不同天气条件下自由空间光通信关键技术研究

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随着射频通信的频谱资源越来越紧缺,自由空间光通信(Free Space Optical Communication,FSO)作为无线通信的另一种方案,由于其抗电磁干扰能力强、不占用频谱资源、传输容量大、频带宽和易安装等优点受到了广泛的关注。虽然自由空间光通信具有很大的应用潜力,但其广泛的部署仍面临许多障碍,这些障碍集中体现在大气信道的不稳定上。大气信道复杂多变,激光在传输的过程中极易受到各种气象条件的影响,所以对不同天气条件下的大气信道进行建模分析具有重要意义。此外,将复用技术应用于FSO系统,进一步提升系统传输速率和抗大气效应能力,实现有效可靠的FSO通信系统也是目前的研究热点之一。本文对不同天气条件下的大气信道传输特性进行了分析,并且为了进一步提升FSO系统的通信性能,提出将基于离散小波变换的正交频分复用技术(Discrete Wavelet Transform-based Orthogonal Frequency Division Multiplexing,DWT-OFDM)应用于FSO系统。论文的主要工作如下:1.对不同天气条件下的激光大气衰减模型分别进行了分析,并基于大气衰减和几何衰减给出了 FSO链路的理论损耗模型。基于该模型对不同天气条件下的FSO系统的路径损耗和误码率进行了分析。2.为了体现大气信道的随机散射特性,本文还采用了蒙特卡洛光子追踪法对大气信道进行模拟。该方法对激光在大气信道中的传输路径进行追踪,通过对追踪结果的统计分析,得到了不同天气条件下的大气信道的脉冲响应、路径损耗以及误码率特性。并将结果与理论损耗模型进行对比,发现由于蒙特卡洛仿真模型充分考虑了散射光子的能量,所以其对大气信道的模拟更符合实际情况。3.为了进一步提升FSO系统的传输速率和抗大气干扰能力,本文提出将DWT-OFDM应用于FSO系统,由于小波变换具有较好的正交性,所以DWT-OFDM不需要引入循环前缀,且具有较强的抗符号间和载波间干扰能力。通过对基于DWT-OFDM的FSO系统的仿真发现,相较于基于传统OFDM的FSO系统,该系统具有较好的误码率和峰均功率比性能。4.搭建了基于DWT-OFDM的FSO系统实验平台,验证了系统的可行性,并且对晴天、雨天和烟雾条件下的大气信道进行了简单的模拟。实验结果表明:在所模拟的三种大气信道下,基于DWT-OFDM的FSO系统误码率性能均要优于基于传统OFDM的系统。
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