湍流信道中零填充三模光正交频分复用索引调制的性能分析

针对无线光通信中湍流信道下正交频分复用索引调制(orthogonal frequency division multiplexing index modulation, OFDM-IM)传输速率不高、误码率性能不佳等问题,通过在不同激活子载波上加载2种不同模式的星座符号的方式,并结合离散小波变换提出了一种零填充三模光正交频分复用索引调制(zero-padded tri-mode optical OFDM-IM,ZTM-OOFDM-IM)。详细介绍了信号的映射过程,利用矩量母函数推导出其理论误码率,并在弱湍流信道下与已有的光OFDM-IM与双模光OFDM-IM (dual-mode optical OFDM-IM,DM-OOFDM-IM)进行了对比。结果表明,在保证传输速率的条件下,ZTM-OOFDM-IM有效改善了系统的误码性能。相较于光OFDM-IM和DM-OOFDM-IM,当误码率为10-3时,所提系统的信噪比分别改善了约2.8和3.2 dB。

大气湍流模型与大气信道模型的研究与展望

为了克服大气湍流效应对无线光通信系统性能的影响,必须建立能准确描述大气折射率起伏的湍流模型。总结了国内外学者在大气湍流模型方面的研究进展,对不同大气湍流模型的理论建立进行深入分析并对比了其适用范围,同时介绍了在实际大气湍流中实验测量所建立的大气信道模型,最后对大气湍流模型的发展趋势进行了展望。

Malaga大气湍流信道下副载波调制系统相位噪声分析

Malaga大气湍流信道下研究了系统解调模块的相位噪声对无线光副载波相移键控调制系统性能的影响。结合傅里叶级数及MeijerG函数性质,得到了Malaga大气湍流信道模型瞬时信噪比的概率密度函数,在Malaga大气湍流信道下推导了接收信号相位的傅里叶级数以及相位噪声影响无线光副载波MPSK调制误符号率的渐进表达式,在不同调制阶数和光强起伏方差下分析了相位噪声对系统误符号率的影响。数值结果表明,当相位噪声较小时,系统误符号率随着光强起伏方差增大而增大,相位噪声较大时,误符号率平层的出现受调制阶数的影响大于受湍流强度的影响,且随着调制阶数的升高,误符号率平层出现时所对应的平均电信噪比越低。

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。

大气多输入-多输出光信道共享密钥提取研究

基于信道随机特征的共享密钥提取是实现大气光信道物理层安全的一种有效手段。密钥生成速率和不一致率是关注焦点。利用大气湍流光信道随机特征作为共享随机源,提出多输入-多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)大气光信道环境下的密钥提取方案。采用另类奇异值分解法来分解信道矩阵,通过简单移动平均提升合法双方获得的信道特征序列间的相关性,并对移动平均后的信道特征序列进行单门限交错量化。合法双方基于分集差分值生成编码映射控制随机序列,实现对信道特征序列的单门限交错量化结果的编码映射。实验结果表明,本文方案的原始密钥不一致率在信噪比为30 dB时能够达到4.5×10^(-5),且生成的随机比特序列可通过美国国家标准与技术研究院(NIST)的随机性测试。本文结果对MIMO大气光信道密钥提取有一定参考价值。

湍流信道的红外鬼成像

研究了一种可以在湍流信道下自适应成像的鬼成像系统。系统利用可以模拟强起伏和弱起伏湍流的Gamma-Gamma分布来模拟湍流,虽然鬼成像可以在湍流下进行成像,但是大多数研究没有研究不同波长激光和采样率在不同湍流下的成像。本研究在采用不同波长的激光的基础上,测试不同的采样率在不同强弱湍流下的性能,并且通过闪烁指数计算了大气折射率结构常数。通过峰值信噪比和误比特率评价成像质量,得到不同模型的成像规律,为进一步的自适应鬼成像算法提供了新的模型。

大气相干激光通信的中断概率和信道容量研究

针对大气相干激光通信常受到信道衰减、大气湍流和指向误差等效应影响的问题,分析在这些复合效应下的大气信道的衰落分布模型,求出中断概率和信道容量的闭合解。研究得出,一方面,虽然指向误差恶化了相干激光通信系统的中断性能和信道容量,但是通过将指向精度控制在ξ=1.4量级可明显降低其影响;另一方面,虽然高阶数的自适应光学补偿能更好地抑制大气湍流引入的光相位畸变,但是较低阶数(J=3)的自适应光学补偿可明显改善中断概率和信道容量。为了实现高可靠、大容量的大气相干激光通信,在系统设计时需联合考虑低阶自适应光学补偿和高精度光束指向、跟踪。

一种适用于大气弱湍流信道的极化纠错编码调制方案

针对服从对数正态分布的大气弱湍流信道模型,基于高斯近似的方法计算分析信道的极化现象,提出了一种适用于大气弱湍流信道的极化编码调制方案,并对其性能进行了仿真分析.不同湍流强度下采用串行抵消译码算法时的仿真结果表明,相比于递归构造方案,文中所提方案在达到1e-5误码率时可获得大约1.0d B到1.4d B的编码增益提升.对极化码分别采用开关键控(OOK)调制与脉冲位置调制(PPM)时的仿真结果表明,采用2-PPM的极化编码调制方案可有效提升无线光通信链路在弱湍流条件下的译码纠错性能.

大气Gamma-Gamma湍流信道中采用圆偏振位移键控的信道容量分析（英文）

在自由空间光通信(FSO)中,由系统设计以及大气湍流所引起的光强闪烁和相位起伏会造成圆偏振控制误差,这严重影响圆偏振位移键控(CPol SK)通信系统的性能。因此,基于Gamma-Gamma大气信道模型,在较全面考虑光强起伏、相位噪声和圆偏振控制误差三个参数的基础上,建立了CPol SK系统信道的数学统计模型,推导了平均信道容量的闭合表达式,仿真研究了误码率在连续相位噪声下的性能以及三个参数对信道容量的影响。结果表明,光强起伏的增强和相位噪声的增大均会导致CPol SK系统性能的劣化,而提高平均信噪比在一定程度上能够改善系统性能。特别地,当圆偏振控制误差大于8°时,CPol SK系统的平均信道容量显著下降。

无线光通信信道的大气湍流测试及分析

通过长期的大气湍流强度测试,总结了所测信道大气湍流强度的日变化规律,即测试日下午7:00～次日上午8:00时段湍流最弱,湍流强度约为10-15m-2/3;下午1:00～2:00时段湍流最强,湍流强度约为10-13m-2/3。另外还分析了仪器测试原理,推导了湍流强度与大气温度结构常数、大气温度测试精度的关系,并对实验测试误差进行了评估,为研究大气湍流对无线光通信系统的影响提供了基础数据支持。

Log-normal湍流信道中超奈奎斯特传输系统的误码性能

超奈奎斯特传输理论与调制技术相结合,可有效提高系统的频谱效率。本文将超奈奎斯特理论引入大气激光通信系统,构建了一种适合于log-normal湍流信道的超奈奎斯特光传输系统,推导了QPSK调制方式下超奈奎斯特大气光传输系统平均误码率的表达式,利用蒙特卡洛仿真进一步分析了该系统的误码性能及频谱效率。结果表明:采用超奈奎斯特技术方案可以较大幅度提升大气光传输系统的频谱效率,当SNR为18 dB,S.I.为0.4时其频谱效率可以达到1.7 Baud/Hz,而未采用超奈奎斯特技术时只有1.56 Baud/Hz。另一方面,大气湍流对超奈奎斯特系统误码性能的影响较明显,当S.I.为0.4,BER为3.8×10^-3时,信噪比恶化了约1 dB。相对于频谱效率的提升,误码性能的恶化是能够接受的。因此,可以将FTN技术引入大气光传输系统来提高系统的频谱效率。

斜程湍流大气光通信信道的单光子轨道角动量

研究了基于单光子轨道角动量技术的量子光通信系统的大气湍流效应,动用Rytov近似和修正vonKarman折射率起伏谱,建立了单光子轨道角动量斜程湍流大气通信信道中轨道角动量l的测量概率理论模型。本文同时给出了量子信道的单光子轨道角动量平均值l=<l>的计算关系。

弱湍流信道无线光通信分集接收合并技术

为了克服大气湍流所造成的信道衰落效应,分析了在弱湍流信道模型下基于强度检测脉冲位置调制方式的自由空间光通信空间(FSO)分集接收系统模型,推导了无分集系统的误时隙率计算公式。然后以此作为参考,在独立同分布的情况下,采用数值仿真的方法,分别对比分析了最大比合并(MRC)、等增益合并(EGC)和选择性合并(SC)的误时隙率性能。结果表明,3种合并技术中,误时隙率性能改善最优的是MRC,其次是EGC,而SC的改善性能最差,但是SC实现相对容易。利用分集接收合并技术可以有效改善FSO系统的性能,并且具有较好的抗大气信道衰落能力,在无线光通信中将有一定的应用前景。

弱湍流信道MIMO-FSO系统误时隙率分析

分析了在弱湍流信道模型下基于开关键控(OOK)、脉冲位置调制(PPM)、差分脉冲位置调制(DPPM)和数字脉冲间隔调制(DPIM)方式的多输入多输出自由空间光(MIMO-FSO)通信系统模型。首先推导了各调制方式下单输入单输出(SISO)系统的误时隙率(SER)计算公式,以此作为参考,在独立同分布的条件下,推导出MIMO-FSO系统的平均SER计算公式,并用数值仿真的方法,分析了它们的平均SER性能。仿真结果表明,在弱湍流信道模型下,PPM可获得最好的SER性能,采用MIMO方法能有效提高FSO系统的平均SER性能。

无线紫外光MIMO湍流信道中BCOSTBC编码研究

针对在准确估计信道情况下无线紫外光MIMO湍流信道中如何有效地获得全分集增益这一问题。首先研究了无线紫外光通信的传输特性,然后研究了MIMO信道以及影响紫外光通信的主要因素。最后,采用比特补码式正交空时码(BCOSTBC)编码,推导出在弱湍流情况下直视(LOS)和非直视(NLOS)的误码率公式。实验结果表明,采用编码后1×2、2×1和2×2系统的误码率性能在LOS和NLOS情况下分别约改善了3、6和9 d B。增加光电探测器数目可以提高分集增益,有益于系统性能的改善;其中,2×2系统需要的发射功率最小,传输的距离更远,数据传输速率更大,误码率更低;在NLOS条件下通过小角度收发仰角能够改善系统的误码率性能。

弱湍流信道基于RS码的无线光通信系统调制性能分析

分析了在弱湍流信道条件下基于开关键控(OOK)、脉冲位置调制(PPM)、差分脉冲位置调制(DPPM)和数字脉冲间隔调制(DPIM)方式的自由空间光通信(FSO)系统性能。首先推导了无线光通信未编码系统在各调制方式下的平均误码率公式,以此作为参考,在独立同分布的条件下,推导出了基于RS编码的系统平均误码率公式,并用数值仿真的方法,分析了它们的平均误码率性能。仿真结果表明,PPM调制可获得最好的误码率性能,采用RS编码可以有效地增加信噪比增益,能够提高系统的抗干扰能力,在无线光通信系统中将有一定的应用前景。

Málaga湍流信道下改进型光广义空间调制

针对传统光广义空间调制(OGSM)使用固定的光学天线组合集导致系统空间资源浪费和误码率性能受限的问题,提出一种基于低复杂度自适应光学天线组合集选择算法的改进型方案。首先,利用信道状态信息计算光学天线组合之间的欧氏距离矩阵。然后,基于欧氏距离等价原则和最大范数天线选择的思想,删除信道状态较差的光学天线组合,最终保留下的天线组合即当前状态下的最优光学天线组合集。所提算法避免了对所有候选天线组合的遍历,很大程度上降低了算法复杂度。仿真结果表明,所提方案的误码率性能在不同条件下均优于传统OGSM。

双向大气湍流光信道瞬时衰落相关特性测量

为证明双向光传输系统中大气湍流信道的互易性,提出一种测量瞬时接收信号衰落相关性的方法,并建立了分析测量数据的数学模型。在相距883 m的两栋高楼之间进行双向光传输测量实验,根据测得的光斑图像数据,对信道的瞬时衰落相关性进行验证,并分析了实际场景下归一化接收信号起伏方差对相关系数的影响。结果表明:两个相反方向的光信道瞬时衰落相关系数大部分均在0. 85以上,最高可达0. 95,证明了双向大气湍流光信道之间存在良好的互易性;且随着归一化接收信号起伏方差的增大,相关系数呈轻微下降的趋势。

大气湍流下自由光通信信道模型的数值仿真

由于大气湍流作用,使得自由空间光通信(free-space optical communication,FSO)系统同时受到平均光信号功率损失和随机功率衰落的影响,极大地影响了系统的通信质量。文中基于随机相位屏模型,数值仿真了光束在大气湍流中传输,分析和比较不同条件下大气湍流效应对激光传输质量的影响。在此基础上,给出了一种基于大气湍流效应的自由空间光通信信道模型,通过大量数值计算方法,得到FSO湍流信道传输函数的概率密度函数曲线,计算出在大气湍流影响下系统的误码率性能。

水下湍流对轨道角动量通信系统信道容量的影响

研究了水下湍流对轨道角动量(OAM)通信系统的性能影响,分析了不同环境参数和传输距离下OAM通信系统信道容量的变化.结果表明,水下湍流环境中随着传输距离、湍流动能耗散率和温度耗散率的增加,OAM态光束模式之间串扰加强,信道容量下降.当传输距离达到7 m左右,信道容量下降为原来的一半;当湍流动能耗散率为10^(-4)m^2/s^3,容量下降到理论最大值的75%;当温度耗散率为10^(-8)K^2/s,信道容量下降到理论上最大值的一半;水下环境中盐度扰动比温度变化扰动对OAM通信系统性能的影响更大。