无线光通信卷积交织与编码的实验及仿真研究.doc

2007 年 4 月Journal on CommunicationsApril 2007 第 28 卷第 4 期通 信 学 报Vol 28 No 4 无线光通信卷积交织与编码的实验及仿真研究 宋效正 刘璐 汤俊雄 北京大学 信息科学技术学院 量子信息与测量教育部重点实验室 北京 100871 摘 要 大气光强闪烁会明显降低无线光通信的通信质量 为了降低这种影响 进行了卷积交织结合 1 2 7 卷积编码用于无线光通信系统的实验及仿真研究 完成了相应的实验光机和通信电路的研制 设计了 OOK 方式 调制 785nm 半导体激光器的方案应用于室外无线光通信系统 理论和实验结果都表明 设计的差错控制编码技 术在弱湍流条件下 较好地提高无线光通信系统的通信性能 此外 外场实验和仿真结果还反映出 大气湍流 引起的光信号的深衰落会明显影响系统的通信误码率 提高交织器的交织深度可以有效地抑制其影响 关键词 无线光通信 卷积交织 卷积编码 大气湍流 外场实验 中图分类号 TN929 12 文献标识码 A 文章编号 1000 436X 2007 04 0013 05 Experimental and simulation study on convolutional interleaving with coding for optical wireless communication system SONG Xiao zheng LIU Lu TANG Jun xiong Key Laboratory of Quantum Information and Measurement of the Ministry of Education School of Electronics Engineering and Computer Science Peking University Beijing 100871 China Abstract Intensity fluctuations induced by atmospheric turbulence impair the performance of optical wireless communication significantly To mitigate these negative effects channel coding scheme of convolutional interleaving with 1 2 7 convolutional coding was studied for the optical wireless communication system Moreover optical terminals and communication circuits had been designed for outdoor optical wireless communication using OOK modulation on 785nm semiconductor laser The experimental results correspond well with the simulation prediction that the error control coding can improve the quality of the optical wireless communication system under weak turbulence In addition by increasing the interleaving depth the impact of long deep fade durations can be further reduced Key words optical wireless communication convolutional interleaving convolutional coding turbulence outdoor experiment 1 引言 无线光通信作为一种新型的通信技术 拥有 微波通信和光纤通信的优点 无须频率申请 也 不需要铺设光纤 大大缩短建设周期和降低成本 并且能够提供高速 安全的无线通信需要 有望 成为下一代宽带接入 低造价通信的最佳选择之 一 但是光信号通过大气传输时不仅会受到大气 衰减的影响 大气湍流也会引起接收光强的起伏 变化 并伴有随机的深衰落 考虑到无线光通信 是功率受限系统 以及发射功率对人眼安全的保 收稿日期 2005 07 13 修回日期 2006 12 11 基金项目 国家自然科学基金资助项目 60240420237 60572002 Foundation Item The National Natural Science Foundation of China 60240420237 60572002 14 通 信 学 报第 28 卷 证 信道编码技术比如 BCH 分组纠错编码结合块 交织 1 RS 码与随机交织 2 等应用于无线光通信 的研究逐步得到了重视 文献 3 在理论上给出了 OOK 调制的一些差错控制编码的上界性能分析 目前理论上将信道编码用于无线光通信系统的研 究居多是基于信道的无记忆性 或者采用的信道 模型比较简单 另外真正将信道编码技术应用于 外场实际数字激光通信系统的性能分析还不多见 本文针对无线光通信实际系统的设计需要 分析了大气光信道的特点 采用卷积交织结合 1 2 7 卷积编码的方案用于无线光通信系统 对其进行了系统建模和仿真研究 并进一步完成 了无线光通信装置包括实验光机和通信电路的研 制 设计了 OOK 方式调制 785nm 半导体激光器 的方案用于室外无线光通信实验系统 对一些关 键技术比如帧设计 同步捕捉等也做了实验分析 给出了室外无线光通信的外场实验结果等 2 无线光通信系统链路模型 无线光通信系统大多采用强度调制 直接检测 方式 其光路示意图如图 1 通信系统在发射端将 OOK 调制的光信号直接通过大气信道传输 在接 收端接收到的光信号由光电探测器完成光电转换 进而实现解调判决 光电探测器的检测输出电平 为 1 SBeaddmulti r tPP qntnt hf 其中 PS PB 分别为接收的信号光功率和背景光 功率 为探测器的量子效率 qe为电子电荷 nadd t 和 nmulti t 分别是探测器输出的加性噪声和乘 性噪声 该乘性噪声与接收光功率有关 4 接收端 对信号 r t 进行采样 当电平信号大于预设阈值时 信号判决为 1 否则是 0 图 1 无线光通信光路示意图 实际上接收信号的光功率 PS 会受到通信的传 输距离和天气状况的影响 当激光器的发射功率 为 Pt 传输距离为 d 时 接收的光功率在数学上 可表示为 2 2 Sspacelnt e Vd I PLdsP 式 2 右边的各项按顺序分别对应空间几何损耗 大气衰减及大气湍流效应的影响 其中 V为大气 衰减因子 与大气能见度有关 5 为接收光强 2 lnI 的对数强度方差 另外太阳光和其他背景光也会 影响系统的通信性能 系统分析时背景光可看作 固定的噪声源 半导体激光器输出的椭圆高斯光束其光强分 布理论上可表示为 6 2222 0 exp 2 xyxyxxyyxy II 3 其中 分别表示 x y 方向的发散角 xy 是光束平面的任一点在 x y 方向与光轴的 xy 夹角 激光器的调制光信号通过自由空间传输时 设各种光学损耗为 L0 处接收面积为 xy AR 则有 4 space 2222 0R 2 2exp 2 xxyy xy Ld L A d 大气信道除了对传输的光信号存在散射吸收 衰减外 另一个对无线光通信影响较大的是大气 湍流效应 即大气的折射率随空间和时间作无规 则的变化 这种动态特性随机的改变传输光波的 参量 从而造成光强闪烁 无线光通信系统 在 弱闪烁条件下 其接收光强一般服从对数正态分 布 依据 Rytov 理论 7 8 接收平面上某点光强 相对于均值的概率密度函数为I 5 2 2 ln 2 ln ln 111 exp 222 I I I p iIn i i 其中 为平均接收光强 设通信 I i I I 波长为 大气折射率结构常数为 点接收条 2 n C 件下光强的对数强度方差为I 6 227 611 6 ln 1 23 2 In Cd 由于无线光通信接收机一般是有限孔径接收 光强闪烁还存在孔径平均效应 式 6 应进一步 第 4 期宋效正等 无线光通信卷积交织与编码的实验及仿真研究 15 修正为 A 为孔径平均因子 ln 2 1 exp 1 I InA 大气湍流会引起接收光强的起伏变化 并伴 有缓慢变化的深衰落 通常传统的无线光通信系 统具有一定的出射功率裕量 由于激光器高功率 输出不经济 而且出于人眼安全等因素考虑 输 出光功率也受限 我们研究将卷积交织结合 1 2 7 卷积编码的方案用于无线光通信系统 卷积交 织器 9 相对于块交织和随机交织器 所需的存储空 间降低 4 倍 交织延迟也能降低一半 另外一般 低信噪比时 卷积编码比同等复杂度的分组码有 更好的性能 为了方便对通信系统的性能进行评 估和相关的理论仿真研究 根据无线光信道的特 征 地面无线光通信系统的建模如图 2 所示 在 此基础上也完成了相应的外场无线光通信实验系 统 以进一步检验无线光通信系统的性能 图 2 无线光通信系统模型 3 实验系统设计和研制 无线光通信的实验系统装置如图 3 所示 发 射和接收光学望远镜采用收发分离式 这样可以 降低干扰 而且实验装置能够自由调节方位 通 过一个单筒望远镜很容易实现光路对准 此外通 信光机利用基座的重量和固定的三角支架降低周 围环境抖动对光束的影响 图 3 无线光通信实验系统装置 外场无线光通信实验系统的原理框图如图 4 所示 信源经过码率为 1 2 的卷积编码后 信道的 数据传输速率达到 34 368Mbit s 为了使衰落造成 的突发错误离散化 通过合理控制 ep1c6 FPGA 的 大容量双端口 RAM 的读写地址即可实现 16 4 096 的Fernoy 型 9 比特卷积交织设计 交织后 的二进制数据流 OOK 方式调制激光器 调制光 束经过准直系统从光机的发射端输出 然后经远 处角锥棱镜反射后 此光束再次进入光机的接收 系统 接着完成光电检测 信号的时钟同步和数 据判决等 图 4 外场无线光通信系统原理图 为了保证接收端正确解比特交织和 Viterbi 译 码 该系统采用了帧同步技术设计 10 在进行比 特卷积交织时 帧头和编码后的第一信息比特从 交织器的第一行输出 直通 只要选择帧的长度 和比特卷积交织器的支路延迟数目成简单的关系 接收端就能够快速恢复数据信息流 室外实验表 明 采用帧格式的无线光通信传输系统 帧长不 宜过大 否则失步将会带来误码扩展 选择编码 后的帧长为 1 024bit 帧同步设置了相应的帧同步 校核和帧同步保护计数器 实际的同步保护在适 当的同步位置的左右处又略微扩大 1bit 搜索窗口 即在 3bit 宽窗口内再进行搜索 11 实验证明这种 设计是可行的 能够保持通信链路长时间的低误 码观测 外场实验过程中 无线光通信的通信质量是 根据接收端误码观测和接收信号的强弱检测进行 实时度量 误码检测仪基于灌码同步思想设计 由 FPGA 硬件实现 误码检测方式是对每 10 万个 传输的信息比特为单位统计误码个数 前一个误 码统计数据将在下一个误码统计过程中 从串口传 送到微机保存 以便进一步实现对数据的后续分析 与统计 这种误码检测方式既能观察无线光通信的 局部误码特性 也有利于进行长时间平均误码率的 16 通 信 学 报第 28 卷 计算 4 通信系统仿真和外场实验结果分析 通信系统仿真的参数选择与外场实验系统的 测量参数相一致 外场无线光通信实验系统的发 射 接收光机放置在北京大学无线光通信实验室 的阳台上 而角锥反射棱镜置于理科楼群阳台距 光机约 250m 处 这样光束往返传输距离约 500m 在室内光学平台上用 785nm 的激光器测量的 角锥棱镜的光反射率是 0 80 左右 发射望远镜的 输出为椭圆高斯光束 x y 方向的发散角 全角 分别为 3 2mrad 2 2mrad 望远镜出瞳损耗为 0 5 接收天线直径为 6cm 接收损耗为 0 35 室外背 景光接收为 3nW 根据文献 12 的实验观测条件 估测室外的大气湍流强度约在的 2142 3 5 0em n C 弱湍流区域附近 大气能见度约为 4km 编码后 的通信速率为 34 368Mbit s 图 5 是通信模型所给出的理论仿真误码率曲 线和外场实验结果的比较 通信系统的卷积编码 采用 1 2 7 硬判决 Viterbi 译码 比特卷积交织 为 16 4 096 从图 5 可见 理论仿真结果和外 场实验数据能够较好的吻合 当误码率为 10 5时 卷积编码结合 16 4 096 比特卷积交织应用于室 外无线光通信系统 相对于没有采用交织器的情 况下大约有 1 4dB 的编码增益 系统仿真和外场实 验结果都表明 将设计的差错控制编码应用于无 线光通信室外系统 确实可以提高通信质量 不 过外场实验系统的通信性能稍差于仿真结果 这 有可能来源于实际通信系统的定时误差 以及实 际大气信道对光信号的影响比所建模型更复杂等 原因 图 5 理论仿真和外场实验的误码率曲线 但是从图 5 也可以看出 不论仿真误码率曲 线还是实验误码率曲线都有 上翘 的现象 在 图 6 中的编码和卷积交织 1 曲线 这种 上翘 尤其比较明显 即随着发射光功率的增加 系统 的误码率曲线呈缓慢降低趋势 通过观察无线光 通信的局部误码特性发现 这是由于光信号的深 衰落造成的 大气湍流对光信号的影响比较复杂 在发射光功率较低时 接收光功率既有随机的短 时间衰落特征 也会随机伴有缓慢变化的较长时 间的深衰落 由于设计的交织器能够有效地离散 大气湍流引起的短时间衰落 且随着发射光功率 的增加 加性噪声和乘性噪声引起的随机错误也 逐渐降低 所以图 5 中在开始阶段增大发射功率 通信系统的误码率下降较快 但是随着发射光功 率的增加 光信号的深衰落对系统的影响逐渐变 成主要的因素 当大气湍流所致深衰落出现时 即使提高发射功率 由于固定阈值的硬判决 这 种深衰落依然存在较长的突发误码 这使得所设 计的交织深度不能克服这些较长的突发错误 导 致误码率降低比较缓慢 该现象在仿真系统和外 场实验中都有观察 有效的解决方式之一是需要 增大卷积交织器的交织深度 图 6 是在上述信道仿真条件不变的条件下 卷积编码依然采用 1 2 7 硬判决 Viterbi 译码设 计 不过卷积交织设计成 16 16 384 即交织深 度增大 4 倍 所得的通信系统的误码率理论曲线 图 6 中比特卷积交织 1 为 16 4 096 卷积交织 2 为 16 16 384 第 4 期宋效正等 无线光通信卷积交织与编码的实验及仿真研究 17 图 6 不同交织深度下的误码率理论曲线 从图 6 可以看出卷积交织与卷积编码应用到 无线光通信系统能够明显的提高通信性能 尤其 系统采用比特卷积交织器 2 时 由于交织深度增 加 误码率曲线已经没有 上翘 现象 而且当误 码率为 10 5时 相对于采用交织器1 的通信系统有 0 8dB 的额外编码增益 相对于不采用交织器时其 编码增益达到2 2dB 在误码率为10 6时 采用卷 积交织器2 相对于不采用交织器时 约有 2 54dB 的编码增益 5 结束语 无线光信道因大气湍流效应会损害通信系统 的性能 为了克服这种影响 本文首先对无线光 信道进行分析 进行了无线光通信系统的仿真研 究 并进一步在理论研究的基础上 把信道编码 技术应用到室外无线通信实验系统 仿真和实验 结果都较好地表明 在弱湍流区域 无线光通信 系统采用卷积编码结合 16 4 096 比特卷积交织 技术 相对于无交织情况 在误码率 10 5时 有 大约 1 4dB 的编码增益 无线光通信系统可以通过 纠错编码和交织技术降低大气湍流的影响 改善 通信质量 此外 外场的实验结果也显示系统的误码率 曲线呈缓慢降低趋势 研究发现这是由于在大气 信道下接收光功率会伴有缓慢变化的深衰落 设 计的交织器不能有效的克服这些较长的突发错误 进一步的仿真研究表明 随着交织深度的增加 无线光通信系统的通信质量逐步改善 交织器 16 16 384 相对交织器 16 4 096 在误码 率为 10 5时 约有 0 8dB 的额外编码增益 相对 于不采用交织器 其编码增益达到 2 2dB 因此 增大交织器的交织深度能够有效地抑制大气造成 的深衰落 提高无线光通信的性能 不过随着交织深度的增加 交织器设计的复 杂度和交织延迟也随之增加 尤其在高码率通信 时 交织器寻址的复杂计算量也使得交织速度成 为技术瓶颈 根据本文的研究结果 我们正在设 计新的交织方式提高交织速度和交织性能 以适 应高码率无线光通信系统的需要 从而实现高速 低复杂度的无线光通信系统 参考文献 1 HENNIGER H GIGGENBACH D DAVID F Evaluation of FEC for the atmospheric optical IM DD channel A SPIE Free Space Communication Technologies XV C 2003 1 11 2 YU M LI J RICKLIN J Efficient forward error correction coding for free space optical communications A SPIE Free Space Laser Communications IV C 2004 5550 344 353 3 ZHU X M KAHN J M Performance bounds for coded free space optical communications through atmospheric turbulence channels J IEEE Transactions on Communications 2003 51 8 1233 1239 4 SALEH B E A TEICH M C Fundamentals of Photonics M John Wiley Sons 1991 5 KIM I I MITCHELL M KOREVAAR E Measurement of scintillation for free space laser communication at 785nm and 1550nm A SPIE Optical Wireless Communication C 1999 49 62 6 JIN W JOSEPH M K KAM Y L Minimization of acquisition time in short range 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