Structure and element base of the transceiver module for organizing an underwater wireless optical data transmission system

Abstract

In the paper, the results of theoretical study of a wireless optical data transmission channel, as well as experimental study of its characteristics, taking into account different configurations of the optical component base of receiving and transmitting modules, were presented. The model of the wireless underwater optical communication channel with pulse-position modulation (4 bits per symbol) of digital data traffic with 100 Mbps is proposed. The model showed that to organize a communication channel on a 10 m path, the use of an array of light-emitting diodes (LEDs) is requires (the amount is up to 20 LEDs). For this case, a sufficiently large route budget will be provided, even with additional factor that reduce the efficiency of light propagation in seawater. The LEDs were chosen to organize the data transmission channel, since they have a wide radiation pattern and allow the implementation of a relatively simple driver circuit. The required optical radiation power is realized with the use of an array of LEDs. Schematic diagrams of the LEDs driver and power supply for the receiving and transmitting modules have been designed. A measuring layout with optical transmitter and receiver blocks has been implemented. The test signal is a regular sequence of pulses with a duty cycle of 2, and a frequency of 1 MHz. In the receiving module, the signal from the output of the pin photodiode is amplified using a wideband operational amplifier. Sets of 3 pin photodiodes and 10 LEDs were selected and tests were carried out to determine options for optical components that provide the best time characteristics of the output electrical signal in terms of delay time, rising and falling edges of pulses in a wireless optical airborne communication channel. Also, measurements were done on an air path with a length of 0.25-3 m using one or two LEDs as part of the transmitting module. It has been experimentally confirmed that the organization of a communication channel with a length of up to 10 m requires about 15-20 light-emitting diodes. Further study involves the designing and testing of a driver for the LEDs array and a prototype transceiver module.

• wireless underwater communication
• visible light communication
• light emitting diode driver
• model of a wireless underwater optical communication channel

Аннотация (на русском)

Структура и элементная база приёмо-передающего модуля для организации подводной оптической беспроводной системы передачи данных

В статье представлены результаты теоретического исследования беспроводного оптического канала связи и экспериментального исследования характеристик беспроводного оптического канала с учетом различной комплектации оптической компонентной базы в составе приемного и передающего модулей. Разработанная модель беспроводного подводного оптического канала связи с позиционно-импульсной модуляцией (4 бита на символ) цифрового потока данных со скоростью передачи 100 Мбит/с показала, что для организации канала связи на трассе 10 м требуется применение массива светоизлучающих диодов в количестве до 20 штук, при этом обеспечивается достаточно большой бюджет трассы с учетом дополнительных факторов, снижающих эффективность распространения света в морской воде. Для организации канала связи выбраны светоизлучающие диоды, так как они обладают достаточно широкой диаграммой направленности и позволяют реализовать относительно простую схему драйвера. Требуемая мощность оптического излучения реализуется за счет применения массива светодиодов. Разработаны принципиальные схемы драйвера светодиодов и блока питания для приемного и передающего модулей. Реализована измерительная установка в составе блоков оптического передатчика и приемника. Тестовый сигнал - регулярная последовательность импульсов со скважностью 2 и частотой 1 МГц. В приемном модуле усиление сигнала с выхода pin-фотодиода реализовано с применением широкополосного операционного усилителя. Подобраны комплекты из трех pin-фотодиодов и 10 светоизлучающих диодов и проведены испытания, в ходе которых определили варианты оптических компонентов, обеспечивающих в беспроводном оптическом воздушном канале связи наилучшие временные характеристики выходного электрического сигнала по времени задержки, переднему и заднему фронту импульсов. Также выполнено измерение на воздушной трассе протяженностью 0,25-3 м при использовании в составе передающего модуля одного и двух светоизлучающих диодов. Экспериментально подтверждено, что для организации канала связи протяженностью до 10 м требуется порядка 15-20 светоизлучающих диодов. Дальнейшие исследования связаны с разработкой и испытанием драйвера для массива светодиодов и прототипа приемо-передающего модуля.

For citation

References

1. Song H.C., Hodgkiss W.S. Efficient use of bandwidth for underwater acoustic communication //The journal of the acoustical society of America. - 2013. - Т. 134. - №. 2. - С. 905-908. https://doi.org/10.1121/1.4812762.
2. Gussen C.M. G. et al. A survey of underwater wireless communication technologies //J.Commun. Inf. Sys. - 2016. - Т. 31. - №. 1. - С. 242-255. https://doi.org/10.14209/jcis.2016.22.
3. Li Y. et al. A survey of underwater magnetic induction communications: Fundamental issues, recent advances, and challenges //IEEE Communications Surveys & Tutorials. - 2019. - Т. 21. - №. 3. - С. 2466-2487. https://doi.org/10.1109/COMST.2019.2897610.
4. IEEE Standard Association et al. IEEE standard for local and metropolitan area networks-Part 15.7: short-range wireless optical communication using visible light //IEEE: Piscataway, NZ, USA. - 2011. - С. 1-309.
5. Kong M. et al. Real-time optical-wireless video surveillance system for high visual-fidelity underwater monitoring //IEEE Photonics Journal. - 2022. - Т. 14. - №. 2. - С. 1-9. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3147844.
6. Kong M. et al. Toward automatic subsea operations using real-time underwater optical wireless sensor networks //IEEE Photonics Journal. - 2021. - Т. 14. - №. 1. - С. 1-8. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2021.3136922
7. Li J. et al. A real-time, full-duplex system for underwater wireless optical communication: hardware structure and optical link model //IEEE Access. - 2020. - Т. 8. - С. 109372-109387. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3001213.
8. Leon P. et al. A new underwater optical modem based on highly sensitive Silicon Photomultipliers //OCEANS 2017-Aberdeen. - IEEE, 2017. - С. 1-6. https://doi.org/10.1109/OCEANSE.2017.8084586.