创新电信光纤通信技术论文提纲

论文题目：复杂大气对自由空间光通信影响及改善方法的研究

摘要：自由空间光通信（FSO）是一种以光束为信息载体,在视线无遮挡的空间信道中进行点对点传输的无线通信技术。自由空间光通信系统同时具备了微波通信与光纤通信优点,比如容量大、建网快、无需授权、保密性好等,可用于电信“最后一公里”或者局域网的楼宇间链路。然而,地面自由空间光通信系统性能不仅受系统指向误差的影响,还受大气信道的影响较大（在大气信道中,复杂大气,如云、雾、雨、雪、气溶胶、湍流等情况经常发生）。因此,研究复杂大气环境对自由空间光通信系统性能的影响机理以及相应改善方法具有重要的工程应用价值。本文针对自由空间光通信系统的工程应用,从理论上研究了复杂大气环境对通信系统的影响机理及其改善方法,并且通过仿真的方法对系统性能进行了对比分析。本文主要工作内容与创新点:（1）空地激光通信系统性能主要受自由空间与复杂大气影响,分析空地激光通信信道中常见的大气环境（雾霾、云、湍流）、光束扩展、天空背景光、指向性误差对通信系统接收光功率的影响;利用接收信号光功率和接收天空背景光功率得到基于强度调制/直接检测的自由空间光通信系统链路余量、可达速率和误码率等系统性能参数的数学表达式。仿真计算了大气环境对空地激光通信系统性能的影响,分析了海拔高度与通信系统性能的关系,比较了非归零码开关键控调制方案和脉冲位置调制方案对系统性能的影响。（2）考虑到天气环境、不同湍流模型（Malaga模型和Exponential Weibull模型）以及零视轴指向性误差模型等因素对FSO通信系统的影响,建立了不同的联合信道统计模型,并利用数学工具H函数和Meijer-G函数推导出基于OOK调制的FSO通信系统的平均误码率、平均信道容量以及中断概率等参数及其新的数学解析式。仿真分析了在不同的湍流强度、不同能见度和不同抖动程度的条件下,不同的光束发散角和不同接收机孔径尺寸对系统性能的影响。（3）考虑天气环境、Exponential Weibull湍流、以及非零视轴广义指向性误差等因素对部分相干光FSO通信系统建立联合信道模型,并利用H函数和Meijer-G函数推导出基于开关键控调制的FSO通信系统的平均误码率、平均信道容量以及中断概率等性能参数的新的数学表达式。对激光波长为1550nm且链路长度为lkm的部分相干光FSO通信系统性能进行仿真,并分析空间相干长度、发射机平面光斑尺寸、接收机孔径直径、以及视轴偏移等参数对通信系统性能的影响。（4）在Malaga湍流信道和Nakagami-m衰弱信道条件下,对基于选择合并技术的混合自由空间光通信/射频（FSO/RF）通信系统性能进行研究。在考虑零视轴指向性误差的情况下,推导了采用副载波调制和强度调制直接检测方案的选择合并混合FSO/RF系统的平均误码率和中断概率,并利用Meijer-G函数和扩展广义双变量Meijer-G函数获得其新的闭合解。在不同的副载波调制方式、湍流强度、指向性误差和RF信道衰弱参数m情况下,比较分析了混合FSO/RF系统和单FSO系统的误码率和中断概率性能。（5）对联合孔径平均、相干调制和选择合并技术的混合FSO/RF通信系统（Exponential Weibull湍流信道和Nakagami-m衰弱信道）性能进行了分析。利用数学工具Meijer-G函数、扩展广义双变量Meijer-G函数以及广义高斯拉盖尔积分的级数展开式,推导出了系统的平均误码率和中断概率的新数学解析式。在不同的副载波调制方式、湍流强度、指向性误差和RF信道衰弱参数m情况下,比较分析了混合FSO/RF并行系统、混合FSO/RF双跳系统和单FSO系统的误码率和中断概率性能;考察了孔径平均技术对混合FSO/RF系统性能的影响。

关键词：自由空间光通信;大气湍流;指向性误差;孔径平均;部分相干光;混合FSO/RF通信系统

学科专业：环境科学与工程

摘要

ABSTRACT

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 复杂大气对激光大气传输影响的研究现状

1.2.1 恶劣天气对激光大气传输影响的研究现状

1.2.2 湍流对激光大气传输影响的研究现状

1.3 复杂大气对FSO通信系统性能的主要影响

1.4 FSO通信系统的主要改善方法

1.4.1 ATP技术

1.4.2 湍流抑制技术

1.4.3 分集技术

1.4.4 调制技术

1.4.5 编码技术

1.5 FSO通信系统的最新技术研究进展

1.5.1 FSO/RF混合技术

1.5.2 其他技术

1.6 本文研究的主要问题及文章结构

1.6.1 本文研究的主要问题

1.6.2 本文结构

第2章 FSO通信系统基础知识

2.1 FSO通信系统结构与组成

2.2 FSO系统模型

2.2.1 FSO通信系统与水平信道模型(统计视角)

2.2.2 FSO通信系统的斜程传输信道模型(功率视角)

2.3 光学湍流理论及其统计模型

2.3.1 功率谱模型

2.3.2 光在湍流中的传输模型

2.3.3 大气湍流的统计模型

2.4 指向误差的统计模型

2.4.1 零视轴指向性误差模型

2.4.2 非零视轴的广义指向性误差模型

2.5 斜程大气传输透过率与衰减模型

2.5.1 雾霾对光的衰减

2.5.2 云对光的衰减

2.5.3 湍流对光的等效衰减

2.6 本章小结

第3章 云雾霾天气对空地激光通信系统性能影响

3.1 空地激光通信系统性能分析

3.1.1 可达数据率

3.1.2 链路余量

3.1.3 信噪比与误码率

3.2 空地激光通信系统的仿真分析

3.5 本章总结

第4章 不同时段湍流和不同光束发散角对FSO通信系统性能的影响

4.1 联合信道模型分析

4.2 FSO系统性能分析

4.2.1 误码率

4.2.2 平均信道容量

4.2.3 中断概率

4.3 FSO系统性能仿真

4.4 本章小结

第5章 孔径平均技术对自由空间光通信系统性能的影响

5.1 联合信道模型分析

5.2 FSO系统性能分析

5.2.1 误码率

5.2.2 平均信道容量

5.2.3 中断概率

5.3 FSO系统性能仿真

5.4 本章小结

第6章 基于孔径平均技术的部分相干光通信系统性能分析与设计

6.1 部分相干光束模型

6.2 联合信道模型分析

6.3 FSO系统性能分析

6.3.1 误码率

6.3.2 平均信道容量

6.3.3 中断概率

6.4 部分相干光FSO系统仿真与设计

6.4.1 相干性对部分相干光FSO通信系统的影响分析

6.4.2 孔径平均效应对部分相干光FSO通信系统的影响分析

6.4.3 发射机平面束腰半径对部分相干光FSO通信系统的影响分析

6.4.4 指向性误差对部分相干光FSO通信系统的影响分析

6.5 本章小结

第7章 混合Málaga湍流信道与Nakagami衰弱信道的FSO/RF系统性能分析

7.1 混合信道模型分析

7.1.1 FSO链路

7.1.2 RF链路

7.1.3 基于选择合并方案的混合FS0/RF系统

7.2 混合系统性能分析

7.2.1 平均误码率

7.2.2 中断概率

7.3 混合系统性能仿真

7.4 本章小结

第8章 联合多种改善方法的混合FSO/RF通信系统的性能分析

8.1 混合信道模型分析

8.1.1 FSO链路

8.1.2 RF链路

8.1.3 基于选择合并方案的混合FS0/RF系统

8.2 混合系统性能分析

8.2.1 平均误码率

8.2.2 中断概率

8.3 混合系统性能仿真

8.4 本章小结

第9章 总结与展望

9.1 本文总结

9.2 下一步将开展的研究工作

参考文献

致谢