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RSMA的无线光通信中预编码与功率分配研究

【目的】针对无线光通信(OWC)系统中应用速率分拆接入(RSMA)技术的资源分配问题,提出一种基于线性逼近的联合预编码矩阵和速率分配算法,以提高系统的可靠性和性能。【方法】采用变量转换和线性逼近的方法将非凸分阶函数转化为凸函数。通过联合预编码矩阵和速率分配算法,有效地分配系统资源,提高系统性能。为了求解最优解,采用连续迭代算法进行优化。【结果】仿真结果表明,文章所提出的联合优化方案显著降低了系统中断概率,并具有快速的收敛速率。这意味着所提方案能够在基于RSMA的OWC(RSMA⁃OWC)系统中提供更可靠和高效的通信性能。【结论】文章所提方案为OWC系统中的RSMA技术提供了有效的资源分配方法,提高了系统的可靠性和性能。进一步的研究应聚焦于RSMA⁃OWC系统的中断概率问题以及资源分配、预编码设计和应用扩展等方面的挑战。该研究为推动RSMA技术在OWC领域的应用和发展提供了有价值的参考。

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。

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。

CNN-AE在超奈奎斯特无线光通信端到端系统中的性能

符号间干扰的存在使超奈奎斯特(faster-than-Nyquist, FTN)速率无线光通信系统的性能受到严重影响,针对此问题,提出了一种基于卷积神经网络自编码器的端到端通信系统来消除符号间干扰的影响并完成信号的恢复。针对超奈奎斯特信号非正交的特性,采用交替训练算法分别训练发射机和接收机权重,解决监督训练中模型输入输出数据尺寸不匹配的问题。在此基础上,分析了该系统在Gamma-Gamma大气信道中的误码率(bit error rate, BER)性能。仿真结果证明,与采用最大似然估计的传统系统相比,该系统的误码率性能在各种条件因素影响下都有不同程度的提高。当加速因子在Mazo限内时,该系统可以消除FTN成型和湍流信道带来的复杂混合码间干扰,其误码性能几乎与正交传输系统相等。

自由空间光通信中的带符号光正交空间调制

【目的】针对光正交空间调制(OQSM)中频谱效率较低和系统吞吐量受限的问题,文章在自由空间光通信(FSOC)中提出了一种带符号的光正交空间调制(SOQSM)方案;另外,针对OQSM性能分析时所用信道不适合所有湍流的情况,文章采取适合所有湍流强度的Málaga信道对系统的误码性能进行分析。【方法】首先,该方案在发送端将输入的二进制比特流划分为5个部分,第1个部分用于星座符号映射,后4个部分用于激光器映射;然后,星座符号映射用于传输星座符号及其逆符号的实部和虚部;激光器映射分为同相相位与正交相位两部分,用于激活激光器的序列映射;最后,通过信道进行传输,在接收端进行信号的接收和处理。【结果】相比OQSM,SOQSM在一个传输周期内空间域额外携带了2log2 Nt比特的信息,并在符号域和空间域分别计算出平均误码率上界,最终得到SOQSM方案的平均误码率上界,其中计算平均误码率上界的方法具有较好的收敛性。该方案较大程度地提高了系统的频谱效率和传输速率,拥有较好的误码性能。【结论】蒙特卡洛仿真结果表明:在频谱效率相同时,相比光空间调制(OSM)和OQSM,SOQSM方案的误码性能更好,能在信噪比为16 dB时就达到10-6;当调制阶数相同时,SOQSM的误码性能更优,特别是在高信噪比时,仿真与理论契合度较高。在Málaga信道中弱湍流的误码性能更好;另外,不同湍流强度对SOQSM方案误码性能趋势的影响较小,但随着信噪比提高,影响会逐渐增大。因此,SOQSM相比OQSM和OSM具有更好的误码性能。

基于Raptor编码的多输入多输出光通信系统设计

为了提高可见光通信(Visible Light Communication,VLC)系统的复用增益,本文提出一种基于多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)的固定比例像素化VLC系统。系统首先执行空间角度映射,使数据的传送可在角域中进行;同时利用Raptor编码方法来跟踪由于窗口截断而引起的数据信道特性变化;然后对于使用高速相机捕捉到的一系列时变图像,利用散景效应获得所有链路距离上的固定比例图像。实验利用液晶显示器和高速相机,对所提出的VLC系统进行了验证。与传统的像素化MIMO系统相比,本文所提出的系统在未对准朝向的情境下具有更高的鲁棒性,从而在多路复用场景有着广泛的应用前景。

全光通信网络非线性突变频率干扰检测算法

【目的】针对全光通信网络非线性突变频率干扰问题进行分析时,主要依托于估计信道协方差直接展开干扰检测,并未展开网络通信信号变换处理,使得检测结果的F1⁃score值较低,为此提出了基于时域有限差分的全光通信网络非线性突变频率干扰检测算法。【方法】结合数据包抓包和镜像两种方式采集全光通信网络流量数据,并进行清理、转换和规约处理。依托于时域有限差分工作原理,在时域和频域空间内描述信号的时宽和带宽,应用导数与傅里叶变换算法对实时采集信号进行处理,利用变换后的信号分析非线性突变频率干扰情况,再针对变换后的信号进行检测分析。在时间⁃频率联合特征分析方法辅助下,提取干扰信号的时域、频域特征,依托于反向传播算法和最小化损失函数,简化非线性突变频率干扰检测过程,采用特征距离函数替换网络损失函数,并将其输入基于孪生网络的干扰识别模型中,得出非线性突变频率干扰检测结果。【结果】在不同噪声条件下,所提算法非线性突变频率干扰检测结果的F1⁃score值保持在0.95以上,检测时间低于40 ms。【结论】应用时域有限差分方法的新型检测方法,能够更准确地反映当前通信网络的干扰情况,保证通信网络正常运行,更好地满足了全光通信网络干扰检测要求。

“光通信原理与技术”混合式教学探索与实践

“光通信原理与技术”是光电信息科学与工程专业一门专业核心必修课,为培养新型光电专业人才起着至关重要的作用。为适应应用型本科院校转型发展要求,通过研究本课程在传统教学中存在的问题,提出线上、线下混合式教学方式,深入挖掘思政元素,在教学方式改革、课程思政建设、课内实验和教学评价等方面进行教学改革探索,优化教学内容,将光通信专业知识与立德树人结合,为进一步打造一流课程奠定基础,对培养具有较强操作能力、解决问题能力的应用型技术人才具有重要的意义。

针对光通信系统的调制与解调技术优化研究

文章主要研究和优化光通信系统中的调制与解调技术,系统性地探讨光通信系统的基本架构,基于外调制和相干解调的优化方法,以提高系统的传输效率和信号质量。在调制方面,采用直接调制技术和外调制技术增加调制信号的带宽;在解调方面,应用相干解调技术实现了对光信号的高效检测和解调。利用MATLAB等工具进行实验验证,结果表明所提出的调制与解调优化方法在提升光通信系统性能方面具有潜力与优势。

广义Gamma分布弱湍流环境含指向误差串行中继水下无线光通信系统误码性能分析

鉴于目前普遍选用的水下弱湍流模型无法准确拟合实测数据的缺陷,选取经实验测试验证的广义Gamma分布来表征海洋弱湍流,以期合理评估受湍流等因素影响的水下无线光通信系统的误码性能。提出一种包含广义Gamma分布弱湍流、零/非零视轴指向误差以及无衰落信道冲激响应隐路径损耗和多径效应的混合衰落信道模型,据此推导混合衰落串行中继无线光通信系统平均误码率的数学闭型表达;通过数值仿真验证所推导的误码率理论表达式的准确性,并考察不同系统核心参数对误码率的影响。研究结果表明:串行中继节点的引入可有效提高系统的误码性能,以零视轴指向误差、最终传输距离达45 m、误码率需求10-3为例,引入1至3个串行中继节点后,系统从一开始的无法工作,变为所需的发射功率分别降低至24 dBm、12 dBm和6 dBm;而光源初始发散角增大导致的无衰落信道冲激响应时延扩展,即符号间干扰,则会严重降低此性能改善。

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。

大气湍流对空间相干光通信的相干探测性能影响

空间相干光通信被认为是突破现有高速空间通信瓶颈的重要手段,但其应用受到大气湍流的极大限制.为此,本文首先基于Huygens-Fresnel原理和低频补偿功率谱反演法,研究了高斯光束经大气湍流传输后振幅和相位的随机分布特性;然后,利用相干混频效率及通信误码率模型,获得大气湍流对空间相干光通信系统性能的影响规律;最后,搭建激光外差探测实验系统,定量研究了大气湍流对空间相干光通信相干探测性能的影响.结果表明:弱湍流条件下,空间相干光通信性能几乎不受大气湍流的影响;中等强度湍流影响下,相干混频效率会随着湍流强度的增大而迅速下降,但通过提高单比特光子数可以有效抑制湍流对通信性能的负面影响;强湍流会显著破坏光束相干性,使得相干混频效率趋近于零,即使提高单比特光子数也无法有效改善通信性能.大气湍流是空间相干光通信发展的重要限制因素,该研究可为空间相干光通信系统性能评估提供有益参考.

基于稀疏码多址接入技术的可见光通信系统性能研究

5G新技术应用于可见光通信(Visible Light Communication,VLC)场景对系统容量以及频谱效率有了更高的要求,稀疏码多址接入(Sparse Code Multiple Access,SCMA)技术作为一种新型的非正交多址接入(Non-Orthgonal Multiple Access,NOMA)技术可作为解决方案。针对上述方案,搭建了VLC-SCMA系统,使得系统在相同的频谱资源下能够拥有更大的系统容量和频谱效率,同时为了降低系统复杂度,加快接收端进行多用户检测时的收敛速度,提出了基于串行改进下的部分外部信息传递的消息传递算法(Message Passing Algorithm Based on Serial Strategy for Partial External Information Transmission,SPEIT-MPA)。通过在迭代过程中设置门限值过滤掉携带信息量较少的外部信息点,利用串行改进使得算法迭代过程进一步简化。在VLC-SCMA系统中的仿真结果表明,对比原始算法,新算法可以在保证误码率(Bit Error Rate,BER)性能损失较少的前提下拥有更快的收敛速度,且算法复杂度随着信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)的增大明显降低。

高速光通信低复杂度软信息解调技术

【目的】常用的max-log-map与log-map算法相比降低了软信息计算复杂度,但对高阶正交幅度调制(QAM)资源消耗仍较大,如8QAM、16QAM概率整形(PS)和64QAM PS。【方法】8QAM采用星座区域划分的方式,文章中,软信息采用接收符号到最近比特0与比特1中垂线的距离信息表示,利用角度旋转和区域对称性简化计算距离信息;非麦克斯韦玻尔兹曼(MB)分布的16QAM PS和64QAM PS,比特1所在区域两侧边缘之间的中心界线与区域两侧比特0之间的中心界线不再重合,对区域进行合并近似,处理两界线间区域归属,展开max-log-map算法因式简化距离差计算软信息;基于MB分布的16QAM PS和64QAM PS的软信息可由非MB分布的软信息表达式化简得到。【结果】经上述简化后,与max-log-map算法相比,8QAM软信息计算乘法次数48次和加减法次数75次分别缩减为12和16次,解调性能仅退化约0.05 dB;MB分布的16QAM PS乘法次数192次和加减法次数260次分别缩减为2和4次,解调性能仅退化约0.05 dB;更高阶的64QAM PS资源消耗缩减程度更大,乘法次数1152次和加减法次数1542次分别缩减为3和6次。【结论】文章提出了适用于8QAM、MB分布的16QAM PS、MB分布的64QAM PS、非MB分布的16QAM PS和非MB分布的64QAM PS软信息计算方法。当概率满足MB分布时,非MB分布的软信息计算方法可转化为MB分布计算方法;当PS因子为0时,基于MB分布的表达式可转化为均匀分布软信息计算式,非MB分布、MB分布和均匀分布的软信息计算可使用同一电路统一设计,提高电路复用率,降低硬件资源消耗。

非正交多址光通信系统信道均衡的虚拟时反方法

室内非正交多址(non-orthogonal multiple access, NOMA)可见光通信系统(visible light communications, VLC)可实现高速率多用户通信,但多径效应会造成通信可靠性及用户公平性明显下降,为此,提出一种虚拟时间反转技术(virtual time reversal mirror, VTRM)对NOMA-VLC进行信道均衡,消除多径效应对通信过程的影响。分析了多用户场景下室内NOMA-VLC系统模型及其通信光链路的特性,依据光链路增益的稀疏特性采用稀疏度自适应匹配追踪(sparsity adaptive matching pursuit,SAMP)算法,估计NOMA-VLC系统的信道冲激响应(channel impulse response, CIR)。在此基础上,采用VTRM方法对NOMA-VLC进行信道均衡,通过VTRM的时空聚焦特性减少信道衰落影响,并重构接收信号,抑制多径效应。理论分析和实验结果表明:经论文算法均衡后的NOMAVLC系统,在满足前向纠错(forward error correction,FEC)误码率阈值的同时,用户1性能提高了4.4 dB,用户2性能提高了5.7 dB,两用户平均性能提高了5.05 dB,用户间性能差异由1.6 dB降为0.5 dB,为NOMA-VLC信道均衡提供了有效的解决方案。

用于短距光通信的超低功耗光发射器研究

【目的】为拓宽光通信在板级、背板级等短距互联场景的应用,文章设计了一种超低功耗的光发射器。方案的基本原理是采用Bias⁃T电路加载偏置电流和调制信号,驱动垂直腔面发射激光器(VCSEL)产生光脉冲信号。【方法】借助模拟仿真验证了方案的可行性,发现影响传输速率提升的主要因素是激光器件的寄生参数以及驱动电路的阻抗匹配;通过实验研究了在200和10 mm两种电传输距离下,驱动产生的眼图质量及误码率随驱动电压和偏置电流变化的规律。【结果】电传输距离缩短至10 mm时,能获得更大有效消光比,范围为0.84~6.69 dB,最小差分驱动电压为200 mV,最小偏置电流为15 mA,光发射功耗降低至1.2 mW/Gbit/s。相比于传统光模块,光发射功耗降低约80%。【结论】该光发射器方案可应用于数据中心内部,配合低功耗光接收器,能显著降低数据中心整体功耗。

基于四电平编码与弱光通信的极低功耗传光式电流互感器

针对传光式电流互感器高压侧现有的母线取能和激光供能方式存在供电死区、能量转换效率低、使用寿命不足等问题,提出一种基于四电平编码与弱光通信的极低功耗光电传输系统方案。首先,设计三态门电路将信号采集模块的采样时钟和数据信号叠加为一个四电平信号。然后,利用超高亮度且极低功耗的LED将四电平信号转换为光信号并通过光纤传输至低压侧。最后,在低压侧通过高灵敏度雪崩光电二极管探测器进行弱光检测后输入解码电路实现信号解码。将极低功耗光电传输系统应用于传光式电流互感器中进行实验验证,测量结果满足0.2级精度要求,系统高压侧的平均功耗可降低至3.91 mW,保证测量精度的同时大幅降低了功耗。由于高压侧的功耗极低,故可采用大容量电池或小功率光伏系统等可靠供能方案,从而解决了高压侧的供能问题,提高了系统的稳定性和可靠性。

基于边缘计算的光通信网络安全风险等级评估方法

以提升光通信网络安全性为目的,提出基于边缘计算的光通信网络安全风险等级评估方法。首先构建光通信网络安全风险评估指标,并利用各边缘计算节点计算各终端指标数据。以各评估指标数据计算结果为基础,在云中心计算层内构建模糊综合评估模型,以模糊数学理论内的隶属度为基础,实现光通信网络安全风险多层次模糊评估。实验结果表明,该方法的光通信网络安全风险等级评估精度最高为97%,评估误差率最低为3%,该方法能够有效实现评估过程,基于评估结果进行网络优化能够提升光通信网络安全性能。

基于大数据挖掘的光通信微弱信号检测研究

以高效、准确检测噪声淹没下光通信微弱信号为目的,设计基于大数据挖掘的光通信微弱信号检测方法。通过基于改进EMD与奇异值分解全面去除光通信信号中噪声分量,经灰狼算法寻优设置支持向量机参数后,由支持向量机模型构建信号分类超平面,分类检测样本中微弱信号。实验结果表明:光通信信号经所提方法去噪后,信号信噪比变小,最大值仅有0.01 dB;所提方法所检测的微弱信号波动幅值,与微弱信号实际幅值高度匹配,误差不超过1%,可100%检测出噪声淹没下光通信微弱信号的样本。