[發明專利]應用波長分集的串行中繼OFDM自由空間光通信系統及方法

有效

• 申請號: 202010635916.X
• 申請日: 2020-07-03
• 公開（公告）號: CN111769880B
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 王怡;詹曉彤;朱琳
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: H04B10/516
• 分類號: H04B10/516;H04B10/54;H04B10/572;H04B10/29;H04B10/2581;H04B10/11
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 應孔月

本發明公開一種應用波長分集的串行中繼OFDM自由空間光通信系統及方法，包括：1個源節點S，N?1個中繼節點R以及1個目的節點D。系統每一個單跳都為一個波長分集裝置，其中，1個組合發射機將光信號同時以多個不同波長進行發送，1個接收天線陣列中的M根接收天線分別接收特定波長的光信號。在強大氣湍流下，應用指數威布爾分布模型，中繼傳輸協議采用譯碼轉發(DF)，綜合考慮大氣湍流、路徑損耗和瞄準誤差對大氣湍流信道的聯合衰減作用，推導出系統中斷概率和誤符號率的閉合表達式，并采用蒙特卡羅方法驗證數值仿真結果的正確性。本發明在OFDM串行中繼自由空間光通信中引入波長分集技術，在擴大通信范圍的基礎上有效改善了系統的通信性能。

技術領域

本發明屬于無線光通信領域，具體地涉及一種結合波長分集和DF串行中繼結構的OFDM自由空間光通信系統及方法。

背景技術

以激光為光源的自由空間光通信(Free Space Optical-Communication，FSO)系統與現有射頻無線通信相比，具有可用頻帶寬、安全性高、無需頻譜許可等優點，近年來受到普遍關注。

然而，由于光信號在大氣中傳播，大氣中的溫度不均勻性和壓力變化會造成大氣湍流從而引起信號衰落，嚴重影響了FSO系統的通信性能。且接收端和發射端未對準導致的瞄準誤差也會影響通信鏈路的性能。并且，湍流衰落、瞄準誤差與傳輸距離均呈遞增關系，當發射端與接收端之間距離較大時，使用單跳FSO直傳鏈路是不現實的。

中繼技術能擴大系統發射端覆蓋面積，增加系統鏈路的容量，提升系統的穩定性。中繼系統按不同的鏈路部署方式分為串行中繼(多跳傳輸)和并行中繼(協作分集)。串行中繼可以提高系統通信范圍，提高傳輸速率。但是應用串行中繼結構的FSO通信性能會隨著系統跳數的增加而降低。

為了提高應用串行中繼結構的FSO系統的通信性能，多種有效緩解技術被用于克制大氣湍流的影響，包括自適應光學、孔徑平均、誤差控制編碼和分集技術。其中，自適應光學技術較為復雜且不利于降低接收機的尺寸、重量和功耗。孔徑平均中接收機的尺寸、重量會限制孔徑的大小，并且接收機收集的背景噪聲數量會著接收器孔徑面積的增加而增加。誤差控制編碼需要較大尺寸的交織器并導致大延時。

分集技術是指發送多個信號的副本，以補償衰落信道損耗。它通常利用無線傳播環境中同一信號的獨立樣本之間不相關的特點，使用一定的信號合并技術改善接收信號，來抵抗衰落引起的不良影響。常用的分集技術有空間分集、時間分集和波長分集。空間分集技術能夠克服空間選擇性衰落，但是空間分集接收機之間的距離要滿足大于3倍波長的基本條件。時間分集是將同一信號相隔一定的時隙進行多次重發以克服路徑衰減，但會導致一定的延時。波長分集結合組合發射機，在不同的工作波長上將相同的信號同時傳輸到多個接收特定波長信號的接收機上，并在接收端進行合并。本發明在中繼系統中引入波長分集技術，并結合正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技術，在進一步擴大通信范圍的同時，有效地改善了系統的通信性能，因而具有重要的理論意義和應用價值。

發明內容

本發明實施例的目的是提供一種應用波長分集的串行中繼OFDM自由空間光通信系統及方法，以緩解使用中繼結構的OFDM自由空間光通信系統通信性能受大氣湍流影響的問題。

為了達到上述目的，本發明實施例所采用的技術方案如下：

第一方面，本發明實施例提供一種應用波長分集的串行中繼OFDM自由空間光通信系統，包括：

1個源節點，源節點只包括發射端，用于通過1個第一組合發射機在同一時刻將由第一信號調制而來的OFDM信號經電光轉換后得到的光信號使用發射天線以M個不同的工作波長進行發送；所述電光轉換是通過M個馬赫增德爾調制器(MZM)進行光強度調制，將OFDM電信號調制到M個激光源生成的M個不同工作波長的光載波上，輸出的M路光信號分別由多模光纖傳輸到光纖耦合器耦合成一路光信號；