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康莉,汤璇,林邦姜,等. FSO在室内雾信道的模拟研究[J]. 光通信技术,2021,45(5):48-52.

FSO在室内雾信道的模拟研究

康 莉,汤 璇*,林邦姜,谢宇芳,骆加彬,戴玲凤,李小禹

中国科学院 福建物质结构研究所,福建 泉州 362000)

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摘要:针对自由空间光(FSO)通信在雾天时系统性能急剧下降的现象和大气中雾天的衰减数据采集困难的问题,创新性地在室内搭建了FSO通信系统来模拟激光在雾天的传输,研究了雾天FSO通信的衰减情况,构建了该室内FSO通信系统的信道概率模型。在室内FSO通信系统中模拟了1550 nm波长激光在不同能见度下传输的衰减情况,分析了不同能见度下FSO信号的统计特性,选用Gamma拟合分布建立了信道概率模型,采用强度调制/直接探测的开关键控调制方式推导出该FSO通信系统在不同链路长度、不同能见度和不同发射功率下的误码率性能,实验验证了模拟信道的可行性。

关键词:自由空间光通信;雾信道;能见度;衰减概率

中图分类号:TN256 文献标志码:文章编号:1002-5561(2021)06-0048-05

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2021.06.012

0 引言
       由于自由空间光(FSO)通信的信道是随机大气信道,光信号在其中传输时极容易受到天气的影响,比如雨、雾、雪、低云和湍流等都会使通信性能急剧下降。在这些天气影响因素中,雾粒子因为大小接近激光波长,所以雾引起的光信号衰减远大于其它天气影响因素对光信号的衰减[1],雾信道和噪声严重影响激光信号传输能力的可靠性,并增加了信道容量理论的复杂度和研究难度。因此,众多专家学者纷纷对雾衰减预测模型展开研究[3-7]。1962年,REDINGTON R W [2]根据Beer-Lambert定律提出了一种适用于任何激光波长的雾衰减预测模型,即著名的Kruse模型。2001年,KIM I等人[3]对多次反射光信号的强度进行分析,提出了基于接收天线参数的光强计算方法,并根据实验观察及理论计算对Kruse模型进行修正,提高能见度小于6 km的情况下雾衰减预测的准确性。2004年,NABOULSI A M[4]考虑到雾的粒径分布和种类会对雾衰减预测结果产生影响,应用伽马分布描述雾的粒径分布,得到辐射雾和平流雾的衰减预测模型。2020年,MUHAMMAD I[5]提出了一种与激光波长相关的雾衰减预测模型,更精确地描述了衰减与激光波长之间的关系。但是,以上几种雾衰减预测模型都没有考虑到信道的随机性。文献[6]中初步考虑了雾信道随机建模,选用了Johnson-SB的概率密度函数作为随机FSO信道的模型,但是由于Johnson-SB有4个参数,在信道研究较复杂。
  鉴于室外信道测量数据获取周期较长,且大气信道属于时变空变信道,实验可重复性较低,因此本文创新性地在室内搭建模拟室外雾信道的光学腔,用于FSO性能测试和研究。在系统设计方面,本文考虑探测器噪声等因素,设计并搭建红外无线激光在雾信道的通信性能研究平台,分析并总结激光信号在雾信道的传输模型。

5 结束语
       由于雾天严重降低了FSO系统的可靠性,预测雾衰减可以更好地设计FSO链路,从而提高其系统性能。针对大气中雾天的衰减数据采集困难的问题,本文设计了红外无线激光通信性能和链路特性研究平台来模拟波长为1550 nm的激光在雾天的传输信道特性。在现有经验模型的理论基础下进行了室内雾环境模拟实验,研究了在随机雾条件下FSO信号的统计特性,并建立了信道概率模型,通过该模型分析了开关键控(OOK)调制方式下该系统的误码率。实验结果表明:在链路长度较长的情况下,FSO系统性能较差,所以可以采用短距离多次通信方式提高通信性能;在重雾下,FSO系统改变发射功率或链路长度对系统性能提高没有显著效果,只能选用低速传输的射频链路代替FSO保持通信。本文结果对FSO系统的设计和性能改善提供了参考。