CN111769880B - 应用波长分集的串行中继ofdm自由空间光通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应用波长分集的串行中继OFDM自由空间光通信系统及方法，包括：1个源节点S，N‑1个中继节点R以及1个目的节点D。系统每一个单跳都为一个波长分集装置，其中，1个组合发射机将光信号同时以多个不同波长进行发送，1个接收天线阵列中的M根接收天线分别接收特定波长的光信号。在强大气湍流下，应用指数威布尔分布模型，中继传输协议采用译码转发(DF)，综合考虑大气湍流、路径损耗和瞄准误差对大气湍流信道的联合衰减作用，推导出系统中断概率和误符号率的闭合表达式，并采用蒙特卡罗方法验证数值仿真结果的正确性。本发明在OFDM串行中继自由空间光通信中引入波长分集技术，在扩大通信范围的基础上有效改善了系统的通信性能。

Description

应用波长分集的串行中继OFDM自由空间光通信系统及方法

技术领域

本发明属于无线光通信领域，具体地涉及一种结合波长分集和DF串行中继结构的OFDM自由空间光通信系统及方法。

背景技术

以激光为光源的自由空间光通信(Free Space Optical-Communication，FSO)系统与现有射频无线通信相比，具有可用频带宽、安全性高、无需频谱许可等优点，近年来受到普遍关注。

然而，由于光信号在大气中传播，大气中的温度不均匀性和压力变化会造成大气湍流从而引起信号衰落，严重影响了FSO系统的通信性能。且接收端和发射端未对准导致的瞄准误差也会影响通信链路的性能。并且，湍流衰落、瞄准误差与传输距离均呈递增关系，当发射端与接收端之间距离较大时，使用单跳FSO直传链路是不现实的。

中继技术能扩大系统发射端覆盖面积，增加系统链路的容量，提升系统的稳定性。中继系统按不同的链路部署方式分为串行中继(多跳传输)和并行中继(协作分集)。串行中继可以提高系统通信范围，提高传输速率。但是应用串行中继结构的FSO通信性能会随着系统跳数的增加而降低。

为了提高应用串行中继结构的FSO系统的通信性能，多种有效缓解技术被用于克制大气湍流的影响，包括自适应光学、孔径平均、误差控制编码和分集技术。其中，自适应光学技术较为复杂且不利于降低接收机的尺寸、重量和功耗。孔径平均中接收机的尺寸、重量会限制孔径的大小，并且接收机收集的背景噪声数量会着接收器孔径面积的增加而增加。误差控制编码需要较大尺寸的交织器并导致大延时。

分集技术是指发送多个信号的副本，以补偿衰落信道损耗。它通常利用无线传播环境中同一信号的独立样本之间不相关的特点，使用一定的信号合并技术改善接收信号，来抵抗衰落引起的不良影响。常用的分集技术有空间分集、时间分集和波长分集。空间分集技术能够克服空间选择性衰落，但是空间分集接收机之间的距离要满足大于3倍波长的基本条件。时间分集是将同一信号相隔一定的时隙进行多次重发以克服路径衰减，但会导致一定的延时。波长分集结合组合发射机，在不同的工作波长上将相同的信号同时传输到多个接收特定波长信号的接收机上，并在接收端进行合并。本发明在中继系统中引入波长分集技术，并结合正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术，在进一步扩大通信范围的同时，有效地改善了系统的通信性能，因而具有重要的理论意义和应用价值。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种应用波长分集的串行中继OFDM自由空间光通信系统及方法，以缓解使用中继结构的OFDM自由空间光通信系统通信性能受大气湍流影响的问题。

为了达到上述目的，本发明实施例所采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供一种应用波长分集的串行中继OFDM自由空间光通信系统，包括：

1个源节点，源节点只包括发射端，用于通过1个第一组合发射机在同一时刻将由第一信号调制而来的OFDM信号经电光转换后得到的光信号使用发射天线以M个不同的工作波长进行发送；所述电光转换是通过M个马赫增德尔调制器(MZM)进行光强度调制，将OFDM电信号调制到M个激光源生成的M个不同工作波长的光载波上，输出的M路光信号分别由多模光纤传输到光纤耦合器耦合成一路光信号；

N-1个中继节点，N-1个中继节点依次串联，每个所述中继节点均具有1个第二组合发射机和1个第一接收天线阵列包括M根第一接收天线，第一个中继节点的第一接收天线阵列中的M根第一接收天线分别接收所述源节点发送的M个不同工作波长的光信号，并将其进行光电转换、合并，之后对得到的OFDM信号进行解调，得到第二信号，再在第二组合发射机中将其进行OFDM调制、电光转换得到光信号，使用发射天线在同一时刻将光信号分别以M个不同的工作波长发送至下一中继节点，直至最后一个中继节点；所述光电转换是通过M个光电探测器将接收到的M个不同工作波长的光信号转换为电信号；所述电光转换是通过M个马赫增德尔调制器(MZM)进行光强度调制，将OFDM电信号调制到M个激光源生成的M个不同工作波长的光载波上，输出的M路光信号分别由多模光纤传输到光纤耦合器耦合成一路光信号；其中，不同工作波长的光信号通过大气湍流信道，受大气湍流干扰；

1个目的节点，目的节点只包括接收端，用于通过1个第二接收天线阵列中的M根第二接收天线分别接收第N-1个中继节点发送的M个不同工作波长的光信号，并将其进行光电转换、合并，之后对得到的OFDM信号进行解调，得到第二信号；所述光电转换是通过M个光电探测器将接收到的M个不同工作波长的光信号转换为电信号；

其中，所述第一信号为原始信号，第二信号为原始信号受联合衰减大气信道影响后的信号。

第二方面，本发明实施例提供一种应用波长分集的串行中继OFDM自由空间光通信方法，包括：

在源节点，对要发送的第一信号进行OFDM调制和电光转换，并通过M个不同的工作波长发送光信号；所述电光转换是将OFDM电信号调制到M个不同工作波长的光载波上，然后耦合成一路光信号；其中，不同工作波长的光信号通过大气湍流信道，受大气湍流干扰；

在N-1个依次串联的中继节点，将接收到的M个不同工作波长的光信号进行光电转换、合并，之后对得到的OFDM信号进行解调，得到第二信号，再将其进行OFDM调制、电光转换后得到的光信号在同一时刻分别以M个不同的工作波长发送至下一中继节点，直至最后一个中继节点；所述光电转换是将接收到的M个不同工作波长的光信号转换为电信号；所述电光转换是将OFDM电信号调制到M个不同工作波长的光载波上，然后耦合成一路光信号；

在目的节点，将接收到的第N-1个中继节点发送的M个不同工作波长的光信号进行光电转换、合并，之后对得到的OFDM信号进行解调，得到第二信号；所述光电转换是将接收到的M个不同工作波长的光信号转换为电信号；

其中，所述第一信号为原始信号，第二信号为原始信号受联合衰减大气信道影响后的信号。

根据以上技术方案，本发明应用波长分集的串行中继FSO系统，在FSO系统的中继结构中引入波长分集技术，有机结合了波长分集和串行中继两种技术，有效降低了发射机的损耗。并且结合OFDM技术，具有很好的抗大气湍流能力，系统采用的相干光检测技术能极大地提升接收机的灵敏度。采用波长分集技术的DF串行中继OFDM FSO系统在进一步扩大通信范围的同时，提高通信可靠性，有效地改善了系统的通信性能。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例的一种应用波长分集技术的串行中继OFDM自由空间光通信系统的示意图；

图2是本发明实施例中的OFDM波长分集装置的图示；

图3是本发明实施例中的波长分集DF串行中继OFDM FSO系统在强大气湍流下的中断概率的数值仿真和蒙特卡罗验证图；

图4是本发明实施例中的波长分集DF串行中继OFDM FSO系统在强大气湍流下的误符号率的数值仿真和蒙特卡罗验证图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

图1为本发明实施例的一种应用波长分集技术的串行中继OFDM自由空间光通信系统的示意图，该系统包括：

1个源节点S，源节点只包括发射端，用于通过1个第一组合发射机T_X在同一时刻将由第一信号调制而来的OFDM信号经电光转换后得到的光信号使用发射天线以M个不同的工作波长进行发送；所述电光转换是通过M个马赫增德尔调制器(MZM)进行光强度调制，将OFDM电信号调制到M个激光源生成的M个不同工作波长的光载波上，输出的M路光信号分别由多模光纤传输到光纤耦合器耦合成一路光信号；

N-1个中继节点R，N-1个中继节点依次串联，系统每一个单跳都为一个波长分集装置，即每个所述中继节点均具有1个第二组合发射机T_X和1个第一接收天线阵列R_X包括M根第一接收天线，第一个中继节点的第一接收天线阵列R_X中的M根第一接收天线分别接收所述源节点发送的M个不同工作波长的光信号，并将其进行光电转换、合并，之后对得到的OFDM信号进行解调，得到第二信号，再在第二组合发射机T_X中将其进行OFDM调制、电光转换得到光信号，使用发射天线在同一时刻将光信号分别以M个不同的工作波长发送至下一中继节点，直至最后一个中继节点；所述光电转换是通过M个光电探测器将接收到的M个不同工作波长的光信号转换为电信号；所述电光转换是通过M个马赫增德尔调制器(MZM)进行光强度调制，将OFDM电信号调制到M个激光源生成的M个不同工作波长的光载波上，输出的M路光信号分别由多模光纤传输到光纤耦合器耦合成一路光信号；其中，不同工作波长的光信号通过大气湍流信道，受大气湍流干扰；

1个目的节点D，目的节点只包括接收端，用于通过1个第二接收天线阵列R_X中的M根第二接收天线分别接收第N-1个中继节点发送的M个不同的工作波长的光信号，并将其进行光电转换、合并，之后对得到的OFDM信号进行解调，得到第二信号；所述光电转换是通过M个光电探测器将接收到的M个不同工作波长的光信号转换为电信号；

其中，所述第一信号为原始信号，第二信号为原始信号受联合衰减大气信道影响后的信号。

系统的映射方式为QPSK，源节点和目的节点之间使用译码转发(DF)协议。光信号从源节点到目的节点的总跳数为N，中间经过N-1个串联的中继节点，每个中继节点采用相干探测方式。其中，大气湍流信道采用指数威布尔分布模型，并且综合考虑了大气湍流光强辐照度、路径损耗及发射机和接收机之间未对准产生的瞄准误差三者的因素对大气湍流信道模型的联合影响。

系统每一个单跳即为一个OFDM波长分集装置如图2所示，每一跳均具有1个第一组合发射机和1个第一接收天线阵列。在第一组合发射机中，第一信号经OFDM调制输出OFDM信号，再通过M个马赫增德尔调制器(MZM)进行光强度调制，将OFDM电信号调制到M个激光源生成的M个不同工作波长的光载波上，输出的M路光信号分别由多模光纤传输到光纤耦合器耦合成一路光信号，最后由发射天线将光信号在同一时刻以M个不同的工作波长发射到大气湍流信道中。第一接收天线阵列中的M根第一接收天线接收光信号，然后通过M个光滤波器分别得到M个特定工作波长的光信号，再由M个光电探测器将接收到的M个不同工作波长的光信号转换为电信号并进行最大比合并或等增益合并，最后对得到的OFDM信号进行OFDM解调，得到第二信号。其中，所述第一信号为原始信号，第二信号为原始信号受联合衰减大气信道影响后的信号。

本发明实施基于波长分集技术的串行中继OFDM自由空间光通信方法，步骤如下：

第1步、在源节点，对要发送的第一信号进行OFDM调制和电光转换，并通过M个不同的工作波长发送光信号；所述电光转换是将OFDM电信号调制到M个不同工作波长的光载波上，然后耦合成一路光信号；其中，不同工作波长的光信号通过大气湍流信道，受大气湍流干扰；

第2步、在N-1个依次串联的中继节点，将接收到的M个不同工作波长的光信号进行光电转换、合并，之后对得到的OFDM信号进行解调，得到第二信号，再将其进行OFDM调制、电光转换后得到的光信号在同一时刻分别以M个不同的工作波长发送至下一中继节点，直至最后一个中继节点；所述光电转换是将接收到的M个不同工作波长的光信号转换为电信号；所述电光转换是将OFDM电信号调制到M个不同工作波长的光载波上，然后耦合成一路光信号；

第3步、在目的节点，将接收到的第N-1个中继节点发送的M个不同工作波长的光信号进行光电转换、合并，之后对得到的OFDM信号进行解调，得到第二信号；所述光电转换是将接收到的M个不同工作波长的光信号转换为电信号；

其中，所述第一信号为原始信号，第二信号为原始信号受联合衰减大气信道影响后的信号。

基于以上分析，波长分集串行中继系统中的第n跳可以建立传输模型：

其中，y_mn为第n跳中第m个路径的输出信号，h_mn表示通信系统的衰减因子，R_mn表示第n跳中检测第m个波长接收天线的灵敏度，x_mn是第n跳中第m个路径的传输强度，z_mn是均值为0，方差为N0/2的加性高斯白噪声，m∈[1,M]，n∈[1,N]。

综合考虑大气湍流光强辐照度、路径损耗及发射机和接收机之间未对准产生的瞄准误差三者的因素对大气湍流信道模型的联合影响，波长分集串行中继系统的联合信道模型为h＝h_ah_ph_l，其中，h_a为辐照度、h_p为瞄准误差、h_l为路径损耗。采用指数威布尔分布模型对大气湍流信道进行建模，联合衰减信道在第n跳第m个波长下的概率密度函数为：

其中，A₀为径向距离等于零时的接收功率，G(·)为MeijerG函数，Γ(·)为伽玛函数，α、β为形状参数，η为尺度参数，γ＝W_zeq/2δ_s，W_z为光波束宽度，δ_s代表发射机与接收机平台未理想化固定导致随机抖动而产生的抖动误差。

中断概率是衡量光通信系统的重要指标，第n跳单个信道的中断概率P_out为强度起伏相关时间内系统噪声低于接收机门限值μ_th的概率，在第n跳中，波长分集装置的中断概率为：

波长分集串行中继系统在强大气湍流条件下采用指数威布尔分布模型，中继传输协议使用译码转发(DF)方式，每个中继节点采用相干探测方式，映射方式采用QPSK。OFDM-QPSK调制下指数威布尔分布波长分集串行中继系统的中断概率为：

其中，

为平均信噪比。

波长分集串行中继系统发射端采用QPSK调制方式，则系统误符号率为：

上式中Q(·)为Gaussian-Q函数，

为平均信噪比，T为OFDM的符号周期，B为带宽，S为子载波个数。则联合衰减信道中第n跳的每个波长链路平均误符号率可以表示为：

分别推导在每个单跳中的接收端采用最大比合并技术或等增益合并技术的波长分集串行中继系统的平均误符号率。

最大比合并(Maximal Ratio Combining,EGC)技术选取合适的加权系数，将接收的来自不同路径的M个相互独立的不相关波长分集信号进行同向加权合并，是信道状态信息可知的一种最优合并技术。在指数威布尔分布大气湍流下使用最大比合并方式的波长分集串行中继系统总的平均误符号率的闭合表达式：

等增益合并(Equal Gain Combining,EGC)技术对信号合并时无需进行加权处理，即权系数均为1。在指数威布尔分布大气湍流下使用等增益合并方式的波长分集串行中继系统总的平均误符号率的闭合表达式：

为了验证本发明所提出的一种应用波长分集的串行中继OFDM自由空间光通信方法，先通过数值仿真进行验证，并且使用蒙特卡罗方法验证数据仿真结果的正确性。FSO系统在强大气湍流条件下采用指数威布尔分布模型，中继传输协议使用译码转发(DF)方式，并将最大比合并技术和等增益合并技术引入波长分集串行中继系统，映射方式采用QPSK。考虑波长分集中使用的工作波长λ_m，m∈[1,M]，当M＝3时，选择λ₁＝1550nm，λ₂＝1310nm和λ₃＝850nm，M＝2时，选择λ₁＝1550nm和λ₂＝1310nm，M＝1时，选择λ₁＝1550nm。强大气湍流取值为Cn²＝2×10^-13m^-2/3，中继节点之间的链路距离L＝1000m，接收孔径D＝10cm。强大气湍流下指数威布尔分布相关参数值，如表1给出。

表1强大气湍流下指数威布尔分布α、β、η值

波长分集串行中继系统的中断概率在强湍流下随着归一化电信噪比(μ/μ_th)变化数值仿真和蒙特卡罗验证图如图3所示，系统中继跳数N＝1、3、6，波长分集数M＝1、2、3。从图中可看出，蒙特卡罗仿真和数值分析曲线完美匹配，中断概率随着归一化电信噪比的增加而逐渐减小。比较波长分集数M相同、中继节点数N不同的各曲线在固定归一化电信噪比处的中断概率可得，随着波长分集串行中继系统跳数的增加，其中断概率也增加。比较中继节点数N相同、波长分集数M不同的各曲线在固定归一化电信噪比处的中断概率可得，在波长分集串行中继系统的每一个单跳中，增加工作波长的数量可以有效降低系统在通信过程中的中断概率。

波长分集串行中继系统的误符号性能在强湍流下随着平均电信噪比变化数值仿真和蒙特卡罗验证图如图4所示，系统中继跳数N＝3，波长分集数M＝1、2、3，每个单跳的接收机应用最大比合并技术或者等增益合并技术。从图中可看出，蒙特卡罗仿真和数值分析曲线完美匹配，使用多个工作波长(即波长分集技术)传输信号时，采用两种合并方式的系统误符号率均显著下降。比较波长分集数M相同的各曲线在固定平均电信噪比处的误符号率可得，随着波长分集串行中继系统跳数的增加，其误符号率均显著下降，并且最大比合并技术带来的误符号性能改善优于等增益合并技术。但是，最大比合并技术和等增益合并技术的误码性能十分接近，并且在分集技术的实际工程应用中，最大比合并技术更加复杂、成本更高，因此等增益合并技术是更好的选择。

研究结果表明，在DF串行中继系统中引入波长分集技术能显著改善系统的误符号性能和中断性能。因此，采用波长分集技术的DF串行中继OFDM FSO系统在进一步扩大通信范围的同时，有效地改善了系统的通信性能。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均在本发明要求的保护范围之内。

以上对本发明进行了详细的说明，但本发明的具体实现形式并不局限于此。在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可以做出各种修改或改型。

Claims (2)

1.一种应用波长分集的串行中继OFDM自由空间光通信系统，其特征在于，包括：

1个源节点，用于通过1个第一组合发射机在同一时刻将由第一信号调制而来的OFDM信号经电光转换后得到的光信号使用发射天线以M个不同的工作波长进行发送；所述电光转换是通过M个马赫增德尔调制器(MZM)进行光强度调制，将OFDM电信号调制到M个激光源生成的M个不同工作波长的光载波上，输出的M路光信号分别由多模光纤传输到光纤耦合器耦合成一路光信号；

N-1个中继节点，N-1个中继节点依次串联，每个所述中继节点均具有1个第二组合发射机和1个第一接收天线阵列包括M根第一接收天线，第一个中继节点的第一接收天线阵列中的M根第一接收天线分别接收所述源节点发送的M个不同工作波长的光信号，并将其进行光电转换、合并，之后对得到的OFDM信号进行解调，得到第二信号，再在第二组合发射机中将其进行OFDM调制、电光转换得到光信号，使用发射天线在同一时刻将光信号分别以M个不同的工作波长发送至下一中继节点，直至最后一个中继节点；所述光电转换是通过M个光电探测器将接收到的M个不同工作波长的光信号转换为电信号；所述电光转换是通过M个马赫增德尔调制器(MZM)进行光强度调制，将OFDM电信号调制到M个激光源生成的M个不同工作波长的光载波上，输出的M路光信号分别由多模光纤传输到光纤耦合器耦合成一路光信号；其中，不同工作波长的光信号通过大气湍流信道，受大气湍流干扰；

1个目的节点，用于通过1个第二接收天线阵列中的M根第二接收天线分别接收第N-1个中继节点发送的M个不同工作波长的光信号，并将其进行光电转换、合并，之后对得到的OFDM信号进行解调，得到第二信号；所述光电转换是通过M个光电探测器将接收到的M个不同工作波长的光信号转换为电信号；

其中，所述第一信号为原始信号，第二信号为原始信号受联合衰减大气信道影响后的信号。

2.一种应用波长分集的串行中继OFDM自由空间光通信方法，其特征在于，包括：

在源节点，对要发送的第一信号进行OFDM调制和电光转换，并通过M个不同的工作波长发送光信号；所述电光转换是将OFDM电信号调制到M个不同工作波长的光载波上，然后耦合成一路光信号；其中，不同工作波长的光信号通过大气湍流信道，受大气湍流干扰；

在N-1个依次串联的中继节点，将接收到的M个不同工作波长的光信号进行光电转换、合并，之后对得到的OFDM信号进行解调，得到第二信号，再将其进行OFDM调制、电光转换后得到的光信号在同一时刻分别以M个不同的工作波长发送至下一中继节点，直至最后一个中继节点；所述光电转换是将接收到的M个不同工作波长的光信号转换为电信号；所述电光转换是将OFDM电信号调制到M个不同工作波长的光载波上，然后耦合成一路光信号；

在目的节点，将接收到的第N-1个中继节点发送的M个不同工作波长的光信号进行光电转换、合并，之后对得到的OFDM信号进行解调，得到第二信号；所述光电转换是将接收到的M个不同工作波长的光信号转换为电信号；

其中，所述第一信号为原始信号，第二信号为原始信号受联合衰减大气信道影响后的信号。

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