Channel Modeling of Satellite-to-Underwater Laser Communication Links: An Analytical-Monte Carlo Hybrid Approach

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作者
Zhixing Wang,Renzhi Yuan,Haifeng Yao,Chuang Yang,Mugen Peng
出处
期刊:IEEE Transactions on Communications [IEEE Communications Society]
卷期号:74: 7390-7405
标识
DOI:10.1109/tcomm.2026.3683822
摘要

Channel modeling for the satellite-to-underwater laser communication (StULC) link remains challenging due to long distances and the diversity of the channel constituents. The StULC channel is typically segmented into three isolated channels: the atmospheric channel, the air-water interface channel, and the underwater channel. Previous studies involving StULC channel modeling either focused on separated channels or neglected the combined effects of particles and turbulence on laser propagation. In this paper, we established a comprehensive StULC channel model by an analytical-Monte Carlo hybrid approach, taking into account the effects of particles, bubbles, and turbulence. We first obtained the intensity distribution of the transmitted laser beam after passing through the turbulent atmosphere based on the extended Huygens-Fresnel principle. Then we derived a closed-form probability density function of angular fluctuations of the beam refracted by the random sea surface. These analytical results are then mapped to initialize photon states for the Monte Carlo simulation of the underwater channel. Based on the proposed StULC channel model, we analyzed the bit error rate and the outage probability under different environmental conditions and system parameters. Numerical results demonstrated that the influence of underwater particle concentration on the communication performance is more pronounced than that of both the atmospheric turbulence and the underwater turbulence. In addition, enlarging the receiver aperture provides a more effective performance improvement than increasing the receiver field-of-view angle.
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