大氣湍流環(huán)境下FSO-OFDM調(diào)制系統(tǒng)誤碼率分析

1、大氣湍流環(huán)境下FSO-OFDM調(diào)制系統(tǒng)誤碼率分析目錄研究背景與意義研究歷史與現(xiàn)狀OFDM系統(tǒng)誤碼率分析總結(jié)與展望研究背景與意義隨著信息時(shí)代的高速發(fā)展，通信業(yè)務(wù)信息量劇增，通信網(wǎng)絡(luò)的容量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需要，擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，提高通信流量，保證信息的快速、實(shí)時(shí)傳輸已成為當(dāng)前通信事業(yè)需要面對(duì)的重要課題。l 微波通信優(yōu)點(diǎn)：不需要電纜或光纖，節(jié)省成本，靈活方便，適合用于復(fù)雜地形及偏遠(yuǎn)地區(qū)的通信鏈接以及有線通信無法實(shí)現(xiàn)的地方。缺點(diǎn)：頻帶窄，信道容量小，易受頻譜干擾。l 光纖通信優(yōu)點(diǎn)：容量較大，頻帶寬，數(shù)據(jù)速率高，不易受外界干擾缺點(diǎn)：需鋪設(shè)光纜作為信道，建設(shè)周期長，費(fèi)用高，特別當(dāng)遇到惡劣地形條件時(shí)，工

2、程施工難度加大并且成本更高。l 自由空間光通信自由空間光通信（FSO）被視為一種新型的寬帶接入方式，近年來受到廣泛的關(guān)注，特別是在不便鋪設(shè)光纖和不適合使用微波的地方。帶寬很寬帶寬很寬抗干擾能力強(qiáng)無需頻譜許可部署方便快捷在短距離內(nèi)，獲得光纖傳送的容量大，抗干擾能力強(qiáng)，特別是無需向主管部門申請(qǐng)頻率和許可證等優(yōu)點(diǎn)1，被認(rèn)為是解決最后一公里問題切實(shí)可行的理想方案。然而，自由空間光通信性能容易受大氣湍流的影響，大氣湍流效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致傳輸光束的光斑漂移、光強(qiáng)度起伏、相位畸變等2。1 丁樹義. 無線光通信技術(shù)淺析J.通信技術(shù)，2011，44(10)：36-38.2 Wu X, Liu P, Matsumoto

3、M. A Study on Atmospheric Turbulence Effects in Full-Optical Free-Space Communication SystemsJ. Wireless Communications Networking and Mobile Computing (WiCOM), 2010 6th International Conference，2010:1-5.流體的運(yùn)動(dòng)分為層流和湍流，層流屬于規(guī)則運(yùn)動(dòng)，而湍流屬于不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，大氣湍流是大氣中一種不規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，大氣湍流作用使得大氣運(yùn)動(dòng)速度，大氣溫度，大氣折射率在時(shí)間和空間上發(fā)生隨機(jī)起伏，這些隨機(jī)起

4、伏都會(huì)影響光在大氣中的傳輸特性。大氣湍流對(duì)激光束的影響與光束直徑d和湍流尺度L有關(guān)當(dāng)dL時(shí)，產(chǎn)生光束漂移現(xiàn)象，如下圖所示光束直徑遠(yuǎn)小于湍流尺度時(shí)，大氣湍流會(huì)使光束在傳輸方向上產(chǎn)生隨機(jī)偏折，再接收機(jī)上表現(xiàn)為接收光束以接收機(jī)的某個(gè)位置為中心發(fā)生隨機(jī)跳動(dòng)。當(dāng)dL時(shí)，產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)湍流尺度約等于光束直徑的時(shí)候，大氣湍流導(dǎo)致導(dǎo)致光束截面發(fā)生隨機(jī)偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致到達(dá)角隨機(jī)起伏，使得接收端的焦平面出現(xiàn)象點(diǎn)抖動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)dL時(shí)，這是湍流最常出現(xiàn)的情況，此時(shí)截面內(nèi)包含了許多湍流漩渦，這些漩渦對(duì)傳播的光束起到散射或者是衍射等作用，在接收端體現(xiàn)為在時(shí)間和空間上光束的強(qiáng)度和相位發(fā)生隨機(jī)起伏，從而導(dǎo)致接收光強(qiáng)起伏，同時(shí)接

5、收光強(qiáng)也會(huì)發(fā)生衰減，情形如下圖所示加大發(fā)射功率增加接收孔徑采用部分相干光傳輸技術(shù)采用分集接收技術(shù)采用微波鏈路作為系統(tǒng)備份采用自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償技術(shù)湍流抑制技術(shù)因此，為了克服大氣湍流的影響、實(shí)現(xiàn)有效的信道補(bǔ)償，人們提出了多種解決的方法33 李楠，張寧，胡世安.大氣閃爍對(duì)無線激光通信效能的影響J.激光與紅外，2012, 42(6)：613-616.同時(shí)選擇合適的調(diào)制、編碼、解調(diào)方式也是提高通信性能的有效方法之一，傳統(tǒng)的調(diào)制方式有OOK（開關(guān)鍵控）、BPPM（脈沖位置調(diào)制），隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，DPSK、BPSK、OFDM等調(diào)制方式在無線光通信領(lǐng)域興起，使通信性能得到很大提高。研究歷史與現(xiàn)狀無線激光

6、通信普遍采用強(qiáng)度調(diào)制/直接探測(IM/DD)系統(tǒng)4，開關(guān)鍵控(OOK)作為主要調(diào)制方案，受光強(qiáng)起伏影響較大，OFDM調(diào)制技術(shù)是一種能有效地抑制大氣湍流的調(diào)制方法，其性能優(yōu)于OOK調(diào)制。目前，國內(nèi)外對(duì)自由空間光通信正交頻分復(fù)用技術(shù)的研究越來越多。4 Bhuiyan T A, Hassan M Z, Tanzil S M S, et al. Performance Improvement of IM-DD Free Space Optical CDMA (Attenuated by Strong Atmospheric Turbulence) with Maximal Ratio Combinin

7、gC. International Conference on Computational Intelligence and Communication Networks. IEEE Computer Society, 2010:513-518. 在國外，Bekkali,A等5人對(duì)大氣湍流環(huán)境下OFDM信號(hào)在RO-FSO中傳輸?shù)恼`碼率和中斷概率進(jìn)行了研究和分析，得出RO-FSO系統(tǒng)在大氣湍流環(huán)境中具有很強(qiáng)的敏感性，選擇一個(gè)合適的調(diào)制系數(shù)可以改善系統(tǒng)性能;捷克奧斯特拉瓦技術(shù)大學(xué)的Liner Andrej等人比較了自由空間光通信中OFDM和QAM調(diào)制在不同湍流強(qiáng)度下的特性6。5 Bekkali A

8、, Ben Naila C, Kazaura K, et al. Transmission Analysis of OFDM-Based Wireless Services Over Turbulent Radio-on-FSO Links Modeled by Gamma-Gamma DistributionJ. Photonics Journal IEEE, 2010, 2(3):510 - 520.6Andrej, Perecar, Jaros, et al. Features and range of the FSO by use of the OFDM and QAM modulat

9、ion in different atmospheric conditionsJ. Wireless Sensing Localization & Processing IX, 2014, 9103. 2009西安理工大學(xué)的趙黎等對(duì)散射衰落信道下FSO-OFDM調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。哈爾濱工程大學(xué)王勇等研究了弱湍流環(huán)境下FSO-OFDM調(diào)制系統(tǒng)。20112012王涵等人對(duì)gamma-gamma大氣湍流下FSO-OFDM調(diào)制系統(tǒng)誤碼率進(jìn)行了分析7。7 王涵，張濤，李莎. gamma-gamma大氣湍流下FSO-OFDM調(diào)制系統(tǒng)誤碼率分析J.激光與光電子 學(xué)進(jìn)展，2012，（11）：36-40.20

10、13壽欽等人研究了在自由空間光通信(FSO)中采用相移鍵控正交頻分復(fù)用(PSK-OFDM)調(diào)制下的多輸入多輸出(MIMO)技術(shù),分析了基于Gamma-Gamma大氣湍流信道的MIMO-OFDM系統(tǒng)并利用Meijer G函數(shù)得出誤比特率閉合形式的表達(dá)式8。8 壽欽，張濤，王涵. gamma-gamma大氣湍流下自由空間光通信MIMO-OFDM系統(tǒng)誤比特率分析J.激光 與光電子學(xué)進(jìn)展，2013（2）:105-109.同年，王勇等人對(duì)OOFDM調(diào)制方案與傳統(tǒng)的開關(guān)鍵控(OOK)調(diào)制方案進(jìn)行了比較，仿真結(jié)果顯示OOFDM技術(shù)對(duì)大氣湍流有很強(qiáng)的抗干擾能力，無論是誤比特率還是頻譜效率和OOK相比都得到了很

11、大的改善9。也有很多學(xué)者研究了其他調(diào)制方式在FSO中的應(yīng)用，2013年，武云云等10人對(duì)大氣湍流環(huán)境下零差BPSK相干光通信性能進(jìn)行研究分析，2015年，柯熙政等11人對(duì)16PSK調(diào)制的副載波無線光通信進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，論證了其可行性。9 王勇, 景艷玲. OOFDM在大氣激光通信中的應(yīng)用研究J. 光通信技術(shù), 2013, 37(9).10 陳丹,柯熙政,張拓等.基于16PSK調(diào)制的副載波無線光通信實(shí)驗(yàn)研究J.中國激光,2015,(1).11 武云云,李新陽,饒長輝.大氣湍流像差對(duì)空間零差二進(jìn)制相移鍵控相干光通信誤碼性能的影響J.光學(xué)學(xué)報(bào),2013,(6):58-64.FSO-OFDM調(diào)制系統(tǒng)誤

12、碼率分析系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型誤碼率分析誤碼率分析載噪比計(jì)算載噪比計(jì)算信道模型信道模型系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型OFDM12是多載波調(diào)制的一種，通過將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸，子載波的調(diào)制可以使用相移鍵(PSK)調(diào)制或正交振幅(QAM)調(diào)制。應(yīng)用快速傅里葉變換FFT和快速逆傅里葉變換IFFT可以解決產(chǎn)生多個(gè)相互正交的子載波和從子載波中恢復(fù)原信號(hào)的問題。12胡登科,池灝,章獻(xiàn)民.光正交頻分復(fù)用技術(shù)的原理、應(yīng)用與發(fā)展J.光通信技術(shù),2009,33(9):30-33.自由空間光通信鏈路傳輸OFDM的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示其中，S/P為串并變換，P/S為并串

13、變換。圖1自由空間光通信鏈路傳輸OFDM信號(hào)的基本結(jié)構(gòu)13Armstrong J. OFDM for Optical CommunicationsJ. Lightwave Technology Journal of, 2009, 27 (3):189 - 204. 信道模型信道模型自由空間光通信信道中，由于太陽加熱和風(fēng)造成溫度和壓力的不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致傳輸介質(zhì)的折射率變化引起大氣湍流，而大氣湍流又會(huì)導(dǎo)致光強(qiáng)起伏（閃爍）、光束漂移等。目前，提出了很多不同統(tǒng)計(jì)模型用來描述大氣湍流強(qiáng)度，針對(duì)弱湍流情況，光強(qiáng)起伏的概率密度函數(shù)（PDF）被定義為對(duì)數(shù)正態(tài)分布14，但它不適合中強(qiáng)湍流情況。14 J. vit

14、asek，J. Latal，S. Hejduk et al. Atmospheric turbulences in free space optics channelC. Budapest: int. Conf. Telecommunications and Signal processing(TSP),2011.104- 10715Liqiang H, Qi W, Katsunori S. Performance of free space optical communication over gamma- gamma atmosphere turbulenceJ. Infrared & L

15、aser Engineering, 2011, 40(7):1318-1322. 16 W.Gappmair, M. Flohberger. Error performance of coded FSO links in turbulent atmosphere modeled by Gamma-Gamma distributionCommunicationJ. IEEE Trans.Wireless 2009, 8(5): 22092213.從圖2中可以看出，隨著湍流強(qiáng)度加強(qiáng)4QAM-OFDM系統(tǒng)性能不斷惡化，在達(dá)到中湍流強(qiáng)度后，載噪比的增大對(duì)系統(tǒng)性能的改善相比弱湍流強(qiáng)度下呈現(xiàn)更緩慢。圖2不

16、同湍流強(qiáng)度下4QAM-OFDM系統(tǒng)誤碼率圖為不同大氣湍流強(qiáng)度下光16QAM-OFDM強(qiáng)度調(diào)制系統(tǒng)誤碼率曲線。從仿真結(jié)果可以看出，高階調(diào)制對(duì)相位噪聲更敏感，因?yàn)樗蟾叩男旁氡?。圖3不同湍流強(qiáng)度下16QAM-OFDM系統(tǒng)誤碼率圖為不同湍流強(qiáng)度下4QAM-OFDM系統(tǒng)和OOK系統(tǒng)誤碼率曲線,從圖中可以看出，隨著湍流強(qiáng)度的增加，4QAM-OFDM和OOK調(diào)制系統(tǒng)性能都在不斷惡化。而且相同條件下4QAM-OFDM的性能要比OOK調(diào)制系統(tǒng)好。圖4不同大氣湍流下4QAM-OFDM和OOK系統(tǒng)誤碼率通過對(duì)OFDM調(diào)制方案中的4QAM-OFDM調(diào)制和16QAM-OFDM調(diào)制進(jìn)行了比較，用4QAM-OFDM調(diào)

17、制與傳統(tǒng)的OOK調(diào)制進(jìn)行了對(duì)比，仿真結(jié)果表明4QAM-OFDM調(diào)制方案對(duì)比上述兩個(gè)方案具有更好的抗湍流能力。對(duì)自由空間光通信大氣湍流下OFDM系統(tǒng)性能的研究還包括采用信道編碼技術(shù)和分集接收技術(shù)等。MIMO-OFDM系統(tǒng)的誤比特率分析系統(tǒng)的誤比特率分析MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)多輸入多輸出17是指在通信系統(tǒng)的基站和移動(dòng)客戶端同時(shí)采用多天線設(shè)計(jì)，使得基站與客戶端之間能夠形成多條通信鏈路，相比較傳統(tǒng)的SIMO(Single-InputMultiple-Output)和MISO(Multiple-InputSingle-Output)而言，MIMO可以充分利

18、用無線通信當(dāng)中的多徑傳播，在不增加信號(hào)帶寬和發(fā)射功率的情況下成倍的提高系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。17 Lu L, Li G Y, Swindlehurst A L, et al. An Overview of Massive MIMO: Benefits and ChallengesJ. Selected Topics in Signal Processing IEEE Journal of, 2014, 8(5):742-758.MIMO技術(shù)在無線通信中是一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)，有研究表明多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)可以有效地克服激光在經(jīng)歷大氣湍流信道后出現(xiàn)的光強(qiáng)閃爍，基本結(jié)構(gòu)如下圖所示圖5MIM

19、O-FSO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖常用的接收機(jī)合并方式有最大比合并(MRC)、選擇合并(SC)和等增益合并(EGC)18，18 柯熙政，劉妹.湍流信道無線光通信中的分集接收技術(shù)J.光學(xué)學(xué)報(bào)，2015,(1).最大比合并最大比合并等增益合并等增益合并選擇合并選擇合并它是一種最佳合并方式，是對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行同相加權(quán)合并，權(quán)重是由各支路信號(hào)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)功率與噪聲功率的比值決定的等增益合并是把各支路信號(hào)進(jìn)行等增益疊加，無需對(duì)信號(hào)進(jìn)行加權(quán)。其性能要比最大比合并差一點(diǎn)。選擇合并對(duì)接收到的分集信號(hào)進(jìn)行檢測，以選取其中信號(hào)強(qiáng)度或者信噪比最高的接收支路作為最優(yōu)信號(hào)輸出，這種方式比較簡單。這些接收機(jī)合并方式可以利用空間分集的固有

20、冗余度，顯著提高通信的性能，減少大氣湍流的影響。為了避免發(fā)送信號(hào)空間上的混疊，滿足空間上的采樣定理，需要把發(fā)送信號(hào)的一半波長作為實(shí)體天線的間距19Moradi H, Falahpour M, Refai H H, et al. A Diversity Combining Approach for MIMO FSO Nodes with Misaligned ReceiversC. IEEE Global Telecommunications Conference. IEEE, 2011:1-5. 圖6MIMO-FSO系統(tǒng)在相同湍流強(qiáng)度下，不同M、N取值對(duì)系統(tǒng)BER的影響從圖7中可以看出，隨著大

21、氣湍流強(qiáng)度的加強(qiáng)，MIMO對(duì)FSO系統(tǒng)SNR的增益效果越來越明顯。圖7不同大氣湍流強(qiáng)度下MIMO-FSO的BER性能表現(xiàn)對(duì)比了在不同大氣湍流下MIMO系統(tǒng)和SISO系統(tǒng)的誤比特率，得出采用MIMO技術(shù)可以有效降低自由空間光通信誤比特率。發(fā)射天線數(shù)和接收天線數(shù)的取值對(duì)自由空間光通信的誤比特率有巨大的影響，但是在實(shí)現(xiàn)的過程中需要考慮MIMO系統(tǒng)的復(fù)雜性，誤比特率并不是檢驗(yàn)通信良好性能的唯一標(biāo)準(zhǔn)?？偨Y(jié)與展望將OFDM作為一種高效率的調(diào)制技術(shù)引入到大氣激光通信系統(tǒng)中,有效地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，也大大的提高了頻譜利用率，從文中的誤碼率分析可以看出，OFDM相比傳統(tǒng)的開關(guān)鍵控調(diào)制方式，在一定程度上抑制

22、了湍流效應(yīng)的影響，而且將這種技術(shù)與MIMO技術(shù)結(jié)合，成為湍流抑制技術(shù)的新途徑20，但是誤碼率并不是檢驗(yàn)通信良好性能的唯一標(biāo)準(zhǔn)，所以提高通信性能還要從信道容量等方面著手。20 Navidpour S M, Uysal M, Li J. BER performance of MIMO free-space optical linksJ. IEEE Vehicular Technology Conference, 2004:3378 - 3382 Vol. 5. 文獻(xiàn)1丁樹義. 無線光通信技術(shù)淺析J.通信技術(shù)，2011，44(10)：36-38.2Wu X, Liu P, Matsumoto M.

23、A Study on Atmospheric Turbulence Effects in Full-Optical Free-Space Communication SystemsJ. Wireless Communications Networking and Mobile Computing (WiCOM), 2010 6th International Conference，2010:1-5.3李楠，張寧，胡世安.大氣閃爍對(duì)無線激光通信效能的影響J.激光與紅外，2012,42(6)：613-616.4BhuiyanTA,HassanMZ,TanzilSMS,etal.Performanc

24、eImprovementofIM-DDFreeSpaceOpticalCDMA(AttenuatedbyStrongAtmosphericTurbulence)withMaximalRatioCombiningC.InternationalConferenceonComputationalIntelligenceandCommunicationNetworks.IEEEComputerSociety,2010:513-518.5BekkaliA,BenNailaC,KazauraK,etal.TransmissionAnalysisofOFDM-BasedWirelessServicesOve

25、rTurbulentRadio-on-FSOLinksModeledbyGamma-GammaDistributionJ.PhotonicsJournalIEEE,2010,2(3):510-520.6Andrej,Perecar,Jaros,etal.FeaturesandrangeoftheFSObyuseoftheOFDMandQAMmodulationindifferentatmosphericconditionsJ.WirelessSensingLocalization&ProcessingIX,2014,9103.7王涵，張濤，李莎.gamma-gamma大氣湍流下FSO-OFDM

26、調(diào)制系統(tǒng)誤碼率分析J.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2012，(11):36-40.8壽欽，張濤，王涵.gamma-gamma大氣湍流下自由空間光通信MIMO-OFDM系統(tǒng)誤比特率分析J.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2013（2）:105-1099王勇,景艷玲.OOFDM在大氣激光通信中的應(yīng)用研究J.光通信技術(shù),2013,37(9).10陳丹,柯熙政,張拓等.基于16PSK調(diào)制的副載波無線光通信實(shí)驗(yàn)研究J.中國激光,2015,(1).11武云云,李新陽,饒長輝.大氣湍流像差對(duì)空間零差二進(jìn)制相移鍵控相干光通信誤碼性能的影響J.光學(xué)學(xué)報(bào),2013,(6):58-64.12胡登科, 池灝, 章獻(xiàn)民. 光正交頻分復(fù)用技術(shù)的原理、應(yīng)用與發(fā)展J. 光通信技,2009, 33(9):30-33.13ArmstrongJ.OFDMforOpticalCommunicationsJ.LightwaveTechnologyJournalof,2009,27(3):189-204.14J.vitasek，J.Latal，S.Hejduketal.AtmosphericturbulencesinfreespaceopticschannelC.Budapest:i