[發明專利]基于OAM因子的弱湍條件下FSO系統性能的確定方法

有效

• 申請號: 202010514881.4
• 申請日: 2020-06-08
• 公開（公告）號: CN111711482B
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發明（設計）人: 王平;潘宇婷;王煒;張婷;龐維娜;李爽
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04B10/079
• 分類號: H04B10/079;H04B10/11;G06F17/18
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 姚詠華

本發明公開了一種基于OAM因子的弱湍條件下FSO系統性能的確定方法，包括：基于大氣湍流傳輸模型，得到計算OAM因子的表達式；給出FSO系統中OAM因子統計分布的概率密度函數，給出FSO系統中OAM因子的統計模型；基于最小二乘法，給出求解FSO系統中OAM因子的統計模型參數的優化問題和優化算法，求解FSO系統中OAM因子的統計模型參數，再驗證FSO系統中OAM因子的統計模型的可靠性；基于FSO系統中OAM因子的統計模型，結合QPSK調制OAM復用FSO系統傳輸模型，推導系統誤碼率表達式，對比不同湍流強度對系統性能的影響。該方法將概率密度函數參數用湍流強度定量表示，能適用于更多的應用環境。

技術領域

本發明屬于無線光通信技術領域，具體為一種在大氣弱湍條件下，基于FSO系統被湍流強度定量表示的OAM因子的統計模型，研究系統性能的確定方法。

背景技術

自由空間光通信(FSO Free Space Optical Communication)是以激光為載體，以大氣為傳輸介質的傳輸通信技術。由于其結合了光通信的高帶寬和無線技術的靈活性，使人們對該技術興趣倍增。同時，軌道角動量(OAM Orbital Angular Momentum)模式為光提供了一個新的自由度，可以進一步在FSO鏈路中提高通信系統的容量。然而，光束的光強和相位會受到大氣湍流的影響，造成OAM模式的變形和失真。因此，為了加深對通信系統的理解，科研人員提出了多種統計模型描述由大氣湍流引起的OAM模式衰減和模式間串擾。

自由空間中，渦旋光的能量會保持在OAM本征態中，但是，隨著湍流增強，本征態中的能量會逐步泄露到其它OAM模式中。本征態中的能量衰減比例通過OAM衰減因子描述，轉移到其它OAM模式的能量比例通過OAM串擾因子描述,可統稱為OAM因子。目前為止，人們提出了多種數學模型來描述關于OAM衰減和串擾因子的概率密度函數(PDF ProbabilityDensity Function)。其中，Johnson S_B概率密度函數和指數分布函數最先被提出分別描述衰減和串擾因子的統計特性。最近，E.M.Amhoud等人提出了一種新型描述湍流引起的渦旋光功率衰減和OAM模式間串擾的數學模型—廣義伽馬分布函數(GGD Generalized GammaDistribution),該模型適用于多種湍流條件，并且對拉蓋爾-高斯光(LG Laguerre-Gaussian beam,LG)的模擬數據提供了極好的擬合，可以研究基于LG光FSO系統性能的影響。

目前的問題在于：所有已知的有關于衰減和串擾因子的統計分布需要通過多次實驗然后計算得到PDF參數，在湍流條件變化的環境中，已有的數學模型無法直接得出準確的PDF，并且有關OAM因子的PDF參數與湍流強度有定量關系的統計模型未見報道。因此，基于描述大氣湍流引起的OAM本征態模式衰減和OAM模式間串擾、PDF參數由折射率結構常數定量表示的統計模型研究FSO系統性能實屬當前十分重要的研究方向。

發明內容

本發明的目的在于建立一個統一描述不同OAM模式的渦旋光功率受大氣湍流影響的概率密度函數，并將該分布函數的參數用湍流的強度定量的表示，得到具體的統計模型。基于優化方法中的信賴域算法，設計優化算法計算該統計模型參數，進而研究不同湍流條件下的OAM復用通信系統的性能。其中，由于信賴域算法具有整體收斂性，因此本發明基于該算法，通過將擬合問題表示成優化問題，調整優化算法有效計算定量關系式，進而能夠基于該模型計算系統性能。

本發明是通過下述技術方案來實現的。

基于OAM因子的弱湍條件下FSO系統性能的確定方法，包括下述步驟：

1)基于大氣湍流傳輸模型，通過對接收到的LG光進行濾波分解，計算FSO系統中的OAM因子，并多次仿真，基于概率密度的非參數估計，計算其經驗概率密度函數；