光无线通信雾中误码率的研究

I长江大学毕业论文开题报告题目名称光无线通信雾中误码率的研究院(系)物理与光电工程学院专业班级应物11103班学生姓名指导教师李林辅导教师李林开题报告日期2015年4月2日II光无线通信雾中误码率的研究学生：焦湾物理与光电工程学院导师：李林物理与光电工程学院一、题目来源科研真题二、研究的目的和意义自由空间光通信，也称为无线光通信，因为是一种无光纤的通信技术，所以又称之为虚拟光纤技术。最简单的系统分为发射和接收两个部分。无线光通信技术的应用领域非常广泛，因为它不受光缆的约束，可以在无线宽广的光波波段选择工作波长不同的光束。此时它的传输介质必然是大气。地面上激光通信是在THz光谱范围内传递数据信息的通信系统[2]，这时也称之为光无线系统（WON）。最近几年来，随着电子技术的进步，市场上已经有许多光通信器件，发射端和接收端的系统稳定性和保密性也已经不是主要担心的问题，研究传输过程中遇到的问题受到技术限制的可能性比较小。因此如果想再往后发展，逐渐走向网络市场和普及各行各业，研究激光通信大气信道中的传输特性还是一个迫在眉睫的问题。大气中的分子和气溶胶、云雾和降雨等天气现象造成的衰减与散射以及大气湍流造成的光强起伏和扩展，对无线激光通信系统性能，尤其是信道部分，有了很大的破坏性。因此，如何降低大气粒子和大气湍流对系统性能的影响具有重要的理论意义和研究价值，以便更好地应用于实际。无线激光通信在很大程度上受到传播介质的限制，而传播介质一般有两类：一种是离散随机分布于大气中的各类大气粒子，这类固态或液态微粒会对激光信号的传输产生吸收、散射作用；另一种是连续的大气湍流随机分布，激光在湍流大气中传输，当湍流起伏较强、传播距离较远时，光束的相干性会遭到严重地破坏，导致完全相干光退化成为部分相干光，大气湍流导致的一系列效应，会使信号发生改变，且对于地-空传播路径，其试验与理论研究更为复杂。为了弥补激光大气传输时受到的大气粒子和大气湍流等的影响，可采用各种补偿技术。因此，为了在这方面能取得长足的进展，对大气传播路径上所遇到的一系列衰落进行研究是非常有必要的。III三、国内外现状和发展趋势在我国，无线光通信的发展早在很多年前就已经使用了，那时候还很原始，人们用烽火和狼烟来传输信息，成就了我国最古老的光通信技术，而在欧洲只是到了公元前5世纪才出现的。关于湍流大气的波传播、散射理论的研究，迄今己有半个多世纪。在20世纪中期，随着激光技术的不断发展，人们慢慢地开始探索新的空间激光通信技术，又一次形成了大气激光通信的热潮，Obukhov就是利用了Rytov的平缓扰动法[3]，方便地求解出了随机介质中的波传播方程，随后Tatarskii等人利用了Kolmogorov谱研究分析的湍流统计理论[4]中有关湍流谱的结果，取得了实质性的突破[5]。但是，在70年代出现了光纤通信，这方面研究的就少了，再加上大气激光通信受外界影响颇为严重，一时间研究发生了停滞，这才让曾经很辉煌大气激光通信研究陷入低谷。由于激光传输受外在条件的影响很大，国内研究无法全面的考虑到这些问题，如地理位置，大气气象条件等，而且对于随机粒子等条件的限制很难准确的深入研究，所以在上个世纪，国内学者研究较少，主要集中在国外地区，而且研究的也不多。直到1995年，美国研究者L.C.Andrews对无线光通信中大气湍流引起的自由空间光通信信道误码率进行了系统的分析研究和介绍。2006年StrömqvistVetelino,Frida等对强湍流下的高斯波束进行了研究。美国著名学府哈佛大学采用了信道编码、MIMO、OFDM等技术对进入信道的信号进行了分析讨论，并在信道研究方面取得了很好的成绩。到目前为止，在信道理论部分的研究依旧处在前沿。如中科大、西电电波所以及安大等在这一方面已经取得相当可观的进展，而且还在不断地发展研究。取得一定进展。二零零五年，南大通院对大气湍流弱湍流下水平链路信道的误码率进行了分析探讨，但是有一定的局限性，并没有进一步深入到强湍流以及地-空路径上去。2007年，中科院杨昌旗，姜文汉等人对孔径平均对自由空间光通信误码率的影响进行了深入研究。目前，对无线光通信当中所需要的接收器和发射器的要求基本已经达到，但由于传输过程中，传输媒介是大气，而且各个地方大气中的成分和气候条件差异非常大，所以进行这方面的研究时非常有必要的。大气对光通信的影响主要分为两种，一种就是自然现象，一种就是大气湍流，而这两种引起的衰减都会对信号传输距离的远近和准确度有影响，难以实现全天候的无错直线通信，使得大气激光通信无法进行大批量的应用到实际中去，假如大气激光通信技术能在物理层面得到很好的解决，降低或抑制气候因素的影响，大气激光通信将会成为一种很好的通信手段。一旦IV对大气信道产生影响的因素能够很好的解决或抑制，光通信系统将会迅速扩张或大规模的应用到人们的生活当中，目前，虽然大气信道弱湍流的理论研究很完整，但相应的论证实验不多。另外，大气粒子（气溶胶粒子）、降雨、云雾和大气湍流等对无线光通信可靠性的影响也很大的，但到目前为止还没有进行完整的、系统的研究。四、主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路1.分析雾产生的原因及雾中激光传输的特性分析；2．大气激光通信系统的影响；3.研究激光大气通信存在的问题；4．掌握误码率的计算方法，建立激光在雾中传输的误码率计算模型等。五、完成毕业论文所必须具备的工作条件及解决的办法1.中英文的方面的书籍、中国期刊网；2.近5年来国内外有关的文献；3.上机学时80学时；4.计算机及相关作图软件。六、工作的主要阶段、进度与时间安排1.1月14日—4月2日查阅和学习相关文献，了解激光大气通信的意义及国内外研究现状，分析雾产生的原因、相关数学模型及其对大气激光通信系统的影响，完成开题报告；2.4月2日—4月24日进一步熟悉相关知识，学习和查阅文献，研究激光大气通信存在的问题，掌握误码率计算模型；3.4月25日—5月17日开展实验设计、仿真和计算，分析激光在雾中传输特性，建立激光在雾中传输的误码率计算模型，并计算不同能见度及消光比下系数下的误码率，进行仿真分析并给出仿真结果；4.5月18日—5月28日撰写论文初稿、定稿，准备论文答辩。V七、阅读的主要参考文献及资料名称[1]ARNONS,KEDARD.Urbanopticalwirelesscommunicationnetworks:themainchallengesandpossiblesolutions[J].IEEECommunicationsMagazine,2003,42(2):2-7.[2]V.I.Tatarskii.Wavepropagationinaturbulentmedium.NewYork:McGraw-Hill,1961.[3]卢文全，光通信概述[J]，光通信技术，1997(3)，171-180.[4]L.C.Andrews,R.L.Phillips.LaserBeamPropagationthroughRandomMedia.Bellingham:SPIEPress,2005,533-600.[5]M.S.Belen’kii,SJKaris,JMBrownII,etal.Experimentalstudyoftheeffectofnon-Kolomogorovstratosphericturbulenceonstarimagemotion.Proc.SPIE,1997,3126.13-123.[6]胡宗敏，汤俊雄.大气无线光通信系统中数字脉冲间隔调制研究.通信学报2005，Vol.26:75～79.[7]樊昌信,曹丽娜.通信原理(第六版).北京:国防工业出版社,2008,181-205.[8]BRIANRS,MICHAELJL,etal.Effectsoffogonthebit-errorrateofafree-spacelasercommunicationsystem.OpticalSocietyofAmerica[J],APPLIEDOPTICS,1999.38(3):424-431.[9]张辉，曹丽娜.现代通信原理与技术.西安:西安电子科技大学出版社，2005.[10]M.Uysal,J.Li.Errorrateperformanceofcodedfree-spaceopticallinksoverGamma-Gammeturbulencechannels.IEEEInternationalconferenceoncommunications,2004,6:3331～3335[11]J.C.Ricklin,F.M.Davidson.Biterrorrateinafree-spacelasercommunicationsystemwithapartiallycoherentsignalbeam.ProceedingsofSPIE,2003.[12]候洁.无线激光通信大气信道性能分析.西安:西安电子科技大学,2014.[13]吴健，杨春平，刘建斌.大气中的光传输理论.北京:邮电大学出版社，[14]王朝晖.空间光通信系统比特差错率的计算及影响因素分析.中国空间科学技术，2007,3:68～71.[15]宋正方.应用大气光学基础[M].气象出版社,1994.[16]吴健,乐时晓.随机介质中的光传播理论[M].成都电讯工程学院出版社,1990.VI[17]URACHADAK,YASUOK,etal.Numericalstudiesontime-domainresponsesofon/off-keyedmodulatedopticalsignalsthroughadensefog.TopicalConferenceonWirelessCommunicationTechnology[J],IEEE2003:471-472.CommunicationsMagazine,2003,42(2):2-7.[18]FLECKERB,GEBHARTM,SHEIKHMUHAMMADS,etal.ResultsofattenuationmeasurementsforopticalwirelessChannelsunderdensefogconditionsregardingdifferentwavelengths[C].SPIE,2006,6303,63030P1-11.[19]LEITGEBE,SHEIKHMUHAMMADS,FLECKERB,etal.Theinfluenceofdensefogonopticalwirelesssystems,analysedbymeasurementsinGrazforimprovingthelinkreliability[C].IEEE,2006:154-159.[20]XINGJian-bin,XUGuo-liang,ZHANGXu-ping,etal.Effectoftheatmosphericturbulenceonlasercommunicationsystem[J].ActaPhotonicaSinica,2005,34(12):1850-1852.邢建斌,许国良,张旭苹,等.大气湍流对激光通信系统的影响[J].光子学报,2005,34(12):1850-1852.八、指导教师审查意见指导教师：年月日