基于光电倍增管死区时间效应与散粒噪声的水下多用户光子计数通信系统研究

《IEEE Photonics Journal》：An Underwater Multi-User Communication System Using Photomultiplier-Tube-Based Photon Detector with Dead-Time Effect and Shot Noise

本文针对水下光无线通信(UOWC)中死区时间效应(dead-time effect)和多用户干扰(MUI)等关键挑战，提出了一种适用于非完美光子计数接收机的迭代检测方法。研究人员通过设计稀疏交织器和稀疏因子图架构，结合最大后验概率(MAP)框架的多用户检测(MUD)算法，有效提升了在散粒噪声(shot noise)、有限采样速率和热噪声(thermal noise)条件下的系统性能。仿真结果表明，该方案比传统光子计数方案误码率(BER)提升最高达5 dB，为实际UOWC系统提供了重要的技术支撑。

　　

在深邃的海洋中，实现高效可靠的水下通信一直是个重大挑战。与传统声学通信相比，水下光无线通信(UOWC)具有传输速率高、延迟低、对海洋生物干扰小等优势，在海洋环境监测、水下导航、救援作业等领域展现出巨大潜力。然而，实际UOWC系统面临诸多难题：光电倍增管(PMT)的死区时间效应会阻止后续光子探测，导致信号遵循二项分布而非传统的高斯分布；多用户场景下的干扰问题严重制约系统性能；信号相关的散粒噪声、背景辐射和热噪声进一步增加了信号检测的复杂性。

为解决这些挑战，研究人员在《IEEE Photonics Journal》上发表了一项创新研究，提出了一种针对非完美光子计数UOWC系统的迭代信号检测方法。该系统专门为多用户上行链路(UL)场景设计，综合考虑了信号相关散粒噪声、死区时间效应、背景辐射、有限采样速率和热噪声等实际因素。

关键技术方法包括：设计用户特定的稀疏开关矩阵实现稀疏多址接入，构建稀疏因子图改善迭代检测性能；开发统一的最大后验概率检测框架，适用于符号持续时间是否为PMT死区时间整数倍的两种情况；基于对数似然比(LLR)的迭代多用户检测算法，通过MUD节点和解码(DEC)节点间的信息交换提升检测精度。系统采用开关键控(OOK)调制，在清晰海水条件下进行仿真验证，考虑不同用户数量、湍流强度、死区时间和噪声水平等多种场景。

系统模型架构包含K个用户和一个基站(BS)。发射端采用重复编码和OOK调制，通过稀疏开关矩阵生成稀疏序列，显著减少每时隙的用户重叠。接收端使用PMT光子计数接收机，准确建模死区时间效应下的光子计数分布。

研究结果显示出显著性能优势。在BER性能方面，提出的算法在不同稀疏度条件下均明显优于传统方案。1/4稀疏系统在E_b=-166 dBJ时达到10^-5的BER，验证了稀疏设计能有效利用稀疏增益提升系统性能。随着用户数量增加，虽然BER性能有所下降，但提出的方案始终优于基准方法，即使有10个用户时，1/4稀疏系统仍能实现10^-3的BER，展现了强大的抗干扰能力。

死区时间影响分析表明，在低平均比特能量水平时，系统性能主要受环境噪声限制，死区时间影响较小。随着E_b增加，死区时间效应变得显著，将τ_d从70 ns减少到10 ns可使BER从10^-4改善到1.40×10^-5。湍流强度影响测试显示，即使湍流强度增加到0.5，1/4稀疏系统在E_b=-165 dBJ时仍能保持低于10^-5的BER，证明算法对湍流衰落的鲁棒性。

不同散粒噪声水平下的性能评估表明，即使σ/Ae=1时，4用户场景下在E_b=-165 dBJ处能达到5×10^-5的BER，显示出优异的抗热噪声能力。外信息转移(EXIT)图分析验证了算法的快速收敛特性，码率为1/6和1/8时分别能在8次和4次迭代内收敛到(1,1)点。

该研究通过创新的稀疏因子图架构和统一的检测框架，有效解决了非完美光子计数UOWC系统中的关键挑战。与传统方法相比，新方案最高可获得5 dB的BER增益，在多种噪声和信道损伤条件下保持稳健性能。稀疏交织和统一检测策略为实际UOWC系统的实用化提供了重要技术支撑，推动了水下光通信技术的发展。研究成果对海洋勘探、环境监测和水下物联网等应用领域具有重要价值。