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《哈尔滨工业大学》 2011年
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光束闪烁及瞄准误差对无线光通信链路影响机理的研究

刘超  
【摘要】:无线光通信技术是一种近年来得到迅速发展的新型无线宽带通信技术。对于室外无线通信环境,该技术与现有的光纤通信技术和微波通信技术相比,具有搭建周期短、无需铺设光缆、成本低、频带宽、体积小、通信保密性好等一系列优点。然而,由于无线光通信链路均处在开放的自由空间中,链路易受到各种空间物质的影响。大气湍流引起的光束闪烁效应是对链路造成影响的主要因素,这种效应会引起信号光振幅和相位的随机变化,进而影响通信质量。另一方面,链路还受到瞄准误差(即接收端和发送端之间的光束不对准误差)的极大影响,这种误差通常是由于固定平台的随机抖动引起的,如楼顶上安装的固定平台会由于楼宇的晃动而引起随机抖动。由于信号光束较窄,光束的瞄准误差会增加链路的误码率,影响了链路的通信质量。因此,光束闪烁及瞄准误差大大限制了无线光通信技术的推广及应用,深入地研究这两种因素对通信链路性能的影响机理及探讨抑制这些因素的方法具有重要的理论意义和实际应用价值。 本文首先对光束闪烁影响下,链路通信性能进行了研究,进而深入地研究了光束闪烁及瞄准误差联合效应下链路的通信性能及空间分集系统在抑制联合效应方面的性能特点。全文主要包括以下几方面的研究内容: 首先,本文介绍了无线光通信技术的原理,综述了国内外无线光通信技术的发展现状和研究进展,同时阐述了光束大气传输理论的发展、大气湍流引起的光束闪烁以及固定平台抖动引起的瞄准误差对无线光通信链路影响机理的研究现状。从理论上,研究了大气光传输的相关理论与计算方法,给出了大气层信道的结构,对大气湍流的性质、自由空间光传输及大气光传输的基本理论进行了细致地分析及阐述。 其次,本文深入地研究了光束闪烁效应对无线光通信链路的影响。基于伽玛-伽玛分布的信道模型,考虑直接探测系统常用的四种调制方式,即OOK,PPM,DPIM和CPolSK,推导了四种调制方式的包误码率解析形式表达式,并在此基础上分析了四种调制方式的性能差异;对于相干探测方式,从接收光子平均数的角度出发,探讨了CPolSK相干探测与CPolSK直接探测相比所具有的性能优势。 第三,本文研究了不同调制方式下无线光通信系统单一接收孔径尺寸的差异量,提出了用于分析CPolSK和OOK调制方式下孔径量化差异的理论模型,分析了不同通信波长、链路距离及接收信噪比的情况下两种调制系统接收孔径尺寸的差异,为实际的系统设计提供了有价值的理论分析数据。 第四,本文系统地研究了光束闪烁及瞄准误差联合效应下无线光通信链路的性能,分析了联合效应下的信道模型,将一些重要的系统参数纳入性能分析中,建立了用于分析系统信道容量的理论模型,推导出了可应用于直接探测系统和相干探测系统的具有解析形式的信道容量公式,分析了两种系统在不同的系统参数下所具有的性能特点,分析表明,系统的信道容量明显地受到联合效应的影响,增加探测器的尺寸,增大发射功率,减小波束的宽度均能有效的增加系统的信道容量。在给定发射功率的情况下,研究了信道容量最优化的问题。不同于以往的理论研究,本文提出了直接探测系统信道容量最优化的设计方法,并基于该方法给出了最优的系统参数。 第五,为了抑制光束闪烁及瞄准误差的联合效应,本文研究了一种抑制技术,即空间分集技术。基于K分布信道模型,分别从接收分集和发送分集两方面研究,分析了光束闪烁效应下空间分集系统的性能,并建立了用于分析光束闪烁及瞄准误差联合效应下空间分集链路性能的理论模型,分别给出了发送分集及三种不同的合并方式(OC、EGC和SC)下的接收分集系统误码率计算公式,通过数值仿真的方法探讨了空间分集技术的优势。 本文的研究工作对无线光通信系统的设计具有一定的指导意义和参考价值,为光束闪烁及瞄准误差联合效应影响下的无线光通信链路性能的分析提供了理论基础,为实际的光通信系统设计提供了基本的实验依据。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TN929.13

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