双向大气湍流光信道瞬时衰落相关特性测量

为证明双向光传输系统中大气湍流信道的互易性,提出一种测量瞬时接收信号衰落相关性的方法,并建立了分析测量数据的数学模型。在相距883 m的两栋高楼之间进行双向光传输测量实验,根据测得的光斑图像数据,对信道的瞬时衰落相关性进行验证,并分析了实际场景下归一化接收信号起伏方差对相关系数的影响。结果表明:两个相反方向的光信道瞬时衰落相关系数大部分均在0. 85以上,最高可达0. 95,证明了双向大气湍流光信道之间存在良好的互易性;且随着归一化接收信号起伏方差的增大,相关系数呈轻微下降的趋势。     

大气激光通信链路的性能仿真

大气衰减和大气湍流严重影响着大气激光通信的链路质量。建立了大气信道的激光通信链路模型，研究了衰减信道和湍流信道中光链路的传输影响，对最大通信速率、链路功率余量和误码率进行了分析和计算。结果表明，大气湍流严重影响系统误码率，当大气闪烁指数斫是0．07时，可达到的最小误码率为10^-9。分析结果可为系统设计提供参考依据。     

Gamma-Gamma湍流信道中大气光通信系统误码特性分析

大气信道中的大气湍流是影响无线激光通信系统性能的主要因素之一, 其引起的强度闪烁效应会对接收信号的提取和还原造成很大干扰。基于Gamma-Gamma概率分布的大气湍流信道统计模型, 研究了利用副载波相移键控(PSK)强度调制技术的大气光通信系统的误码特性; 推导了副载波二进制相移键控(BPSK)及开关键控(OOK)两种调制模式下的系统误码率表达式; 对在一定条件下的大气光通信系统, 比较了副载波BPSK和OOK两种调制模式的误码特性; 分析了链路特征、接收口径尺寸、通信波长和天顶角等因素对系统误码率的影响。结果表明, 增大接收孔径和通信波长都能有效地降低系统误码率, 而天顶角的增大则会使系统误码率增加, 副载波BPSK调制模式的误码特性要优于OOK调制模式的误码特性。     

大气激光通信中多光束传输性能分析和信道建模

多光束传输技术是克服大气激光通信中大气湍流效应的有效途径之一。首先从理论上分析了大气湍流对多光束大气激光通信系统性能的影响和多光束大气传输的光强起伏特性,然后利用统计分析的方法,建立了一个以传输距离z、光束数目n、发射孔径之间的距离St、接收孔径Dr等为参量的多光束大气传输信道模型。最后,结合相关文献提供的实验结果对该信道模型进行了实验验证和误码性能分析。结果表明,当S1≥√λz或Dr远大于大气湍流相干长度ρo时,随着n的增大,接收光强将趋于对数正态分布．降低了大气激光通信系统的误码率,从而验证了多光束传输对于克服大气湍流影响的有效性。     

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。     

机载激光通信链路中光场二阶特性的分析计算

为了评估大气湍流对机载激光通信系统的影响,理论分析和数值计算了机载激光通信链路中传输光场的二阶特性,包括接收光斑尺寸、光斑偏移量、光束相干半径、光束到达角起伏。计算结果表明:大气湍流对空间激光通信系统的影响主要在低空对流层,并随着机载平台高度的增加而降低。由于受到低空大折射率结构常数的影响,上行链路的接收光斑尺寸、光斑漂移量比下行链路大。下行链路光束到达角抖动比上行链路大,其值为若干rad。提出的模型及计算结果,可以为机载激光通信系统设计及性能评估提供参考。     

基于空间光调制器的MIMO大气传输特性研究

大气湍流对无线光通信系统的影响不可忽视,为了更准确地反映实验室模拟多输入、多输出(MIMO)大气湍流信道的实际特征,提出了一种利用相位屏来模拟MIMO大气湍流信道的方法,并针对基于液晶空间光调制器（LC-SLM）的液晶调制法展开研究,通过实验验证该方法的可行性。实验结果表明：通过相位屏模拟MIMO大气湍流信道的激光光斑发生不同程度的畸变,湍流环境下两路激光发射系统比单路发射激光系统功率稳定性好,在前向纠错误差极限（3.8×10-3）下,单个发射单个接收系统的链路代价为10.5 dB,2个发射2个接收的MIMO系统的链路代价为9.3 dB。该项研究对于实验室模拟MIMO大气湍流信道实验方法提供一种新思路。     

强背景光下可见光大气湍流信道建模及分集接收技术

可见光大气传输系统面临的主要问题在于由大气湍流引起的光强闪烁和来自日光及其他照明设备的强背景光干扰,为了克服大气湍流造成的信道衰落效应及强背景光带来的噪声干扰问题,对室外可见光通信(VLC)强背景光大气湍流信道进行了建模。在接收端采用分集接收技术,在相同的发射功率下提高系统误码率(BER)性能。构建了在强背景光大气湍流信道模型下基于强度检测脉冲位置调制(PPM)方式的室外长距离可见光分集接收系统模型,在几十微瓦功率背景光噪声下,实现了800 Mb/s PPM信号的仿真系统传输。基于此系统分别研究对比了最大比合并(MRC)、等增益合并(EGC)、选择性合并(SC)3种分集合并方式的误码率性能。结果表明,在相同的发射功率下,误码率性能提升最大的是MRC,其次是EGC,SC最差。以7%前向纠错码(FEC)误码门限作为参考,MRC能显著降低对LED发射功率的要求,并且随着分集支路个数的增多,分集效果越好。     

海洋湍流信道中因斯-高斯光束及信号传输特性实验研究

因斯-高斯（IG）光束在复杂信道传输中具有较好的抗干扰能力。为此设计并搭建了基于模拟海洋湍流信道的激光通信实验平台,详细研究IG光束在海洋湍流信道下光束信号的传输及通信特性。首先实验对比研究了不同海洋湍流强度条件下,IG光束和高斯光束传输后的光强闪烁指数、质心漂移和探测器接收功率情况;其次通过调制0.5～3 MHz频率的方波信号,进一步研究两种光束传输后调制信号波形失真特性;最后进行IG光束和高斯光束的7.5 Mbit/s通信性能对比实验。实验结果表明：IG光束的闪烁指数、质心漂移、功率抖动均优于高斯光束,且随着海洋湍流强度增加,IG光束闪烁指数和质心漂移改善能力增强,功率抖动改善能力降低。在不同模拟海洋湍流中,相同频率的IG光束调制方波波形失真度整体低于高斯光束。在误码率为3.8?10-3（前向纠错阈值）时,IG光束在不同注水高度信道、不同温度信道和不同盐度信道中的通信性能比高斯光束分别提高了0.8 dB、4 dB和2.5 dB。该实验结果可以为IG光束应用于水下激光通信提供参考。     

利用CCD研究激光束在大气随机信道中的传输特性

介绍了无线光通信系统中激光信号通过随机大气信道时，由于激光与大气介质的相互作用．对光信号产生的散射、吸收和湍流等效应。上述一系列效应对激光信号的传输产生巨大的影响、其中最为重要的影响效应有衰减、光束闪烁及抖动效应。通过一实验装置、利用CCD对通过大气信道的光束在不同能见度、不同大气条件和不同时刻等条件下对激光传输信号的图像的拍摄及所拍摄的图像的对比分析，验证了理论分析中的各种大气随机信道的效应。     

基于泊松分布单光子源的量子误码率的分析

在自由空间量子密钥分配中,单光子源采用具有泊松分布的高度衰减激光脉冲,量子密码术协议采用BB84和B92协议。通过引入量子信道传输率、单光子捕获概率、测量因子和数据筛选因子,建立了量子误码率理论模型,给出了量子误码率的表达式。对于自由空间量子信道,引起量子误码率的主要因素是光学元件、探测器暗噪声和空间光学环境,并对这些因素进行了分析。针对低轨卫星_地面站间链路,进行了量子误码率的数值仿真研究。结果表明,在低轨卫星_地面站间进行量子密钥分配是可行的,限制自由空间量子密钥分配链路距离的主要因素是探测器暗噪声和空间光学环境。     

沙尘信道下激光通信系统的性能分析

沙尘对激光信号的散射和吸收作用会引起激光信号的严重衰减,本文结合我国沙尘粒子的半径分布特征,在考虑含水影响的基础上,研究了沙尘对激光信号衰减特性的影响,得到了接收端信噪比的表达式;同时针对OOK调制,推导了沙尘天气下激光通信系统的误码率和信道容量。仿真分析了能见度、传输距离、含水量以及激光波长等因素对误码率和信道容量的影响。结果表明:随着含水量和传输距离的增大以及大气能见度的减小,系统的误码率会呈现出不断增大的趋势,而信道容量则呈现减小的趋势。在能见度为4 km的情况下,波长为1 550 nm、传输距离为1 km时系统的误码率可达10~(-2)数量级,且归一化信道容量为8.48 bps/Hz。     

Ground-to-Satellite Optical Communication Link Performance with Spatial Diversity in Weak Atmospheric Turbulence

Abstract

In this article, performance improvement of a free-space optical communication link with spatial diversity is evaluated for coherent (sub-carrier BPSK and sub-carrier QPSK) and non-coherent (OOK and Q-PPM) modulation schemes in an atmospheric turbulence fading channel. Based on Kolmogorov's theory, the link performance characterized by the signal-to-noise ratio or bit error rate is evaluated for both modulation schemes. It is observed that there is performance improvement with the increase in the order of transmit diversity for all the modulation schemes. Sub-carrier BPSK modulation outperforms the other modulation schemes in terms of the minimum signal-to-noise ratio requirement for a given bit error rate. Also, the effect of correlation among different transmitting antenna beams on the link performance is analyzed.     

Experimental demonstration of free-space decoy-state quantum key distribution over 144 km

We report on the experimental implementation of a Bennett-Brassard 1984 (BB84) protocol type quantum key distribution over a 144 km free-space link using weak coherent laser pulses. Optimization of the link transmission was achieved with bidirectional active telescope tracking, and the security was ensured by employing decoy-state analysis. This enabled us to distribute a secure key at a rate of 12.8 bit/s at an attenuation of about 35 dB. Utilizing a simple transmitter setup and an optical ground station capable of tracking a spacecraft in low earth orbit, this outdoor experiment demonstrates the feasibility of global key distribution via satellites.     

Analysis of inter-satellite free-space optical link performance considering different system parameters

The welcome and adaptation of optical wireless technology by the modern era has brought forward the concept of an inter-satellite free-space optical communication system. In the present work, I study the combined effect of selection of different operating wavelengths and detector types along with the pointing errors at the transmitter and receiver side on the performance of an inter-satellite free-space optical link. The link performance has been optimized by measuring and analyzing the bit error rate and quality-factor of received signal under different scenarios. Performance of the inter-satellite link has also been investigated considering different modulation formats and data rates for LEO and MEO distances.     

星地激光链路中光束发散角与跟瞄误差的最佳比值

 实际星地光通信系统的发射光束为高斯型的情况下,跟瞄误差和大气闪烁是星地激光链路中的主要信道噪声源。在结合两者对系统性能影响的前提下,对星地激光通信链路进行了理论分析和模型建立。基于该模型对星地激光链路中光束发散角与跟瞄误差之比的优化选择问题进行了研究。结果表明：对于上行链路,在不同误码率需求下都存在一个光束发散角与跟瞄误差的最佳比值,使得上行链路余量最大;对于下行链路,在不同误码率要求下均存在一个光束发散角与跟瞄误差的最佳比值,使得下行发射光功率的需求最小。利用最优化方法和最小二乘法拟合,得到星地激光链路中光束发散角与跟瞄误差的最佳比值和系统误码率的经验公式。     

一种K分布强湍流下的测量设备无关量子密钥分发方案

研究了K分布强湍流下自由空间测量设备无关量子密钥分发协议模型,采用阈值后选择方法来减少大气湍流对密钥生成率的影响,对比分析了使用阈值后选择方法前后协议的密钥率和湍流强度之间的关系.仿真结果表明,使用阈值后选择方法可以有效地提高协议的密钥生成率,尤其是在高损耗和强湍流区域,而且其最佳阈值与湍流强度、信道平均损耗有关,对实际搭建性能较好的自由空间测量设备无关量子密钥分发协议系统具有一定的参考价值.     

Chaotic free-space laser communication over a turbulent channel

The dynamics of errors caused by atmospheric turbulence in a self-synchronizing chaos-based communication system that stably transmits information over an approximately 5 km free-space laser link is studied experimentally. Binary information is transmitted using a chaotic sequence of short-term pulses as a carrier. The information signal slightly shifts the chaotic time position of each pulse depending on the information bit. We report the results of an experimental analysis of the atmospheric turbulence in the channel and the impact of turbulence on the bit-error-rate performance of this chaos-based communication system.     

湍流大气光通信系统误码率分析与实验研究

自由空间光通信(FSO)系统的性能由于受大气湍流影响会产生剧烈波动。根据系统和大气参数评估系统差错性能的研究具有现实意义。以大气湍流信道和光电探测两个模型为基础,建立了FSO系统差错性能的数学仿真模型,提出了湍流条件下系统误码率计算公式。对仿真结果与弱湍流条件下获得的实验数据进行了比较,并依据此模型对光强起伏和背景噪声等因素的影响进行仿真。仿真结果表明,基于该模型的仿真结果与实验数据一致,光强起伏是引起系统性能波动的主要因素,最优判决阈值需根据实际大气条件进行调整。该模型可有效评估湍流条件下FSO系统性能,并为相关理论研究提供参考。