应用波长分集的串行中继OFDM自由空间光通信系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种应用波长分集的串行中继OFDM自由空间光通信系统及方法，包括：1个源节点S，N‑1个中继节点R以及1个目的节点D。系统每一个单跳都为一个波长分集装置，其中，1个组合发射机将光信号同时以多个不同波长进行发送，1个接收天线阵列中的M根接收天线分别接收特定波长的光信号。在强大气湍流下，应用指数威布尔分布模型，中继传输协议采用译码转发(DF)，综合考虑大气湍流、路径损耗和瞄准误差对大气湍流信道的联合衰减作用，推导出系统中断概率和误符号率的闭合表达式，并采用蒙特卡罗方法验证数值仿真结果的正确性。本发明专利技术在OFDM串行中继自由空间光通信中引入波长分集技术，在扩大通信范围的基础上有效改善了系统的通信性能。

【技术实现步骤摘要】
应用波长分集的串行中继OFDM自由空间光通信系统及方法
本专利技术属于无线光通信领域，具体地涉及一种结合波长分集和DF串行中继结构的OFDM自由空间光通信系统及方法。
技术介绍
以激光为光源的自由空间光通信(FreeSpaceOptical-Communication，FSO)系统与现有射频无线通信相比，具有可用频带宽、安全性高、无需频谱许可等优点，近年来受到普遍关注。然而，由于光信号在大气中传播，大气中的温度不均匀性和压力变化会造成大气湍流从而引起信号衰落，严重影响了FSO系统的通信性能。且接收端和发射端未对准导致的瞄准误差也会影响通信链路的性能。并且，湍流衰落、瞄准误差与传输距离均呈递增关系，当发射端与接收端之间距离较大时，使用单跳FSO直传链路是不现实的。中继技术能扩大系统发射端覆盖面积，增加系统链路的容量，提升系统的稳定性。中继系统按不同的链路部署方式分为串行中继(多跳传输)和并行中继(协作分集)。串行中继可以提高系统通信范围，提高传输速率。但是应用串行中继结构的FSO通信性能会随着系统跳数的增加而降低。为了提高应用串行中继结构的FSO系统的通信性能，多种有效缓解技术被用于克制大气湍流的影响，包括自适应光学、孔径平均、误差控制编码和分集技术。其中，自适应光学技术较为复杂且不利于降低接收机的尺寸、重量和功耗。孔径平均中接收机的尺寸、重量会限制孔径的大小，并且接收机收集的背景噪声数量会着接收器孔径面积的增加而增加。误差控制编码需要较大尺寸的交织器并导致大延时。分集技术是指发送多个信号的副本，以补偿衰落信道损耗。它通常利用无线传播环境中同一信号的独立样本之间不相关的特点，使用一定的信号合并技术改善接收信号，来抵抗衰落引起的不良影响。常用的分集技术有空间分集、时间分集和波长分集。空间分集技术能够克服空间选择性衰落，但是空间分集接收机之间的距离要满足大于3倍波长的基本条件。时间分集是将同一信号相隔一定的时隙进行多次重发以克服路径衰减，但会导致一定的延时。波长分集结合组合发射机，在不同的工作波长上将相同的信号同时传输到多个接收特定波长信号的接收机上，并在接收端进行合并。本专利技术在中继系统中引入波长分集技术，并结合正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)技术，在进一步扩大通信范围的同时，有效地改善了系统的通信性能，因而具有重要的理论意义和应用价值。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的是提供一种应用波长分集的串行中继OFDM自由空间光通信系统及方法，以缓解使用中继结构的OFDM自由空间光通信系统通信性能受大气湍流影响的问题。为了达到上述目的，本专利技术实施例所采用的技术方案如下：第一方面，本专利技术实施例提供一种应用波长分集的串行中继OFDM自由空间光通信系统，包括：1个源节点，源节点只包括发射端，用于通过1个第一组合发射机在同一时刻将由第一信号调制而来的OFDM信号经电光转换后得到的光信号使用发射天线以M个不同的工作波长进行发送；所述电光转换是通过M个马赫增德尔调制器(MZM)进行光强度调制，将OFDM电信号调制到M个激光源生成的M个不同工作波长的光载波上，输出的M路光信号分别由多模光纤传输到光纤耦合器耦合成一路光信号；N-1个中继节点，N-1个中继节点依次串联，每个所述中继节点均具有1个第二组合发射机和1个第一接收天线阵列包括M根第一接收天线，第一个中继节点的第一接收天线阵列中的M根第一接收天线分别接收所述源节点发送的M个不同工作波长的光信号，并将其进行光电转换、合并，之后对得到的OFDM信号进行解调，得到第二信号，再在第二组合发射机中将其进行OFDM调制、电光转换得到光信号，使用发射天线在同一时刻将光信号分别以M个不同的工作波长发送至下一中继节点，直至最后一个中继节点；所述光电转换是通过M个光电探测器将接收到的M个不同工作波长的光信号转换为电信号；所述电光转换是通过M个马赫增德尔调制器(MZM)进行光强度调制，将OFDM电信号调制到M个激光源生成的M个不同工作波长的光载波上，输出的M路光信号分别由多模光纤传输到光纤耦合器耦合成一路光信号；其中，不同工作波长的光信号通过大气湍流信道，受大气湍流干扰；1个目的节点，目的节点只包括接收端，用于通过1个第二接收天线阵列中的M根第二接收天线分别接收第N-1个中继节点发送的M个不同工作波长的光信号，并将其进行光电转换、合并，之后对得到的OFDM信号进行解调，得到第二信号；所述光电转换是通过M个光电探测器将接收到的M个不同工作波长的光信号转换为电信号；其中，所述第一信号为原始信号，第二信号为原始信号受联合衰减大气信道影响后的信号。第二方面，本专利技术实施例提供一种应用波长分集的串行中继OFDM自由空间光通信方法，包括：在源节点，对要发送的第一信号进行OFDM调制和电光转换，并通过M个不同的工作波长发送光信号；所述电光转换是将OFDM电信号调制到M个不同工作波长的光载波上，然后耦合成一路光信号；其中，不同工作波长的光信号通过大气湍流信道，受大气湍流干扰；在N-1个依次串联的中继节点，将接收到的M个不同工作波长的光信号进行光电转换、合并，之后对得到的OFDM信号进行解调，得到第二信号，再将其进行OFDM调制、电光转换后得到的光信号在同一时刻分别以M个不同的工作波长发送至下一中继节点，直至最后一个中继节点；所述光电转换是将接收到的M个不同工作波长的光信号转换为电信号；所述电光转换是将OFDM电信号调制到M个不同工作波长的光载波上，然后耦合成一路光信号；在目的节点，将接收到的第N-1个中继节点发送的M个不同工作波长的光信号进行光电转换、合并，之后对得到的OFDM信号进行解调，得到第二信号；所述光电转换是将接收到的M个不同工作波长的光信号转换为电信号；其中，所述第一信号为原始信号，第二信号为原始信号受联合衰减大气信道影响后的信号。根据以上技术方案，本专利技术应用波长分集的串行中继FSO系统，在FSO系统的中继结构中引入波长分集技术，有机结合了波长分集和串行中继两种技术，有效降低了发射机的损耗。并且结合OFDM技术，具有很好的抗大气湍流能力，系统采用的相干光检测技术能极大地提升接收机的灵敏度。采用波长分集技术的DF串行中继OFDMFSO系统在进一步扩大通信范围的同时，提高通信可靠性，有效地改善了系统的通信性能。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是本专利技术实施例的一种应用波长分集技术的串行中继OFDM自由空间光通信系统的示意图；图2是本专利技术实施例中的OFDM波长分集装置的图示；图3是本专利技术实施例中的波长分集DF串行中继OFDMFSO系统在强大气湍流下的中断概率的数值仿真和蒙特卡罗验证图；图4是本专利技术实施例中的波长分集DF串行中继OFDMFSO系统在强大气湍流下的误符号率的数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用波长分集的串行中继OFDM自由空间光通信系统，其特征在于，包括：/n1个源节点，用于通过1个第一组合发射机在同一时刻将由第一信号调制而来的OFDM信号经电光转换后得到的光信号使用发射天线以M个不同的工作波长进行发送；所述电光转换是通过M个马赫增德尔调制器(MZM)进行光强度调制，将OFDM电信号调制到M个激光源生成的M个不同工作波长的光载波上，输出的M路光信号分别由多模光纤传输到光纤耦合器耦合成一路光信号；/nN-1个中继节点，N-1个中继节点依次串联，每个所述中继节点均具有1个第二组合发射机和1个第一接收天线阵列包括M根第一接收天线，第一个中继节点的第一接收天线阵列中的M根第一接收天线分别接收所述源节点发送的M个不同工作波长的光信号，并将其进行光电转换、合并，之后对得到的OFDM信号进行解调，得到第二信号，再在第二组合发射机中将其进行OFDM调制、电光转换得到光信号，使用发射天线在同一时刻将光信号分别以M个不同的工作波长发送至下一中继节点，直至最后一个中继节点；所述光电转换是通过M个光电探测器将接收到的M个不同工作波长的光信号转换为电信号；所述电光转换是通过M个马赫增德尔调制器(MZM)进行光强度调制，将OFDM电信号调制到M个激光源生成的M个不同工作波长的光载波上，输出的M路光信号分别由多模光纤传输到光纤耦合器耦合成一路光信号；其中，不同工作波长的光信号通过大气湍流信道，受大气湍流干扰；/n1个目的节点，用于通过1个第二接收天线阵列中的M根第二接收天线分别接收第N-1个中继节点发送的M个不同工作波长的光信号，并将其进行光电转换、合并，之后对得到的OFDM信号进行解调，得到第二信号；所述光电转换是通过M个光电探测器将接收到的M个不同工作波长的光信号转换为电信号；/n其中，所述第一信号为原始信号，第二信号为原始信号受联合衰减大气信道影响后的信号。/n...

【技术特征摘要】
1.一种应用波长分集的串行中继OFDM自由空间光通信系统，其特征在于，包括：
1个源节点，用于通过1个第一组合发射机在同一时刻将由第一信号调制而来的OFDM信号经电光转换后得到的光信号使用发射天线以M个不同的工作波长进行发送；所述电光转换是通过M个马赫增德尔调制器(MZM)进行光强度调制，将OFDM电信号调制到M个激光源生成的M个不同工作波长的光载波上，输出的M路光信号分别由多模光纤传输到光纤耦合器耦合成一路光信号；
N-1个中继节点，N-1个中继节点依次串联，每个所述中继节点均具有1个第二组合发射机和1个第一接收天线阵列包括M根第一接收天线，第一个中继节点的第一接收天线阵列中的M根第一接收天线分别接收所述源节点发送的M个不同工作波长的光信号，并将其进行光电转换、合并，之后对得到的OFDM信号进行解调，得到第二信号，再在第二组合发射机中将其进行OFDM调制、电光转换得到光信号，使用发射天线在同一时刻将光信号分别以M个不同的工作波长发送至下一中继节点，直至最后一个中继节点；所述光电转换是通过M个光电探测器将接收到的M个不同工作波长的光信号转换为电信号；所述电光转换是通过M个马赫增德尔调制器(MZM)进行光强度调制，将OFDM电信号调制到M个激光源生成的M个不同工作波长的光载波上，输出的M路光信号分别由多模光纤传输到光纤耦合器耦合成一路光信号；其中，不同工作波长的光信号通过大气湍流信道，受大气湍流干扰；
1个目的节点，用于通过1个第二接收天线阵列中的M根第二接收天线分别接收第N-1个中继节点...

【专利技术属性】
技术研发人员：王怡，詹晓彤，朱琳，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33