無(wú)線光通信中的多載波調(diào)制

1、FSO-OFDM系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究大氣激光通信面臨的挑戰(zhàn)大氣激光通信面臨的挑戰(zhàn) 速率受限速率受限 大氣信道干擾大氣信道干擾 將將OFDM技術(shù)應(yīng)用于技術(shù)應(yīng)用于FSO中勢(shì)必會(huì)突破制約光通信中勢(shì)必會(huì)突破制約光通信發(fā)展的瓶頸，發(fā)展的瓶頸， 提高光通信的信息傳輸速率和可靠性。提高光通信的信息傳輸速率和可靠性。 成本低、組網(wǎng)靈活、安裝方便、無(wú)需頻率許可等成本低、組網(wǎng)靈活、安裝方便、無(wú)需頻率許可等FSO-OFDM系統(tǒng)發(fā)展史系統(tǒng)發(fā)展史國(guó)外已有很多學(xué)者開(kāi)展了對(duì)國(guó)外已有很多學(xué)者開(kāi)展了對(duì)FSO-OFDM系統(tǒng)的研究，并已取得一些成績(jī)。系統(tǒng)的研究，并已取得一些成績(jī)。Yi Sun建立了一種基于判決反饋的建立了一種基于判決反

2、饋的OFDM系統(tǒng)模型；系統(tǒng)模型；Roy You研究了降低研究了降低FSO-OFDM峰值平均功率比的技術(shù)峰值平均功率比的技術(shù) 2001 2003 omoaki Ohtsuki介紹了無(wú)線激光通信系統(tǒng)中多載波調(diào)制的基本原介紹了無(wú)線激光通信系統(tǒng)中多載波調(diào)制的基本原理和特性。理和特性。張煦發(fā)表了一篇題為張煦發(fā)表了一篇題為多載波調(diào)制在通信系統(tǒng)的應(yīng)用多載波調(diào)制在通信系統(tǒng)的應(yīng)用的文章的文章 2005 Peter Horvath等人研究了等人研究了MZM調(diào)制器的非線性效應(yīng)對(duì)調(diào)制器的非線性效應(yīng)對(duì)OFDM信號(hào)的影響信號(hào)的影響 2006 W.Shieh 等人提出了基于相干檢測(cè)的等人提出了基于相干檢測(cè)的OFDM系統(tǒng)系統(tǒng)

3、（CO-OFDM） 2007Ivan B.Djordjevic等人提出了一種適合于光通信的等人提出了一種適合于光通信的LDPC-Coded-OFDM IM/DD系統(tǒng)系統(tǒng) 2008Neda Cvijetic首次在室內(nèi)模擬了通信速率為首次在室內(nèi)模擬了通信速率為10Gb/s，傳輸距離為，傳輸距離為2.5km的的FSO通信實(shí)驗(yàn)通信實(shí)驗(yàn) 指出指出OFDM將會(huì)成為下一代將會(huì)成為下一代FSO系統(tǒng)最有效的方案。系統(tǒng)最有效的方案。v 近幾年國(guó)內(nèi)對(duì)光正交頻分復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用研究主要集中在近幾年國(guó)內(nèi)對(duì)光正交頻分復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用研究主要集中在兩方面兩方面應(yīng)用于光骨干網(wǎng)上以實(shí)現(xiàn)高速路、長(zhǎng)距離、無(wú)色散補(bǔ)償應(yīng)用于光骨干網(wǎng)上以實(shí)

4、現(xiàn)高速路、長(zhǎng)距離、無(wú)色散補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸應(yīng)用于光接入網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低成本升級(jí)應(yīng)用于光接入網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低成本升級(jí)v 期間有幾家著名高校和研究機(jī)構(gòu)對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)了研究：期間有幾家著名高校和研究機(jī)構(gòu)對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)了研究：復(fù)旦大學(xué)和北京郵電大學(xué)采用復(fù)旦大學(xué)和北京郵電大學(xué)采用MSK(最小頻移鍵控最小頻移鍵控)編碼的調(diào)制方編碼的調(diào)制方案，實(shí)現(xiàn)了案，實(shí)現(xiàn)了2.5Gbit/s、25Km的的OFDM-MSK下行信號(hào)的傳輸；下行信號(hào)的傳輸；清華大學(xué)提出基于光采樣的光正交頻分復(fù)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了清華大學(xué)提出基于光采樣的光正交頻分復(fù)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了50Gbit/s光正交頻分復(fù)用信號(hào)正在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中傳輸光

5、正交頻分復(fù)用信號(hào)正在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中傳輸20km；天津理工大學(xué)和電子科技大學(xué)對(duì)光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的同步算天津理工大學(xué)和電子科技大學(xué)對(duì)光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的同步算法展開(kāi)了系統(tǒng)研究，提出了適合于光纖信道的各種同步算法法展開(kāi)了系統(tǒng)研究，提出了適合于光纖信道的各種同步算法 ；武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)如何降低光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)峰值平均武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)如何降低光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)峰值平均功率比進(jìn)行了研究，提出了通過(guò)調(diào)整子載波初始相位來(lái)抑制峰值功率比進(jìn)行了研究，提出了通過(guò)調(diào)整子載波初始相位來(lái)抑制峰值平均功率比的算法，該算法使系統(tǒng)入射光功率顯著增加且增加了平均功率比的算法，該算法使系統(tǒng)入射光功率顯著增加且增加了傳輸

6、距離；傳輸距離；FSO-OFDM的優(yōu)勢(shì)的優(yōu)勢(shì) 系統(tǒng)穩(wěn)定性高；系統(tǒng)穩(wěn)定性高；容易加載前向糾錯(cuò)編碼；容易加載前向糾錯(cuò)編碼；頻譜利用率很高；頻譜利用率很高；可以同時(shí)為多個(gè)用戶提供語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和圖像等多種業(yè)務(wù)；可以同時(shí)為多個(gè)用戶提供語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和圖像等多種業(yè)務(wù)； 抗多徑干擾與頻率選擇性衰落能力強(qiáng)?？苟鄰礁蓴_與頻率選擇性衰落能力強(qiáng)。 FSO-OFDM系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)信源信道編碼信源信道編碼同步技術(shù)同步技術(shù)峰均比控制峰均比控制信道估計(jì)信道估計(jì)系統(tǒng)建模系統(tǒng)建模1 、FSO-OFDM的模型的模型1.1、 FSO-OFDM的基帶模型的基帶模型圖 FSO-OFDM基帶模型結(jié)構(gòu)圖 2/1

7、2/2expNkNkkkBtfjXtS 2/exp2cosexp2costjVVVAtjVVVAtPLDDCQLDDCI tSVBIRe tSVBQIm其中：圖 FSO-OFDM偏振調(diào)制原理圖 tNthVVVAtPDCI2cos1 tNthVVVAtPDCQ2cos2圖 FSO-OFDM偏振解調(diào)原理圖圖 頻帶FSO-OFDM結(jié)構(gòu)圖1.2、 FSO-OFDM的頻帶模型的頻帶模型 1111/22:/2/22:real xnimag xnNx nx nnNxNnnNN010002000300040005000600070008000-1-0.500.5101000200030004000500060

8、0070008000-1-0.500.51010002000300040005000600070008000-2-1012010002000300040005000600070008000-1-0.500.5105101520253010-510-410-310-210-1 BERSNR OOK 原16子 載波 原64子 載波 原128子 載波 改進(jìn)16子 載波 改進(jìn)64子 載波 改進(jìn)128子 載波圖 頻域編碼后效果圖圖 原FSO-OFDM基帶模型圖 頻域編碼后FSO-OFDM基帶模型 2、FSO-OFDM系統(tǒng)的頻域編碼系統(tǒng)的頻域編碼3、FSO-OFDM系統(tǒng)時(shí)域系統(tǒng)時(shí)域FH序列同步算法序列同步

9、算法 圖4.1 FSO-OFDM系統(tǒng)同步結(jié)構(gòu)圖v 載波同步：接收端的振蕩頻率要與發(fā)送載波同頻同相載波同步：接收端的振蕩頻率要與發(fā)送載波同頻同相v 符號(hào)同步：符號(hào)同步：IFFT和和FFT起止時(shí)刻一致起止時(shí)刻一致v 樣值同步：接收端和發(fā)送端的抽樣頻率一致樣值同步：接收端和發(fā)送端的抽樣頻率一致 載波頻率偏差對(duì)載波頻率偏差對(duì)OFDM系統(tǒng)性能的影響系統(tǒng)性能的影響 logsin-log.sin2d00SNR20101010 1 0 5947 EN圖 頻偏對(duì)OFDM系統(tǒng)影響效應(yīng)00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-35-30-25-20-15-10-50相 對(duì) 頻 率 偏

10、 差信噪比損失11dB17dB23dB29dB圖 頻偏引起的信噪比損失符號(hào)定時(shí)偏差對(duì)符號(hào)定時(shí)偏差對(duì)OFDM系統(tǒng)性能的影響系統(tǒng)性能的影響圖 定時(shí)同步與循環(huán)前綴關(guān)系示意圖d0SNR =10log10 1+ 2 NEN00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.0502468101214161820相 對(duì) 定 時(shí) 誤 差信噪比損失11dB17dB23dB29dB圖 定時(shí)偏差引起的信噪比損失Schmidl&Cox與與Minn算法算法 Schmidl&Cox 算法 Minn 算法 訓(xùn)練符號(hào) AATCS& -MinnTB B B B 相關(guān)

11、函數(shù) 2/12/0&NmdrmdrdPNmCS 1014/0*422kNmMinnNmkNdrmkNdrdP 能量函數(shù) 212/0&NmCSmdrdR 1014/0242kNmMinnNmkNdrdR 度量函數(shù) dRdPdMCSCSCS2&2& 22dRdPdMMinnMinnMinn 圖 Schmidl &Cox算法和Minn算法定時(shí)尺度曲線比較圖 0200400600800100012000.00.20.40.60.8 時(shí) 間公尺樣值序號(hào) S&C算法 Minn算法基于基于FH序列的符號(hào)同步算法序列的符號(hào)同步算法NO.1 對(duì)稱FH序列符號(hào)定時(shí)算

12、法 0200400600800100012000.00.10.20.30.40.50.60.7 時(shí) 間公尺樣值序號(hào)圖 定時(shí)尺度曲線 克服了克服了S&C算法定時(shí)尺度曲線存在的平臺(tái)問(wèn)題算法定時(shí)尺度曲線存在的平臺(tái)問(wèn)題不存在不存在Minn算法中的旁瓣干擾問(wèn)題算法中的旁瓣干擾問(wèn)題 除了在正確位置出現(xiàn)定時(shí)尖峰外，還存在兩個(gè)尖銳的脈沖，當(dāng)信號(hào)衰減比較大時(shí)，除了在正確位置出現(xiàn)定時(shí)尖峰外，還存在兩個(gè)尖銳的脈沖，當(dāng)信號(hào)衰減比較大時(shí)，這兩個(gè)脈沖必然會(huì)影響系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的符號(hào)定時(shí)這兩個(gè)脈沖必然會(huì)影響系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的符號(hào)定時(shí) NO.2 共軛對(duì)稱FH序列符號(hào)定時(shí)算法1 0200400600800100012000.0

13、0.20.40.60.8 時(shí) 間公尺樣值序號(hào) S&C算法 Minn算法 改進(jìn)算法圖 定時(shí)偏移估計(jì)比較 消除對(duì)稱消除對(duì)稱FH序列符號(hào)定時(shí)算法中定時(shí)曲線的一個(gè)副峰序列符號(hào)定時(shí)算法中定時(shí)曲線的一個(gè)副峰 還存在一個(gè)副峰的影響還存在一個(gè)副峰的影響 NO.3 共軛對(duì)稱FH序列符號(hào)定時(shí)算法2圖 定時(shí)尺度曲線0200400600800100012000.00.20.40.60.81.0 時(shí) 間公尺樣值序號(hào) No.3 算法只在正確定時(shí)點(diǎn)存在尖峰，其它時(shí)刻對(duì)應(yīng)值都非常小只在正確定時(shí)點(diǎn)存在尖峰，其它時(shí)刻對(duì)應(yīng)值都非常小 FSO-OFDM系統(tǒng)頻率同步算法的研究系統(tǒng)頻率同步算法的研究 基于循環(huán)前綴的最大似然基于循

14、環(huán)前綴的最大似然(ML)同步算法同步算法 )()()(/2nednsnrNnfjc)(21)(ddfML)()(maxargddddML1*( )( )()dLnddr n rnN212( )1/2( )()d Ln ddr nr nN （）01000200030004000-2.0 x106-1.5x106-1.0 x106-5.0 x1050.0 樣值符 號(hào)01000200030004000-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.40.5 樣值符 號(hào)01000200030004000-4.0 x105-3.5x105-3.0 x105-2.5x105-2.0 x

15、105-1.5x105-1.0 x105-5.0 x1040.05.0 x104 極大似然函數(shù)輸出符 號(hào)序列 循環(huán) 前 綴 56 循環(huán) 前 綴 512圖 ML算法估計(jì)效果圖4、降低、降低PAPR的方法的方法優(yōu)點(diǎn)處理簡(jiǎn)單缺點(diǎn)引起信號(hào)失真增加帶外輻射降低功率效率系統(tǒng)復(fù)雜度會(huì)隨著擾碼序列的增加呈指數(shù)增加。只是減小高PAPR出現(xiàn)的概率運(yùn)算量太大分組編碼：誤碼率大簡(jiǎn)單分組編碼：不能避免某些碼子編碼后PAPR增加的可能求補(bǔ)分組編碼：降低了系統(tǒng)效率基于基于Golay 互補(bǔ)序列和互補(bǔ)序列和Reed-Muller碼的編碼算法碼的編碼算法 其它; 00;2)(21010nNnNbbaanNiinNiininidB

16、NNPAPR32/2max NfBfA222 02fB NfA22Golay互補(bǔ)序列具有優(yōu)良的PAPR特性 編碼原理編碼原理產(chǎn)生生成矩陣 對(duì)于生成矩陣：其中 是碼長(zhǎng)為 的全“1”向量； 是碼長(zhǎng)為 的矩陣，它的第i個(gè)行向量是 個(gè)0后緊跟 個(gè)1，再在這一行中將此結(jié)果重復(fù) 次。mrRMh,2TmlGGGGG10m20GlGmm2im2im212i計(jì)算陪集 對(duì)于 有 個(gè)陪集。陪集表達(dá)式為：行數(shù)：列數(shù)：mRM , 12/ !m 12111kxkxmkh2/ !mm2產(chǎn)生Golay序列 由輸入序列的前w位形成的十進(jìn)制數(shù)d選擇出的陪集矩陣的行與S按照模 相加，從而形成Golay互補(bǔ)序列。h2求取中間變量子載

17、波數(shù)為輸入的二進(jìn)制序列數(shù)為輸入序列的前w位形成一個(gè)十進(jìn)制數(shù)d來(lái)選擇陪集矩陣的行數(shù)；剩下的 位依次取h位形成 個(gè)十進(jìn)制信息符號(hào)m21mhw2!log2mINTw1mh1m121,muuuhmimiiuxuS2mod11仿真實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)0100 200 300 400 500 600 700 800 900100034567891011 PAPR(dB)stimulation times0100 200 300 400 500 600 700 800 9001000234567891011 PAPR(dB)stimulation times圖5.2 采用QPSK調(diào)制方式下編碼前后PAPR變化曲線0

18、100 200 300 400 500 600 700 800 900100068101214 PAPR/dBstimulation times0100 200 300 400 500 600 700 800 90010002468101214 PAPR/dBstimulation times圖5.3 采用QAM調(diào)制方式下編碼前后PAPR變化曲線5. 大氣散射效應(yīng)對(duì)大氣散射效應(yīng)對(duì)FSO-OFDM信號(hào)的影響信號(hào)的影響5. 1 大氣信道模型大氣信道模型v 在不考慮背景光干擾的情況下，有在不考慮背景光干擾的情況下，有fbsSSSS圖6.1 信道鏈路 lIdlIIlexpexp000221( , )

19、( )rerr Q nn r dr其中：其中： ldl0expv 大氣透射率大氣透射率5.2 雨、霧、沙塵粒子對(duì)激光信號(hào)的衰減雨、霧、沙塵粒子對(duì)激光信號(hào)的衰減0.010.11110100100010000 衰減 dB/km能見(jiàn)度 km 輻 射霧=10.60m 輻 射霧=650nm 輻 射霧=350nm 平流 霧=10.60m 平流 霧=650nm 平流 霧=350nm020040060080010000100200300400500 衰減 dB/km能見(jiàn)度 m =350nm =650nm =10.60m圖 不同波長(zhǎng)的光信號(hào)在雨、霧、沙塵信道下的衰減5101520253010-510-410-3

20、10-210-1 BERSNR N=32N=32 大雨(55mm/h) 中雨(25mm/h) 小雨(10mm/h)5101520253010-510-410-310-210-1 BERSNR N=128N=128 大雨(55mm/h) 中雨(25mm/h) 小雨(10mm/h)5101520253010-510-410-310-210-1 BERSNR N=256 大雨(55mm/h) 中雨(25mm/h) 小雨(10mm/h)5101520253010-610-510-410-310-210-1100 BERSNR N=32 Radiation fog Advection fog510152

21、0253010-610-510-410-310-210-1100 BERSNR N=128 Radiation fog Advection fog5101520253010-610-510-410-310-210-1100 BERSNR N=256 Radiation fog Advection fog圖 不同天氣條件下FSO-OFDM系統(tǒng)性能5.3 不同天氣條件下不同天氣條件下FSO-OFDM系統(tǒng)性能系統(tǒng)性能5.4 數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析在光強(qiáng)度衰減起伏方差相差不大的情況下，在光強(qiáng)度衰減起伏方差相差不大的情況下，光強(qiáng)度衰減越小系統(tǒng)性能越好光強(qiáng)度衰減越小系統(tǒng)性能越好 6. FSO-OFDM系統(tǒng)導(dǎo)頻輔

22、助信道估計(jì)系統(tǒng)導(dǎo)頻輔助信道估計(jì)6.1 基于頻域?qū)ьl的信道估計(jì)算法基于頻域?qū)ьl的信道估計(jì)算法 STEP1設(shè)計(jì)導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)STEP2獲得導(dǎo)頻位置處的獲得導(dǎo)頻位置處的信道響應(yīng)信道響應(yīng)STEP3根據(jù)導(dǎo)頻位置處的根據(jù)導(dǎo)頻位置處的信道響應(yīng)利用插值信道響應(yīng)利用插值算法恢復(fù)出所有位算法恢復(fù)出所有位置的信道響應(yīng)。置的信道響應(yīng)。STEP1 導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)v 導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)分為塊狀導(dǎo)頻、梳狀導(dǎo)頻和離散導(dǎo)頻導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)分為塊狀導(dǎo)頻、梳狀導(dǎo)頻和離散導(dǎo)頻 fDfDffmaxmax1/1TfDfTDDtDtmaxmax212/1圖 導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)圖STEP2 導(dǎo)頻位置信道響應(yīng)導(dǎo)頻位置信道響應(yīng)A、基于、基于LS準(zhǔn)則的估計(jì)算法準(zhǔn)則的估計(jì)算法 ppppppLSXHYXHYJpppppppppppXWHXWXXHXYHLS的代價(jià)函數(shù)： 10,1/, 2 , 10PPPNmNNjDatajPilotjNNmXkX TPiiiiNXXXX110 TPiiiiNYYYY110iiiiNHXdiagY插入導(dǎo)頻：導(dǎo)頻序列：接收信號(hào)： iTPiiiiiiTPiiiiHNXYXYXYNHHHH110110B、基于、基于MMSE準(zhǔn)則的維納濾波的信道估計(jì)準(zhǔn)則的維納濾波的信道估計(jì) ppppMMSEHHHHEJpTpMpppYWYwH1pTpppppYWHHHekkkjbaw kp