(4)，此处为两发一收：
51、r1＝h1s1+h2s2+n1
52、(3)
53、
54、其中，s1、s2为两个数据，ri为第i次接收机接收到的信号，hj为j个发射机与接收机之间的信道估计值，nk为第k次接收到的噪声；第一次将s1、s2发出，第二次将发送；之后将公式(3)(4)改为公式(5)，
55、
56、对公式(4)等号两侧同时左乘hh，可得公式(6)和公式(7)：
57、
58、
59、忽略噪声，可解得两个信号为
60、
61、
62、从而获取解调信号。
63、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
64、本发明提供一种基于mimo-ofdm的水下激光通信方法及系统，可降低通信链路角度对准要求，利用分集技术和空时编码，通过多个子信道传输数据，获得分集增益，并将数据编码到两个发射器，以更大程度增强通信的可靠性，在更大角度范围实现通信。该传输方式与siso-ofdm系统相比，在接收机未能收到大部分能量时，仍能获得较好的通信质量。本发明能够显著降低角度对准的要求，使通信系统更加灵活和可靠，能更好的应对水下环境，具有极高实用价值。在很大程度上促进了水下光通信领域的研究进步。
1.一种可降低对准角度要求的水下激光通信系统，包括发送端和接收端，其特征在于：所述发送端包括qam调制模块、空时编码模块、ofdm调制模块、数模转换模块和电光调制模块；
2.如权利要求1所述的一种可降低对准角度要求的水下激光通信系统，其特征在于，所述qam调制模块及所述qam解调模块的具体工作过程为：
3.如权利要求1所述的一种可降低对准角度要求的水下激光通信系统，其特征在于：所述空时编码模块使用alamouti编码，将信号转化为两股数据流，生成信号的多个独立样本，每个样本会经历不同的无线信道衰落，在接收端利用信道矩阵反解出两组信号，实现解复用；其中，alamouti编码矩阵公式为：
4.如权利要求1所述的一种可降低对准角度要求的水下激光通信系统，其特征在于：所述ofdm调制模块选取128点进行快速傅里叶变换fft，将高速数据流被分割成多个低速子载波，每个子载波负责传输一部分数据，将空时编码调制后的符号序列进行逆傅里叶变换ifft，将其转换为时域信号，同时，采用厄米特对称性生成实值ofdm信号；添加符号同步序列和用于信道估计的mimo训练序列，进行封装组帧。
5.如权利要求1所述的一种可降低对准角度要求的水下激光通信系统，其特征在于：所述电光调制模块包含激光二极管、直流偏置器、电流控制器和温度控制器；所述激光二极管为450nm蓝色，频率范围大于100mhz，工作电流为75ma；电流控制器为激光二极管提供恒定电流；温度控制器调节激光二极管温度，使其工作在最佳状态；所述电光调制模块将电信号叠加在直流上，进而改变激光二极管的输出光强。
6.如权利要求1所述的一种可降低对准角度要求的水下激光通信系统，其特征在于，所述ofdm解调模块与所述空时解码模块工作具体过程为：
7.一种可降低对准角度要求的水下激光通信方法，其特征在于，包括以下过程：
8.如权利要求7所述的一种可优化对准角度的水下激光通信方法，其特征在于，所述步骤1具体为：通过16阶qam调制，在每个符号周期内传输4个比特的信息，首先，将待传输的数据以每4个比特为一组进行分组，然后，将每4个比特组合映射到一个16qam调制星座图中的一个符号点，所述星座图为4x4的矩阵，矩阵中的每个元素都表示一个调制符号点，每个符号点表示一个复数，其中实部和虚部分别表示调制信号的幅度和相位。
9.如权利要求7所述的一种可降低对准角度要求的水下激光通信方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
10.如权利要求7所述的一种可降低对准角度要求的水下激光通信方法，其特征在于，所述步骤7具体为：
