moitvivt Моделирование, оптимизация и информационные технологии Modeling, Optimization and Information Technology 2310-6018 Издательство 10.26102/2310-6018/2023.43.4.005 1402 Анализ производительности подводной системы отражения видимого света Performance analysis of underwater visible light reflecting system 0000-0001-7602-0209 Али Мохаммад Фуркан Ali Mohammad Furqan ali89@tpu.ru aff-1 0000-0002-7004-2930 Джаякоди Душанта Налин К. Ali Jayakody Dushantha Nalin K. nalin@tpu.ru aff-2 Томский политехнический университет Tomsk Polytechnic University Томский политехнический университет Tomsk Polytechnic University 01 01 2026 1 1 10.26102/2310-6018/2023.43.4.005 Copyright © Авторы, 2026 2026 This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License

Подводная связь в видимом свете привлекла большое внимание к анализу беспроводных оптических сигналов для следующего поколения беспроводных операторов связи, соответствующих стандарту 5G и выше (5GB). Зависящие от глубины физико-химические свойства воды, такие как колебания температуры, давления, плотности и солености, формируют разные значения показателей преломления, а также турбулентности воды. Канальная турбулентность является узким местом для распространения оптических сигналов в водных средах, особенно в океанах, а также причиной некорректной работы приемопередатчиков по причине смещения сигнала или ошибки наведения. Настоящее исследование посвящено анализу производительности отражающего узла в системе подводной оптической связи, работающей в видимом свете. На основе экспериментальных данных, полученных при изучении океана, рассматриваются показатели отказоустойчивости и коэффициенты битовых ошибок при передаче сигнала. В предлагаемой модели системы показатели производительности получены в условиях канала слабой турбулентности в рамках схемы амплитудно-импульсной модуляции. Кроме того, аналитически выведено выражение в закрытой форме для характеристики простоя и точное асимптотическое выражение для коэффициента битовых ошибок при высоком отношении сигнал-шум, из которого можно извлечь данные о влиянии среды на параметры канала связи и системы в целом. Результаты моделирования показывают работоспособность модели системы подводной связи в видимом свете.

Underwater visible light communication (UVLC) has become a promising wireless signaling approach towards the 5G and 5G beyond (5GB) wireless networks. The depth-dependent photophysical characteristics of water such as pressure, density, temperature, and salinity fluctuations lead to the changes in the refraction index and turbulence of water. The channel turbulence is a bottleneck for optical signaling in aqueous mediums, especially in oceans; it also causes malfunctions in transceivers because of signal bias or pointing error. The paper examines the performance of the reflecting node as part of underwater optical communication system operating in visible light. Based on the experimental data obtained in the Southern Indian Ocean, the outage outcomes and bit-error-rate (BER) performances are considered. The performance metrics for the proposed system model are obtained under weak-turbulence channel conditions within Pulse-Amplitude Modulation (PAM) scheme. Additionally, the authors analytically present the closed-form expression for outage probability and a tight asymptotic expression for BER performance at high signal-to-noise (SNR) ratio that offers helpful insights into the influence of the medium on channel parameters and the system as a whole. The simulation results demonstrate operational capacity of the underwater communication system model.

 подводная беспроводная связь (UWC) подводная связь в видимом свете (UVLC) подводная отражающая связь подводная турбулентность общение между пловцами (D2D) отражательный полупроводниковый оптический усилитель (RSOA) underwater wireless communication (UWC) underwater visible light communication (UVLC) underwater reflecting communication underwater weak-turbulence diver to diver communication (D2D) reflective semiconductor optical amplifier (RSOA) Работа выполнена в рамках Программы повышения конкурентоспособности Национального исследовательского Томского политехнического университета, Россия. This research was funded as part of the Competitiveness Enhancement Program of National Research Tomsk Polytechnic University, Russia. References Elamassie M., Miramirkhani F., Uysal M. Channel modeling and performance characterization of underwater visible light communications. In: 2018 IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC Workshops), Kansas City, MO, USA. 2018. p. 1–5. DOI: 10.1109/ICCW.2018.8403731. Zedini E., Oubei H.M., Kammoun A., Hamdi M., Ooi B.S., Alouini M.-S. Unified statistical channel model for turbulence-induced fading in underwater wireless optical communication systems. IEEE Transactions on Communications. 2019;67(4):2893–2907. DOI: 10.1109/TCOMM.2019.2891542. Chen J., Yu Z., Wang T., Liu Z., Gao S. High-speed modulating retro-reflectors with optical phase conjugation compensation. Optics Communications. 2022;507:127629. DOI: 10.1016/j.optcom.2021.127629. Ziph-Schatzberg L., Bifano T., Cornelissen S., Stewart J., Bleier Z. Deformable mems mirror in secure optical communication system. In: Proc. SPIE 7318, Micro- and Nanotechnology Sensors, Systems, and Applications, 73180T, 11 May 2009, Orlando, Florida, United States. 2009. p. 190–201. DOI: 10.1117/12.818831. Dabiri M.T., Rezaee M., Mohammadi L., Javaherian F., Yazdanian V., Hasna O., Uysal M. Modulating retroreflector based free space optical link for UAV-to-ground communications. IEEE Transactions on Wireless Communications. 2022;21(10):8631–8645. DOI: 10.1109/TWC.2022.3167945. Li C., Liu H., Lin W., Yan B., Li S., Liu B. Performance analysis of modulating retro-reflector free space optical communication system over gamma-gamma fading channels. Microwave and Optical Technology Letters. 2022;64(3):609–615. DOI: 10.1002/mop.33140. Zhang Z., Yin X., Cui X., Chang H., Xin X. Performance analysis of modulating retro-reflector link based on orbital angular momentum coding in underwater channels. Optics Communications. 2022;127903. DOI: 10.1016/j.optcom.2022.127903. Jamali M.V., Khorramshahi P., Tashakori A., Chizari A., Shahsavari S., AbdollahRamezani S., Fazelian M., Bahrani S., Salehi J.A. Statistical distribution of intensity fluctuations for underwater wireless optical channels in the presence of air bubbles. In: 2016 Iran Workshop on Communication and Information Theory (IWCIT). IEEE, Tehran, Iran. 2016. p. 1–6. DOI: 10.1109/IWCIT.2016.7491626. Elamassie M., Al-Nahhal M., Kizilirmak R.C., Uysal M. Transmit laser selection for underwater visible light communication systems. In: 2019 IEEE 30th Annual International Symposium on Personal, Indoor, and Mobile Radio Communications (PIMRC), Istanbul, Turkey. 2019. p. 1–6. DOI: 10.1109/PIMRC.2019.8904100. Kaushal H., Kaddoum G. Underwater optical wireless communication. IEEE access. 2016;4:1518–1547. DOI: 10.1109/ACCESS.2016.2552538. Elamassie M., Uysal M. Vertical underwater VLC links over cascaded gamma-gamma turbulence channels with pointing errors. In: IEEE International Black Sea Conference on Communications and Networking (BlackSeaCom), Sochi, Russia. 2019. p. 1–5. DOI: 10.1109/BlackSeaCom.2019.8812811. Bhowal A., Kshetrimayum R.S. Performance analysis of one-and two-way relays for underwater optical wireless communications. OSA Continuum. 2018;1(4):1400–1413. DOI: 10.1364/OSAC.1.001400. Ali M.F., Jayakody D.N.K., Garg S., Kaddoum G., Hossain M.S. Dual-hop mixed FSO-VLC underwater wireless communication link. IEEE Transactions on Network and Service Management. 2022;19(3):3105–3120. DOI: 10.1109/TNSM.2022.3181169. Elamassie M., Uysal M., Baykal Y., Abdallah M., Qaraqe K. Effect of eddy diffusivity ratio on underwater optical scintillation index. Journal of the Optical Society of America A. 2017;34(11):1969–1973. DOI: 10.1364/JOSAA.34.001969. Yang F., Cheng J., Tsiftsis T.A. Free-space optical communication with nonzero boresight pointing errors. IEEE Transactions on Communications. 2014;62(2);713–725. DOI: 10.1109/TCOMM.2014.010914.130249. Ramavath P.N., Udupi S.A., Krishnan P. Co-operative RF-UWOC link performance over hyperbolic tangent log-normal distribution channel with pointing errors. Optics Communications. 2020;469:125774. DOI: 10.1016/j.optcom.2020.125774. Adamchik V., Marichev O. The algorithm for calculating integrals of hypergeometric type functions and its realization in reduce system. In: Proceedings of the international symposium on Symbolic and algebraic computation. ACM. 1990. p. 212–224. Chiani M., Dardari D., Simon M.K. New exponential bounds and approximations for the computation of error probability in fading channels. IEEE Transactions on Wireless Communications. 2003;2(4):840–845. DOI: 10.1109/TWC.2003.814350. Belkic D. The Euler T and Lambert W functions in mechanistic radio-biological models with chemical kinetics for the repair of irradiated cells. Journal of Mathematical Chemistry. 2018;56(8):2133–2193. DOI: 10.1007/s10910-018-0932-3. Argo floats, “Southern Indian Ocean”. URL: https://argo.ucsd.edu/. [дата обращение: 15.12.2021]. Nikishov V.V., Nikishov V.I. Spectrum of turbulent fluctuations of the sea-water refraction index. International Journal of Fluid Mechanics Research. 2000;27(1)82–98. DOI: 10.1615/InterJFluidMechRes.v27.i1.70. Farid A.A., Hranilovic S. Outage capacity optimization for free-space optical links with pointing errors. Journal of Lightwave Technology. 2007;25(7):1702–1710. DOI: 10.1109/JLT.2007.899174.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.