光电工程  2020, Vol. 47 Issue (3): 190701      DOI: 10.12086/oee.2020.190701     
逆向调制无线光通信空间分集分析
王珂1 , 徐智勇1 , 李雪松2 , 汪井源1 , 李建华1 , 赵继勇1 , 韦毅梅1 , 吴传信1     
1. 陆军工程大学通信工程学院,江苏 南京 210007;
2. 战略支援部队信息通信工程设计所,辽宁 沈阳 100005
摘要:在逆向调制无线光通信系统中,大气湍流对系统的影响大于传统的无线光通信系统。本文研究了一种基于逆向端调制器分集的逆向调制无线光通信系统,以减小大气湍流对系统的影响。利用相位屏法,建立了弱湍流下的激光大气的传输模型,对比分析了逆向调制无线光通信系统逆向端逆向调制器分集和不分集分别所受到的大气湍流的影响。结果显示在相同情况下,逆向调制无线光通信系统在逆向端对逆向调制器进行分集能抑制大气湍流对系统的影响,使整个系统的闪烁指数下降。
关键词光通信    逆向调制    大气湍流    分集    闪烁指数    
Analysis of space diversity method in modulating retro-reflector optical communication
Wang Ke1, Xu Zhiyong1, Li Xuesong2, Wang Jingyuan1, Li Jianhua1, Zhao Jiyong1, Wei Yimei1, Wu Chuanxin1     
1. Institute of Communications Engineering, Army Engineering University of PLA, Jiangsu, Nanjing 210007, China;
2. Institute of Information and Communication Engineering, Strategic Support Force, Shenyang, Liaoning 100005, China
Abstract: In the modulating retro-reflector (MRR) communication system, the influence of the atmospheric turbulence on the system is more serious than that of the traditional FSO communication system. In this paper, in order to reduce the impact of the atmospheric turbulence, an improved scheme based on the diversity of the retro-reflector is proposed. Using the power spectrum inversion method, the atmospheric propagation model of MRR under weak turbulence is established. The influence of the atmospheric turbulence on the retro-reflector diversity system and the traditional MRR communication system is compared and analyzed. The results of the numerical analysis show that under the same condition, the retro-reflector diversity of modulating retro-reflector (MRR) communication system can reduce the scintillation index caused by the atmospheric turbulence.
Keywords: optical communication    modulating retro-reflector    atmospheric turbulence    retro-reflector diversity    scintillation index    

1 引言

自由空间光通信是利用激光在真空或大气中传输信息的无线通信方式[1]。它具有大容量、高性能、良好的隐蔽性、较强的抗干扰性以及无需频谱许可证等优点。在自由空间光通信系统中,为了简化点对点通信设备,研究人员提出了一种只需要在一端安装光源的光通信系统——逆向调制无线光通信系统[2-4]。逆向调制无线光通信系统如图 1所示,可以分为三个部分:询问端、逆向端和大气信道。其中询问端包括光发射机和光接收器,逆向端为逆向调制器。

图 1 逆向调制无线光通信系统 Fig. 1 MRR communication system

在拥有众多优点的同时,逆向调制无线光通信技术也具有一定的局限性,大气的影响是制约该技术通信速率的主要因素之一。在大气影响中,湍流的影响是其中最重要的影响之一,它主要导致大气折射率的随机变化,增加了系统的误码率。

为了克服大气湍流对逆向调制无线光通信系统的影响,近年国内外进行了一系列相关研究。2011年,美国学者提出了一种基于弱湍流的自由空间光通信评估方法,可以模拟自由空间光通信中各种参数对大气湍流闪烁指数的影响[5]。2012年,美国海军实验室在加利福尼亚的中国湖进行了一系列实验,连续四天测试和分析了1.1 km逆向调制无线光通信系统,研究了各种因素对逆向调制无线光通信系统的影响[6]。2014年,华盛顿特区的美国海军实验室使用了分集和孔径平均等技术进行距离为1.7 km的实验,使得大气湍流造成的光强闪烁明显减少[7]。2012年电子科技大学对猫眼结构的逆向调制器进行了实验和性能分析[8]。2015年重庆大学提出了一种基于声光调制的逆向调制光通信系统[9]。2019年陆军工程大学对利用孔径平均效应减少大气湍流对系统影响进行了仿真和实验验证[10],同年杭州电子科技大学利用大气湍流模拟箱搭建了实验系统进行了功能验证和性能分析[11]。目前,国内外对于逆向调制光通信的研究较多,但是对于系统大气湍流抑制的研究较少,缺乏深入的理论分析和实验研究。本文通过建立高斯光束在弱湍流下的传播模型,研究了大气湍流的影响下逆向端的几种分集方式并对其进行了比较,通过比较得出了逆向端逆向调制器孔径大小和距离的相关结论,为逆向调制无线光通信系统的设计提供了参考。

2 系统模型 2.1 模拟的组成

图 2给出了逆向调制(modulating retro-reflector,MRR)无线光通信系统的理论结构,主要包括三个部分:询问端、大气信道、逆向端。考虑到光的传播速度,默认了激光往返两次的大气信道不会改变,所以整个系统仿真主要由上述三个部分组成。

图 2 逆向调制无线光通信系统仿真流程图 Fig. 2 Simulation flow chart of MRR system
2.2 相位屏法的原理

图 3所示,仿真建模采用的是相位屏法,其基本思想是使距离为L大气通道分成若干个距离为ΔL的部分。每个部分等价于一个薄的相位屏。最后结果相当于多个相位屏的叠加,最终的数学表达式如下[5]

$U(r, {L_{i + 1}}) = {F^{{\rm{ - }}1}}\left\{ {\exp \left[ { - \frac{{{\rm{j}}\Delta L}}{{2k}}\left( {K_x^2 + K_y^2} \right)} \right]} \right.\\ \times \left. {F\left[ {\exp ({\rm{j}}S(r, {L_{i + 1}})U(r, {L_i})} \right]} \right\}, $ (1)
图 3 相位屏建模原理图 Fig. 3 Phase screen modeling schematic

其中:U(rLi)为Li点的光场,U(rLi+1)为Li+1的光场,S(rLi+1)为该分段的随机相位。

2.3 设定参数

为了衡量大气湍流对光束的影响,引入了光强闪烁指数这一参数,通常用$\sigma _{\rm{I}}^2$表示。实际上是由于大气湍流引起光束发生畸变,导致相位起伏,从而产生光强闪烁[12-13]。它是描述光强波动大小的物理量。定义为

$ \sigma _{\rm{I}}^2{\rm{ = }}\frac{{\left\langle {{I_i}^2} \right\rangle }}{{{{\left\langle I \right\rangle }^2}}} - 1, $ (2)

式中符号$\left\langle {} \right\rangle $表示均值,即分子表示各点光强平方的均值,分母表示所有点光强均值的平方。

设置以下参数进行模拟。波长设置为650 nm,初始光腰为ω0=30 mm,相位屏尺寸为0.4 m×0.4 m,对应256×256个采样点。大气折射率常数为${C_n}{\rm{ = 5}} \times {10^{{\rm{ - }}15}}$,此时为弱湍流(湍流强度以${C_n}{\rm{ = }}{10^{{\rm{ - }}14}}$为强弱湍流的分界线),传输距离为1000 m,逆向调制器的反射系数设为1。在模拟中,默认光源是在水平方向传播的。因为光在空气中传播很快,短距离内在同一地方,人们认为MRR系统往返相位屏相同。

3 湍流效应的分析

为了研究逆向端的分集方法,本文研究了不同模型、不同距离、不同孔径下逆向调制无线光通信系统的闪烁指数。

3.1 空间多样性方法的模型比较

改变逆向端调制器的结构,如图 4所示,总共进行了500次模拟,并取了平均值。结果如图 5所示。

图 4 逆向端分集示意图 Fig. 4 Schematic diagram of reverse end diversity

图 5 逆向端分集闪烁指数对比图 Fig. 5 Comparison diagram of scintillation index of reverse end diversity

在1000 m的传播距离内,闪烁指数随着距离的增加而不断增加。大口径逆向调制器闪烁指数最小,其次是环形逆向调制器,其余几个方案随着小口径逆向调制器数目的增加,闪烁指数减小。当小口径逆向调制器数目为4时,闪烁指数与环形逆向调制器接近。

3.2 空间分集法的距离比较

在逆向端,逆向调制器之间的距离也将影响最终的闪烁指数。在本模拟研究中,大气折射率常数为5×10-15,逆向调制器数目恒定为4,逆向调制器孔径恒定为0.05 m,通过调节逆向调制器之间的距离,分析闪烁指数的变化。在模拟仿真中,逆向调制器之间的距离分别调节为0.15 m、0.2 m和0.25 m,进行500次模拟后得到数值分析结果如图 6所示。

图 6 不同距离逆向端分集闪烁指数对比图 Fig. 6 Comparison diagram of scintillation index of diversity at different distances

图 6为逆向调制器孔径0.05 m的情况下,闪烁指数随着传输距离的增加而增大。继续比较不同逆向调制器距离的数据,可以发现闪烁指数随着逆向调制器之间距离的增加而不断减小。通过仿真可以看出,在逆向调制器数目恒定为4,逆向调制器孔径恒定0.05 m的情况下,增加逆向调制器之间的距离可以降低闪烁指数。

3.3 空间分集的孔径比较

在逆向端,逆向调制器的孔径也将影响闪烁指数的大小。在本模拟研究中,大气折射率常数为5×10-15,逆向调制器数目恒定为4,逆向调制器间的距离恒定为0.2 m,通过调整逆向调制器的孔径大小,分析闪烁指数的变化。在模拟仿真中,逆向调制器的天线口径分别调整为0.03 m、0.04 m和0.05 m,进行500次模拟后得到数值分析结果如图 7所示。

图 7 不同孔径逆向端分集闪烁指数对比图 Fig. 7 Comparison diagram of scintillation index with different apertures

图 7在逆向调制器间距离固定的情况下,可以发现系统的闪烁指数随着孔径的增大而减小。通过仿真可以得出在逆向调制器数目恒定为4,逆向调制器间距离恒定为0.2 m的情况下,增加逆向调制器的孔径也可以降低系统的闪烁指数。

4 结论

逆向调制无线光通信作为一种新型的通信方式,具有体积小、重量轻、能耗小等众多优点,但是相对于传统自由空间光通信,增加了回波反射链路,经历了往返两次大气信道,受到的大气湍流影响更加严重,闪烁指数也更大。在本文中,通过数值分析的方法研究了逆向调制无线光通信中逆向调制端的空间分集。结果表明,在逆向调制无线光通信中,对逆向端的逆向调制器分集可以有效地降低整个链路的闪烁指数,在使用4个逆向调制器的情况下,保持其他变量不变,增加天线之间的距离或者增大逆向调制器孔径都可以降低系统的闪烁指数。

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