大气湍流对轨道角动量新型通信复用体制干扰的应对方法研究

摘要

基于轨道角动量(OAM)复用的自由空间光通信系统能极大地提升系统的传输速率，且不需要额外的谱带宽。然而，光的轨道角动量态在自由空间传输时，不可避免地受到大气湍流(atmospheric turbulence)的影响。研究抑制大气湍流对OAM态复用通信干扰的应对方法具有重要的理论意义和参考价值。
　　本文从抑制大气湍流对单OAM态的干扰影响和OAM态间的串扰影响两方面进行研究。首先利用大气湍流模型，数值模拟大气湍流效应对 OAM光自由空间传输的干扰。在此基础上，结合信道纠错编码方法，研究了一种基于纠错编码抑制湍流干扰的OAM复用FSO通信方案，分析系统误码率的变化。数值仿真结果表明，纠错编码方法可以有效地抑制大气湍流噪声对OAM复用FSO通信系统可靠性的影响。在弱、中强度湍流(Cn2<10-14)情况下，系统误码率可以降低1到2个数量级。
　　然后，论文研究了一种基于波前纠正算法抑制湍流干扰的OAM复用FSO通信方案，通过Shark-Hartmann波前纠正方法，获得相位补偿，纠正大气湍流引起的OAM叠加态波前畸变。研究结果表明，Shark-Hartmann波前纠正方法能明显减弱大气湍流对 OAM光束造成的失真影响，在弱、中、强大气湍流下都能使系统性能得到一定程度的改善。当使用l=-2，-1，+1，+2子信道时，系统误码率可以降低0.5到1个数量级。
　　最后，论文研究了一种基于线性解相关多用户检测的OAM复用FSO通信方案。大气湍流使得不同 OAM态间正交性不再保持，致使不同 OAM态间功率迁移，从而导致通信系统产生多址干扰(crosstalk)。OAM态多用户检测方法可有效地利用OAM态间的串扰信息，减弱大气湍流引起的串扰。数值计算结果表明，线性解相关OAM态多用户检测方法能够一定程度减弱OAM态间的串扰，使得各子OAM信道间的相关性减弱，提高通信系统性能。在弱、中强度湍流(Cn2<10-14)情况下，使用l=+1，+2，+3，+4子信道时，系统误码率可以降低1到2个数量级。

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专用术语注释表

第一章 绪论

1.1课题研究背景

1.2论文主要内容

第二章 基于OAM复用的FSO通信方案与大气湍流效应

2.1基于OAM复用的FSO通信方案

2.2大气湍流模型

2.3大气湍流对FSO通信系统的影响

2.4本章小结

第三章 基于纠错编码抑制湍流影响的OAM复用FSO通信方案

3.1纠错编码作用及原理

3.2大气湍流下基于纠错编码的OAM复用FSO通信方案

3.3基于纠错编码的OAM复用FSO通信方案性能分析

3.4本章小结

第四章 基于波前纠正抑制湍流影响的OAM复用FSO通信方案

4.1 Shack-Hartmann波前纠正基本原理

4.2大气湍流下基于波前纠正的OAM复用FSO通信方案

4.3基于波前纠正的OAM复用FSO通信方案性能分析

4.4基于波前纠正和纠错编码的OAM复用性能仿真

4.5本章小结

第五章 基于多用户检测抑制湍流影响的OAM复用FSO通信方案

5.1多用户检测技术

5.2 OAM信号间的串扰

5.3大气湍流下基于多用户检测的OAM复用FSO通信方案

5.4基于多用户检测的OAM复用FSO通信方案性能分析

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1课题研究总结

6.2进一步的工作

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢