一种动态调整最优发射模式组合的空间光通信系统技术方案

本发明专利技术涉及一种动态调整最优发射模式组合的空间光通信系统，包括：大气湍流强度检测装置，获取大气信道的大气湍流强度；模式动态调整装置，采用最优模式组合选择算法，从不同LG光束模式组合中选取处在当前大气湍流强度下频率效率最大的最优LG光束模式组合；多路LG模发生装置，基于最优LG光束模式组合产生多路LG光束；多路LG模调制发送装置，基于多路LG光束调制射频信号，产生多路光载射频信号并复用至同一信道发射；多路LG模接收检测装置，接收经大气信道传输的光载射频信号，经解复和解调后输出射频信号。与现有技术相比，本发明专利技术具有系统频谱效率、系统容量和抗干扰能力等优点。

A spatial optical communication system with dynamic adjustment of optimal emission patterns

The invention relates to a system of space optical communication, dynamic adjustment of the optimal transmission mode combinations include: atmospheric turbulence intensity detection device, acquiring atmospheric turbulence intensity of the atmospheric channel model; dynamic adjustment device, using the optimal combination mode selection algorithm in selecting optimal combination of LG beam current mode frequency efficiency of the atmospheric turbulence intensity maximum from different LG beam mode combination; multi LG mode generator to generate multiple LG optimal portfolio based on LG beam beam mode; LG mode multi modulation transmission device, multi-channel LG beam modulated RF signal based on multi-channel optical RF signal generation and reuse to the same channel; multiplex LG detection device receives the receiving mode, atmospheric transmission optical RF signal, the output RF signal after demodulation and multiplexing. Compared with the prior art, the invention has the advantages of the system spectrum efficiency, the system capacity and the anti-interference ability.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种空间光通信系统，尤其是涉及一种动态调整最优发射模式组合的空间光通信系统。
技术介绍
轨道角动量复用技术是一种新型空分复用技术，它是将载波所携带的轨道角动量量子数(OAM模式)作为调制参数。利用OAM模式内在的正交性，将多路信号调制在不同的OAM模式上，根据模式数区分不同的信道。这样在相同载频上可以得到多个相互独立的OAM信道。OAM是描述螺旋波束能量横向旋转模式的空间坐标维度，可用m表示，OAM量子(或模式数)m可取任意数值。携带有OAM的电磁波束具有螺旋波阵面。由于不同模式之间的正交性质使得OAM可以作为一种复用资源，理论上同一载频利用OAM复用可获得无穷的传输能力。因此基于OAM的复用技术可以极大地提高频谱效率和系统容量。拉盖尔-高斯(LG)波束是一种常用的轨道角动量复用载波，其表达式为：公式(1)中p为径向节点数，m为模式数。文献“Zhao N,Li X.Capacity limits of spatially multiplexed free-space communication[J].Nature Photonics,16 November 2015(VOL 9)”提出的OAM复用频谱效率的计算方法为： S E = Σ q = 1 Q log 2 ( 1 + λ q P q σ 2 ) = Σ q = 1 Q log 2 ( 1 + λ q · S N R ) - - - ( 2 ) ]]>公式(2)中Q为信道总数，q为子信道数，λq为传输矩阵h的奇异值的平方，即h*h的特征值，代表相应子信道的增益。由式(2)中可看出，频谱效率和各个子信道的增益相关，则选择增益λq较大的子信道进行传输可以有效的提高频谱效率，即进行最优模式选择能够有效提高频谱效率。现有的OAM复用技术是使用p＝0的LG波束，并使用未进行最优模式选择的OAM模式。本专利技术中使用的LG模复用技术，使用了多种径向节点数(p＝0,1,2,3…)的LG波束，并根据监测的大气湍流强度动态选择最优模式组合，与现有技术相比，优化了频谱效率，提高了系统容量，增强了系统抗干扰能力，并降低了成本。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种动态调整最优发射模式组合的空间光通信系统，通过发射一束特定波长的监测光束来监测实时大气湍流强度，反馈给模式动态调整装置，通过模式选择算法控制光通信系统发射端的模式组合，以优化频谱效率，使同等模式数及同等功率时系统容量最大化，这样就降低了系统对模式数量和功率的要求，大大降低了成本。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种动态调整最优发射模式组合的空间光通信系统包括：大气湍流强度检测装置，获取大气信道的大气湍流强度；模式动态调整装置，采用最优模式组合选择算法，从不同LG光束模式组合中选取处在当前大气湍流强度下频率效率最大的最优LG光束模式组合，所述最优LG光束模式组合包括最优径向节点数和以及对应最优径向节点数的最优模式数；多路LG模发生装置，基于最优LG光束模式组合产生多路LG光束；多路LG模调制发送装置，基于多路LG光束调制射频信号，产生多路光载射频信号并复用至同一信道发射；多路LG模接收检测装置，接收经大气信道传输的光载射频信号，经解复和解调后输出射频信号。所述最优模式组合选择算法包括以下步骤：1)初始化设置所有最优模式数的总个数为Q，其中，第i个初始径向节点数对应的最优模式数的个数为ni，Np为初始径向节点数的总个数，Ni为第i个初始径向节点数对应的初始模式数的总个数，ni≠0对应的初始径向节点数为最优径向节点数；2)穷举所有可能的最优LG光束模式组合，所有可能的最优LG光束模式组合中，每个初始径向节点数对应的最优模式数的选取优先级与初始模式数的阶数绝对值成反比；3)基于大气湍流强度获取所有可能的最优LG光束模式组合的频谱效率；4)遍历所有频率效率，输出频率效率最大值对应的最优LG光束模式组合。所述步骤2)中，当初始模式数的阶数绝对值相同时，优选选取阶数为正数的初始模式数为最优模式数。所述模式动态调整装置中采用注水信道功率分配算法获取频谱效率。所述注水信道功率分配算法的具体步骤为：31)针对每一可能的最优LG光束模式组合，根据大气湍流强度、最优径向节点数和最优模式数获得对应的信道矩阵；32)设置最优功率分配公式为Si＝(μ-1/(ρ·di2))+,i＝1,...,NS，其中，NS表示分配功率的信道总数，Si表示第i个信道分配到的功率，μ表示功率分配因子，di2为h*h的特征值并降序排列，h表示步骤31)获得的信道矩阵，ρ为信噪比，符号(·)+表示(·)内的数值为非负数；33)根据最优功率分配公式中Si≥0的条件迭代求解得到NS和μ；34)基于最优功率分配公式，由NS和μ得到Si，Si对应最优功率分配方案；35)由Si得到频谱效率SE，满足以下公式： S E = Σ i = 1 N S log 2 ( 1 + d i 2 · S i · ρ ) . ]]>所述大气湍流强度检测装置包括：单路监测光束发生单元，生成单路LG光束；监测光束调制发送单元，将测试信号调制到单路LG光束上形成光载测试信号，并发射光载测试信号；监测光束接收检测单元，接收经大气信道传输的光载测试信号，对光载测试信号进行光功率检测，得到大气信道的大气湍流强度。所述单路LG光束和多路LG光束分别由不同波长的激光光源转换生成。所述单路LG光束由波长1050nm的激光光源转换生成，所述多路LG光束由波长950nm的激光光源转换生成。与现有技术相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种动态调整最优发射模式组合的空间光通信系统，其特征在于，包括：大气湍流强度检测装置，获取大气信道的大气湍流强度；模式动态调整装置，采用最优模式组合选择算法，从不同LG光束模式组合中选取处在当前大气湍流强度下频率效率最大的最优LG光束模式组合，所述最优LG光束模式组合包括最优径向节点数和以及对应最优径向节点数的最优模式数；多路LG模发生装置，基于最优LG光束模式组合产生多路LG光束；多路LG模调制发送装置，基于多路LG光束调制射频信号，产生多路光载射频信号并复用至同一信道发射；多路LG模接收检测装置，接收经大气信道传输的光载射频信号，经解复和解调后输出射频信号。

【技术特征摘要】
1.一种动态调整最优发射模式组合的空间光通信系统，其特征在于，包括：大气湍流强度检测装置，获取大气信道的大气湍流强度；模式动态调整装置，采用最优模式组合选择算法，从不同LG光束模式组合中选取处在当前大气湍流强度下频率效率最大的最优LG光束模式组合，所述最优LG光束模式组合包括最优径向节点数和以及对应最优径向节点数的最优模式数；多路LG模发生装置，基于最优LG光束模式组合产生多路LG光束；多路LG模调制发送装置，基于多路LG光束调制射频信号，产生多路光载射频信号并复用至同一信道发射；多路LG模接收检测装置，接收经大气信道传输的光载射频信号，经解复和解调后输出射频信号。2.根据权利要求1所述的一种动态调整最优发射模式组合的空间光通信系统，其特征在于，所述最优模式组合选择算法包括以下步骤：1)初始化设置所有最优模式数的总个数为Q，其中，第i个初始径向节点数对应的最优模式数的个数为ni，0≤ni≤Ni，Np为初始径向节点数的总个数，Ni为第i个初始径向节点数对应的初始模式数的总个数，ni≠0对应的初始径向节点数为最优径向节点数；2)穷举所有可能的最优LG光束模式组合，所有可能的最优LG光束模式组合中，每个初始径向节点数对应的最优模式数的选取优先级与初始模式数的阶数绝对值成反比；3)基于大气湍流强度获取所有可能的最优LG光束模式组合的频谱效率；4)遍历所有频率效率，输出频率效率最大值对应的最优LG光束模式组合。3.根据权利要求2所述的一种动态调整最优发射模式组合的空间光通信系统，其特征在于，所述步骤2)中，当初始模式数的阶数绝对值相同时，优选选取阶数为正数的初始模式数为最优模式数。4.根据权利要求1所述的一种动态调整最优发射模式组合的空间光通信系统，其特征在于，所述模式动态调整装置中采用注水信道功率分配算法获取频谱效率。5.根据权利要求4所述的一种动态调整最优发射模式组合的空间光通信系统，其特征在于，所述注水信道功率分配算法的具体步骤为：31)针对每一可能的最优LG光束模式组合，根据大气湍流强度、最优径向节点数和最优模式数获得对应的信道矩阵；32)设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：周俊鹤，纵金榜，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31