孔径接收对强海洋湍流DPSK调制的水下光通信系统误码率影响研究

水下光通信（underwater wireless optical communication,UWOC）系统具有宽带宽、高保密等优点,适用于水下通信。然而,水下吸收、散射和湍流效应影响了光束传输,限制了系统在长距离方面的应用。本文探讨了差分相移键控（differential phase-shift-keying, DPSK）调制和孔径接收对在Gamma-Gamma强湍流信道中传输的UWOC系统误码率（bit error rate,BER）的影响。基于Whittaker函数,推导出了系统采用DPSK调制高斯光束在强湍流中传输的BER解析式。仿真观察了系统调制方式、孔径接收直径、传输距离以及四种海洋参数对BER性能的影响。结果表明,采用DPSK和较大尺寸的孔径直径接收可以有效地提高BER性能。同时,系统在均方温度耗散率和温度和盐度波动对海洋湍流贡献的比值较小、动力粘度较大,湍流动能耗散率较大或较小的短距离海洋湍流环境中可以获得较好的通信性能。      

强海洋湍流水下光通信系统误码率研究

水下无线光通信（underwater wireless optical communication,UWOC）系统具有宽带宽、低衰减、低延时时间、高安全、高速率等优点,可满足水下数据、图像、传感器网络、视频通信的高速需求,受到了广泛研究。然而,除了水下的吸收、散射效应外,湍流效应也会使光信号衰减和衰落,限制了UWOC系统的通信质量和传输距离。探讨了外差式差分移相键控（differential phase shift keying,DPSK）调制对误码率（bit error rate,BER）的提升能力。假定强海洋湍流信道为Gamma-Gamma分布,利用改进的Rytov方法,得出了UWOC系统采用平面波和球面波传输时的闪烁系数表达式。借助于Whittaker M函数推导了DPSK调制的UWOC系统采用这两种光波传输时BER的解析式,并利用数值结果验证了解析结果的正确性。应用解析公式,仿真分析了DPSK调制的UWOC系统采用两种光波在三种重要的海洋湍流因素和通信距离下的BER,并对比分析了DPSK调制与OOK调制的BER。仿真结果表明,UWOC系统采用DPSK调制和球面波传输,在较小的均方温度耗散率、较小的温度和盐度波动对海洋湍流贡献的比值、较大的湍流动能耗散率的海洋中及通过较短的通信距离传输可以得到更优的BER。      

Gamma Gamma强海洋湍流和瞄准误差下水下无线光通信系统的性能研究

采用外差式差分相移键控(Differential phase-shift keying,DPSK)调制的水下无线光通信(Underwater wireless optical communication,UWOC)系统经过Gamma Gamma强海洋湍流信道传输,当接收端与发送端之间存在瞄准误差并采用孔径接收方式时,分析了湍流效应和瞄准误差对接收光强的抖动影响,推导了UWOC系统的平均误码率(Bit error rate,BER)和中断概率(Outage probability,OP)的解析表达式。数值模拟研究了不同的瞄准误差、束宽、接收孔径和海洋湍流参数对平均BER和OP性能的影响。结果表明,在相同的束宽和信道环境下,瞄准误差越大,系统性能越差;光束束宽与孔径半径之比越大,接收孔径直径越大,系统性能越好;另外,选择较小的温度和盐度波动对海洋湍流贡献的比值ω和均方温度耗散率χT,以及较大的湍流动能耗散率ε和动力粘度u的海洋湍流环境也有利于获得较好的系统性能。     

孔径接收下各向异性海洋湍流UWOC系统误码分析

为了研究孔径接收对各向异性海洋湍流条件下水下无线光通信(UWOC)系统误比特率的影响, 系统采用高斯光束传输, 接收端通过孔径接收, 在脉冲位置调制方式下通过各向异性海洋湍流信道。引入各向异性海洋湍流结构常数, 通过对闪烁的形成原理和各向异性海洋湍流条件下闪烁系数的分析, 数值模拟得到了在不同接收孔径和各向异性因子下, 海洋湍流参量、传输距离、雪崩光电二极管(APD)平均增益和调制阶数对系统误比特率的影响。结果表明, 相同各向异性因子和海洋湍流参量下, 大孔径接收能有效提升系统误比特率性能; 相同孔径直径和海洋湍流参量下, 各向异性因子越大, 系统通信性能越好; 均方温度耗散率、温度和盐度对海洋功率谱变化贡献的比值较小, 湍流动能耗散率、动力粘度较大以及传输距离越短, 系统误码性能越好; APD增益为100或150时, 系统通信性能最佳; 调制阶数M=8时, 系统通信性能最佳, M>64时, 系统误比特率变化程度几乎饱和。该研究为UWOC系统平台搭建和性能估计提供了参考。     

传输波束对无线光通信误码率性能的影响分析

在无线光通信中,研究通信系统性能时多数是在平面波、球面波条件下进行的,而实际无线光通信系统发射的激光是高斯波束,所以研究不同波束对通信系统性能的影响具有重要意义。本文从孔径平均效应出发,运用理论分析和实验仿真的方法,在不考虑湍流内、外尺度影响的前提下,首先描述了高斯波束条件下,孔径平均因子随孔径尺寸的变化趋势,并且比较了不同湍流强度条件下孔径平均效应的差异;在OOK调制和非相干检测条件下,比较不同传输波束在弱湍流大气中传输时,孔径平均在改善误码率性能方面存在的差异。结果表明:高斯波束对误码率的影响明显,最先达到饱和状态,球面波次之,平面波较为平缓。     

各向异性海洋湍流对外差式DPSK无线光通信系统的性能研究

应用广义的惠更斯-菲涅耳原理及改进的Rytov方法,采用基于Gamma-Gamma光强概率分布的海洋湍流信道模型,得到了中断概率解析式.并在此基础上对各向异性海洋湍流高斯光束外差式差分相移键控(DPSK)调制的中断概率性能进行了研究.仿真分析了不同的各向异性海洋湍流下各种海洋湍流参数(温度与盐度波动对功率谱变化贡献之比、单位质量流体动能耗散率、均方温度耗散率)、传输距离、DPSK调制的数据传输速率对中断概率的影响.为降低高斯光束DPSK调制下的中断概率、提高通信质量及可靠性提供了理论依据.     

湍流外尺度对光闪烁孔径平滑的影响

基于包含湍流内、外尺度和高波数跃变的变形Andrews折射率谱从理论上分析了平面和球面波大气闪烁孔径平滑效应,得出了弱湍流起伏区无限平面波闪烁平滑因子解析关系和球面波孔径平滑因子内插关系.结果表明,在分析孔径平滑效应时应该考虑湍流外尺度的影响.作者采用变形Andrews折射率模型所得结果与采用Kolmogorov谱计算值间有明显差别.     

MIMO水下无线光通信系统性能解析研究

为了消除海洋湍流引起的信号衰落和衰减,在基 于BPSK调制的水下无线光通信(underwater wireless optical communication,UWOC)系统中引入了MIMO(multi-input multi-outpu t)技术。在 假设海洋湍流模型为log-normal分布基础上,得出了球面波光束在弱海洋湍流传输的闪烁 指数计算公 式。借助于Gauss-Hermite正交积分近似公式,推导了UWOC系统分别采用SISO(single-in put single-output)、SIMO(single-input multi-output)、MIMO三种技术,且接收端 采用等增益合并法时, 系统误码率(bit error rate,BER)的解析公式。应用此解析公式,数值仿真观察了系统 误码率在不同 的信噪比下受三种海洋参数(即均方温度耗散率,单位质量液体中的湍流动能耗散率,温度 和盐度波 动的相对强度)以及系统通信距离的影响。仿真结果表明,UWOC系统采用MIMO技术,在较小 的 均方温度耗散率、较小的温度和盐度波动的相对强度、较大的湍流动能耗散率的海洋中,以 及通过较 短的通信链路都可以得到更优的误码率性能。     

信道相关对空间分集接收信号闪烁的影响

为了探究信道相关性对无线光通信中空间分集接收信号闪烁的影响,给采用空间分集接收技术的通信端的各子孔径大小与分布设计提供参考,理论推导了弱起伏条件下空间分集接收信道相关系数的表达式,给出了信道相关系数与分集接收信号闪烁的关系;数值研究了水平湍流均匀路径与整层大气湍流非均匀下行传输路径下的信道相关系数。结果表明,对于平面波,湍流非均匀路径下孔径接收时信道间存在明显的负相关特性。对于球面波,湍流非均匀路径下孔径接收时的信道相关性与湍流均匀路径情况类似,负相关特性都不明显。     

大气湍流和指向误差下混合RF/FSO航空通信系统性能分析

基于解码-转发中继方式,研究了混合射频/自由空间光(RF/FSO)航空通信系统性能。采用副载波多进制相移键控调制方式,建立了孔径平均作用下混合RF/激光通信系统模型,其中FSO通信链路采用指数型Weibull大气湍流信道的同时考虑指向误差影响,射频通信链路为Nakagami-m衰落信道。利用Meijer′s G函数推导得到航空激光通信系统平均误码率和中断概率的闭合表达式。在不同湍流强度和接收孔径大小条件下,对比分析了中断概率及误码率性能。仿真结果表明,与弱湍流条件相比,中等湍流强度条件下指向误差对系统中断性能影响较小;孔径平均效应可有效改善混合RF/FSO传输系统的性能;FSO信道对混合系统性能起主要作用。     

Performance of differential phase shift keying maritime laser communication over log-normal distribution turbulence channel

Laser communication is essential part of maritime-terrestrial-air intelligent communication/sensor network. Among them, different modulation formats would play a unique role in specific applications. Based on Rytov theory, we discussed system performance of the maritime laser communication with repeated coding technology in several modulation schemes. The closed-form expression of average bit error rate(BER) from weak to moderate atmospheric turbulence described by log-normal distribution is given. Differential phase shift keying(DPSK) modulation, as a potential solution for future maritime laser communication, has attracted a lot of attention. We analyzed the effects of atmospheric turbulence parameters(visibility, refractive index structure coefficient, non-Kolmogorov spectral power-law exponent, turbulence inner scale) and DPSK system parameters(receiver aperture diameter, repeat time) on average BER in detail. Compared with the aperture-averaging effects, the system BER can be well suppressed through increasing repeat time. This work is anticipated to provide a theoretical reference for maritime laser communication systems.     

大气闪烁的时间频域特性研究

为了深入认识大气闪烁的时间频域特性,给在大气中工作的光学系统的工程设计和性能评估提供参考,理论推导了大气闪烁功率谱的通用解析表达式,数值研究了不同传输条件下大气闪烁的时间频域特性.孔径接收下,对于水平均匀路径,平面波闪烁功率谱高频区近似呈现-17/3幂率,球面波近似呈现-11/3幂率;对于整层下行路径,高频区均近似呈现-17/3幂率,低频区与高频区之间存在一缓变区,孔径越大,缓变区越宽.典型大气条件下低频区加上缓变区的频谱宽度约为150 Hz.     

非柯尔莫哥洛夫湍流对星光到达角起伏影响研究

基于A. S. Gurvich等人所提出的非柯尔莫哥洛夫湍流功率谱密度模型,推导了弱起伏条件下的到达角起伏方差,得到了一个解析的结果;然后,利用该结果分析了对流层柯尔莫哥洛夫湍流和平流层非柯尔莫哥洛夫湍流对星光到达角起伏的联合影响。结果表明:星光到达角起伏主要是由对流层柯尔莫哥洛夫湍流决定;对于不同的接收孔径,到达角起伏5%~14%是由平流层非柯尔莫哥洛夫湍流引起的。此外,非柯尔莫哥洛夫湍流对到达角起伏还取决于接收孔径、湍流外尺度及非柯尔莫哥洛夫湍流起伏强度。     

空心高斯涡旋光束在各向异性non-Kolmogorov大气湍流的光强分布

为了分析大气湍流对空心涡旋光束传输光强的影 响,基于广义惠更斯-菲涅尔原理和 Rytov相位结构函数近似,利用各向异性大气non-Kolmogorov湍流谱模型,推导出空心高斯 涡旋(HGV)光束在各向异性大气湍流中的传输光强解析式,数值模拟分析了传输距离、湍 流参数和光束参数对光强分布的影响。研究结果表明:随着传输距离增大,HGV光束的传输 光强将由空心分布逐步演化为高斯分布,且拓扑荷数越大、束腰半径越小、波长越长的HGV 光束的光强受各向异性大气湍流影响越小;当湍流的各向异性系数、广义指数和内尺度越大 ,以及外尺度与结构常数越小时,HGV光束的传输光强随传输距离的演化会减慢,表明HGV光 束在较弱的各向异性non-Kolmogorov大气湍流中传输时光强分布受到湍流的影响较小。     

双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离

为了研究双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的扩展,采用广义惠更斯-菲涅耳原理,推导出部分相干双曲余弦高斯光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离zt的解析表达式。对湍流参量(广义指数、内尺度l0、外尺度L0)和光束参量(相干参量、离心参量)对湍流距离的影响进行了理论分析。结果表明,zt随的增大而先减小后增大,且在=3.11处存在zt极小值;zt随l0和的增大而增大,随L0(仅当3.64时)和的增大而减小。这一结果对双曲余弦高斯光束在实际湍流中传输的相关应用是有帮助的。