无线光通信中的多载波调制

1、FSO-OFDM系统关键技术研究大气激光通信面临的挑战大气激光通信面临的挑战 速率受限速率受限 大气信道干扰大气信道干扰 将将OFDM技术应用于技术应用于FSO中势必会突破制约光通信中势必会突破制约光通信发展的瓶颈，发展的瓶颈， 提高光通信的信息传输速率和可靠性。提高光通信的信息传输速率和可靠性。 成本低、组网灵活、安装方便、无需频率许可等成本低、组网灵活、安装方便、无需频率许可等FSO-OFDM系统发展史系统发展史国外已有很多学者开展了对国外已有很多学者开展了对FSO-OFDM系统的研究，并已取得一些成绩。系统的研究，并已取得一些成绩。Yi Sun建立了一种基于判决反馈的建立了一种基于判决反

2、馈的OFDM系统模型；系统模型；Roy You研究了降低研究了降低FSO-OFDM峰值平均功率比的技术峰值平均功率比的技术 2001 2003 omoaki Ohtsuki介绍了无线激光通信系统中多载波调制的基本原介绍了无线激光通信系统中多载波调制的基本原理和特性。理和特性。张煦发表了一篇题为张煦发表了一篇题为多载波调制在通信系统的应用多载波调制在通信系统的应用的文章的文章 2005 Peter Horvath等人研究了等人研究了MZM调制器的非线性效应对调制器的非线性效应对OFDM信号的影响信号的影响 2006 W.Shieh 等人提出了基于相干检测的等人提出了基于相干检测的OFDM系统系统

3、（CO-OFDM） 2007Ivan B.Djordjevic等人提出了一种适合于光通信的等人提出了一种适合于光通信的LDPC-Coded-OFDM IM/DD系统系统 2008Neda Cvijetic首次在室内模拟了通信速率为首次在室内模拟了通信速率为10Gb/s，传输距离为，传输距离为2.5km的的FSO通信实验通信实验 指出指出OFDM将会成为下一代将会成为下一代FSO系统最有效的方案。系统最有效的方案。v 近几年国内对光正交频分复用技术的应用研究主要集中在近几年国内对光正交频分复用技术的应用研究主要集中在两方面两方面应用于光骨干网上以实现高速路、长距离、无色散补偿应用于光骨干网上以实

4、现高速路、长距离、无色散补偿的数据传输的数据传输应用于光接入网，以实现系统的低成本升级应用于光接入网，以实现系统的低成本升级v 期间有几家著名高校和研究机构对其关键技术展开了研究：期间有几家著名高校和研究机构对其关键技术展开了研究：复旦大学和北京邮电大学采用复旦大学和北京邮电大学采用MSK(最小频移键控最小频移键控)编码的调制方编码的调制方案，实现了案，实现了2.5Gbit/s、25Km的的OFDM-MSK下行信号的传输；下行信号的传输；清华大学提出基于光采样的光正交频分复用技术，实现了清华大学提出基于光采样的光正交频分复用技术，实现了50Gbit/s光正交频分复用信号正在标准单模光纤中传输光

5、正交频分复用信号正在标准单模光纤中传输20km；天津理工大学和电子科技大学对光正交频分复用系统的同步算天津理工大学和电子科技大学对光正交频分复用系统的同步算法展开了系统研究，提出了适合于光纤信道的各种同步算法法展开了系统研究，提出了适合于光纤信道的各种同步算法 ；武汉光电国家实验室对如何降低光正交频分复用系统峰值平均武汉光电国家实验室对如何降低光正交频分复用系统峰值平均功率比进行了研究，提出了通过调整子载波初始相位来抑制峰值功率比进行了研究，提出了通过调整子载波初始相位来抑制峰值平均功率比的算法，该算法使系统入射光功率显著增加且增加了平均功率比的算法，该算法使系统入射光功率显著增加且增加了传输

6、距离；传输距离；FSO-OFDM的优势的优势 系统稳定性高；系统稳定性高；容易加载前向纠错编码；容易加载前向纠错编码；频谱利用率很高；频谱利用率很高；可以同时为多个用户提供语音、数据和图像等多种业务；可以同时为多个用户提供语音、数据和图像等多种业务； 抗多径干扰与频率选择性衰落能力强。抗多径干扰与频率选择性衰落能力强。 FSO-OFDM系统中的关键技术系统中的关键技术关键技术关键技术信源信道编码信源信道编码同步技术同步技术峰均比控制峰均比控制信道估计信道估计系统建模系统建模1 、FSO-OFDM的模型的模型1.1、 FSO-OFDM的基带模型的基带模型图 FSO-OFDM基带模型结构图 2/1

7、2/2expNkNkkkBtfjXtS 2/exp2cosexp2costjVVVAtjVVVAtPLDDCQLDDCI tSVBIRe tSVBQIm其中：图 FSO-OFDM偏振调制原理图 tNthVVVAtPDCI2cos1 tNthVVVAtPDCQ2cos2图 FSO-OFDM偏振解调原理图图 频带FSO-OFDM结构图1.2、 FSO-OFDM的频带模型的频带模型 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 载波 原64子 载波 原128子 载波 改进16子 载波 改进64子 载波 改进128子 载波图 频域编码后效果图图 原FSO-OFDM基带模型图 频域编码后FSO-OFDM基带模型 2、FSO-OFDM系统的频域编码系统的频域编码3、FSO-OFDM系统时域系统时域FH序列同步算法序列同步

9、算法 图4.1 FSO-OFDM系统同步结构图v 载波同步：接收端的振荡频率要与发送载波同频同相载波同步：接收端的振荡频率要与发送载波同频同相v 符号同步：符号同步：IFFT和和FFT起止时刻一致起止时刻一致v 样值同步：接收端和发送端的抽样频率一致样值同步：接收端和发送端的抽样频率一致 载波频率偏差对载波频率偏差对OFDM系统性能的影响系统性能的影响 logsin-log.sin2d00SNR20101010 10 5947 EN图 频偏对OFDM系统影响效应00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-35-30-25-20-15-10-50相 对 频 率 偏

10、差信噪比损失11dB17dB23dB29dB图 频偏引起的信噪比损失符号定时偏差对符号定时偏差对OFDM系统性能的影响系统性能的影响图 定时同步与循环前缀关系示意图d0SNR =10log10 1+ 2 NEN00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.0502468101214161820相 对 定 时 误 差信噪比损失11dB17dB23dB29dB图 定时偏差引起的信噪比损失Schmidl&Cox与与Minn算法算法 Schmidl&Cox 算法 Minn 算法 训练符号 AATCS& -MinnTB B B B 相关函

11、数 2/12/0&NmdrmdrdPNmCS 1014/0*422kNmMinnNmkNdrmkNdrdP 能量函数 212/0&NmCSmdrdR 1014/0242kNmMinnNmkNdrdR 度量函数 dRdPdMCSCSCS2&2& 22dRdPdMMinnMinnMinn 图 Schmidl &Cox算法和Minn算法定时尺度曲线比较图 0200400600800100012000.00.20.40.60.8 时 间公尺样值序号 S&C算法 Minn算法基于基于FH序列的符号同步算法序列的符号同步算法NO.1 对称FH序列符号定时算法

12、 0200400600800100012000.00.10.20.30.40.50.60.7 时 间公尺样值序号图 定时尺度曲线 克服了克服了S&C算法定时尺度曲线存在的平台问题算法定时尺度曲线存在的平台问题不存在不存在Minn算法中的旁瓣干扰问题算法中的旁瓣干扰问题 除了在正确位置出现定时尖峰外，还存在两个尖锐的脉冲，当信号衰减比较大时，除了在正确位置出现定时尖峰外，还存在两个尖锐的脉冲，当信号衰减比较大时，这两个脉冲必然会影响系统进行准确的符号定时这两个脉冲必然会影响系统进行准确的符号定时 NO.2 共轭对称FH序列符号定时算法1 0200400600800100012000.00

13、.20.40.60.8 时 间公尺样值序号 S&C算法 Minn算法 改进算法图 定时偏移估计比较 消除对称消除对称FH序列符号定时算法中定时曲线的一个副峰序列符号定时算法中定时曲线的一个副峰 还存在一个副峰的影响还存在一个副峰的影响 NO.3 共轭对称FH序列符号定时算法2图 定时尺度曲线0200400600800100012000.00.20.40.60.81.0 时 间公尺样值序号 No.3 算法只在正确定时点存在尖峰，其它时刻对应值都非常小只在正确定时点存在尖峰，其它时刻对应值都非常小 FSO-OFDM系统频率同步算法的研究系统频率同步算法的研究 基于循环前缀的最大似然基于循环

14、前缀的最大似然(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 样值符 号01000200030004000-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.40.5 样值符 号01000200030004000-4.0 x105-3.5x105-3.0 x105-2.5x105-2.0 x1

15、05-1.5x105-1.0 x105-5.0 x1040.05.0 x104 极大似然函数输出符 号序列 循环 前 缀 56 循环 前 缀 512图 ML算法估计效果图4、降低、降低PAPR的方法的方法优点处理简单缺点引起信号失真增加带外辐射降低功率效率系统复杂度会随着扰码序列的增加呈指数增加。只是减小高PAPR出现的概率运算量太大分组编码：误码率大简单分组编码：不能避免某些码子编码后PAPR增加的可能求补分组编码：降低了系统效率基于基于Golay 互补序列和互补序列和Reed-Muller码的编码算法码的编码算法 其它; 00;2)(21010nNnNbbaanNiinNiininidBN

16、NPAPR32/2max NfBfA222 02fB NfA22Golay互补序列具有优良的PAPR特性 编码原理编码原理产生生成矩阵 对于生成矩阵：其中 是码长为 的全“1”向量； 是码长为 的矩阵，它的第i个行向量是 个0后紧跟 个1，再在这一行中将此结果重复 次。mrRMh,2TmlGGGGG10m20GlGmm2im2im212i计算陪集 对于 有 个陪集。陪集表达式为：行数：列数：mRM , 12/ !m 12111kxkxmkh2/ !mm2产生Golay序列 由输入序列的前w位形成的十进制数d选择出的陪集矩阵的行与S按照模 相加，从而形成Golay互补序列。h2求取中间变量子载波

17、数为输入的二进制序列数为输入序列的前w位形成一个十进制数d来选择陪集矩阵的行数；剩下的 位依次取h位形成 个十进制信息符号m21mhw2!log2mINTw1mh1m121,muuuhmimiiuxuS2mod11仿真实验仿真实验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图5.2 采用QPSK调制方式下编码前后PAPR变化曲线01

18、00 200 300 400 500 600 700 800 900100068101214 PAPR/dBstimulation times0100 200 300 400 500 600 700 800 90010002468101214 PAPR/dBstimulation times图5.3 采用QAM调制方式下编码前后PAPR变化曲线5. 大气散射效应对大气散射效应对FSO-OFDM信号的影响信号的影响5. 1 大气信道模型大气信道模型v 在不考虑背景光干扰的情况下，有在不考虑背景光干扰的情况下，有fbsSSSS图6.1 信道链路 lIdlIIlexpexp000221( , ) (

19、 )rerr Q nn r dr其中：其中： ldl0expv 大气透射率大气透射率5.2 雨、雾、沙尘粒子对激光信号的衰减雨、雾、沙尘粒子对激光信号的衰减0.010.11110100100010000 衰减 dB/km能见度 km 辐 射雾=10.60m 辐 射雾=650nm 辐 射雾=350nm 平流 雾=10.60m 平流 雾=650nm 平流 雾=350nm020040060080010000100200300400500 衰减 dB/km能见度 m =350nm =650nm =10.60m图 不同波长的光信号在雨、雾、沙尘信道下的衰减5101520253010-510-410-31

20、0-210-1 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 fog5101520

21、253010-610-510-410-310-210-1100 BERSNR N=128 Radiation fog Advection fog5101520253010-610-510-410-310-210-1100 BERSNR N=256 Radiation fog Advection fog图 不同天气条件下FSO-OFDM系统性能5.3 不同天气条件下不同天气条件下FSO-OFDM系统性能系统性能5.4 数据分析数据分析在光强度衰减起伏方差相差不大的情况下，在光强度衰减起伏方差相差不大的情况下，光强度衰减越小系统性能越好光强度衰减越小系统性能越好 6. FSO-OFDM系统导频辅助

22、信道估计系统导频辅助信道估计6.1 基于频域导频的信道估计算法基于频域导频的信道估计算法 STEP1设计导频结构设计导频结构STEP2获得导频位置处的获得导频位置处的信道响应信道响应STEP3根据导频位置处的根据导频位置处的信道响应利用插值信道响应利用插值算法恢复出所有位算法恢复出所有位置的信道响应。置的信道响应。STEP1 导频结构导频结构v 导频结构分为块状导频、梳状导频和离散导频导频结构分为块状导频、梳状导频和离散导频 fDfDffmaxmax1/1TfDfTDDtDtmaxmax212/1图 导频结构图STEP2 导频位置信道响应导频位置信道响应A、基于、基于LS准则的估计算法准则的估计算法 ppppppLSXHYXHYJpppppppppppXWHXWXXHXYHLS的代价函数： 10,1/, 2 , 10PPPNmNNjDatajPilotjNNmXkX TPiiiiNXXXX110 TPiiiiNYYYY110iiiiNHXdiagY插入导频：导频序列：接收信号： iTPiiiiiiTPiiiiHNXYXYXYNHHHH110110B、基于、基于MMSE准则的维纳滤波的信道估计准则的维纳滤波的信道估计 ppppMMSEHHHHEJpTpMpppYWYwH1pTpppppYWHHHekkkjbaw kpk