Gamma-Gamma大气湍流下相干光通信分集接收技术研究

大气湍流引起的光强闪烁使得自由空间光通信(FSO)系统性能恶化,而分集接收技术可有效改善这一影响。为进一步分析分集接收技术对相干接收系统性能的影响,基于二进制相移键控(BPSK)调制和外差相干接收技术,建立了Gamma-Gamma大气湍流信道模型下自由空间光通信分集接收系统模型。在不同大气湍流强度和接收天线数情况下,分别采取最大比合并(MRC)、选择合并(SC)和等增益合并(EGC),分析了对应的系统误码率(BER)和通信中断概率(OP),并与相同接收口径下的传统单天线接收系统的性能进行了比较。结果表明:MRC、EGC分集接收对大气湍流下的相干通信系统性能有明显改善,而SC分集接收仅当平均信噪比低于某一阈值时对相干通信系统的性能有所优化。     

湍流信道无线光通信中的分集接收技术

大气分子的吸收、散射和大气湍流等因素引起的光强闪烁严重影响无线光通信系统的性能,导致激光束能量衰减、信噪比下降,而分集接收技术能有效地克服这种影响。采用开关键控(OOK)调制,建立了强湍流模型-K分布模型下无线光通信空间接收分集系统模型,在不同信道参数和接收天线数下,分别对比分析了最大比合并(MRC)、等增益合并(EGC)和选择合并(SC)的差错性能。仿真结果表明,分集接收能在很大程度上改善大气激光通信的性能,具有较强的抗大气信道衰落能力。三种合并算法中,MRC性能最优,EGC次之,SC性能最差。     

部分相干光通过强湍流对通信系统误码率的影响

为研究部分相干光通过强湍流对系统误码率的影响,借助对激光在大气湍流场中的传输方程进行解析求解(忽略系统中其他噪声,仅考虑由大气湍流引起的系统误码率),得到不同湍流内尺度、传输激光波长和光源相干参数条件下,系统误码率和传输距离的关系.结果表明:在强湍流条件下,当发射天线数目达到一定时,随着传输距离的增加,系统误码率逐渐增大,但增大到一定程度后趋于饱和;光源相干参数越大,系统误码率越低;湍流内尺度越大,系统误码率越高;传输激光波长的变化对系统误码率无明显影响.     

大气湍流及瞄准误差联合效应下自由空间光通信的性能

研究了Gamma-Gamma大气湍流信道下闪烁和瞄准误差联合效应对自由空间光通信的性能影响。假定自由空间光通信系统采用开关键控(OOK)强度调制直接探测(IM/DD),推导得出了系统的误码率和中断概率闭合表达式,分析了大气湍流、归一化波束宽度、平均发射功率、归一化的抖动标准差、信噪比等参数对系统性能的影响。基于推导的闭合表达式进行了数值模拟,结果表明能够在给定发射功率下通过优化波束宽度使系统性能达到最优。     

大气湍流对轨道角动量态复用系统通信性能的影响

通过数值仿真,以多个相位屏模拟大气湍流,研究大气湍流对轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)态复用通信系统质量的影响.改变大气湍流折射率结构常量C2n和传输距离z,分析其对OAM态复用系统归一化接收功率、误码率等的作用.研究结果表明当大气湍流强度增加和传输距离增长时,复用系统归一化接收功率下降、误码率增加.当C2n增大到5×10-13 m-2/3时,系统归一化接收功率下降到0.2以下,误码率增大到0.3以上;当传输距离增大到10 000m,系统归一化接收功率下降到0.3以下,误码率增大到0.35以上.同时,对比不同方位角指数l取值的两个OAM态复用系统受大气湍流的影响,发现:l取值越接近的系统,受大气湍流影响越大.在等同光学信噪比下大气湍流导致OAM态复用系统误码率性能降低2至3个数量级.该研究对OAM态复用系统的实用化具有积极的参考作用.     

双向大气信道激光传输的信道互易性研究

在大气信道激光传输中,大气湍流对系统性能会产生较大影响,主要体现为降低传输速率和增加误码率。在具有信道互易性的双向激光传输链路中,两终端光斑信号强度的变化相关,可以在终端提取信道状态信息,以对信道影响进行补偿,从而提高传输速率。本文首先在弱湍流条件下,根据Rytov近似理论推导了平面波双向传输链路接收到的光斑信号的相关系数与传输路径的关系,并给出解析式。结果表明,两终端接收的光斑信号的光通量具有相关性,且相关系数与传输路径有关。进一步搭建了双向收发共轴激光传输系统,并进行了外场试验,试验结果不仅验证了双向大气信道激光传输链路具有互易性,且两接收端光斑信号光强的实时变化趋势相同。本文结论对实现大气信道高速率、低误码率激光传输具有重要意义。     

基于空间分集的海洋无线光通信轨道角动量复用系统的性能

为了解决水下通信轨道角动量复用系统中海洋湍流引起的信号串扰,基于空间分集技术提出了一种海洋湍流缓解方案.用随机相位屏法模拟海洋湍流对信号产生的相位扰动,用分步传输法模拟光束的衍射传播,在接收端使用等增益分集合并技术对信号进行合并处理.系统采用4路轨道角动量复用8路空间分集,仿真分析了轨道角动量复用集合、海洋湍流强度和传输距离等因素对系统误码率性能的影响.仿真结果表明,轨道角动量复用集合的模式间隔从1增加到2,误码率降低较为明显;随着模式间隔继续增大,误码率性能改善有限;误码率随传输距离和湍流强度的增加而增大.结果证明在海洋光通信系统中使用分集合并技术可以有效缓解湍流对信号传输的影响.     

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。     

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。     

Gamma-gamma海洋各向异性湍流下脉冲位置调制无线光通信的误码率研究

采用脉冲位置调制(pulse position modulation, PPM)的水下激光通信系统模型,根据弱大气湍流球面波闪烁指数与弱海洋湍流球面波闪烁指数相等的关系,推导出海洋湍流参数和各向异性因子表示的结构参数,利用该结构参数结合已有大气湍流中的平均光功率公式,计算各向异性海洋湍流的平均光功率;此外,基于PPM通信系统误码率(bit error rate, BER)公式、gamma-gamma湍流信道和渐近Rytov理论,数值模拟研究了在不同的各向异性海洋湍流下,海洋湍流参数、平均雪崩光电二极管(avalanche photodiode, APD)增益、PPM调制阶数M、数据比特率对误码率的影响.结果表明,随着温度与盐度对功率谱变化贡献之比、温度方差耗散率和比特率的增加,误码率增大;当黏度系数增加时,误码率减小;但是随着平均APD增益的增加,误码率先减小后增大;当海洋湍流各向异性增大到一定程度时,误码率并不随着湍流动能耗散率的增加而一直减小;海洋湍流的各向异性因子越强,误码率越小.     

基于DPIM调制的MIMO空间光通信系统

为了抑制空间光通信中大气湍流效应和降低误包率,提出了一种引入分布式多出多入技术,基于数字脉冲间隔调制的多出多入空间光通信系统.在弱湍流信道模型和APD探测器下建立了多出多入系统链路模型,推导了最大似然检测下的最佳阈值和误包率.计算结果表明:发射分集通过多路径传输平滑接收信号光强起伏;接收分集增加孔径平滑效应,减弱接收光强起伏;在发射平均功率、接收孔径总面积和背景噪音相同的条件下,数字脉冲间隔调制的不同多出多入系统存在几乎相同的最佳雪崩光电二极管增益;比较多出多入通信系统下三种调制方式,数字脉冲间隔调制的误包率较少劣于PPM调制而大大优于OOK调制.     

采用mQAM和孔径平均的水下弱湍流MIMO系统性能分析

采用Log-normal分布模拟海洋弱湍流信道,接收机采用等增益合并方式,在考虑雪崩光电二极管(APD)散粒噪声、信道衰减、几何损耗、Log-normal湍流和孔径平均因子等链路条件下,从理论上推导了水下无线光通信多输入多输出系统平均误码率和信道平均容量的上界表达式,并定量分析讨论了不同链路参数对系统平均误码率和信道平均容量的影响.数值结果表明,采用调制指数合适的正交幅度调制方式以及较大的天线数、接收孔径、发射光功率,均有助于提升系统性能.     

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。     

基于MIMO的无人机斜程激光通信性能分析北大核心CSCD

研究了大气湍流信道下无人机“空-地”斜程激光通信的下行链路单输入多输出(single input multiple output, SIMO)和上行链路多输入单输出(multiple input single output, MISO)技术。基于双伽马(Gamma-Gamma)分布的大气湍流模型,利用Meijer函数推导了大气湍流和指向误差联合影响下的SIMO下行链路误码率闭合表达式;利用α-μ分布建立了Gamma-Gamma湍流模型的MISO上行链路误码率性能近似表达式。系统研究了天线数、天顶角和指向误差对系统的影响,研究结果表明,空间分集技术可以有效改善系统的误码率性能,当束散角为500μrad、下行链路接收器和上行链路发射器为3时就可以得到超过10 dB的性能优化;天顶角对“空-地”斜程激光通信误码率性能影响显著,要达到系统误码率10-6的性能要求,天顶角需控制在30°左右的较小范围内。     

湍流大气对量子密钥分布系统性能的影响

自由空间量子密钥分布系统是全球性量子保密通信的关键组成部分之一。因此研究湍流大气信道对量子密钥分布系统性能的影响就非常重要。使用光束近场传播和统计分析的方法定量分析了湍流大气信道对基于BB84协议的自由空间量子密钥分布系统的误码率的影响。数值计算结果表明,大气衰减系数超过-3dB/km时,大气衰减对量子密钥分布系统的误码率影响很大;在大气传输因子小于0.5的区域,系统误码率比无湍流影响时的系统误码率高出一个数量级。     

基于H-PPM的可见光通信系统RS编码性能分析

为了改善复杂交通环境下湍流信道的光强闪烁对信号的影响,研究了大气湍流光强闪烁的系统模型,并且针对PPM和DPIM等调制方法存在的问题,提出一种新型的无线光通信调制方法——头脉冲位置调制(head pulse position modulation,H-PPM)。根据湍流信道的特点,推导出基于H-PPM的可见光通信系统未编码时与RS(Reed-Solomon)码纠错后的误时隙率公式。数值仿真曲线证明,当系统误码率为10-10时,RS(15, 7)纠错码可以提高约18 dB的编码增益。由此可得,采取H-PPM调制和RS编码相结合可提高信号的质量,更有利于复杂交通环境下的可见光通信。     

基于高阶累计量的大气光通信自适应信号处理

针对强湍流信道下信号衰落的特点,分析了对数正态分布模型与K分布模型的适用范围.基于K分布模型建立大气光通信接收信号模型,并给出了自适应最优门限检测方法.采用四阶和六阶累计量对强湍流信道参量进行估计,采用二阶累计量对其它高斯噪音进行估计,得到K分布参量及高斯噪音统计量的预测值,实现自适应门限更新.基于Monte Calro算法进行仿真,给出了门限更新算法对通信系统误码率的影响,同时分析了信号采样率对估计参量偏差的影响.计算表明,在强湍流情况下,大气光通信系统的误码率性能得到极大的改善,优于基于MLSD检测的接收机.     

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.     

可见光通信非对称限幅光多载波码分多址系统的设计及性能分析

基于码分多址(CDMA)和非对称限幅光(ACO)正交频分复用,提出了非对称限幅光多载波码分多址系统。在视线传播和散射传播信道中,采用正交恢复合并(ORC)、最大比合并(MRC)和等增益合并(EGC)算法,推导了受限幅噪声影响时系统的信噪比,建立了蒙特卡罗误比特率(BER)仿真模型。研究结果表明,通过增大扩频序列长度可以提高BER性能。随着用户数增多,多用户间干扰增大,MRC算法性能变差,ORC算法保持了用户间的正交性,BER性能最好。所提系统的性能比反转多载波CDMA和单极性多载波CDMA系统的更好。     

孔径平均效应对采用相位补偿技术的空间相干光通信系统误码率的影响

基于大气湍流影响下的空间相干光通信系统模型和孔径平均效应的平面波模型,通过数值模拟研究了弱光强波动条件下孔径平均效应以及大气湍流内外尺度对相干光通信系统误码率和接收孔径直径最优值的影响。研究结果表明:孔径平均效应能够有效减小相干光通信系统的误码率,改善系统性能;原始信噪比越高,传输距离越短,波长越长,相位补偿模式的J值越大,接收孔径直径越接近最优值,孔径平均效应对误码率的改善效果越明显;孔径平均效应会影响接收孔径直径的最优值,相位补偿模式的J值越大,影响越明显;系统误码率和接收孔径直径最优值会随着大气湍流内尺度的增大而相应增大,随着大气湍流外尺度的减小而相应减小。研究结果将为空间相干光通信系统设计提供必要的理论依据。