水下无线通信一直以来依赖声学与射频方案，但受限于带宽不足与传播距离受限的问题。近年来，可见光通信 (VLC) 因其高带宽、低延迟和良好的安全性而成为深海通信的潜在候选技术。本文基于正交开关键控 (On-Off Keying, OOK) 调制，建立了一个考虑 Gamma-Gamma 湍流、几何损耗及海水吸收/散射效应的水下 VLC 仿真模型。通过改变信噪比 (SNR) 条件，对误比特率 (BER) 性能进行了蒙特卡洛仿真。结果表明，随着 SNR 的增加，系统的 BER 呈指数级下降，且在不同海水条件（纯净海水、清澈海水、近岸海水）下均表现出明显差异。这一研究验证了在合理的传输距离和功率配置下，VLC 可作为深海环境中数据传输的可行解决方案。
作者信息
编号：MAP-13
大小：3K
环境：Matlab R2020b、2024b
作者：张家梁(完全原创)
引言
随着海洋开发和水下探测任务的不断增加，对高效、可靠的水下通信技术的需求日益增长。目前广泛应用的水下通信主要包括声学通信和射频通信。声学通信具有远距离传播的优势，但其带宽有限，传播延迟大，且容易受到多径效应和噪声干扰的影响。射频通信在水下传播时则受限于高衰减，仅能在极低频段工作，无法满足大容量数据传输的需求。
在此背景下，水下可见光通信 (Underwater Visible Light Communication, UVLC) 被提出作为一种新兴解决方案。相比于声学与射频，VLC 在带宽利用率、保密性和能效方面具备显著优势。然而，水下光学信道受到多种物理效应的限制：
吸收与散射效应：海水会导致光强随距离呈指数衰减，不同水质（如纯净海水、近岸海水）表现差异显著。
几何损耗：光束发散、接收器有效面积及视场角 (FOV) 共同决定了接收功率。
湍流效应：由水下环境中的随机折射率扰动引起，通常可采用 Gamma-Gamma 分布建模。
本文针对上述因素，建立了一个基于 OOK 调制的水下 VLC 系统仿真平台。通过引入 Gamma-Gamma 湍流模型、几何通道增益与 Beer–Lambert 衰减公式，对不同 SNR 条件下的 BER 性能进行了分析。仿真结果为水下光学通信链路的设计与优化提供了参考，也进一步验证了 VLC 在深海环境中的可行性。
系统架构
1.系统概述
本系统基于 MATLAB 平台，面向水下可见光通信 (Underwater VLC) 信道建模与性能分析实验设计，主要实现 在 Gamma-Gamma 湍流与吸收/散射环境下的 OOK 调制通信系统 BER 性能评估。系统由 参数设置模块、比特生成与调制模块、信道建模模块、噪声叠加模块、检测与判决模块、性能统计模块和结果可视化模块 构成。
参数设置模块：初始化系统关键参数，包括 SNR 范围、比特数、LED 数量与发射功率、接收器几何参数、海水消光系数及 Gamma-Gamma 湍流分布参数，为仿真运行提供全局配置。
比特生成与调制模块：产生随机二进制比特流，并采用 OOK 调制 映射为发射符号，表示“0”不发光，“1”发光，实现光学通信链路的数字基带信号输入。
信道建模模块：对水下光学链路进行建模，包括 几何增益（朗伯辐射模型 + 接收器面积 + 集中器增益）、介质衰减（Beer–Lambert 定律）以及 Gamma-Gamma 湍流起伏，共同决定信号传播过程中的功率衰减与随机起伏。
噪声叠加模块：在接收端信号上加入符合设定 SNR 的加性高斯白噪声 (AWGN)，模拟真实光电接收器输出的噪声环境。
检测与判决模块：对接收信号进行 零强迫均衡（ZF） 处理，并通过阈值判决将接收信号判定为比特“0”或“1”，实现信息恢复。
性能统计模块：对比发送比特与接收比特，统计误比特数并计算对应的 BER 值，在多次重复仿真后得到平均误码率。
结果可视化模块：绘制 BER–SNR 曲线，以半对数形式直观展示系统在不同信噪比条件下的误码性能。
系统设计目标是实现一个 完整、可复现、可扩展的水下 VLC 链路仿真平台，既能用于学术研究与通信性能对比，也可作为水下光通信教学与工程应用的实验基础工具。
2.系统流程图
研究方法
本研究采用 OOK 调制与 Gamma-Gamma 湍流信道模型，在不同 SNR 条件下通过蒙特卡洛仿真评估水下可见光通信系统的误码性能。
实验结果
实验结果表明：在 Gamma-Gamma 湍流信道下，水下可见光通信系统的 BER 随 SNR 增加而显著下降，并在约 45 dB 后快速进入低误码区间。
运行main.m
图1：水下可见光通信系统在 Gamma-Gamma 信道下的 BER-SNR 曲线
分析：随着 SNR 的增加，系统 BER 呈现出明显下降趋势：在低 SNR 区域（0–20 dB），BER 维持在 10⁰~10⁻¹，噪声主导性能，误码率较高；进入过渡区（20–40 dB），BER 缓慢下降，从 10⁻¹ 降至 10⁻³，信噪比提升逐步改善接收性能，但仍受 Gamma-Gamma 湍流影响；在高 SNR 区域（40 dB 以上），BER 急剧下降，从 10⁻³ 以下快速接近 10⁻⁵，表明噪声影响被有效抑制，均衡与判决效果显著。总体而言，系统在约 45 dB SNR 后进入“误码地板”快速下降区，表现出较强鲁棒性，验证了 OOK 调制结合 Gamma-Gamma 湍流模型下，水下可见光通信在高 SNR 条件下仍能保持较低 BER。
系统实现
本系统完全基于MATLAB平台开发，主要集成以下脚本与模块：
研究结论
本研究提出的基于交替方向乘子法（ADMM）的优化模型 ADOM，有效解决了遥感影像中的条带噪声问题。通过构建优化函数并引入基于动量系数和残差参数的权重检测策略，模型能够更准确地区分条带噪声与图像细节；同时结合证据驱动的起点控制与动量驱动的步长控制，加快了优化收敛速度并保证了稳定性。实验结果显示，ADOM 在模拟与真实数据集上均取得了优于对比方法的性能，不仅能够显著提升 PSNR 和 SSIM 指标，而且残余条纹极少，整体误差明显降低，充分证明了该方法在遥感影像去条带任务中的有效性和实用价值。
实验环境
硬件配置如表：实验所用硬件平台为惠普（HP）暗影精灵10台式机整机，运行 Windows 11 64 位操作系统，作为模型训练与测试的主要计算平台，能够良好支持Matlab的开发需求。
官方声明
实验环境真实性与合规性声明：
本研究所使用的硬件与软件环境均为真实可复现的配置，未采用虚构实验平台或虚拟模拟环境。实验平台为作者自主购买的惠普（HP）暗影精灵 10 台式整机，具体硬件参数详见表。软件环境涵盖操作系统、开发工具、深度学习框架、MATLAB工具等，具体配置详见表，所有软件组件均来源于官方渠道或开源社区，并按照其许可协议合法安装与使用。
研究过程中严格遵循学术诚信和实验可复现性要求，确保所有实验数据、训练过程与结果均可在相同环境下被重复验证，符合科研规范与工程实践标准。
版权声明：
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