大雨天气下基于OFDM和SS-WDM技术的自由空间光通信系统研究

摘要

自由空间光通信（Free Space Optics,FSO）是当今光无线通信领域的研究热点之一。这种无缆光通信技术在两个固定点之间使用高定向、窄光束传输数据。FSO光通信利用激光在自由空间信道中实现点对点、点对多点或多点对多点间语音、数据、图像信息的双向通信，是一种大气无线激光通信技术。FSO光通信和其他无线通信相比，具有频带宽、成本低、安全性好，组网灵活、无需频率许可、抗电磁干扰等优点。因此， FSO光通信受到工业界和学术界越来越多的关注。FSO光通信以其低成本的优势，在流量回输方面可取代昂贵的 E1/T1租用线路和一些微波解决方案。此外，FSO光通信可在城域网提供高带宽连接，成本相比地下埋设光缆要低很多。而且，FSO光通信将光纤技术的高带宽和无线技术的灵活性相结合，可支撑接入层短距离高速通信网，实现光纤到桌面，话音、图像的高速数据传输，推动互动视频和影视节目的传播，是解决“最后一公里”问题的有效方法之一。
　　FSO光通信目前用于本地网这样的短距离高速通信网中，在不宜布线的地方或是成本高、具有较大施工难度的地方，如高山、铁路两侧的建筑物之间、不易架桥的河流两岸之间等，都适合采用FSO光通信技术。并且，FSO光通信可用于企业局域网间的连接、移动基站和应急通信。对于需要稳定服务的商业应用，FSO光通信可作为预防服务中断的光纤备份方案。因此，FSO光通信有利于电子商务、电子政务、远程医疗的发展，具有广阔的应用和市场前景。
　　可是，FSO光通信在应用过程中会受到大气状况的影响，如雨、雪、雾等天气，在自由空间信道中，光信号的传播在不同大气条件如雨、雪、雾下的性能不同，激光在大气传输后，透过大气的能力较弱，使得光信号的功率衰减，到达接收端，探测功率下降，接收端光信号能量减小，影响光束的传输距离，降低FSO光通信的可靠性。随着距离增加，大气衰减从几分贝衰减到几百分贝，严重情况会造成通信中断。
　　当信号频率超过10GHz时，雨量衰减将极大地影响信号的传播。雨水由大气中的水汽组成，水滴的形式和数量在时间和空间上是可变的，它们可看作半径为1mm的球体，超过1mm的视为扁圆球体。由于雨滴的半径远远大于FSO光通信系统的光波波长，受雨量影响带来的散射是非选择性散射，激光能够穿过雨滴。雨滴非常大，在大气中停留的时间短，而霾粒子很小，在大气中停留的时间更长，因此，光束通过雨滴引起的衰减要小于在霾天气的衰减。
　　目前，由于难以对实际信号进行精确测量，现有的雨量衰减预测模型大多数是基于温带地区的气候情况测量得到，这些模型不能准确地适用于亚热带地区。因此，本文对特定亚热带地区如中国长沙，基于正交频分复用(OFDM)调制技术和频谱分割的波分复用技术(SS-WDM)的自由空间光通信系统受大雨影响后的传输性能进行研究，理论和仿真分析了基于OFDM和SS-WDM技术的自由空间光通信系统受大雨衰减的影响，提出了适用于特定亚热带地区如中国长沙的雨量衰减预测模型，及其相关预测参数如k(1.65)和α(1.16)。开展的主要创新工作如下：
　　1、基于亚热带地区如中国长沙的天气情况，特别是在大雨的天气下，提出并研究了基于 OFDM-16QAM调制格式的自由空间光通信系统。OFDM系统通过采用将高速数据流分成多个低速数据流进行多载波并行传输的方法，可提供高速数据传输。OFDM采用多个载波，可灵活分配带宽，采用不同的调制格式，提高传输性能。并且，OFDM具有有效的抗信道频率选择性衰落的特性，多载波数据流由于具有窄带特征，经过传输后相当于平坦衰落，信号的失真较小，在接收端无需采用均衡技术。
　　在自由空间光通信中，不同的大气条件如雨、雪、雾天气将对光信号的传输性能带来很大的影响。考虑受雨量影响的环境，本文提出基于正交频分复用(OFDM)调制格式进行自由空间光通信的传输。同时,基于Marshal& Palmer和Carbonneau模型的雨量衰减模型，研究了中国长沙在暴雨天气下，基于OFDM的自由空间光通信系统的传输性能，并进行了仿真实验。仿真结果表明,在106.18mm/小时的强降雨天气，且衰减因子为7 dB/km的自由空间信道，基于Marshal& Palmer模型,可以实现2.5 Gbps和4.0 Gbps的OFDM信号在自由空间信道分别传输1.6km和1.3km，且误码率小于1e-4。此外,基于Marshal& Palmer模型，在强降雨天气，自由空间传输后受雨量衰减的影响要小于Carbonneau模型。
　　2、在中国长沙的大雨天气下，提出并研究了基于频谱分割波分复用技术(SS-WDM)的自由空间光通信系统。光波分复用技术采用一根光纤同时传输多个光波长信号，通过不同光信道进行信息传输，可成倍地增加信号传输容量，降低系统成本，具有较强的灵活性。此外，频谱分割技术使得波分复用器光通带外的频谱成分被过滤，可提高光通信系统的色散容限，并且可以使用不同的调制格式来传输高频谱效率的数据信号。
　　本文采用一个波分复用解复用器实现频谱分割，研究了波长为1550 nm时，1.56 Gb/s的数据在中国长沙的大雨天气环境中传输3公里。此外，使用一个连续光波激光器，采用频谱分割波分复用技术，研究了4路通道，频谱分割后的载波频率分别为193.1THz，193.2THz，193.3THz和193.4THz，且每路数据速率达到1.56 Gb/s的自由空间光通信系统。传输信道为基于Marshal& Palmer模型雨量衰减因子的自由空间信道。信号通过传输信道后，在接收端，采用解复用器对多个信号进行分离和接收，使用光电检测器进行光信号转换成电信号，并对以上方法进行了仿真验证。仿真结果表明，使用SS-WDM技术，在中国长沙的大雨天气下，1.56 Gb/s的数据可以在自由空间传输2.5公里，误比特率为9.816×10-11，发射功率为0 dBm。同时，采用没有频谱分割的波分复用技术，采样数据速率可在误码率为10-3，发射功率为10 dBm的情况下传输2.5公里。此外，相比传统的波分复用自由空间光通信(WDM-FSO)方案，提出的基于频谱分割波分复用技术(SS-
　　WDM)可以有效地提高数据在自由空间光通信系统的传输性能。同时，其自适应和可伸缩的网络体系结构可以在大雨天气下，提供高带宽和较大的覆盖范围，且没有功率损耗。
　　3、自由空间光通信系统可以在一定的方面满足用户对带宽增长的需求，然而，天气条件是自由空间光通信传输的限制因素，目前许多研究者广泛使用ITU-R Modality-R模型，又称为 Japan模型，这种模型测量的主要数据来源于温带地区的气候数据，不适合于亚热带地区的雨量衰减模型。同时，ITU-R推荐的 Carbonneau模型是一种雨量衰减预测模型，适合于温带地区的气候条件。在亚热带地区像中国长沙的天气状况，降雨量大是影响信号自由空间光通信的主要问题，而目前对亚热带地区气候条件下的雨量衰减预测模型的研究不多。
　　针对特定亚热带地区如中国长沙，本文提出了以k(1.65)和α(1.16)作为预测参数的雨量衰减预测模型，使用风暴合成技术(SST)评估这些参数。根据中国长沙10年来下暴雨的记录，测量了长沙的雨量数据信息，采用风暴合成技术产生预测的雨量衰减的时间序列，与长沙气象站提供的测量雨量衰减数据进行比较，通过比较发现，在低雨量强度下，采用风暴合成技术预测雨量衰减的结果和实际测量的雨量衰减结果接近。此外，基于回归分析的雨量衰减时间序列估计方法，这是 ITU-R建议使用的方法，采用提出的雨量衰减预测模型，对长沙一年四个季节，如春、夏、秋、冬的雨量衰减情况进行分析比较和仿真研究。仿真结果表明，使用提出的雨量衰减预测模型，采用 OFDM-16QAM调制格式在自由空间传输后得到的误码率要小于非归零调制(NRZ)格式。相比非归零调制格式，信号在自由空间传输0.6km后，使用OFDM-16QAM调制格式具有更小的功率损耗。

目录

声明

DEDICATION

Chapter 1:INTRODUCTION

1.1 FSO

1.2 Motivation

1.3Organization of the thesis

1.4Contribution of the thesis

Chapter 2:FREE SPACE OPTICAL COMMUNICATION (FSO)

2.1 Introduction

2.2Historical perspective of FSO and its applications

2.3 Fundamentalconcepts of FSO

2.4 Free Space Optics Advantages

2.5 Majors drawbacks of FSO

2.6 FSO-OFDM

2.7 FSO-WDM

2.8 Summary

Chapter 3:PERFORMANCE INVESTIGATION OF FSO-OFDM COMMUNICATION SYSTEMS UNDER THE HEAVY RAIN WEATHER

3.1 Introduction

3.2The Principle of the OFDM Technology

3.3The rain attenuation models

3.4The OptiSystem Software

3.5The simulation setup of the FSO-OFDM communication system and results

3.6 Summary

Chapter 4:SPECTRUM SLICING WDMFOR FSO COMMUNICATION SYSTEMS UNDER THE HEAVY RAIN WEATHER

4.1 Introduction

4.2The principle of SS-WDM and FSO channel model

4.3Simulation Setup

4.4Simulations Results and discussion

4.5 Summary

Chapter 5:A RAIN ATTENUATION PREDICTION MODEL FOR THE FREE SPACE OPTICS (FSO) LINK UNDER CHANGSHA WEATHER

5.1 Introduction

5.2Synthetic Storm Technique

5.3Results and discussion

5.4Rain Attenuation Calculation

5.5The Proposed Rain Attenuation Model

5.6Results and discussion

5.7 Summary

CONCLUSION AND FUTURE WORK

参考文献

致谢

APPENDIX A: PUBLICATIONS

APPENDIX B: SCIENTIFIC RESEARCH PROJECT DURING DOCTORAL STUDY