[发明专利]基于OAM因子的弱湍条件下FSO系统性能的确定方法有效

专利信息
申请号: 202010514881.4 申请日: 2020-06-08
公开(公告)号: CN111711482B 公开(公告)日: 2021-05-18
发明(设计)人: 王平;潘宇婷;王炜;张婷;庞维娜;李爽 申请(专利权)人: 西安电子科技大学
主分类号: H04B10/079 分类号: H04B10/079;H04B10/11;G06F17/18
代理公司: 西安通大专利代理有限责任公司 61200 代理人: 姚咏华
地址: 710071 陕*** 国省代码: 陕西;61
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摘要:
搜索关键词: 基于 oam 因子 条件下 fso 系统 性能 确定 方法
【说明书】:

发明公开了一种基于OAM因子的弱湍条件下FSO系统性能的确定方法,包括:基于大气湍流传输模型,得到计算OAM因子的表达式;给出FSO系统中OAM因子统计分布的概率密度函数,给出FSO系统中OAM因子的统计模型;基于最小二乘法,给出求解FSO系统中OAM因子的统计模型参数的优化问题和优化算法,求解FSO系统中OAM因子的统计模型参数,再验证FSO系统中OAM因子的统计模型的可靠性;基于FSO系统中OAM因子的统计模型,结合QPSK调制OAM复用FSO系统传输模型,推导系统误码率表达式,对比不同湍流强度对系统性能的影响。该方法将概率密度函数参数用湍流强度定量表示,能适用于更多的应用环境。

技术领域

本发明属于无线光通信技术领域,具体为一种在大气弱湍条件下,基于FSO系统被湍流强度定量表示的OAM因子的统计模型,研究系统性能的确定方法。

背景技术

自由空间光通信(FSO Free Space Optical Communication)是以激光为载体,以大气为传输介质的传输通信技术。由于其结合了光通信的高带宽和无线技术的灵活性,使人们对该技术兴趣倍增。同时,轨道角动量(OAM Orbital Angular Momentum)模式为光提供了一个新的自由度,可以进一步在FSO链路中提高通信系统的容量。然而,光束的光强和相位会受到大气湍流的影响,造成OAM模式的变形和失真。因此,为了加深对通信系统的理解,科研人员提出了多种统计模型描述由大气湍流引起的OAM模式衰减和模式间串扰。

自由空间中,涡旋光的能量会保持在OAM本征态中,但是,随着湍流增强,本征态中的能量会逐步泄露到其它OAM模式中。本征态中的能量衰减比例通过OAM衰减因子描述,转移到其它OAM模式的能量比例通过OAM串扰因子描述,可统称为OAM因子。目前为止,人们提出了多种数学模型来描述关于OAM衰减和串扰因子的概率密度函数(PDF ProbabilityDensity Function)。其中,Johnson SB概率密度函数和指数分布函数最先被提出分别描述衰减和串扰因子的统计特性。最近,E.M.Amhoud等人提出了一种新型描述湍流引起的涡旋光功率衰减和OAM模式间串扰的数学模型—广义伽马分布函数(GGD Generalized GammaDistribution),该模型适用于多种湍流条件,并且对拉盖尔-高斯光(LG Laguerre-Gaussian beam,LG)的模拟数据提供了极好的拟合,可以研究基于LG光FSO系统性能的影响。

目前的问题在于:所有已知的有关于衰减和串扰因子的统计分布需要通过多次实验然后计算得到PDF参数,在湍流条件变化的环境中,已有的数学模型无法直接得出准确的PDF,并且有关OAM因子的PDF参数与湍流强度有定量关系的统计模型未见报道。因此,基于描述大气湍流引起的OAM本征态模式衰减和OAM模式间串扰、PDF参数由折射率结构常数定量表示的统计模型研究FSO系统性能实属当前十分重要的研究方向。

发明内容

本发明的目的在于建立一个统一描述不同OAM模式的涡旋光功率受大气湍流影响的概率密度函数,并将该分布函数的参数用湍流的强度定量的表示,得到具体的统计模型。基于优化方法中的信赖域算法,设计优化算法计算该统计模型参数,进而研究不同湍流条件下的OAM复用通信系统的性能。其中,由于信赖域算法具有整体收敛性,因此本发明基于该算法,通过将拟合问题表示成优化问题,调整优化算法有效计算定量关系式,进而能够基于该模型计算系统性能。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

基于OAM因子的弱湍条件下FSO系统性能的确定方法,包括下述步骤:

1)基于大气湍流传输模型,通过对接收到的LG光进行滤波分解,计算FSO系统中的OAM因子,并多次仿真,基于概率密度的非参数估计,计算其经验概率密度函数;

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