无线光通信一对多发射天线研究进展

无线光通信是一种新兴的通信技术,具有高速、大容量和安全性好等优势。然而,传统的无线光通信系统存在着单对单通信模式限制,无法满足多用户同时通信的需求。无线光通信中光学天线起着发射和接收耦合光信号的作用,一对多点发射天线可以拓展无线光通信的应用。对国内外一点对多点光学天线的发展进行总结,介绍了一对多光学天线的基本原理。对目前现有的几种一对多光学天线设计方案进行讨论。最后对该领域的发展趋势和未来发展方向进行展望。

基于动态通道绑定的更高速无源光网络

传统无源光网络单通道速率提升成本越来越高。多通道无源光网络可通过动态通道绑定实现速率提升,进一步满足服务多样性需求。分析了现有IEEE和ITU-T无源光网络标准中的动态通道绑定需求和功能实现,以及数据传输过程中存在的带宽效率、数据顺序恢复等问题,提出了一种更高速无源光网络动态通道绑定中数据序列化传输和顺序恢复方法。该方法简化了动态通道绑定处理,避免了带宽效率下降问题。

空间分集光密钥生成的信道相关性影响

利用无线光信道本身的特性实现光密钥生成和分发,可为高速星地保密通信提供安全和高效的保障。开展了无线光信道空间分集密钥生成系统相邻子信道相关性的研究。通过实现功率谱反演产生的Kolmogorov大气湍流相位屏,构建了无线光信道(WOC)信道中的多输入多输出(MIMO)模型,采用蒙特卡罗模拟了高斯光束经大气湍流传输特性,比较了不同湍流强度和光束传输距离对光强分布的影响,分析了大气湍流强度、相邻两接收孔径之间的距离、接收孔径、传输距离、光波波长对相邻子信道相关性的影响。结果表明,相邻两接收孔径接收到的光信号功率的相关性随相邻两接收孔径的直径和波长的增大而增加,随相邻两接收孔径之间的距离、光波的传输距离、湍流强度的增加而减小。在大气折射率结构常数C_(n)^(2)为5×10^(-14)m^(-2/3)、接收口径为0.03 m、传输距离为2000 m的近地水平链路条件下,相邻信道之间的距离在0.07 m时接收到的光信号功率的相关性近似为零,此时两个相邻信道彼此独立。该结果可为建立空间分集大气光信道密钥提取系统提供参考。

O-OFDM索引调制的分步优化信号映射方法

【目的】采用随机映射以及传统星座图会导致已有光正交频分复用(O-OFDM)-索引调制(IM)系统的误码率(BER)性能无法达到最优,因此,文章基于激活子载波的最优选择以及星座图的最优旋转提出了一种分步优化信号映射方法,旨在通过分步优化信号映射方法实现O-OFDM-IM系统BER性能的改善。【方法】在发射端,首先依据信道状态信息,采用信道范数最大化准则选择最优激活子载波组合;其次,利用信道状态信息,以∂=0.5°为步长,采用穷举搜索算法得到最优星座图;之后,将通过旋转获得的最优星座图加载到激活的子载波上进行信号传输;最后在接收端利用最大似然(ML)检测算法对原始信号进行恢复来实现最小的系统错误概率。【结果】仿真表明,在强湍流、BER=10-4和调制阶数为16的条件下,采用文章所提方法后,(4,2)O-OFDM-IM系统的信噪比(SNR)降低了约1.45 dB。此外,随着湍流强度的增大,BER性能的改善更明显。如,8正交幅度(QAM)、BER=10-4时,(4,2)O-OFDM-IM系统的SNR在强湍流下降低了约1.35 dB,在弱湍流下则降低了1.2 dB。【结论】由仿真结果可知,在已知信道状态信息的前提下,文章所提方法可有效改善湍流信道下系统的BER性能。

基于LWT的可见光OFDM-IM系统研究

针对索引调制正交频分复用(OFDM-IM)技术峰均比过高,对相位噪声和载波频偏敏感,系统复杂度高等问题,提出基于小波提升变换(LWT)的可见光OFDM-IM系统。首先选择正交小波基作为子载波,通过对信号的分裂、预测和更新,将信号分为高频信号和低频信号,再结合可见光信道构成LWT-OFDM-IM系统,最后通过理论分析和蒙特卡罗方法对系统的可靠性、峰均比特性和最佳小波分解层数进行了仿真验证,结果表明:当子载波N=256,子块中子载波数量L=4,激活子载波数量k=2,系统误码率为10~(-4)时,LWT-OFDM-IM比FFT-OFDM-IM改善约8 dB,相较于DWT-OFDM-IM提高约4 dB。当系统互补累计分布函数(CCDF)为10^(-1)数量级时,LWT-OFDM-IM的峰均比较FFT-OFDM-IM改善约2.3 dB。随着小波层数的递增,系统的误码性能越好,当小波层数为3层时,大约在10 dB附近,误码率可到10^(-5)量级。

空间激光通信与测距一体化研究

【目的】随着卫星技术和通信技术的不断提高,空间激光通信与测距一体化技术也逐渐成熟。而伴随着深空探测、卫星导航等领域的进一步发展,大量的业务及应用需求对星间的通信容量和测距精度又提出了更高的要求。在综合考虑卫星荷载与功耗的前提下,如何在实现激光卫星高速通信的同时,完成测距并进一步提升测距精度,成为亟待解决的课题。【方法】基于双向单程测距原理,设计并实现了一种同时支持正交相移键控(QPSK)和二进制相移键控(BPSK)的相干通信与测距一体化系统,为进一步提升测距性能,又从提升时钟精度入手,通过使用差拍采样方法,使用鉴频与鉴相来获取发送时钟与接收时钟之间的频率差与相位差,以此来获取到更高的时钟精度,从而对测距值进行校正。【结果】该系统能稳定工作在接收光功率大于-48 dBm的环境,针对不同应用需求可设置不同的速率,QPSK模式下最高速率为5 Gbit/s,BPSK模式下速率分别为2.5 Gbit/s、1.25 Gbit/s和625 Mbit/s,系统测距精度理论上可达最小值53 ps,在正常通信时,使用Matlab与Vivado对测距数据进行计算处理,验证了系统测距精度小于0.1 ns。进一步采用差拍采样方法,仿真条件下,测距精度可提升至码元宽度的10^(-3)量级,达±0.36 cm。【结论】所提通信测距一体化系统能够在高速通信的同时实现高精度测距,对未来激光卫星的相关应用具有一定的实际意义。

城域池化波分解决方案及工程试点研究

分析城域光传送网在适配全光算力底座架构演进中存在的问题,提出城域池化波分新型解决方案,对城域池化波分的四大关键技术进行总结,并给出应用场景及保护方案建议,最后结合某运营商工程试点进行测试研究。

基于多源信息融合的RBF神经网络室内可见光定位算法

针对基于接收信号强度(RSS)的定位技术易受环境干扰而导致定位精度不高和稳定性较差的问题,提出了一种基于多源信息融合的径向基函数(RBF)神经网络室内可见光定位算法。通过将图像的颜色矩特征与RSS矩特征融合,构建指纹库,并采用RBF神经网络进行预测,实现了图像与RSS之间的优势互补,最后对定位算法进行了验证。实验结果表明,经过优化的多源信息融合定位算法较单一RSS定位算法的定位精度提高了9.4%。

无线光通信中大气湍流噪声测量研究

光信号的强度闪烁、光斑漂移、光束扩展、到达角起伏等大气湍流现象会影响光信号在大气中的传输性能。本文将这种闪烁效应看作是光通信系统传输中的乘性噪声,推导了大气湍流乘性噪声模型,并进行了实验测量研究。结果表明:按照晴天、雾霾天、雪天、小雨天、中雨天、大雨天及阴天的顺序,湍流乘性噪声对光通信的通信质量影响加剧,大气折射率结构常数逐渐增大,噪声信号的偏斜度与陡峭度随之增加,导致光强信号的衰落概率变大;同时随着信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)的增大,系统的中断概率逐渐减小;而在相同的SNR下,中断概率随着大气折射率结构常数的减小而减小。研究大气湍流噪声对无线光通信系统的影响具有重要的意义,它为大范围、高速的无线光通信技术带来重要的技术突破,对无线光通信技术的发展起到重要的作用。

RIS辅助的混合RF/FSO系统物理层安全性能分析

【目的】针对自由空间光(FSO)链路和射频(RF)链路的保密信息容易被外部窃听者窃听的问题,为提升混合RF/FSO通信系统的保密性能,同时考虑到实际工程中FSO链路往往无法满足视距条件且不同天线分支之间会由于收发模块小型化产生相关性,需要对可重构智能表面(RIS)辅助的混合RF/FSO系统的安全性能进行研究,以得到系统安全性能与RIS部署位置和天线相关性程度等参数的关系。【方法】文章考虑单个窃听者,分别针对RF和FSO链路进行窃听,RF链路服从任意相关的Nakagami-m分布,FSO链路服从Gamma-Gamma分布。采用解码转发协议,推导得到了两种窃听场景下通信系统的安全中断概率(SOP)和严格正安全容量概率(SPSC)的闭合表达式,并对SOP进行了渐近分析。此外还利用Matlab软件进行了仿真实验,通过蒙特卡洛仿真来验证所推导公式的准确性。【结果】仿真结果表明,将RIS部署在靠近接收端的位置可以降低系统的SOP,RF主信道的信道质量与窃听信道相比较好时,天线相关性程度的增加会使系统的SOP上升。【结论】RIS辅助的FSO链路相比RF链路具有更好的安全性,虽然多天线分集技术能够有效提高系统的安全性能,但是类似指向误差和大气湍流引起的衰落,天线相关性也会对系统的安全性能造成损害,通过降低天线相关性程度能有效提升系统的安全性。

改进k-means的多域光纤通信非线性失真补偿方法

为了解决光纤通信信号在传输过程中受到非线性影响而产生的失真问题,提高光纤通信系统的稳定性,提出了改进k-means的多域光纤通信非线性失真补偿方法。构建多域光纤通信传输模型,在传输端利用波长转换器将输入信号传输到光纤,结合干扰原理线性化脉冲恢复光信号。以信噪比描述光纤通信的色散特性,明确信号交互出现非线性失真变化。通过Dijkstra方法改进k-means方法,解调失真星座,避免聚类陷入局部最优,使全部簇信号尽可能接近原始调制中心,实现失真补偿。实验结果表明:利用所提方法对光纤通信非线性失真进行补偿后,聚类效果较佳,信息误码率可降至10^(-7),有效减少了网络传输消耗,提高光纤通信信号质量。

可见光室内定位技术研究进展

可见光赋能的定位技术具有无电磁辐射、成本低、精度高、安全性高、不易受电磁干扰等优势,故近年来可见光室内定位技术(Visible Light Indoor Positioning,VLIP)受到了学界和业界的广泛关注。为了展示VLIP的研究进展和发展全貌,阐述了VLIP的系统架构及相关通信技术,对VLIP基础定位方法及其相关辅助定位技术进行了详细地梳理、分类和对比分析,针对VLIP当前面临的挑战分析了潜在的解决方案,展望了VLIP未来研究方向。

OCC系统目标LED阵列解码算法研究

针对强日光环境下OCC(Optical Camera Communication)系统接收端解码困难的问题,提出了基于分段式线性灰度变换的Gradient-Harris解码算法。首先搭建一套OCC实验系统,接收端相机采集原始图像,利用标准相关系数匹配方法提取目标LED阵列区域。其次通过分段式线性灰度变换对目标LED阵列区域进行图像增强,利用Gradient-Harris解码算法进行目标LED阵列的形状提取和状态识别。实验结果表明,应用基于分段式线性灰度变换的Gradient-Harris解码算法,强日光环境下OCC实验系统的平均解码速率为128.08 bit/s,平均误码率为4.38×10^(-4),最大通信距离为55 m。

异常涡旋光束在吸收性海洋湍流中的传输特性研究

为了分析海水的吸收和湍流特性对涡旋光束传输性能影响,在同时考虑海水的吸收效应和湍流效应的基础上,推导出了异常涡旋光束的轨道角动量(OAM)模式探测概率的解析表达式,并详细讨论了吸收性湍流海水对异常涡旋光束的螺旋相位谱、探测概率以及串扰概率的影响。仿真结果表明:海水的吸收效应不可忽略,它会导致探测概率下降;吸收性海洋湍流会导致螺旋相位谱扩展,并且随着OAM模式数的增加,螺旋相位谱的扩展程度变大;随着海洋湍流的温度方差耗散率、温度与盐度贡献比的减小,以及湍流动能耗散率的增大,OAM模式的探测概率增大,串扰概率减小。

基于机器学习的通信网络入侵检测系统

文章提出一种基于机器学习的创新型方法,以提高通信网络入侵检测系统的检测效果。首先,深入研究了通信网络入侵检测的基本架构,以全面理解入侵行为的多样性和复杂性。其次,将正则化约束引入循环神经网络(Recurrent Neural Networks,RNN)模型,旨在提高检测准确性和模型的泛化能力。最后,利用UNSW-NB15数据集进行实验,证明所提方法的有效性。实验采用混淆矩阵进行结果分析,并通过精确度、召回率、F1分数等指标综合评估模型性能。结果表明,文章所提方法在通信网络入侵检测任务中表现出色,具有较高的准确性和泛化能力。

零速修正辅助的可见光通信列车连续定位方法

精确的列车位置信息是基于通信的列车控制(CBTC)系统实现安全行车、间隔控制的基础。现有的可见光通信列车定位相关研究往往关注列车处于静止或匀速运动的情况,较少考虑惯性测量单元(IMU)的累积误差及列车静止后IMU的零速偏移。为了实现隧道环境下地铁列车连续定位,提出一种借助零速修正的可见光通信列车定位方法。根据可见光通信(VLC)原理,安装在列车头部顶端的相机连续接收隧道壁上发光二极管(LED)光源的光信号,即LED光源闪烁的频率信息,获取LED光源对应的位置信息,进而推算列车的实际位置。同时,根据列车运行的速度、加速度等参数,采用零速修正算法,判断列车处于运动或零速状态;通过无迹卡尔曼滤波,对运动区段内列车恒定速度模型和恒定加速度模型下的列车定位结果进行优化,并对列车停站时IMU的零速偏移进行校正,补偿列车接收端位置和姿态估计精度的发散,实现隧道环境下列车高精度连续定位。实验结果表明:运动区段内,列车以40、60和80 km/h的速度匀速直线运行时,最大定位误差分别为15.27、16.93和19.57 cm;以80 km/h为最大目标速度时,匀加速和匀减速运动的最大定位误差分别为18.48和18.24 cm;利用零速修正和卡尔曼滤波优化列车定位结果,列车停站时的平均定位误差由11.35 cm降低至6.05 cm。所提方法有效抑制了IMU的零速偏移,满足IEEE 1474.1—2004标准对列车定位精度的要求,可为面向车车通信的CBTC系统实现列车定位提供一定的参考。

无线紫外光与射频混合链路中继协作方案性能分析

将无线紫外光通信与传统射频通信进行优势互补结合,针对双链路异构组网时的中继协作混合传输问题,采用建模与数值计算分析的方法,对比分析了不同策略和参数条件下系统的中断概率和误码率性能。基于无线紫外非直视散射信道和射频无线衰落信道的各自特点,建立了描述双链路并行传输中继与协作问题的模型,给出了3种典型情况下的传输策略。通过理论分析和数值计算的方法,给出了不同策略下混合链路中继的中断概率和误码率表达式,并在不同信道参数条件下对系统性能进行了对比分析。研究结果表明,相比于无线紫外光单链路传输,混合链路的中继协作策略在不同距离和不同参量条件下获得更低的系统中断概率。在误码率为1×10^(-6)条件下,双链路中继传输可以在不同湍流强度和不同莱斯因子情况下可获得约0.4~6.1 dB的信噪比增益改善。

激光束光斑漂移反演大气湍流各向异性实验研究

设计了两束正交激光束光斑漂移的实时影像记录系统,进行了一系列的激光束大气传输外场实验,对比研究大气湍流环境下两正交方向激光束的光斑漂移,反演研究大气湍流的各向异性。实验结果表明,近地面大气湍流具有各向异性且表现为:一、与风向相关,当激光传输路径与风向夹角很小时,其垂直和水平方向的光斑漂移量会出现较大的差异,当激光传输路径与风向正交时,其垂直和水平方向光斑漂移量基本一致。二、与实时气温相关,表现为两正交激光束的光斑漂移量统计值在垂直和水平方向的四个分量中的不均匀分配,且气温降低会使不均匀分配的强度增加。分析研究成果,本文提出大气湍流各向异性强度指数A的概念,该指数的大小可以综合性的表征大气湍流各向异性特征及其强度。

井下巷道新型可见光通信光源布局方法

目的针对井下巷道可见光通信信号差异大,导致接收端信号误差增大的问题,方法提出一种井下巷道新型可见光通信光源布局方法,并同现有光源布局方法进行对比,从光照度、接收功率、信噪比三个方面评估两种布局方法的系统性能。引入照度均匀度(IU)、功率标准偏差(STD)和信噪比的变化系数(CV)评估系统的整体性能。结果通过仿真实验,分析不同半功率角对本文布局方法系统性能的影响,从而得出半功率角的最优取值,为50°~70°。当半功率角为70°时,与现有光源布局方法比较,本文布局方法的光照度均匀度由0.758降至0.407,降低了46.3%,且最小光照度与最大光照度之间差异更小,光照度分布更均匀;功率标准偏差由0.97降至0.42,降低了56.7%,且降低了功率波动,接收功率分布更均匀;信噪比变化系数由0.0137下降到0.0072,降低了47.7%,信号分布均匀性更高。结论提出的光源布局方法整体性能优于现有方法的,为井下巷道的光源布局提供了新的解决方案。

光功率与通信质量优化的室内可见光LED布局研究

针对室内可见光灯源布局功率分布不平坦及通信质量差的问题,提出了一种对称米字型灯源布局方案。该方案通过构建与接收功率相关的目标函数,并融合Logistic混沌、反向策略、非线性函数以及自适应机制,在考虑一次反射的条件下,采用基于混沌逆初始化自适应权重哈里斯鹰优化算法(简称LRNA-HHO算法),实现了发光二极管(LED)位置及功率参数的最优设计。仿真结果表明:在5 m×5 m×3 m房间区域内,采用LRNA-HHO算法设计的灯源布局在功率分布上更均匀,接收功率方差为0.018 dBm,光照度均匀度达到0.925;信噪比范围为23.62~23.91 dB,通信质量得到明显改善。