这篇文档属于类型a，是一篇关于深海可见光通信（Visible Light Communication, VLC）系统的原创性研究论文。以下是针对该研究的学术报告：

作者与机构

本研究由Hanojhan Rajahrajasingh（斯里兰卡SLTC Research University研究生院）和Sampath Edirisinghe（斯里兰卡University of Sri Jayewardenepura计算机工程系）合作完成，发表于2023年IEEE第17届工业与信息系统国际会议（ICIIS）。

学术背景

研究领域：本研究属于水下无线光通信（Underwater Visible Light Communication, UVLC）领域，聚焦于深海（午夜区，深度约1000英尺）环境下的通信技术。

研究动机：
1. 深海探索需求：80%的海洋未被勘探，但传统声学通信因低数据率、高衰减无法满足需求。
2. 技术瓶颈：海水对无线电信号的强衰减促使研究者探索可见光波段（VLC）的潜力，其优势包括高数据率、低延迟和强安全性。
3. 挑战：UVLC在深海中面临散射、吸收、湍流和几何路径损耗等问题，需针对性建模与优化。

研究目标：
- 建立深海UVLC信道模型；
- 设计适用于不同潜水员编队拓扑的LED发射器；
- 评估系统在湍流、不同水质下的性能（如误码率BER、信噪比SNR）。

研究流程与方法

1. 信道建模

研究对象：模拟午夜区环境（无环境光、温度277.15K），假设潜水员与自主水下航行器（AUV）协作。
方法：
- 衰减模型：基于比尔-朗伯定律（Beer-Lambert Law），计算吸收系数（a(λ)）和散射系数（b(λ)）的联合作用（公式1-2）。
- 几何损耗模型：考虑LED发射角（ϕ）、接收角（θ）、光增益（g(θ)）等参数（公式3）。
- 湍流模型：采用对数正态分布（Log-normal fading）模拟光功率波动（公式5）。

创新点：结合衰减与几何损耗的复合信道模型（公式4），首次针对午夜区深海环境优化。

2. 网络拓扑设计

研究场景：
- 1D拓扑（线性编队）：潜水员在AUV前方或后方排成直线，使用3 LED发射器（图2b）。
- 2D拓扑（平面编队）：潜水员在AUV下方水平分布，需9 LED发射器覆盖更广区域（图2a）。

调制技术：开关键控（OOK, On-Off Keying），通过LED开关状态传递信息，无需复杂信号合并技术。

3. 性能评估

实验设计：
- 参数设置（表I）：LED功率1瓦、带宽7×10⁸ Hz、光电二极管面积1×10⁻⁴ m²等。
- 仿真工具：未明确提及，但参考了Zemax Optics Studio（文献[9]）进行光线追踪。

测试指标：
- 接收功率（图3、6、8）：随距离增加而降低，中心区域功率最高（几何损耗导致边缘衰减）。
- SNR分布（图4、7、9）：与接收功率正相关，2D拓扑需多LED以维持边缘SNR。
- BER分析（图5、10、11）：对比单LED与多LED系统，后者在湍流（σ=0.1-0.6）和不同水质（纯海水、清澈海水、沿岸海水）下表现更优。

主要结果与逻辑关联

1. 信道特性验证：衰减系数（c(λ)）随水质浊度增加而升高（表II），沿岸海水（c(λ)=0.305）的BER显著高于纯海水（c(λ)=0.056）。
   
2. 拓扑适应性：
   
   • 1D拓扑下，3 LED系统在SNR>10 dB时BER×10⁻⁴（图10）；
     
   • 2D拓扑需9 LED以覆盖平面，但SNR分布更均匀（图9）。
     
3. 湍流影响：多LED系统通过分集增益（diversity gain）抵抗湍流，σ=0.6时仍保持较低BER（图10）。
   

结果贡献：验证了多LED+OOK方案在深海复杂环境中的可行性，为后续调制技术（如NOMA）研究奠定基础。

结论与价值

科学价值：
- 提出首个针对午夜区深海的信道模型，填补了UVLC在极端深度下的理论空白。
- 证明多LED分集可有效对抗湍流和浊度，为硬件设计提供依据。

应用价值：
- 支持深海勘探（如海底采矿、电缆铺设）的实时高数据率通信；
- 模块化拓扑设计可适配不同任务需求（如线性探测或区域扫描）。

研究亮点

1. 创新模型：结合几何损耗与湍流的复合信道模型，优于传统单一衰减模型。
   
2. 拓扑驱动设计：根据潜水员编队动态调整LED数量（3或9），优化能耗与覆盖。
   
3. 鲁棒性验证：在多种水质和湍流条件下，多LED系统BER性能稳定。
   

其他有价值内容

• 对比研究：与声学通信和射频通信对比，UVLC在深海的速率和延迟优势显著（文献[2-3]）。
  
• 未来方向：探索非正交多址接入（NOMA）等调制技术，进一步提升容量。
  

本研究为深海通信提供了切实可行的光学解决方案，兼具理论严谨性与工程指导意义。