[01702950]沙尘天气下近地面无线光通信的传输机理及特性研究

1．课题来源与背景 本项目由国家基金委2012年立项,属于国家自然科学地区基金项目,项目名称：沙尘天气下近地面无线光通信的传输机理及特性研究,项目编号：61265003。 大气激光通信是以激光作为信息传输的载体,能够实现高速率数据传输的一种新兴的无线通信方式,被认为是解决“最后一公里”问题的最佳方案,具有广泛的应用前景和巨大的市场需求。我国西北地区属于中亚沙尘暴区的一部分,是沙尘暴的源地和频发区。例如,甘肃民勤附近出现沙尘暴天气的年平均时间为26天左右,扬沙天气年平均为64天。沙尘暴所携带的沙尘微粒所引发的气候学效应,不仅对当地大气能见度、大气光学特征等产生影响,而且这些微粒被送入高空随风漂移,又会造成大范围降尘和大气中气溶胶浓度的增加。沙尘携带的沙尘微粒对激光的散射作用,会使激光信号的时域和频域特性发生较大的变化,造成较大的误码率和短时间通信中断,严重影响激光通信的稳定性和可靠性。因此,研究沙尘对激光信号的传输机理、特性、影响及其对光通信系统性能的改善措施是十分必要的。 目前人们已经展开了沙尘对激光信号影响的研究,但有关沙尘天下激光信号的强度分布和光强起伏特性,以及沙尘对无线光通信系统性能的影响还未见相关报道。所以迫切需要研究沙尘对激光信号的影响,探索沙尘影响光强分布、光强起伏特性的机理,揭示沙尘影响大气光通信的规律。 2．技术原理及性能指标 本课题主要研究大气光信号在沙尘天气下的传输机理和特性,具体分为： （1）依据米氏散射理论,研究了不同波长的激光信号在沙尘天气中发生单次散射和多次散射时光强与能见度间的变化关系,推导出了激光信号发生单次散射时光强与能见度间的解析表达式,以及发生多次散射时光强与能见度间的关系。对激光脉冲在沙尘天气中的时延和展宽问题,分别通过求解脉冲的双频互相关函数和采用小角度近似理论的处理方法,推导了沙尘天气下的脉冲响应,得到了激光脉冲的时延量和展宽量与沙尘能见度以及光学厚度间的关系,揭示了沙尘天气下激光信号的传输规律。 （2）依据湍流信道中信号的光强起伏特性,建立了典型天气下多光束传输的信道模型。基于该信道模型,分析不同调制方式下信道容量和误码率性能,并采用Wilkinos近似方法进行化简得到了其闭式的数学表达式,给出了设计实际通信系统的理论依据,同时证明信道特性、分集数、调制方式及调制阶数等对系统性能有影响。 （3）针对强度调制,提出适合于光信道的空时编码。而且在深入研究空时编码理论的基础上,通过构造合适的编码矩阵、解码方法和检测算法,并结合调制方式综合考虑其整体性能,提出适合强度调制的空时编码方法,降低了系统的误码性能,有效的抵御了光强闪烁效应。 （4）针对光空时编码未能获得编码增益,致使系统性能还不够理想的问题,以信道编码作为外码,以空时编码作为内码构建级联空时编码方案,并给出了内外码的设计依据和选择方法、交织方法及其交织深度的确定方法、联合检测-迭代译码算法的优化方法。有效地解决了交织深度、译码算法复杂度与系统误码性能之间的矛盾问题。 3．技术的创造性与先进性 （1）分别采用蒙特卡洛方法和小角度近似理论研究了球形沙尘粒子和任意形状粒子的单次和多次散射特性,得到了散射后光强与能见度、散射后光强与大气光学厚度之间的变化关系,推导了沙尘天气下的脉冲响应,得到了激光脉冲的时延量和展宽量与沙尘能见度间的关系。 （2）针对不同的调制方式,依据对数正太分布的湍流信道,研究了光MIMO的信道容量与误码率,推导出了不相关、部分相关和完全相关信道下光MIMO系统的平均信道容量、中断信道容量和误码率的表达式。 （3） 研究各种空时编码等技术,采用IFFT和其他技术相结合的方法,分别提出了适合于光通信的空时分组码、空时网格码等。所提方案不仅提高了数据的传输效率,而且有效抵御了闪烁效应。 （4）研究了级联空时编码的构建方法,并将LDPC码和VBLAST相结合,通过引入交织和外迭代技术构建了适合于光通信的级联分层空时编码。这种方法充分地利用了检测器和信道译码器之间传递的软信息,有效降低通信系统的误码率和译码复杂度。 4.技术的成熟程度,适用范围和安全性 本项目的研究内容属于学科研究的前沿技术,涉及的理论和方法不够成熟和完善。 5．应用情况及存在的问题 在西北部沙尘天气频发地区,沙尘天气下悬浮颗粒对激光造成的散射和吸收会严重影响近地面无线光通信的有效性和可靠性,制约大气激光通信的推广和应用。本课题主要采用算法的理论分析、计算机仿真和实际实验相结合的方法研究大气环境中沙尘、湍流对激光信号的影响,揭示该条件下激光信号的传输机理,同时,探索改善这种影响的一种有效措施——光MIMO技术。上述研究均是针对干沙对激光信号的影响。在实际环境中,沙尘粒子并非干沙,需要考虑含水条件下沙尘粒子对激光信号的影响。 6．历年获奖情况 无