【摘 要】
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自由空间光通信（Free Space Optical Communication,FSO）是一种以激光束为信息载体,以大气作为传输介质的通信方式,由于其容量大、保密性高、抗干扰能力强、频谱资源丰富等优点被广泛关注。为了满足不断增长的数据容量需求,自由空间光通信也正朝着大容量、高速率的方向发展。因此,如何在自由空间光通信系统中实现更大的信道容量、更高的信息速率、更优异的系统性能成为了重要的研究课题。
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
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自由空间光通信（Free Space Optical Communication,FSO）是一种以激光束为信息载体,以大气作为传输介质的通信方式,由于其容量大、保密性高、抗干扰能力强、频谱资源丰富等优点被广泛关注。为了满足不断增长的数据容量需求,自由空间光通信也正朝着大容量、高速率的方向发展。因此,如何在自由空间光通信系统中实现更大的信道容量、更高的信息速率、更优异的系统性能成为了重要的研究课题。激光通信主要采用两种体制:强度调制/直接探测（Intensity Modulation/Direct Detection,IM/DD）体制和相干探测体制。相比于IM/DD体制,相干探测体制在接收端将本振光与信号光混频,可以具有更高的探测灵敏度。更为重要的是,相干探测体制由于引入了幅值与相位的自由度,可以通过星座整形技术提高信道容量,接近香农限,从而实现更高速率传输。从整体上看星座整形技术包括概率整形技术与几何整形技术两种。因此,在相干激光通信系统中对概率整形技术与几何整形技术的联合研究具有科学的理论意义与应用的现实意义。本文首先阐述了激光通信技术的研究意义与发展现状,并且介绍了星座整形技术的研究进展,然后分析了大气对激光通信系统的影响,最后以相干激光通信为立足点,研究星座整形技术在相干激光通信系统中的应用。本文主要研究工作如下:1.分析了大气对激光通信系统的影响,主要包括大气吸收和大气散射带来的衰减效应以及由大气湍流带来的光强闪烁效应和相位扰动,并且分析了在不同湍流强度下的光强起伏模型。研究了相干激光通信的系统构成,重点分析了相干探测技术的基本原理,包括零差探测技术、外差探测技术以及相位分集零差探测技术。2.研究了LPDC码的基本原理以及编译码算法,针对激光通信信道特点,从置信传播译码算法入手,推导了适用于激光通信信道的译码初始值闭合表达式,并修正了相应的译码算法。3.研究了概率整形技术在相干激光通信系统中的应用,针对大气湍流信道特性,设计了输入信号的最优概率分布,推导了在Gamma-Gamma信道条件下非均匀信号误符号率的闭合表达式。最后通过仿真软件验证了概率整形方案的有效性。4.研究了基于比特度量译码可达信息速率的成对优化算法,为简化优化问题,提出以截止速率为目标函数优化星座图的星座点位置实现几何整形算法。推导了在AWGN信道和激光通信信道下截止速率的闭合表达式,设计了对星座点坐标的多次内点法优化方法,并通过仿真软件验证了几何整形方案的有效性。为进一步提升系统的信道容量,提出联合概率整形与几何整形方案运用于相干激光通信系统中。5.研究了Optisystem光通信仿真软件的系统搭建过程,通过Optisystem光通信仿真软件搭建了相干激光通信系统仿真链路,对不同湍流强度下的概率整形方案、几何整形方案以及概率整形联合几何整形方案的通信性能进行了系统级仿真验证。
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