全双工调制回复反射自由空间光通信的研究

Asymmetric free-space optical (FSO) communication is often required in a variety of applications, such as satellite-to-ground/satellite-to-satellite links, unmanned aerial vehicles, target identification, environmental monitoring, underwater communications. Through using a modulating retroreflector (MRR) to shift most of power consumption, weight and pointing requirements to one end of the conventional FSO link, and to make the other end be extremely compact and low-power, an asymmetric MRR FSO system is then constructed. In this project, we will firstly establish an atmospheric channel model for the retro-reflect link of the MRR FSO system. Using this model, performance evaluation of MRR FSO systems will be developed based on Monte-Carlo method and analytical method. Then, the performance of MRR FSO systems utilizing different types of signal modulation will be evaluated and compared to look for the optimal modulation scheme. Most importantly, we intend to use different signaling schemes in downlink and uplink in order to accomplish full-duplex transmission in MRR FSO systems, and recommend a readily applicable system design. Finally, a full-duplex MRR FSO experimental system will be built on the base of an atmospheric turbulence chamber to verify the availability of the full-duplex link, and gain the experience for developing future practical systems.

非对称的自由空间光通信(FSO)系统在许多场合有着重要的应用，比如星地/星星间通信、无人机通信、目标识别、环境监测、水下通信等。通过使用调制回复反射器(MRR)，可以将传统FSO系统的大部分功耗、重量和跟踪瞄准设备转移到一个终端，使得另一个终端结构紧凑、功耗很低，从而构成非对称的MRR FSO系统。本项目将首先建立起MRR FSO系统回复链路的大气信道模型，并在此基础上发展用于系统性能评估的蒙特卡罗法和解析法；接着，对采用不同信号调制方式的系统进行性能评估，并总结出其各自优缺点；再通过不同的信号调制和编码组合来实现MRR FSO系统的全双工通信,并分析获得一个最具实用价值的设计方案；最后，我们将搭建一个基于大气模拟箱的全双工MRR FSO实验系统来验证全双工链路的可行性，并为今后实际系统的开发积累相应的技术储备。

为了解决传统自由空间光通信(FSO)系统的对准难、功耗高等突出问题，研究人员提出了调制回复反射(MRR) FSO系统，以便适用于许多重要的应用场合，比如星地通信、无人机通信、目标识别、环境监测、水下通信等，但是缺乏对MRR FSO系统的理论建模、系统评估及性能优化。本项目首先发展了回复反射双程光传输的光波仿真算法，该算法是通过结合传统单程光波仿真算法和CCR几何光路模型来实现的，还可以应用于激光雷达、遥感探测等返回光信号特性的研究；通过大量仿真结果，建立MRR FSO系统回复链路信道的统计模型，分别根据对数正态Lognormal和Gamma-Gamma分布建立了弱湍流和弱到强湍流条件下的大气信道模型，可以作为研究MRR FSO通信技术的理论基础；根据信道模型，提出了MRR FSO系统性能评估的蒙特卡罗法和解析法，快速计算系统误码率和中断概率等性能，用于系统设计和性能优化。接着研究在上行和下行链路中使用不同信号调制组合来实现MRR FSO系统的全双工通信，提出采用DC-OOK和inverse PPM方案，分别应用于低速低成本和高性能高成本的应用系统；最后，搭建基于大气模拟箱和真实大气环境下的全双工MRR FSO实验系统来验证全双工链路的可行性，并为今后实际商用系统的开发积累相应的技术储备。