沙尘天气下近地面无线光通信的传输机理及特性研究

In northwest China, sand and dust storms occur frequently throughout the year about 70 days. During the period, the laser scattering and absorption resulted from suspended particles seriously affect the validity and reliability of wireless optical communication systems. Therefore, this project intends to conduct a research on the optical signal transmission mechanism and its characteristics in sand and dust weather. Based on Mie theory, the light intensity distribution and the light intensity fluctuation characteristics are analyzed by using the multiple scattering in sand and dust weather. The probability distribution functions of single-beam transmission/multi-beam transmission are established. The optical MIMO channel model in sand and dust weather is also established, with its performance analyzed and the effect of its correlation on system performance explored. We propose the Concatenated Space-Time Block code, Concatenated Layered Space-Time Code and Concatenated Space-Time Trellis Code schemes based on intensity modulation respectively. And the key technologies of the internal/external code design and choice, interleaver structure, joint detection-decoding algorithms, iterative channel estimation/decoding/detection algorithm are discussed. Finally, according to PPM modulated signal, an iterative channel estimation/decoding/detection scheme is proposed by combining the techniques of channel estimation, channel decode and space-time detection.. The research achievements of this project will provide a new way against the effect sand and dust storms have on wireless optical communication, and for a theoretical basis and a practical approach to the realization of large-capacity, high-speed, long-distance wireless optical communication systems.

沙尘天气在西部地区全年约占70天左右。在这期间，沙尘暴造成的悬浮颗粒对激光产生散射和吸收，会严重影响近地面无线光通信的有效性和可靠性。为此，本课题拟研究激光信号在沙尘天气下的传输机理与特性。依据Mie理论，采用多次散射得到沙尘天气下的光强分布和光强起伏特性，建立单光束和多光束传输时光强的概率分布函数；建立沙尘天气下光MIMO的信道模型，并分析其性能，同时研究相关性对系统性能的影响；针对强度调制分别提出级联空时分组码、级联分层空时码和级联空时网格码的方案，并对其内外码的设计与选择、交织器的构造、联合检测-译码算法、迭代信道估计/译码/检测等关键技术进行研究；将信道估计、信道译码和空时检测三者合并，结合PPM调制信号的特点，提出一种迭代估计/译码/检测方案。.该项目取得的研究成果为抵御沙尘暴对光通信的影响提供新途径，并为实现大容量、高速率、远距离的光通信提供理论依据和有效手段。

我国西北地区属于中亚沙尘暴区的一部分，是沙尘暴的源地和频发区,全年的沙尘天气约70天左右。在这期间，沙尘暴造成的悬浮颗粒对激光产生的散射和吸收，会导致接收光信号的光强、时域和频域特性发生较大的变化，这将严重影响近地面无线光通信的有效性和可靠性。本课题利用理论分析和实际实验相结合的方法分析了沙尘天气下激光信号的光强变化、以及时域和频域特性的变化，研究了沙尘天气下激光信号的传输机理与特性，并探索了该条件下改善通信系统性能的有效方法。项目完成了计划任务书中规定的预期目标，研究结果为学者们继续研究和设计无线光通信系统提供参考，也锻炼了队伍，凝聚了课题组，为进一步研究奠定了基础。本课题取得的主要研究成果：.①依据Mie理论和辐射传输，分别采用蒙特卡洛方法和小角度近似方法研究了球形沙尘粒子和任意形状粒子的单次和多次散射特性，得到了散射后光强与能见度、大气光学厚度之间的变化关系，推导了沙尘天气下的脉冲响应，得到了激光脉冲的时延量和展宽量与沙尘能见度、大气光学厚度间的关系，揭示了沙尘天气下激光信号的传输规律。.②利用已建立的无线激光通信系统的实验测试平台，经过长期测量无沙尘和有沙尘条件下接收信号的光强，研究了激光信号的光强起伏特性，拟合出了适合于中国西北地区使用的光强的概率分布函数。.③研究了单光束和多光束的传输机理，建立了该条件下单光束与多光束传输时的信道模型。并针对不同的调制方式，研究了经典光通信系统和光MIMO系统的信道容量与误码率特性。尤其是研究了空间相关性对光MIMO系统信道容量和误码率的影响,为实际无线通信系统的设计和建设提供理论依据和指导。.④研究了无线光通信中的空时编码技术，采用IFFT和其他技术相结合的方法，提出了适合于光通信的直流分量光空时网格码、非对称限幅空时网格码方案等方案，并改进了其译码算法。.⑤研究了级联空时编码的编译码方法，并将LDPC码和VBLAST相结合，构建了适合于光通信的级联空时编码方案。针对简单的级联空时编码中存在的错误传播现象，通过引入外迭代方法，提出了新的联合检测迭代译码算法。