湍流大气FSOC信道互易性及对发射自适应的影响机制研究

By making use of channel reciprocity, transmission adaptation without the aid of a feedback link in bidirectional free-space optical communication (FSOC) systems can be realized to compensate the effects caused by turbulent atmosphere if the mechanism of persistence and degradation of channel reciprocity is deeply understood and hence the optimization of link parameters can be performed. The Helmholtz reciprocity principle solves the problem of point-to-point reciprocity, whereas it does not consider the scaling effect of transceivers. Up to now, there have been no theoretical models for the reciprocity of turbulent-atmosphere FSOC channels which consider the effects of the optical transceiving mode, transceiver parameters, turbulence path distribution mode and pointing error in a unified mathematical framework. First, analytical correlation models for the two reciprocal channel states will be derived. Second, numerical simulation will be performed to reveal the reciprocity of turbulent-atmosphere FSOC channels from a different viewpoint, and thus to verify the analytical models. Third, the mechanism of persistence and degradation of channel reciprocity will be formulated; the condition of keeping good channel reciprocity will be presented; experimental measurement will be carried out to verify this condition. Finally, a new metric for average capacity with constraints of both the prediction error of channel state information at the transmitter (CSIT) and time delay will be defined, and be used to analyze the effects that different degree of channel reciprocity has on the performance of FSOC systems using transmission adaptation. The results that will be obtained by this project can provide a theoretical basis for optimizing the design of FSOC systems using transmission adaptation based on channel reciprocity.

利用信道互易，双向FSOC系统无需反馈链路即可实现发射自适应模式，以补偿湍流大气影响；但前提是对信道互易性保持和退化机理有深入认识，以便优化设计系统参数。Helmholtz电磁互易定理解决的是点互易问题，未考虑收发器尺度效应；目前缺乏将光学收发模式、收发光学参数、湍流路径分布模式、指向误差等纳入统一数学框架的湍流大气FSOC信道互易理论模型。首先建立互反信道状态间的统计相关解析模型,研究不同链路参数对信道互易的影响；然后利用数值模拟，从不同角度揭示湍流大气FSOC信道互易特性，以检验解析模型；接着阐明湍流大气FSOC信道互易性保持和退化的机理，导出保持良好信道互易性的链路条件，并通过实验测量进行验证；最后定义新的带CSIT估计误差和时延约束的平均容量指标，以此为基础分析不同信道互易性对发射自适应FSOC系统性能的影响。本项目可为基于信道互易的发射自适应FSOC系统的优化设计提供理论依据。

自由空间光(FSO)通信技术被认为是构建下一代超宽带网络的核心技术之一。地球大气湍流导致FSO通信性能降低，发射自适应是一种重要的补偿大气湍流对FSO通信影响的方法。利用信道互易性可以使发射机无需反馈链路就能获得瞬时信道状态信息。本项目首先通过理论解析法和数值模拟手段，研究大气湍流光信道的互易性并建立相应理论分析模型，然后再利用实验手段测量实际双向大气湍流光信道的互易性，最后分析信道互易性退化对发射自适应信道容量的影响。本项目完成了：(1)建立了在大气湍流中作双向互反传输的两球面波的均方到达角起伏差模型，推导出两球面波的均方到达角起伏差以及到达角起伏相关系数解析表达式；(2)得到双向信道接收光功率起伏相关系数与双向信道孔径平均对数振幅起伏相关函数之间的关系，推导出双向信道孔径平均对数振幅起伏相关函数的解析计算公式；(3)针对激光大气湍流传输数值模拟问题，提出根据平均光强分布来确定光场网格采样保存区域和验证数值模拟结果准确性的方法，设计出并行集群模拟方案；(4)针对直接会聚接收双向大气光通信链路，利用数值模拟方法研究了链路两端接收光功率的瞬态差异，分析了湍流路径分布模式和湍流强度对两端接收光功率瞬态差异统计特性的影响；(5)针对收发共用横向空间模耦合大气湍流光信道，分析了信道能保持良好互易性的物理本质，阐明了信道保持良好互易性的条件；(6)针对收发共用横向空间模耦合大气湍流光信道，研究了双向信道的信号起伏相关系数测量方法，完成了信道互易性的实际测量和分析工作；(7)建立了基于信道互易的发射自适应FSO通信链路容量模型，分析了信道互易性对发射自适应FSO通信链路容量的影响机制，设计出双向FSO通信发射功率自适应调节系统；(8)针对双向FSO通信系统的接收光功率起伏时间特性问题，研究了接收光功率起伏均方根时间带宽与风速路径廓线之间的关系并建立了相应的理论模型，开展了大气光传输信道特性实验测量工作，分析了不同条件下的大气信道FSO通信性能。发表学术论文20篇，申请发明专利12件，出版著作1部，获软件著作权1件，培养了7名研究生。