机器学习的时变环境下自由空间光通信系统信道建模研究

在时变环境下,传统模型只去除了部分通信串扰,传输损耗大,为此提出机器学习的时变环境下自由空间光通信系统信道建模方法。采用直方图统计法统计数据集的峰值、选择通信最短路径,遗传算法得到信道最佳参数,机器学习根据最佳参数计算通信阻抗,获得电容和电导值,对权值进行调整去除通信串扰,根据信道规模特性将天线域转换为波束域,搭建时变环境下自由空间光通信信道。仿真实验结果表明,本模型的传输损耗平均达到148 dB,具有较高的应用价值。

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。

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。

自由空间光通信光学天线系统设计

文章专注于光学天线发射系统的理论研究与实际设计,通过缩放法来计算光学系统的初始结构。选择卡塞格伦系统作为研究对象,该系统由一个抛物面主镜和一个双曲面副镜构成。通过使用Zemax软件进行模拟,文章构建了一款卡塞格伦发射系统,其特点为体积小型化且像质优良。通过对系统结构进行优化,使得光斑弥散值为2.157μm,波前差为0.0166个波长,像质优良。模拟结果显示,该系统在5 km的距离上,发射功率可达174 MW,发射效率达到了87%。文章不仅提供了一种有效的光学天线设计方法,还对光学天线的实际应用有一定的指导意义。

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。

基于双向光通信的旋转部件传感参数遥测系统

为解决高旋、高温等极端环境下旋转部件传感参数原位采集和实时传输的难题,研制了多通道传感参数遥测系统。系统包含转子组件、定子组件和可视化终端。转子组件通过空间光通信实现与定子组件的双向无线数据传输。转子组件圆周轴对称、叠层架构设计降低了高速惯性力的影响。通过搭建5 000 r/min转速的模拟旋转测试环境进行系统功能和性能验证,实现采集精度0.25%,无线传输距离50 cm,传输速率10 Mbit/s和128通道同步采样率5 kHz。该设计方案为旋转部件试验和优化设计提供稳定可靠的参数测量技术。

基于不同滤波操作的自由空间光通信系统设计

自由空间光通信凭借其通信速率高、容量大、无需频带许可等优势成为了一种重要的通信方式。为了提高自由空间光通信系统的性能,研究了自由空间光通信系统,运用OptiSystem仿真软件,对原自由空间光通信系统进行改进,在系统接收端分别加入不同滤波器(高斯、贝塞尔、法布里珀罗滤波器)后,对比分析在不同影响因素(传输范围和光束发散度)下改进后系统与原始系统的最大品质因数,得出改进后系统在各方面比原系统都表现出较好的传输性能。其中,在研究传输距离的影响时,使用高斯滤波器的系统比原系统品质因数高出约100;在研究光束发散度的影响时,使用贝塞尔滤波器的系统比原系统品质因数高出约100,由此实现了性能更加优化的光通信系统,为未来新型自由空间光通信系统的设计提供了新的思路。

超级混沌系统的自由空间光通信信号加密研究

为实现自由空间光通信安全,保证通信内容的全面覆盖,研究超级混沌系统的自由空间光通信信号加密方法。采用基于差分混沌位移键控模型,划分自由空间光通信信号,形成参考信息段和信息承载段,经过光调制器的调制后实现信号的行扩频处理后,利用基于超级混沌序列信号3DArnold映射和Arnold变换,转换和置乱变换该处理后的信号,形成三维矩阵;依据该矩阵,基于超级混沌序列生成Frank序列矩阵,降低信号的峰值平均功率比,完成通信信号加密。测试结果显示:该方法随机性能良好,P-Value的结果均在0.1以上;加密后通信信号的频谱全部被混沌信号覆盖,具备良好的通信信号加密效果,信号的峰值平均功率比的结果大约下降1.9/dB,保证加密后通信的安全性,避免通信过程中传输的数据内容被窃取。

自由空间光通信网络拓扑自适应控制方法研究

自由空间光通信网络拓扑优化控制可以降低网络传输延迟,提高通信速率,提出基于平均辐射光功率调节的自由空间光通信网络拓扑自适应控制方法。构建自由空间光通信网络的光传输和信道模型,结合光学度量的方法分析光通信网络的辐射功率、辐射通量以及光通量参数,采用光谱光视度量的方法,进行自由空间光通信网络脉冲幅度调制,采用强度调制和直接检测的方法,实现自由空间光通信的平均辐射光功率调节。根据反馈调节和前置补偿的方法,构建等效自由空间光通信网络拓扑结构模型,实现光通信网络的信道均衡控制和视距链路自适应增益调节。测试表明,该方法提高了信道增益,安全传输速率较高。

混合电力线-自由空间光通信系统解码转发协议下的性能分析

针对电力线通信传播距离短问题,文章提出了基于解码转发中继的电力线-自由空间光(PLC/FSO)混合通信系统,并对其性能进行了分析.首先建立了混合系统的数学模型,分别采用对数正态分布和Gamma-Gamma分布来表征PLC及FSO信道衰落,并考虑FSO链路指向误差.其次,对混合系统性能进行了分析,推导出了中断概率、误码率和信道容量的闭合表达式.最后,利用计算机模拟仿真验证了推导结果的准确性.研究结果表明:脉冲噪声、大气湍流和指向误差会对通信系统产生一定的影响.

回声状态网络的可见光通信系统空间相关性研究

可见光通信系统的空间相关性会对系统信道容量以及系统性能产生巨大的影响,为此对回声状态网络下的可见光通信系统空间相关性进行研究。基于回声状态网络设计通信信道模型,分别计算直射链路以及非直射链路的信道直流增益效果,在通信函数的基础上建立可见光通信模型,并设置回声状态网络连接矩阵;分析可见光通信系统空间相关性,获取接收机热噪声的系数比;在发射与接收端口建立矩阵结构,依据接收角的集中增益系数,更新信号接收集中增益比;计算空间相关容量误差,以此获取相关系数。实验结果显示,2*2信道容量下,三种频率的空间相关性分别在链路距离为80 m、100 m和150 m时归零,2*4信道容量的最大链路距离则为140 m、190 m、230 m,信道容量和中心点频率均对空间相关性具有正向影响。

自由空间光通信中的光广义正交空间调制技术

为了提高现有光空间调制系统的频谱效率,提出了一种在同相和正交域同时激活多根发射光学天线分别传输调制信号的实部与虚部的光广义正交空间调制(OGQSM)技术。该技术将调制符号扩展到同相和正交域,使得系统在空间域可以携带更多的比特,从而提高了系统频谱效率和误码性能。采用适用于所有湍流状态的Malaga湍流信道,分析了OGQSM系统在大气湍流、指向误差和路径损耗联合作用下的系统误码性能。蒙特卡罗仿真结果表明:与现有的光空间调制技术相比,所提出的OGQSM技术能够获得更好的频谱效率和误码性能,且接收光学天线数量与系统误码性能存在正相关关系,指向误差和大气湍流强度与系统误码性能存在负相关关系。

自由空间光通信ATP系统中精瞄偏转镜的设计

二维精瞄偏转镜是自由空间光通信中捕获、跟踪和瞄准(ATP)系统的关键组成部分,对偏转镜进行了机构设计和有限元模态分析,偏转镜采用压电陶瓷驱动器驱动,采用柔性铰链传动。研制了集驱动、检测、主控模块为一体的数字式精密定位控制器,在实验室构建了两套测试系统,对偏转镜的频率和静态性能进行了测试,并着重介绍了频率的两种测量方法及其优缺点分析。仿真和测试结果表明,偏转镜的频率约为1.5 kHz,转角范围约为±2 mrad,精度约为1μrad,分辨率约为0.1μrad。

自由空间光通信技术在陆地回传应用的探索

自由空间光通信是指在自由空间中进行激光传输的通信技术,它利用光纤通信的波段和技术,结合无线通信的便捷性和移动性,解决因地理地形限制,或临时通信需求下的传输问题。介绍了陆地自由空间光通信技术特点,并对该技术的一些商业应用进行了探索。

自由空间光通信精跟踪系统设计及其通信实验

为了解决自由空间光通信对APT系统的高精度高带宽要求,设计研制了一种精跟踪系统。该系统以高帧频CMOS相机为探测机构,以音圈电机驱动的FSM(Fast Steering Mirror)为执行机构,由PC机进行控制和运算。在一维模拟运动平台中进行带粗跟踪的距离为2 km的激光通信实验时运用该系统,当模拟运动平台以不同角速度转动时,粗跟踪会有不同的跟踪残差,该残差以及大气湍流及平台振动引起的光斑抖动均由精跟踪系统来补偿。记录并分析了精跟踪补偿后的相机端光斑质心的变化以及光路中光功率的变化数据,得出结果:精跟踪残差受粗跟踪系统的影响,随模拟运动角速度的增大而增加,在1.2(°)/s时粗精跟踪系统联合能将光斑偏移量的标准差稳定在6μrad以内。

自由空间激光通信捕获控制系统

为了完成快速高概率的捕获,设计并构建了自由空间激光通信捕获控制系统,主要由主控计算机、GPS/INS捷联导航系统、数传电台和控制软件等部分组成。主控计算机采用嵌入式操作系统Windows CE,控制系统采用多线程同步技术和事件驱动方式处理多个通信串口的数据,减少了处理数据的延迟时间;同时,系统采用快速高精度指向算法,实现高精度的粗对准;使用复合光栅螺旋扫描方式和可对速度补偿的捕获算法,减少了捕获时间,提高了捕获概率。基于野外试验数据对捕获控制系统性能进行分析评估。结果表明,系统指向误差小于1°,捕获时间小于30s。目前,该系统已经研制完成并投入使用,效果良好。

自由空间光通信的抗干扰接收系统

根据现代战场通信保密及抗干扰的需要,提出一种新型自由空间光通信接收机模型。该接收机结合自适应调相阵列和非线性光开关技术,可以实现对光信号的波前畸变的实时矫正,提高了无线光通信系统接收机的性能,同时也具备防强激光攻击的功能。分析求解了多路光信号合束的相位匹配条件,提出了闭环锁相方法,给出了非线性定向耦合器用作光开关的理论模型和优化方法,以及降低门限功率值的方法。该系统模型能够满足战场及时保密通信的要求,并具有防备强激光攻击的功能,适合现代战场通信的需要,为现代战场通信方式提供了一种新思路。

自由空间光通信ATP系统关键技术研究

自由空间光通信将成为未来通信的最佳解决方案之一。首先需要解决实现空间光通信的关键问题是光束的捕获、跟踪和瞄准。该文介绍了自由空间光通信终端机中ATP系统的组成和工作原理,设计了用于ATP系统的精瞄偏转镜、闭环控制器、星上终端二次电源系统,并给出了该系统性能的测试结果。

自由空间光通信中相干OFDM系统性能分析

结合正交频分复用(OFDM)技术和相干探测的优势,研究了相干OFDM自由空间光通信(FSO)系统的误码性能,考虑了OFDM映射方式以及映射阶数对系统误码性能的影响。在GammaGamma大气湍流信道下,分别从平均信噪比和所需平均接受光功率的角度考虑了系统在弱、中和强湍流三种情况下的误码性能。在此基础上,推导了系统误符号率的闭合表达式。仿真结果表明,相干探测下OFDM FSO系统可以较好地克服大气湍流效应,在弱、中湍流情况下,QAM映射方式下系统的误码性能明显优于PSK方式,在强湍流下这种优势不明显,此外随着映射阶数的增加,系统误符号率增加,因此在实际应用中可以通过降低映射阶数来提高系统误码性能。

基于自适应光学补偿的自由空间光通信系统性能研究

自由空间光通信在未来全球通信网中具有潜在的应用价值,然而自由空间光通信的性能易受大气湍流影响,而自适应光学能够解决大气湍流问题。在gamma-gamma分布大气湍流中,用自适应光学技术对自由空间光通信系统进行补偿,进行通信系统误码率的分析,给出了上行链路和下行链路的模拟结果。结果表明:自适应光学误差补偿技术能够很好地提高自由空间光通信的性能,并且低阶自适应光学补偿就能达到很好的校正效果。