甘青半干旱地区大气湍流对无线光通信的影响及信道估计方法研究

The atmospheric turbulence environment of Gansu and Qinghai semi-arid areas is much different from that of other areas due to many factors, such as the long sunshine time, the precipitation deficit and a larger evaporation, the large temperature difference between day and night and repeatedly dust storms every year. It will seriously affect the validity and reliability of optical wireless communication by the turbulence caused intensity fluctuation phenomenon . Therefore, this project will investigate its influence to wireless optical communication systems and find some improving measures to overcome the atmospheric turbulence in the semi-arid area. According to the effect of optical signal in turbulent channel, we will derive the intensity fluctuation characteristics,the pulse spread and delay properties and the probability distribution function of single-beam optical transmission intensity in the semi-arid region; Establish a turbulent channel model suitable for the semi-arid area and analyze its performance. According to the established channel model, three kinds of optical channel estimation schemes will be investgated, which are training sequence scheme, superimposed training scheme and data-dependent superimposed training scheme. The key technologies like the estimation algorithms, the design of training sequence, the separation of superimposed training sequence and the optimal power allocation will be disscussed Moreover, we shall put forward the improvement scheme according to the characteristics of the PPM modulation signal. The achievements of this project will provide theoretical basis for the application and promotion for the wireless optical communication technology in semi-arid area of Gansu and Qinghai province.

甘青半干旱地区由于日照时间长、降水量少蒸发量大、昼夜温差大和存在沙尘暴等因素，造成当地的大气湍流环境与国内其他地区有很大差异。而大气湍流导致的无线光通信接收端光强的起伏现象，会严重影响通信的有效性和可靠性。为此，本课题针对甘青半干旱地区的大气湍流，研究无线光通信系统受到的影响及其改善措施。依据湍流信道中光信号受到的影响，推导出该地区的光强起伏特性、脉冲展宽与时延，得到单光束传输时光强的概率分布函数；建立适合于甘青半干旱地区的湍流信道模型，并分析其性能；根据建立的信道模型，分别提出基于训练序列、隐训练序列和依赖数据的隐训练序列的光信道估计方案，并对其中的估计算法、训练序列的设计与选择、叠加训练序列的分离、最佳功率分配等关键技术进行研究。结合PPM调制信号的特点，提出改进方案。 该项目取得的研究成果为甘青半干旱地区无线光通信技术的应用与推广提供理论依据。

在大气激光通信中，大气湍流和衰减特性会随地域以及天气条件不同呈现不同的特性，造成激光波阵面畸变，引起光束飘移、光束扩展、到达角起伏和光强起伏等现象。甘青黄土高原半干旱地区气候特殊，且下垫面不均匀，致使其湍流较其它地区更为复杂。同时，该地区处于我国气溶胶光学厚度高值区，且沙尘暴频发，导致该地区气溶胶组成与分布也有别于其它地方。本项目针对该地区的大气信道的衰落特性，通过理论分析和外场传输实验相结合的方式研究了不同天气下的光强起伏规律及其衰减特性，并探索了改善甘青半干旱地区无线光通信系统性能的有效方法，即基于训练序列的信道估计方法。项目主要工作如下：.(1)研究了光强随散射次数、光学厚度以及不对称因子等参量的变化特性。利用小角度近似条件推导了沙尘天气下激光脉冲的时延和展宽函数，分析了不同波长脉冲信号的时延和展宽随传输距离和能见度的变化规律。分析了激光波长、能见度、湿度以及传输高度等不同参量对光信号衰减量的影响。.(2) 结合光强起伏理论，设计了外场实验测试系统，并在兰州地区进行了激光传输实验。研究了高斯光束在不同天气条件下光强的空间起伏特性，并利用实测值分析了兰州地区的大气闪烁指数、Rytov方差、大气折射率结构常数以及概率密度分布。发现该地区不同天气下光强起伏概率分布最接近指数威布尔分布。.(3) 提出了甘青半干旱地区大气信道中基于训练序列的信道估计方案，分析了该方案中散射路径数、训练序列的类型及其长度对估计性能的影响。研究了隐训练序列的信道估计方法，并对其中存在的直流偏置干扰问题，提出了一种通过信道特性法消除直流偏置的隐序列信道估计方案，分析了其均方误差、误码率和算法复杂度等性能指标。.(4) 为进一步提高直流偏置的估计精度，并消除叠加数据信息对隐训练序列估计的影响，采用数据依赖的相关匹配法提出一种性能优良的隐训练序列信道估计方案。该方案通过数据依赖法消除叠加数据信息的干扰，采用相关匹配法消除直流偏置的影响。与传统方法相比，该方案的均方误差更接近无直流偏置干扰的情况。