大气湍流环境下FSO-OFDM调制系统误码率分析

大气湍流环境下FSO-OFDM调制系统误码率分析,目录,研究背景与意义,研究历史与现状,OFDM系统误码率分析,总结与展望,研究背景与意义,随着信息时代的高速发展，通信业务信息量剧增，通信网络的容量已经远远不能满足实际需要，扩充网络带宽资源，提高通信流量，保证信息的快速、实时传输已成为当前通信事业需要面对的重要课题。微波通信优点：不需要电缆或光纤，节省成本，灵活方便，适合用于复杂地形及偏远地区的通信链接以及有线通信无法实现的地方。缺点：频带窄，信道容量小，易受频谱干扰。,光纤通信优点：容量较大，频带宽，数据速率高，不易受外界干扰缺点：需铺设光缆作为信道，建设周期长，费用高，特别当遇到恶劣地形条件时，工程施工难度加大并且成本更高。自由空间光通信自由空间光通信（FSO）被视为一种新型的宽带接入方式，近年来受到广泛的关注，特别是在不便铺设光纤和不适合使用微波的地方。,部署方便快捷,在短距离内，获得光纤传送的容量大，抗干扰能力强，特别是无需向主管部门申请频率和许可证等优点1，被认为是解决最后一公里问题切实可行的理想方案。然而，自由空间光通信性能容易受大气湍流的影响，大气湍流效应会导致传输光束的光斑漂移、光强度起伏、相位畸变等2。,1丁树义.无线光通信技术浅析J.通信技术，2011，44(10)：36-38.2WuX,LiuP,MatsumotoM.AStudyonAtmosphericTurbulenceEffectsinFull-OpticalFree-SpaceCommunicationSystemsJ.WirelessCommunicationsNetworkingandMobileComputing(WiCOM),20106thInternationalConference，2010:1-5.,流体的运动分为层流和湍流，层流属于规则运动，而湍流属于不规则运动，大气湍流是大气中一种不规则的随机运动，大气湍流作用使得大气运动速度，大气温度，大气折射率在时间和空间上发生随机起伏，这些随机起伏都会影响光在大气中的传输特性。,大气湍流对激光束的影响与光束直径d和湍流尺度L有关当dL时，产生光束漂移现象，如下图所示光束直径远小于湍流尺度时，大气湍流会使光束在传输方向上产生随机偏折，再接收机上表现为接收光束以接收机的某个位置为中心发生随机跳动。,当dL时，产生抖动现象。当湍流尺度约等于光束直径的时候，大气湍流导致导致光束截面发生随机偏转，进而导致到达角随机起伏，使得接收端的焦平面出现象点抖动现象。,当dL时，这是湍流最常出现的情况，此时截面内包含了许多湍流漩涡，这些漩涡对传播的光束起到散射或者是衍射等作用，在接收端体现为在时间和空间上光束的强度和相位发生随机起伏，从而导致接收光强起伏，同时接收光强也会发生衰减，情形如下图所示,加大发射功率,增加接收孔径,采用部分相干光传输技术,采用分集接收技术,采用微波链路作为系统备份,采用自适应光学补偿技术,湍流抑制技术,因此，为了克服大气湍流的影响、实现有效的信道补偿，人们提出了多种解决的方法3,3李楠，张宁，胡世安.大气闪烁对无线激光通信效能的影响J.激光与红外，2012,42(6)：613-616.,同时选择合适的调制、编码、解调方式也是提高通信性能的有效方法之一，传统的调制方式有OOK（开关键控）、BPPM（脉冲位置调制），随着通信技术的不断发展，DPSK、BPSK、OFDM等调制方式在无线光通信领域兴起，使通信性能得到很大提高。,研究历史与现状,无线激光通信普遍采用强度调制/直接探测(IM/DD)系统4，开关键控(OOK)作为主要调制方案，受光强起伏影响较大，OFDM调制技术是一种能有效地抑制大气湍流的调制方法，其性能优于OOK调制。目前，国内外对自由空间光通信正交频分复用技术的研究越来越多。,4BhuiyanTA,HassanMZ,TanzilSMS,etal.PerformanceImprovementofIM-DDFreeSpaceOpticalCDMA(AttenuatedbyStrongAtmosphericTurbulence)withMaximalRatioCombiningC.InternationalConferenceonComputationalIntelligenceandCommunicationNetworks.IEEEComputerSociety,2010:513-518.,在国外，Bekkali,A等5人对大气湍流环境下OFDM信号在RO-FSO中传输的误码率和中断概率进行了研究和分析，得出RO-FSO系统在大气湍流环境中具有很强的敏感性，选择一个合适的调制系数可以改善系统性能;捷克奥斯特拉瓦技术大学的LinerAndrej等人比较了自由空间光通信中OFDM和QAM调制在不同湍流强度下的特性6。,5BekkaliA,BenNailaC,KazauraK,etal.TransmissionAnalysisofOFDM-BasedWirelessServicesOverTurbulentRadio-on-FSOLinksModeledbyGamma-GammaDistributionJ.PhotonicsJournalIEEE,2010,2(3):510-520.6Andrej,Perecar,Jaros,etal.FeaturesandrangeoftheFSObyuseoftheOFDMandQAMmodulationindifferentatmosphericconditionsJ.WirelessSensingLocalization&ProcessingIX,2014,9103.,2009,西安理工大学的赵黎等对散射衰落信道下FSO-OFDM调制系统进行了研究。,哈尔滨工程大学王勇等研究了弱湍流环境下FSO-OFDM调制系统。,2011,2012,王涵等人对gamma-gamma大气湍流下FSO-OFDM调制系统误码率进行了分析7。,7王涵，张涛，李莎.gamma-gamma大气湍流下FSO-OFDM调制系统误码率分析J.激光与光电子学进展，2012，（11）：36-40.,2013,寿钦等人研究了在自由空间光通信(FSO)中采用相移键控正交频分复用(PSK-OFDM)调制下的多输入多输出(MIMO)技术,分析了基于Gamma-Gamma大气湍流信道的MIMO-OFDM系统并利用MeijerG函数得出误比特率闭合形式的表达式8。,8寿钦，张涛，王涵.gamma-gamma大气湍流下自由空间光通信MIMO-OFDM系统误比特率分析J.激光与光电子学进展，2013（2）:105-109.,同年，王勇等人对OOFDM调制方案与传统的开关键控(OOK)调制方案进行了比较，仿真结果显示OOFDM技术对大气湍流有很强的抗干扰能力，无论是误比特率还是频谱效率和OOK相比都得到了很大的改善9。也有很多学者研究了其他调制方式在FSO中的应用，2013年，武云云等10人对大气湍流环境下零差BPSK相干光通信性能进行研究分析，2015年，柯熙政等11人对16PSK调制的副载波无线光通信进行了实验研究，论证了其可行性。,9王勇,景艳玲.OOFDM在大气激光通信中的应用研究J.光通信技术,2013,37(9).10陈丹,柯熙政,张拓等.基于16PSK调制的副载波无线光通信实验研究J.中国激光,2015,(1).11武云云,李新阳,饶长辉.大气湍流像差对空间零差二进制相移键控相干光通信误码性能的影响J.光学学报,2013,(6):58-64.,FSO-OFDM调制系统误码率分析,系统模型,误码率分析,载噪比计算,信道模型,系统模型OFDM12是多载波调制的一种，通过将信道分成若干正交子信道，将高速数据流转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输，子载波的调制可以使用相移键(PSK)调制或正交振幅(QAM)调制。应用快速傅里叶变换FFT和快速逆傅里叶变换IFFT可以解决产生多个相互正交的子载波和从子载波中恢复原信号的问题。,12胡登科,池灏,章献民.光正交频分复用技术的原理、应用与发展J.光通信技术,2009,33(9):30-33.,自由空间光通信链路传输OFDM的基本结构如图1所示,其中，S/P为串并变换，P/S为并串变换。,图1自由空间光通信链路传输OFDM信号的基本结构,包含个子载波的OFDM信号，通过上变频到载波频上，公式表示为=11+2，0式中，=2，=0,1,1为1组正交载波频率，为OFDM符号持续时间，=+，为第个载波的数据符号，和分别为同相和正交调制符号，,这个过程是通过使用IFFT来保证子载波间的正交性，避免符号间干扰。假定保护间隔为，OFDM符号持续时间等于傅里叶运算窗口时间。因为采用的是光强度直接调制，所以对光源进行调制的信号必须为实信号13，的实信号是通过IFFT输入矢量的厄密共轭对称性得到，=，k=1,N/2，0=0，要求IFFT长度为2。,13ArmstrongJ.OFDMforOpticalCommunicationsJ.LightwaveTechnologyJournalof,2009,27(3):189-204.,信道模型自由空间光通信信道中，由于太阳加热和风造成温度和压力的不均匀，进而导致传输介质的折射率变化引起大气湍流，而大气湍流又会导致光强起伏（闪烁）、光束漂移等。目前，提出了很多不同统计模型用来描述大气湍流强度，针对弱湍流情况，光强起伏的概率密度函数（PDF）被定义为对数正态分布14，但它不适合中强湍流情况。,14J.vitasek，J.Latal，S.Hejduketal.AtmosphericturbulencesinfreespaceopticschannelC.Budapest:int.Conf.TelecommunicationsandSignalprocessing(TSP),2011.104-107,Gamma-Gamma分布适用所有湍流情况15，它描述了包括内尺度和外尺度下的大气起伏现象，它将辐照度分解为两个独立随机过程的乘积，其中每个都具有伽马PDF。因此，光强起伏的概率密度函数为=2+2X+21K2X式中,为信号强度，和为概率密度函数的参数，为伽马函数，K为修正的第二类贝塞尔函数，阶次为。,15LiqiangH,QiW,KatsunoriS.Performanceoffreespaceopticalcommunicationovergamma-gammaatmosphereturbulenceJ.Infrared&LaserEngineering,2011,40(7):1318-1322.,载波噪声分析假设所有调制系数相同，那么单个子载波光调制系数=,=0,1,1，其中=1=012是总的光调制系数。子载波上的信号功率为=1222因此，在接收端的载波噪声比CNR可以通过定义为关于信号功率和每个子载波光噪声功率0/的函数=0,误码率分析激光信号在Gamma-Gamma信道模型中传输的第个子载波误码率公式表示为16=0,XdX=2110erfcAXdX式中A=3/2W1，erfc为互补误差函数，=2,是偶数。,16W.Gappmair,M.Flohberger.ErrorperformanceofcodedFSOlinksinturbulentatmospheremodeledbyGamma-GammadistributionCommunicationJ.IEEETrans.Wireless2009,8(5):22092213.,那么OFDM系统的误码率就可以表示为=01OOK调制方式在Gamma-Gamma信道传输的误码率公式为Pe=0PX2dX其中，PX2为光信号在AWGN信道的误码率，为信噪比。图给出了不同大气湍流强度下光4QAM-OFDM强度调制系统误码率曲线。,从图2中可以看出，随着湍流强度加强4QAM-OFDM系统性能不断恶化，在达到中湍流强度后，载噪比的增大对系统性能的改善相比弱湍流强度下呈现更缓慢。,图2不同湍流强度下4QAM-OFDM系统误码率,图为不同大气湍流强度下光16QAM-OFDM强度调制系统误码率曲线。从仿真结果可以看出，高阶调制对相位噪声更敏感，因为它要求更高的信噪比。,图3不同湍流强度下16QAM-OFDM系统误码率,图为不同湍流强度下4QAM-OFDM系统和OOK系统误码率曲线,从图中可以看出，随着湍流强度的增加，4QAM-OFDM和OOK调制系统性能都在不断恶化。而且相同条件下4QAM-OFDM的性能要比OOK调制系统好。,图4不同大气湍流下4QAM-OFDM和OOK系统误码率,通过对OFDM调制方案中的4QAM-OFDM调制和16QAM-OFDM调制进行了比较，用4QAM-OFDM调制与传统的OOK调制进行了对比，仿真结果表明4QAM-OFDM调制方案对比上述两个方案具有更好的抗湍流能力。对自由空间光通信大气湍流下OFDM系统性能的研究还包括采用信道编码技术和分集接收技术等。,MIMO-OFDM系统的误比特率分析MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)多输入多输出17是指在通信系统的基站和移动客户端同时采用多天线设计，使得基站与客户端之间能够形成多条通信链路，相比较传统的SIMO(Single-InputMultiple-Output)和MISO(Multiple-InputSingle-Output)而言，MIMO可以充分利用无线通信当中的多径传播，在不增加信号带宽和发射功率的情况下成倍的提高系统的容量和频谱利用率。,17LuL,LiGY,SwindlehurstAL,etal.AnOverviewofMassiveMIMO:BenefitsandChallengesJ.SelectedTopicsinSignalProcessingIEEEJournalof,2014,8(5):742-758.,MIMO技术在无线通信中是一项比较成熟的技术，有研究表明多输入多输出（MIMO）技术可以有效地克服激光在经历大气湍流信道后出现的光强闪烁，基本结构如下图所示,图5MIMO-FSO系统结构图,常用的接收机合并方式有最大比合并(MRC)、选择合并(SC)和等增益合并(EGC)18，,18柯熙政，刘妹.湍流信道无线光通信中的分集接收技术J.光学学报，2015,(1).,最大比合并,等增益合并,选择合并,它是一种最佳合并方式，是对多路信号进行同相加权合并，权重是由各支路信号所对应的信号功率与噪声功率的比值决定的,等增益合并是把各支路信号进行等增益叠加，无需对信号进行加权。其性能要比最大比合并差一点。,选择合并对接收到的分集信号进行检测，以选取其中信号强度或者信噪比最高的接收支路作为最优信号输出，这种方式比较简单。,这些接收机合并方式可以利用空间分集的固有冗余度，显著提高通信的性能，减少大气湍流的影响。为了避免发送信号空间上的混叠，满足空间上的采样定理，需要把发送信号的一半波长作为实体天线的间距,利用条件概率函数的相关计算方法，可以得到PSK-OFD调制的MIMO-FSO系统的平均误码率计算公式19，S为发射天线数，J为接收天线数=0=1=1信噪比(SNR)与载噪比(CNR)区别在于两者之间相差一个载波功率。,19MoradiH,FalahpourM,RefaiHH,etal.ADiversityCombiningApproachforMIMOFSONodeswithMisalignedReceiversC.IEEEGlobalTelecommunicationsConference.IEEE,2011:1-5.,当然载波功率与传输信号功率相比通常都是很小的，因而载噪比与信噪比在数值上十分接近，接下来的讨论中假设载噪比和信噪比是近似相等的。仿真得到图6表明在同一大气湍流强度=12.1，=10.6（R2=0.19，I2=0.18）的前提下，不同的,值对误比特率会造成明显的影响。,当通信系统要达到109误比特率时，=2，=2的MIMO系统与=2，=1的MIMO系统相比，系统对SNR的需求降低了10d；与=1，=1，MIMO系统相比，系统对SNR的需求降低了22d。自由空间光通信系统的误比特率大大降低。,图6MIMO-FSO系统在相同湍流强度下，不同M、N取值对系统BER的影响,从图7中可以看出，随着大气湍流强度的加强，MIMO对FSO系统SNR的增益效果越来越明显。,图7不同大气湍流强度下MIMO-FSO的BER性能表现,对比了在不同大气湍流下MIMO系统和SISO系统的误比特率，得出采用MIMO技术可以有效降低自由空间光通信误比特率。发射天线数和接收天线数的取值对自由空间光通信的误比特率有巨大的影响，但是在实现的过程中需要考虑MIMO系统的复杂性，误比特率并不是检验通信良好性能的唯一标准。,总结与展望,将OFDM作为一种高效率的调制技术引入到大气激光通信系统中,有效地提高了系统的抗干扰能力，也大大的提高了频谱利用率，从文中的误码率分析可以看出，OFDM相比传统的开关键控调制方式，在一定程度上抑制了湍流效应的影响，而且将这种技术与MIMO技术结合，成为湍流抑制技术的新途径20，但是误码率并不是检验通信良好性能的唯一标准，所以提高通信性能还要从信道容量等方面着手。,20NavidpourSM,UysalM,LiJ.BERperformanceofMIMOfree-spaceopticallinksJ.IEEEVehicularTechnologyConference,2004:3378-3382Vol.5.,文献,1丁树义.无线光通信技术浅析J.通信技术，2011，44(10)：36-38.2WuX,LiuP,MatsumotoM.AStudyonAtmosphericTurbulenceEffectsinFull-OpticalFree-SpaceCommunicationSystemsJ.WirelessCommunicationsNetworkingandMobileComputing(WiCOM),20106thInternationalConference，2010:1-5.3李楠，张宁，胡世安.大气闪烁对无线激光通信效能的影响J.激光与红外，2012,42(6)：613-616.4BhuiyanTA,HassanMZ,TanzilSMS,etal.PerformanceImprovementofIM-DDFreeSpaceOpticalCDMA(AttenuatedbyStrongAtmosphericTurbulence)withMaximalRatioCombiningC.InternationalConferenceonComputationalIntelligenceandCommunicationNetworks.IEEEComputerSociety,2010:513-518.5BekkaliA,BenNailaC,KazauraK,etal.TransmissionAnalysisofOFDM-BasedWirelessServicesOverTurbulentRadio-on-FSOLinksModeledbyGamma-GammaDistributionJ.PhotonicsJournalIEEE,2010,2(3):510-520.6Andrej,Perecar,Jaros,etal.FeaturesandrangeoftheFSObyuseoftheOFDMandQAMmodulationindifferentatmosphericconditionsJ.WirelessSensingLocalization&ProcessingIX,2014,9103.7王涵，张涛，李莎.gamma-gamma大气湍流下FSO-OFDM调制系统误码率分析J.激光与光电子学进展，2012，(11):36-40.8寿钦，张涛，王涵.gamma-gamma大气湍流下自由空间光通信MIMO-OFDM系统误比特率分析J.激光与光电子学进展，2013（2）:105-1099王勇,景艳玲.OOFDM在大气激光通信中的应用研究J.光通信技术,2013,37(9).,10陈丹,柯熙政,张拓等.基于16PSK调制的副载波无线光通信实验研究J.中国激光,2015,(1).11武云云,李新阳,饶长辉.大气湍流像差对空间零差二进制相移键控相干光通信误码性能的影响J.光学学报,2013,(6):58-64.12胡登科,池灏,章献民.光正交频分复用技术的原理、应用与发展J.光通信技,2009,33(9):30-33.13ArmstrongJ.OFDMforOpticalCommunicationsJ.LightwaveTechnolog