自由空間無線光接入系統(tǒng)中2種OFDM信號的應(yīng)用研究

周俊毅, 邵宇豐, 王建軍, 汪志鋒, 李長祥, 周 越, 季幸平

(上海第二工業(yè)大學計算機與信息工程學院,上海201209)

自由空間無線光接入系統(tǒng)中2種OFDM信號的應(yīng)用研究

周俊毅, 邵宇豐, 王建軍, 汪志鋒, 李長祥, 周 越, 季幸平

(上海第二工業(yè)大學計算機與信息工程學院,上海201209)

自由空間光通信(Free Space Optical,FSO)是未來極具發(fā)展前景的一種寬帶無線接入技術(shù),但實際應(yīng)用中必須考慮復(fù)雜天氣條件對FSO通信系統(tǒng)收發(fā)信號的影響。通過仿真搭建了自由空間無線光接入系統(tǒng),研究了采用十六進制正交振幅(Sixteen Hexadecimal Quadrature Amplitude,16QAM)以及十六進制相移鍵控(Sixteen Hexadecimal Phase Shift Keying,16PSK)映射生成的正交頻分復(fù)用(OFDM)信號在5種天氣條件(晴天、小雨、中雨、雪、霧)下傳輸100 m及300 m的收發(fā)特性。通過分析接收信號的光譜圖、星座圖和誤碼特性證明:晴天條件下,接收信號映射的星座點收斂特征較好,誤碼率低至2.5×10-6;雨天條件下,接收信號質(zhì)量受雨衰的影響被劣化;雪或霧天氣下,上述仿真系統(tǒng)仍能在短距離內(nèi)維持通信過程;在自由空間無線光接入系統(tǒng)中,16QAM-OFDM信號的通信性能優(yōu)于16PSK-OFDM信號。

自由空間光通信;復(fù)雜天氣;正交頻分復(fù)用;星座圖;誤碼率

0 引言

自由空間光通信(Free Space Optical,FSO)是以激光束作為載波,在自由空間中實現(xiàn)點到點、點到多點寬帶信息無線傳輸?shù)囊环N技術(shù)。它與傳統(tǒng)的射頻無線傳輸技術(shù)相比,具有通信容量大、傳輸保密性好、抗干擾能力強、無需申請頻譜資源等優(yōu)點,并為快速便捷地部署“最后一公里”接入問題提供了一種靈活的解決方案,近年來獲得研究人員的廣泛關(guān)注[1]。然而,光信號在大氣中的傳輸會受到天氣條件的影響[2-3],尤其是大氣湍流的影響。大氣湍流的影響包括光束漂移、光強閃爍和光束擴展等:光束漂移使得收發(fā)系統(tǒng)視距通信的對準難度提升;光強閃爍是指光信號受到外部環(huán)境的隨機影響,是影響誤碼率的重要因素;光束擴展過程將導(dǎo)致系統(tǒng)接收光功率下降。在多種復(fù)雜天氣條件下,懸浮于大氣中各種形態(tài)的粒子(雨、霧、雪、霾等)也將導(dǎo)致傳輸光波被不斷散射和吸收。此外,無線光信號在自由空間信道中傳輸存在的多徑衰落現(xiàn)象也是限制FSO系統(tǒng)收發(fā)信號質(zhì)量的主要因素之一。由于正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技術(shù)對動態(tài)資源分配的靈活性和對空間多徑衰落影響的魯棒性,在第4代/第5代(4G/5G)無線接入系統(tǒng)中,已成為領(lǐng)先的候選通信方案[4-7]。本文搭建了基于16QAM-OFDM和16PSK-OFDM信號的自由空間無線光接入系統(tǒng),并在多種天氣條件下進行了仿真實驗探究(其中光載波信號所受的吸收和散射影響將通過自由空間信道衰減系數(shù)來反應(yīng)[8-9]),對比分析了2種OFDM信號的傳輸性能。仿真實驗結(jié)果雖然證明了16QAMOFDM信號的收發(fā)性能優(yōu)于16PSK-OFDM信號,但16PSK-OFDM信號的調(diào)制解調(diào)過程更為簡單,能減少DSP處理復(fù)雜度和系統(tǒng)收發(fā)機成本耗費,因此在實際應(yīng)用中可以根據(jù)具體情況進行靈活選擇。

1 OFDM-FSO通信系統(tǒng)

如圖1所示,該OFDM-FSO光接入系統(tǒng)可分為發(fā)射端、傳輸信道和接收端3部分。發(fā)射端部分主要由OFDM調(diào)制模塊、電/光轉(zhuǎn)換模塊等組成;傳輸信道為自由空間傳輸信道;接收端部分主要由光/電轉(zhuǎn)換模塊、OFDM解調(diào)模塊等組成。

圖1 OFDM-FSO系統(tǒng)配置框圖Fig.1 System conf i guration diagram of OFDM-FSO

首先,原始二進制數(shù)據(jù)進行16QAM或16PSK星座映射,經(jīng)過串/并變換(S/P)后映射到N個并行的子信道中。不同調(diào)制模式的數(shù)據(jù)進行傅里葉反變換(IFFT)后被分配至不同的子載波中,本系統(tǒng)使用的子載波數(shù)為256,16QAM和16PSK映射形成的信號各占128個子載波。上述數(shù)據(jù)經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換(P/S)后,輸入數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)生成OFDM電信號。在電/光轉(zhuǎn)換模塊處,OFDM電信號的同相分量和正交分量通過低通濾波器(Low Pass Filter,LPF)后分別與正弦波和余弦波混頻,再通過馬赫曾德爾調(diào)制器(Mach-Zehnder Modulator,MZM)進行電光轉(zhuǎn)換[10-15],最終形成OFDM光信號在大氣仿真信道中進行傳輸。其中,激光器的工作頻率為193.1 THz,線寬為0.1 MHz,發(fā)射功率為10 dBm,信號的工作速率為40 Gbit/s。

上述系統(tǒng)為點對點的自由空間無線光接入系統(tǒng),激光在不同天氣情況下通過大氣信道時,會受到空氣中固體、液體和氣體懸浮顆粒物的干擾,如塵埃、水、雪、霧、霾等。此外,大氣湍流會造成信號光功率的隨機起伏,隨著陰、雨、霧、霾的天氣變化,給信號帶來不同程度的振幅及相位噪聲。本信道模型重點考慮天氣對于光強的噪聲影響。假定信號為s(t),預(yù)計迭加波形的形式為s(t)m(t)+n(t)。其中n(t)為加性高斯白噪聲(AWGN),這是疊加在信號上的一種噪聲,無論有無信號,噪聲n(t)都是始終存在的。它對接收功率的衰減主要取決于以下3個參數(shù):大氣衰減、幾何損耗、發(fā)射和接收光學裝置之間的傳輸距離。接收功率與發(fā)射功率之間的關(guān)系可表示為:

式中:dr表示接收孔徑直徑(m);dt表示發(fā)射孔徑直徑(m);θ表示光束發(fā)散角(rad);R表示距離(km);α表示大氣衰減(dB/km)。晴天、多云、小雨、雪天、霧霾天氣情況下對應(yīng)的衰耗值區(qū)間以及仿真時采用的測試值如表1所示。

表1 天氣條件與FSO信道衰減系數(shù)Tab.1 Weather condition and attenuation coeff i cientof FSO

此外,基于Gamma-Gamma模型來模擬乘性噪聲m(t)對信號的影響。Gamma-Gamma描述了包括內(nèi)尺度和外尺度下的大氣起伏現(xiàn)象,它將輻照度分解為2個獨立隨機過程的乘積。因此,光強I波動的概率密度函數(shù)為:

式中:I為信號強度;α和β為概率密度函數(shù)的參數(shù);Γ()是伽瑪函數(shù);Kα-β()是改進型巴塞爾函數(shù)的第2種形式。考慮在零內(nèi)尺度情況下,利用平面波來預(yù)測閃爍的概率密度函數(shù)的參數(shù)α和β可以表示為:

在光/電轉(zhuǎn)換模塊處,接收光信號先經(jīng)過高斯濾波器進行濾波,隨后由光電二極管(PIN)探測并轉(zhuǎn)化為電信號。電信號通過電增益后分為兩路分別與正弦波和余弦波混頻,由此恢復(fù)了原始的IQ分量。其中,PIN光電檢測器中的暗電流為10 nA,靈敏度為1 A/W,電放大器的增益為16 dB。最后,電信號進入OFDM解調(diào)模塊,經(jīng)過OFDM調(diào)制相反的過程,最終恢復(fù)出原始二進制數(shù)據(jù)。

2 仿真實驗結(jié)果分析

依據(jù)表1中典型的戶外天氣條件,采用5種對應(yīng)的大氣衰減值α,在不同的傳輸距離下進行了多次仿真測試,對測得的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計后,得到了2種OFDM光信號經(jīng)多種天氣條件影響后的接收光譜圖、星座圖和誤碼率曲線。接收光譜如圖2和圖3所示(其中橫坐標中的T表示10的12次方),自由空間無線光接入信號受多種天氣條件的影響而出現(xiàn)不同程度的邊帶功率衰減:當傳輸距離為100 m時,光譜中邊帶功率從-22 dBm(晴天條件)下降至-42 dBm(霧霾條件);當傳輸距離為300 m時,光譜中邊帶功率從-20 dBm(晴天條件)下降至-93 dBm(霧霾條件)。

圖2 信號在不同大氣衰減值下傳輸100 m后的接收光譜(第1張為發(fā)送信號光譜)Fig.2 The received opticalspectrum of the signal after 100 m transmission under different atmospheric attenuation condition(The fi rst graph is the optical spectrum of thetransmitted signal)

圖3 信號在不同大氣衰減值下傳輸300 m后的接收光譜(第1張為發(fā)送信號光譜)Fig.3 The received opticalspectrum of the signal after 300m transmission under different atmospheric attenuation condition(The f i rst graph is the optical spectrum of thetransmitted signal)

各種天氣下16QAM-OFDM和16PSK-OFDM光信號經(jīng)大氣仿真信道傳輸100 m、300 m后的接收誤碼率曲線和星座圖如圖4所示。當傳輸距離為300 m時,通過誤碼率分析儀得到16QAM-OFDM和16PSK-OFDM信號的具體數(shù)據(jù)如下:晴天時大氣衰減值為5 dB/km,此時誤碼率最低,2種OFDM信號的誤碼率分別為1.9×10-4和2.5×10-4;小雨時大氣衰減值為10 dB/km,此時誤碼率分別為2.5×10-4和3.2×10-4;中雨時大氣衰減值為30 dB/km,此時誤碼率分別為5.0×10-4和7.9×10-4;霧霾天氣下大氣衰減值為250 dB/km,此時誤碼率最高,2種OFDM信號的誤碼率分別6.3×10-2和0.31。通過分析和比較,證明了16QAM-OFDM信號的誤碼率始終低于16PSK-OFDM信號。

大氣湍流和散射對接收信號星座圖的惡化影響具體表現(xiàn)為矢量點彌漫、扭曲、變形等。如圖4(a)所示,晴天對傳輸質(zhì)量的影響最小,多云、小雨、雪天、霧霾對傳輸質(zhì)量的影響依次變大。晴天時信道衰耗值很小,星座點在2維空間內(nèi)整齊分布為16點矩形陣列和16點圓形陣列,星座點無混疊,且分布集中清晰。雨天空氣中水霧、雨滴密度較大,令一些光束的能量向四周散開,中雨對光信號的相位、幅度信息的衰減影響比小雨更強,如圖4(b～c)所示。圖4(d)為霧霾時星座圖,霧霾對光信號的衰減影響極其嚴重,當傳輸距離較遠時,星座圖上各矢量點分布彌散,星座圖表現(xiàn)為明顯的塊狀和環(huán)狀,不能分辨出相位及振幅信息。觀察比較圖4中16QAMOFDM和16PSK-OFDM光信號的星座圖發(fā)現(xiàn):前者的星座圖接收質(zhì)量整體優(yōu)于后者,這與接收信號誤碼率的分析結(jié)果一致。

圖4 距離為100 m和300 m時多種大氣衰減值與誤碼率的關(guān)系Fig.4 Relationship between different atmospheric attenuation values and bit error rate with 100 m and 300 m distances

3 結(jié) 語

本文通過仿真搭建了一種傳輸速率為40 Gbit/s的自由空間無線光接入系統(tǒng),采用了16QAMOFDM和16PSK-OFDM2種調(diào)制信號,在5種不同天氣條件下實現(xiàn)了上述信號100 m和300 m的自由空間收發(fā)和傳輸。通過比較上述2種OFDM信號的光譜圖、星座圖和誤碼性能,證明了在該自由空間無線光接入系統(tǒng)中,16QAM-OFDM信號的通信性能優(yōu)于16PSK-OFDM信號,在未來的FSO通信系統(tǒng)中,16QAM-OFDM信號可作為優(yōu)先考慮;然而,16PSK-OFDM信號的調(diào)制解調(diào)過程更為簡單,這一特點能減少數(shù)字信號處理(DSP)的復(fù)雜度和系統(tǒng)收發(fā)機的成本耗費,在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體情況來靈活選擇。上述研究結(jié)果也為將來高譜效率、適應(yīng)復(fù)雜天氣的自由空間無線光接入系統(tǒng)的實際應(yīng)用提供了仿真測試依據(jù)。

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Application Research of Two Kinds of OFDM Signals in Free Space Wireless Optical Access Systems

ZHOU Junyi, SHAO Yufeng, WANG Jianjun, WANG Zhifeng LI Changxiang, ZHOU Yue, JI Xingping
(School of Computer and Information Engineering,Shanghai Polytechnic University,Shanghai 201209,China)

Free space optical(FSO)is a kind of broadband wireless access technology with great development prospects.However,the inf l uence of complex weather conditions on FSO communication system should be considered in practical application.A free space wireless optical access system was built by simulation.The orthogonal frequency division multiplexing(OFDM)signals which were generated by using sixteen hexadecimal quadrature amplitude mapping(16QAM)and sixteen hexadecimal phase shift keying(16PSK)mapping transmitted with 100m and 300m distance under f i ve weather conditions(sunny,light rain,moderate rain,snow,fog).By analyzing optical spectrum diagrams,constellation diagrams and bit error rate(BER)characteristics of the

signal,it was proved that under sunny weather conditions,the convergence characteristics of constellation diagram was better,and the BER was as low as 2.5×10-6.On the rainy day,the system receiver performance was deteriorated by the inf l uence of rain attenuation.Under snow or foggy weather conditions,the simulation system could still maintain short distance communication.In free space wireless optical access systems,the communication performance of 16QAM-OFDM signals was better than 16PSK-OFDM signals.

free space optical(FSO)communication;complex weather;orthogonal frequency division multiplexing(OFDM);constellation diagram;bit error rate(BER)

TN 929.1

A

1001-4543(2017)04-0277-06

10.19570/j.cnki.jsspu.2017.04.005

2017-05-04

邵宇豐(1977–),男,湖南長沙人,副教授,博士后,主要研究方向為光纖通信、無線通信。E-mail:yfshao@sspu.edu.cn。

國家自然科學基金(6117064),上海市教委科研創(chuàng)新項目(15ZZ101),上海第二工業(yè)大學校重點學科(XXKZD1605),上海第二工業(yè)大學內(nèi)涵建設(shè)項目(A11NH170301),上海第二工業(yè)大學研究生項目(A01GY17F022)資助