基于法向量倾斜的可见光通信多输入多输出信道解相关技术

随着可见光通信多输入多输出(VLC-MIMO)系统收发端阵元数目增多、阵元间距减小以及传输距离增大,系统接收端信号间严重干扰、信道矩阵缺秩等问题逐渐凸显,导致系统的复用率降低、信道相关性增大。针对这些问题,提出以最小化最大干信比为优化目标;通过建立VLC-MIMO信道模型,分析收发端阵元法向量倾斜角度对信道相关性的影响;通过优化发光二极管(LED)法向量倾斜角度来减小信道相关性,并得到各个LED法向量的最佳倾斜角度。通过比较系统接收平面的光照度分布,发现所提出的优化方案能有效减小信号间干扰,与链路阻塞方式相比,该方案的误码率降低了42dB。     

弱相干光源测量设备无关量子密钥分发系统的性能优化分析

测量设备无关量子密钥分发系统能够抵御任何针对单光子探测器边信道的攻击, 进一步结合诱惑态的方案, 可以同时规避准单光子源引起的实际安全漏洞. 测量设备无关量子密钥分发系统中, 非对称传输、分束器的不对称以及各个单光子探测器存在实际参数差异等光学系统的具体实现特征会对系统误码率和成码率等性能产生一定的影响. 本文针对采用弱相干光源的测量设备无关量子密钥分发系统, 引入单光子探测器品质因子的实验参数(暗计数与探测效率的比值), 通过量子化描述, 理论推导并模拟了误码率与单光子探测器品质因子、分束器反射率以及通信双方弱相干光源平均光子数之间的关系. 结果表明: 在X基偏振编码 和相位编码系统中, 当分束器的反射率趋近于0.5时, 误码率取最小值; 在偏振编码和相位编码系统中, 误码率随着单光子探测器品质因子的增大而增大; 在Z基偏振编码系统中, 误码率随分束器的反射率的变化会呈现较小的波动, 当分束器的反射率为0.5时, 若通信双方采用的平均光子数相差较大, 则误码率取最大值; 分束器的反射率和平均光子数对误码率的影响在Z基情况下不能等同, 但是对于X基编码和相位编码却能等同.     

水下无线光OOK信道误码率分析

现有的矢量辐射输运（VRT）理论无法分析有限孔径条件下水下无线光通信信道特征,因此VRT误码率计算结果并不能很好地与实际系统相符。在分析水下光OOK信号激光传输模型的基础上,根据水下有限孔径光信道的特征,对三类海水中可见光水下通信系统的误码率进行了仿真和评估。仿真结果表明,水下光OOK系统可靠视频传输距离上限分别为远洋108m,近海65m和海湾11m,该结果为水下实时高码率激光通信系统设计提供了参考。     

低密度奇偶校验码的性能分析与水下通信验证

在ADSP-BF561上实现了低密度奇偶校验码的编码算法。为解决编码复杂度高的问题,将校验矩阵变换后存入数据空间。为节省存储空间,采用压缩算法,并提出相应的编码算法,没有增加复杂度。对不同码率的低密度奇偶校验码在不同信道中的性能进行仿真分析。将不同码率的低密度奇偶校验码应用于水声通信系统进行浅海试验,结果表明低密度奇偶校验码能提高通信系统的鲁棒性,码率越低性能越好。当解码前符号信噪比在7～8dB时,可达到近似无误码的通信性能。     

基于RS编码及网格编码调制的光PPM通信纠错技术

分析了RS(Reed-Solomon)纠错码和网格编码调制（Trellis Coded Modulation,TCM）技术在光脉冲位置调制通信中的应用.在此基础上,提出了以RS码作为外码,以网格编码调制技术作为内码,用于光脉冲位置调制通信的新编码方案,能以几乎不减少通信速率的优势,提高传统RS码系统在时变带限光信道中的通信性能.模拟研究了在不同空间光信道条件下,传统RS码的符号正确传输率和误码率,并对网格编码调制的编码增益、RS码与网格编码调制级联时的编码增益进行了仿真研究,证实了本方案的有效性.     

离散速率条件下的大气激光通信自适应调制编码系统性能

针对大气湍流引起的系统频带利用率下降的问题,研究了一种离散速率条件下的大气激光通信自适应调制编码系统。从信号层角度建立了湍流信道模型,给出了湍流信道下的瞬时信噪比概率密度函数,并采用外场实验验证了该信道模型。理论推导了系统频带利用率和误码率表达式,仿真结果表明大气激光通信自适应调制编码系统较传统单一传输模式系统具有优越性。研究了其频带利用率和误码率曲线特性,分析了误码率要求和湍流强度对系统性能的影响。结果表明降低误码率要求可大幅提高系统的频带利用率,且误码率要求越低,湍流强度越弱,频带利用率越高。     

基于单光子的单向量子安全通信协议

提出了基于单光子的单向量子安全通信方案.发送方在对信息序列进行编码操作之前首先将其和随机序列进行异或操作并插入校验序列.接收方收到光子后对其进行延迟,此后发送方公布编码基从而使接收方在正确的基下进行测量.接着双方通过校验序列判断信道的安全性,如果信道安全,则发送方公布接收方有测量结果的位置所对应的随机序列,接收方由此恢复出信息序列;如果信道不安全,窃听者所获得的只是随机的发送序列,信息序列仍然是安全的.此协议与双向通信协议相比具有传输效率高、 易于实现等优点. 关键词： 量子密码 量子安全通信 单光子 单向通信     

海冰对水下量子通信信道性能的影响

为研究海冰对水下量子通信信道性能的影响,基于海冰在不同的密度、盐度下的吸收与散射特性,建立了海冰参数与消光系数之间的关系、光量子信号衰减模型;根据海冰在不同密度、盐度下的消光特性,分别建立海冰参数与信道利用率、量子密钥分配系统误码率、系统成码率之间的关系并进行数据仿真。理论分析与仿真结果可为海冰环境下的水下量子通信设计提供参考。     

水声多输入多输出信道的分布式压缩感知估计

多输入多输出技术通过采用多个阵元进行多发多收空间复用信道可在极其有限的通信带宽下实现高速水声通信,但由于同时存在通道间干扰和多径干扰,水声MIMO信道估计变得困难。提出利用MIMO水声信道多径稀疏结构存在的相关性,在经典联合稀疏模型的基础上对MIMO观测矩阵进行重组,从而建立基于分布式压缩感知的单载波水声MIMO通信信道联合稀疏模型;同时,针对信道响应中具有相同多径位置的稀疏部分和特有稀疏部分设计区分性正交匹配追踪算法进行联合重构,进一步抑制通道间干扰的影响。最后通过仿真和海上实验进行本方法有效性的验证,实现16 kbps的MIMO水声通信。通过算法推导、仿真和实验可得到结论:利用MIMO水声信道多径相关性进行分布式压缩感知估计可提高估计性能。      

相关信道下无线光多输入多输出系统的平均容量

大气信道中,信道衰落以及天线间距的限制导致无线光多输入多输出(MIMO)系统的各光束间存在一定的相关性,这种相关性严重影响无线光通信系统的性能.基于脉冲位置调制(PPM)建立了相关信道下无线光MIMO系统的信道模型,并采用Wilkinson方法推导出对数正态衰落时无线光MIMO系统的平均信道容量.模拟结果表明:空间相关性的存在降低了系统的平均信道容量,而且随着总能量的增大,相关性带来的容量损失也增大.在完全相关信道中,发送端相关对信道容量产生的影响比接收端相关的影响更为严重.     

水声多输入多输出信道的分布式压缩感知估计

多输入多输出技术通过采用多个阵元进行多发多收空间复用信道可在极其有限的通信带宽下实现高速水声通信,但由于同时存在通道间干扰和多径干扰,水声MIMO信道估计变得困难。提出利用MIMO水声信道多径稀疏结构存在的相关性,在经典联合稀疏模型的基础上对MIMO观测矩阵进行重组,从而建立基于分布式压缩感知的单载波水声MIMO通信信道联合稀疏模型;同时,针对信道响应中具有相同多径位置的稀疏部分和特有稀疏部分设计区分性正交匹配追踪算法进行联合重构,进一步抑制通道间干扰的影响。最后通过仿真和海上实验进行本方法有效性的验证,实现16 kbps的MIMO水声通信。通过算法推导、仿真和实验可得到结论:利用MIMO水声信道多径相关性进行分布式压缩感知估计可提高估计性能。     

基于单光子的单向量子安全通信协议

提出了基于单光子的单向量子安全通信方案.发送方在对信息序列进行编码操作之前首先将其和随机序列进行异或操作并插入校验序列.接收方收到光子后对其进行延迟,此后发送方公布编码基从而使接收方在正确的基下进行测量.接着双方通过校验序列判断信道的安全性,如果信道安全,则发送方公布接收方有测量结果的位置所对应的随机序列,接收方由此恢复出信息序列;如果信道不安全,窃听者所获得的只是随机的发送序列,信息序列仍然是安全的.此协议与双向通信协议相比具有传输效率高、 易于实现等优点.     

无源时间反转镜在水声通信中的应用

提出单阵元无源时间反转镜(PTRM),在对声信道没有任何先验知识的情况下可与信道自动匹配,实现自适应聚焦。并将其应用于Pattern时延差编码(PDS)水声通信体制,构成无源时间反转镜Pattern时延差编码水声通信系统(PTRM- PDS)。通过计算机仿真研究及湖试,验证了PTRM-PDS系统能够抑制声信道多途扩展产生的码间干扰,可在时变、空变的声信道中实现低误码率通信,具有很好的鲁棒性。     

高效纠错编码技术在无线光通信中的性能分析

在介绍无线光通信信道及系统模型的基础上,推导了无线光通信未编码系统和RS编码系统在已知信道边信息条件下的平均误码率,从接收光功率和对数振幅起伏方差方面对RS码编码系统和Turbo编码系统的性能进行比较.仿真结果表明,采用编码方案可以有效地改善大气湍流对通信链路性能的恶化,Turbo码编码方案比RS码编码方案能更好地抗大气湍流干扰.     

室内可见光通信多径信道建模及MIMO-ACO-OFDM系统性能分析

当通信速率较高时,室内光信号的多径效应不可忽视,当发送端存在时间弥散性时,提出一种室内可见光通信-多输入多输出(VLC-MIMO)多径衰落信道建模方法.由于光正交频分复用(OFDM)技术能有效抵抗码间干扰,故将非对称限幅光OFDM(ACO-OFDM)和MIMO相结合,建立MIMO-ACO-OFDM系统.用迭代法计算每对LED和光电探测器(PD)之间的冲激响应,连接LED和PD阵列的几何中心作为等效视线传输(LOS)信道,建立了多径信道模型.分析表明,当PD在房间中间时多径信道路径增益大,多径干扰弱;当PD在墙角时信号衰减大,多径干扰强.采用迫零(ZF)和最小均方误差(MMSE)检测,理论推导了系统误码率性能,建立了蒙特卡罗仿真模型.仿真表明,低阶调制时系统有更好的性能.当调制阶数小于64时,MMSE比ZF更有优势,随着信噪比增大两中检测方法得到的系统性能趋于相同;当LED半功率角变小时光束会聚强,PD在房间中心时性能最好,越往墙边性能越差;当PD视场角变小时,虽然在房间中心时接收功率不变,但多径干扰变弱性能变好.     

基于空间分集的高空平台光链路性能研究

针对高空平台不稳定性以及大气湍流对平台光通信性能的影响,提出利用空间分集技术改善高空平台光通信链路性能。在系统采用开关键控(OOK)调制条件下,利用矩母函数特性分别得到采用协作分集技术和多输入多输出(MIMO)技术的高空平台光链路误码率表达式,并求解协作通信系统中继平台的最优位置。仿真结果表明:协作分集技术与光MIMO技术对高空平台光链路性能的改善效果受到跟瞄误差的限制。采用发射选择分集的光MIMO技术对光链路的误码率性能最好。与采用重复码的MIMO方法相比,协作分集技术更适用于跟瞄误差大的通信系统。中继平台的最优位置与中继策略以及跟瞄误差无关。在中继平台最优位置附近,采用协作分集的光链路性能优于采用重复码MIMO光通信链路。     

无人机数据链信道编码方法研究

信道编码是提高通信可靠性的重要途径,针对无人机数据链传输遥控/遥测指令时的高可靠性要求,研究了无人机数据链不同码率的卷积码、Turbo码和LDPC码三种信道编码方法,结合无人机信道的特点,仿真验证了无人机数据链的三种信道编码与解码方案;三种编码方式都带来了较大增益,其中LDPC码的性能略优于Turbo码,卷积码性能相比最差,但三种编码方式都可以使数据链的误码率达到了10-5以下,满足了无人机数据链高可靠性要求。     

基于弱相干光源测量设备无关量子密钥分发系统的误码率分析

测量设备无关量子密钥分发系统可以免疫任何针对探测器边信道的攻击, 并进一步结合诱惑态方法规避了准单光子源引入的实际安全性问题. 目前实验中一般采用弱相干光源, 但是该光源含有一定比例的空脉冲和多光子脉冲. 本文针对弱相干光源的具体特性, 采用量子力学的描述, 将各个器件进行量子化处理, 并同时考虑探测器的具体性能参数的影响, 分别给出了通信双方各自发送的脉冲含有特定光子数时产生的成功贝尔态和错误贝尔态的概率公式, 从理论上对相位编码和偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统的误码率进行了定量分析, 分别推导并模拟了通信双方采用的平均光子数对称和不对称时误码率随传输距离的变化情况, 结果表明在偏振编码Z基中, 多光子脉冲不会引起误码; 在偏振编码X基和相位编码中, 受多光子影响, 产生的误码率较大. 对于不同的编码方式, 误码率均随传输距离的增加有不同程度的升高, 长距离传输时, 平均光子数越小, 产生的误码率越大; 在偏振编码X基和相位编码的短距离传输中, 相对于对称, 通信双方采用的平均光子数不对称时产生的误码率较大.     

降低可见光通信不均匀限幅正交频分复用系统非线性限幅失真的功率分配方法

针对可见光通信中不均匀限幅光正交频分复用(ACO-OFDM)系统发光二极管(LED)非线性限幅失真严重的问题,提出了一种降低LED非线性限幅失真的最优功率分配方法。基于原信号直接叠加非线性限幅失真成分的限幅处理模型,分析了ACO-OFDM系统中的LED非线性限幅失真;利用有效信噪比来衡量限幅失真,将限幅失真转化为有效信噪比分析;基于有效信噪比最优的原则给出了光功率约束下降低限幅失真的最优偏置信号和ACO-OFDM信号功率分配。仿真结果表明,当信道的信噪比较低时,信道噪声起主导作用;当信道的信噪比较高时,限幅失真起主导作用。在光功率约束下若不考虑偏置信号的影响而直接取其值为LED最小输出功率限制,则系统误码率(BER)在信道信噪比大于40dB的情况下也始终大于10-2,而采用最优功率分配时可以保证系统具有较好的误码率性能,当光功率约束为200mW和250mW时,分别需要24dB和27dB的信道信噪比即可使得系统的误码率低于10-3。     

基于正交频分复用的水声自适应通信系统性能仿真研究

本文从平均谱效率的角度分析并讨论了基于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplex,OFDM)技术的水声自适应通信系统的通信性能。在两种典型的水声统计信道假设下,根据信道状态信息的不同精确程度,针对不同的调制方式,对水声自适应通信系统的平均谱效率进行了理论推导,并给出了部分性能函数的解析形式,而后从多个角度给出了较为全面的数值仿真分析结果。仿真结果显示:当目标误码率为10-3时,水声自适应通信系统可以在相同发射功率下,显著地改善通信性能(约3 bit/s/Hz);在同样的目标误码率下,如果维持传输性能不变,自适应通信系统可以显著节省发射功率(约10 dB)。在信道状态信息不确知的情况下,当信道估计误差大于-15 dB,或多普勒补偿后信道的扩展因子大于0.03时,自适应系统的性能才会显著劣化。此外,在统计意义上,自适应通信方法对于系统性能的改善程度随通信距离的增加而增大。