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。

基于FSO算法的洱海流域土地利用分类适用性研究

精确提取土地利用类型是治理流域生态环境的重要途径,而分类算法繁多,针对分类的对象效果不一。洱海流域作为高原断陷湖泊具有其独有的特征,开展分类方法适用性研究具有重要意义。以洱海流域作为研究区,基于Sentinel-2影像数据,创新地融合了地物的光谱特征、几何结构和纹理特征,筛选出34个最优分类特征值,运用特征空间优化算法,对比分析支持向量机、随机森林和决策树3种分类方法在洱海流域的适用性。结果表明,在特征重要性排名中,红边指数(NDREI)相对于归一化植被指数(NDVI)和比值植被指数(RVI)表现出更为显著的优势,在所有特征中贡献率排名居首位;在优化特征空间后,支持向量机(SVM)的分类总体精度和Kappa系数效果最好,提高3.75和5.06个百分点,决策树(DT)效果最差,仅提高了1和1.17个百分点;相对于其他两种分类方法,优化特征空间的随机森林(RF)分类总体精度和Kappa系数最高,达到90.63%和88.87%,并且在细节上更符合真实地物分布,如在地物分布的细碎区域、区分湿地、水体和建设用地的效果明显。利用特征空间优化算法提高了分类方法的精度,随机森林对洱海流域的土地利用分类具有最强的适用性。

一种基于STM32的FSO双层加密的通信方案设计

使用STM32芯片、激光发射器和光电二极管构建自由空间光通信系统,目的在于提出一种可靠的通信方案,应对光信号被截取的安全隐患。该方案采用双层加密策略,结合国产加密算法SM4和OCDMA技术,对数据进行加密和编码,以实现数据的安全传输和信道的多用户复用。研究方法利用STM32芯片对数据进行加密传输,采用时间分集技术来降低系统的误码率。所构建的光通信系统实现了信号的加密传输。该双层加密方案能有效抵御光信号窃听和信息泄露的风险,增强系统的安全性。时间分集技术显著降低了大气衰减对通信系统性能的影响,改善系统的通信质量。提出的双层加密方案为解决光通信安全和可靠性问题提供了一种有效的解决方案。

基于正交振幅调制的MIMO-FSO系统性能分析

针对自由空间光(FSO)通信系统易受大气湍流效应影响的问题,为降低系统在饱和湍流情况下的误码率(BER),并且考虑到实际工程中需要在有限信噪比(SNR)下得到最大的分集增益,需要对系统的分集性能进行研究,以得到分集增益与SNR和系统链路数量等参数的关系。文章选择采用多输入多输出(MIMO)技术,设计了基于正交振幅调制(QAM)的MIMO-FSO通信系统,分析了系统在负指数分布信道模型下的性能表现,推导出系统的BER计算公式与分集增益相关参数(如分集阶数(DO)、分集阶数增量(IDO)和收敛速度(SOC)等)的闭式表达式,并利用数学软件Matlab进行仿真实验,通过蒙特卡洛仿真来验证所推导公式的准确性。仿真结果表明,MIMO技术在不增加发射功率和接收孔径面积的情况下,可以大幅度降低FSO通信系统的BER,且在饱和湍流信道下,系统链路数量越多或湍流强度越低时,DO随SNR增长到理论最大值的速度越快。MIMO技术有效地抑制了大气湍流对系统的负面影响,大幅提高了系统性能。在条件允许的情况下,尽量使用多的发射机和接收机可以使得系统在有限SNR下获得的分集增益更高,但是也需要考虑到实际工程中的部署成本和安装难度来选择合适的链路数量。

基于三维层面(FSO)理论的综合交通评价体系研究与实践

文章基于三维层面(FSO)理论,从功能维度、结构维度、运作维度三个层面构建涵盖3个一级指标、9个二级指标和34个三级指标的综合交通评价体系,并对广西综合交通建设情况进行评价,为广西制定和实施综合交通发展战略提供决策依据。

自由空间光通信中极化码的应用研究

【目的】在自由空间光(FSO)通信中,大气湍流效应会导致通信链路性能下降。【方法】文章提出了一种极化码信道编译码方案,使用蒙特卡洛算法构造了针对FSO通信中常见的Gamma⁃Gamma分布大气湍流信道的极化码。比较了文章提出的极化码编译码方案与未编码以及相近码长的低密度奇偶校验(LDPC)码在Gamma⁃Gamma分布大气湍流信道下的误码率(BER)。【结果】仿真结果表明,所提极化码与未编码比较时,在弱湍流强度下,当信噪比>6.7 dB时,极化码方案性能相较于未编码更优;在中湍流强度下,当信噪比>10.3 dB时,极化码方案性能相较于未编码更优;在强湍流强度下,当信噪比>11.5 dB时,极化码方案性能相较于未编码更优。所提极化码与LDPC码比较时,在弱湍流情况下,当信噪比>7.1 dB时,极化码整体性能优于LDPC码;在中湍流条件下,当信噪比>10.6 dB时,极化码整体性能优于LDPC码;在强湍流条件下,当信噪比>12 dB时,极化码整体性能优于LDPC码。此外,在码长短、码率低和译码宽度小时,文章所提出的极化码编译码方案具有更优的性能。【结论】使用所提极化码编码后,有效改善了FSO通信系统中的大气湍流效应,而且在中、高湍流强度这两种恶劣的大气湍流信道环境中,文章所提方案展现出了比LDPC码更为明显的优势。表明在FSO通信中,极化码具有良好的发展前景。

基于马尔科夫模型的双站激光微波混合链路性能分析

针对气象变化对自由空间光(Free Space Optical,FSO)通信链路和毫米波射频(Radio Frequency,RF)通信链路可用率的影响问题,采用马尔科夫建模与稳态概率求解计算方法,分析不同天气条件下FSO/RF混合链路的双接收站分集与中断概率性能.基于FSO链路和RF链路的信道模型,采用有限状态马尔科夫链(Finite State Markov Chain,FSMC)分别对单双站FSO/RF混合链路的切换选择进行建模,推导得出不同参数和天气情况下系统稳态的中断概率表达式.数值计算结果表明,当中断概率达到10^(-6),雨雾天气链路距离为1~7 km时,双站FSO/RF混合链路相比单站可获得4~25 dB的增益.

自由空间光通信中被动调制研究进展

【目的】传统的自由空间光(FSO)通信需要参与通信的两端同时安装激光发射系统、激光接收系统和捕获、追踪和瞄准系统,使得系统的重量、体积、功耗、设备复杂程度和技术难度被迫提升,限制了FSO通信的发展。而利用非对称空间激光通信链路构建的被动调制技术,能够实现通信端体积小、重量轻和功耗低的设计,为自由空间激光通信技术在中小型场景中的应用提供了便利。【方法】文章对被动调制的原理及其调制形式进行了阐述,介绍了逆向调制系统的组成和逆向调制器(MRR)的工作原理,对常见MRR如角反射器MRR和“猫眼”MRR进行了分析,并对波长的选择以及光学接收器口径的大小进行了探讨。【结果】总结了被动调制的不同实现类型和特点,概括了其在FSO通信中的应用,展望了该技术未来的发展方向和前景。【结论】被动调制在未来可沿着高速率、焦平面像素化、双向通信和相干检测等方向发展并且有较大的发展空间。

基于FPGA的FSO准同步数字复接器的实现

为了实现多路信号在同一大气信道中的传输,提出一种适用于自由空间光通信(FSO)系统的准同步数字复接方案。该方案利用数字复接扩大传输容量,通过加入滤波模块和采用择多判决的方法,提高系统的抗干扰能力。整个系统采用自顶向下模块化的方法进行设计,所有功能模块均用VHDL语言进行描述,并用现场可编程门阵列(FPGA)芯片EP1C3T100C6对整个系统进行硬件实现。以三路准同步数字信号的复接分接为例,给出了软件仿真和硬件实验结果。结果表明系统可以准确、可靠地实现三路准同步信号的复接分接。

基于QAM的FSO-OFDM系统性能分析

由于OFDM调制技术能有效抵御大气散射效应,提出了频带FSO-OFDM传输的系统方案。在建立大气散射信道模型之后,推导了由散射造成的光强衰减系数及光强起伏方差和系统误符号率(SER)间的关系。以雾天和雨天为例,通过仿真实验验证了其正确性。结果表明:毛毛雨、广延雨和雷暴雨散射造成的光强起伏方差分别为2.4×10-2、3.044 1×10-4和8.776 2×10-5。当误符号率Pe=10-5、子载波N=32时,相对于毛毛雨,广延雨天和雷暴雨天的误符号率分别降低了12 dB、15 dB。虽然平流雾较辐射雾散射造成的光强衰减大,但它们的光强起伏方差均较小。当误符号率Pe=10-3,子载波N=32时,相对于平流雾,辐射雾的误符号率降低了10 dB。因此,在散射信道中系统误符号率主要取决于散射造成的光强起伏方差,其次取决于散射造成的光强度衰减系数。

频带FSO-OFDM系统建模与LS信道估计研究

本文首先设计了频带FSO-OFDM系统模型,阐述了其发射和接收部分工作原理,介绍了大气散射信道模型。通过对散射信道的仿真,发现FSO-OFDM系统对弱散射有很强的抵御能力,当散射强度强时,系统性能就会急剧恶化,由于提高发射功率不能有效的降低散射对系统的影响,为了解决此问题,本文利用LS算法对导频处大气信道进行估计,最后通过插值恢复出数据处信道参数,通过仿真进行验证,结果表明,通过合理设计导频序列,LS算法能够很好的改善强散射信道中频带FSO-OFDM系统性能。

FSO通信误码测试仪硬件设计

介绍了一种基于AT89S52单片机和EP1K30 FPGA的FSO通信误码测试系统的设计与实现方案。系统以FPGA为处理核心,实现高速误码检测;单片机完成控制逻辑。详细讨论了伪随机码发生模块、同步模块、误码检测模块及单片机与FPGA接口的软硬件设计。并利用设计的样机进行了本地光纤环回和实验室内近距离无线激光通信的误码测试实验,实验结果表明此设计工作稳定可靠,可以实现对FSO通信质量进行检测的设计要求。

内蒙古区域数值预报对探空和地面观测资料的敏感性试验研究

基于内蒙古睿图预报系统的低分辨率版本和WRFDA-FSO诊断工具,评估2021年7月现有探空和地面观测对内蒙古睿图预报系统预报的影响。该方法计算代价相对低廉,并允许根据观测变量、观测类型、气压层次、地理区域等观测的子集对观测影响进行划分。代价函数为以干总能量为度量的背景场和分析场的预报误差之间的差异。结果表明:观测影响的总体总和为负,观测对预报起正贡献作用。对12 h预报误差减小贡献最大的观测来自探空观测的动力变量(U、V风分量)。而单时次单位数量平均观测影响,探空观测的贡献约为地面观测的1/2。探空观测对12 h预报误差减小从近地面层至模式层顶均保持正贡献作用,并在对流层中低层和对流层高空急流层存在两个极大值区域;地面观测在850 hPa以下低层正贡献占比明显。探空观测在被同化系统同化时均总体具有有利的影响,也反映出探空观测数据稳定、质量较高的特征;地面观测对12 h预报误差减小起正贡献作用次数最多的区域在河套地区尤为显著。同时,探讨了需进一步提高地面观测资料同化率的问题。

即食食品中单增李斯特菌的FSO值确定

食品安全目标(FSO)值的设定是进行食品致病菌风险管理的重要方法之一。该文对FSO的基本概念和实施进行了介绍,对比了传统的和以FSO为基础的2种风险管理措施,综述了国际上主要国家和地区对即食食品中单增李斯特菌的限量标准要求,并在此基础上按照不同限量标准,结合指数型剂量效应模型,推测了某市易感人群因摄入即食食品中单增李斯特菌导致的病例数,由此建议我国即食食品中单增李斯特菌的FSO值为2(lgCFU/g),即食食品中单增李斯特菌的限量标准可定为100 CFU/g。

一种改进的FSO-OFDM基带模型

针对传统基带自由空间光通信正交频分复用(FSO-OFDM)系统模型的缺陷,提出了一种改进的基带模型,该模型通过对信号进行编码,可以简化光上/下变频模块的复杂度,同时该编码方法还可以用于系统同步。通过仿真对该方法进行了验证,结果表明,在降低系统复杂度的前提下其性能和原始基带FSO-OFDM在抵御散射影响方面相当。

FSO-OFDM系统中峰均比控制方法的实验研究

自由空间光通信正交频分复用(Free Space Optical-Orthogonal Frequency Division Multiplexing,FSO-OFDM)系统面对的主要问题是峰均比(PAPR)高而导致的信号失真。而选择性映射(Selected Mapping,SLM)算法可以有效解决FSO-OFDM系统中的峰均比问题。目前,对峰均比抑制算法的研究还主要集中在理论方面,而且主要在发端研究降低峰均比的方法,而很少有文献将其应用于实际的信道传输。所以对FSO-OFDM系统中峰均比抑制算法的具体实现,尤其是在接收端进行实际验证的方法就显得意义重大。文中通过仿真信道传输和硬件实验都验证了采用SLM算法后FSO-OFDM系统的抗噪声干扰性能增加,并验证了SLM算法应用于实际的有效性,且该实验结果也为降低PAPR的后续研究奠定了实验基础。

FSO中分层空时编码的误码性能

分层空时编码(BLAST)虽然具有极高的频谱效率,能成倍提高光通信系统的信息传输速率,但BLAST系统的误码率较大,严重影响了光通信系统的可靠性。在描述了湍流信道中多输入多输出(MIMO)系统的信道模型后,针对多进制脉冲位置调制(Q-PPM)技术,推导出了采用线性译码算法时分层空时码的极大似然判决准则及其误码率公式,并比较了最大似然译码算法、线性译码算法、串行干扰消除译码算法的误码性能。最后,利用仿真实验进行了验证。结果表明:在自由空间光通信(FSO)中,串行干扰消除译码算法的误码性能更接近最大似然译码算法的性能,明显优于线性译码算法。在4×4系统中,当误比特率为2×10-2时,相对于最小均方误差(MMSE)译码算法,最大似然译码算法和MMSE-SIC译码算法的信噪比分别改善了约14.5 dB和7 dB。理论分析与实验结果相一致。

降低FSO-OFDM系统峰值平均功率比研究

虽然OFDM调制技术在射频领域中已得到了广泛的研究,但在无线光领域中的研究才刚开始。由于FSO-OFDM系统中采用马赫-曾德尔(MZM)调制器进行电光转换,该调制器的转移特性曲线为余弦函数,存在很大的非线性问题,因此,FSO-OFDM系统比射频OFDM系统对PAPR更加敏感。为了降低系统PAPR,重点研究了基于Golay互补序列和Reed-Muller码的编码类降低PAPR的算法,对输入的二进制序列进行编码,产生Golay互补序列作为传输码字,来降低系统PAPR,并通过MonteCarlo方法对其进行了仿真验证,结果表明该算法在QPSK系统中可以将峰值功率控制在3 dB以下,在QAM系统中峰值功率可以降低至4.5 dB。

软切换FSO/RF链路混合编码调制算法性能分析

将自由空间光(FSO)通信链路的高速率优势与射频(RF)链路的可靠性优势互补结合,针对FSO/RF混合通信链路组网的物理层数据可靠传输问题,研究软切换机制下采用LDPC混合编码与2-PPM和16QAM调制的系统方案性能。混合系统FSO链路在Gamma-Gamma信道不同湍流强度与RF链路在Rician信道不同信噪比条件下的仿真结果表明,所述方案在软切换下达到1×10^(-6)误比特率时,不同条件下可获得1.3~8.0 dB不等的性能增益改善,显著提高在不同链路条件下FSO/RF混合通信系统的数据传输可靠性。

FSO MIMO垂直空时分层码研究及硬件仿真

在自由空间光通信(FSO)中,多输入多输出(MIMO)可以大大提高频谱利用率。在对FSOMIMO进行分析研究的基础上,提出了垂直分层空时(V-BLAST)结构,建立了该结构的系统模型。分别取不同的MIMO组数,仿真比较了PPM和OOK两种调制方式的系统误码率。运用VHDL语言设计了垂直分层空时结构的编译码,并进行了硬件功能和时序仿真。研究结果表明:在信噪比一定的情况下,PPM调制方式下系统的误码率要低于OOK调制方式下系统的误码率;运用VHDL语言设计的V-BLAST编译码,从硬件功能和时序上验证了FSOMIMO系统的可行性。