FSO-OFDM系统关键技术研究

论文摘要

自由空间光通信（FSO）由于具有成本低、组网灵活、无需频率许可等优点,已成为当今信息技术的一大热点。但由于光色散以及电子器件速率的限制,使系统传输速率受限,误码性能不理想。为了充分发挥FSO的潜力,支持更高的信息传输速率和改善系统误码特性,必须采用频谱效率高、抗大气效应能力强的新型传输技术。在各种能提供高速率传输的无线解决方案中,正交频分复用（OFDM）技术最能代表自由空间光通信的发展方向。因此,本文将OFDM与FSO这两项较成熟的技术进行结合,并对FSO-OFDM系统亟待解决的理论和技术问题展开研究。1、把OFDM技术引入到FSO系统中,给出了基于光偏振特性的基带FSO-OFDM模型和基于相干检测的频带FSO-OFDM模型,并对其信号处理过程进行了论证。2、提出了一种新的基于时频码的FSO-OFDM系统模型,将空时编码的思想引入到OFDM系统,通过在发射端改变信号结构,增加信号冗余和在接收端进行信号合并来完成信号检测,可达到降低系统复杂度和改善系统误码特性的效果。3、针对传统算法频偏估计范围小的缺点,在Schmidl&Cox和Minn算法的基础上,讨论了基于FH共轭对称序列的符号定时和频偏联合估计算法。该算法的定时尺度曲线仅在正确定时点处出现一个尖峰,大大提高了分辨率,从而可以更加准确的进行符号同步。同时通过合理设计训练序列的长度,可扩大频偏估计范围。4、应用Mie散射理论,数值计算了雨粒子、雾粒子和沙尘粒子对光波传输的衰减,推导了在相应信道条件下FSO-OFDM系统的误符号率公式,并通过仿真实验验证了其正确性。结果表明,在散射信道中FSO-OFDM系统的性能主要取决于散射造成的光强度起伏方差,其次为散射造成的光强度衰减系数。5、在对信道进行数值分析的基础上,特别研究了频率选择性衰落信道中的LMS自适应滤波的信道估计算法,该算法仅仅在学习阶段需要导频数据,而在跟踪阶段是利用反馈的判决信息进行信道估计,无需额外的导频数据信息,可以提高系统效率,并有较好的信道估计性能。综上所述,论文对于FSO-OFDM系统实现中的若干关键问题进行了深入的研究,理论分析和仿真实验表明本文所提出的思路具有一定的创新性并能够获得较好的效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1. 绪论
• 1.1 大气激光通信的发展
• 1.1.1 大气激光通信的发展
• 1.1.2 大气激光通信存在的问题
• 1.2 多载波调制的发展及特性
• 1.2.1 OFDM技术的发展
• 1.2.2 OFDM的特点
• 1.3 FSO-OFDM传输系统
• 1.3.1 FSO-OFDM传输系统发展
• 1.3.2 FSO-OFDM的特点
• 1.3.3 射频OFDM与FSO-OFDM的区别
• 1.3.4 FSO-OFDM亟待解决的问题
• 1.4 本文的主要工作
• 2. FSO-OFDM系统建模
• 2.1 FSO基本原理
• 2.2 OFDM基本原理
• 2.3 FSO-OFDM信号结构
• 2.3.1 保护间隔和循环前缀
• 2.3.2 过采样
• 2.3.3 加窗
• 2.4 FSO-OFDM系统基本模型
• 2.4.1 基带模式
• 2.4.2 频带模式
• 2.5 本章小结
• 3. FSO-OFDM系统中的时频编码
• 3.1 基于时频码的系统建模
• 3.2 ALAMOUTI空时码原理
• 3.2.1 编码原理
• 3.2.2 基于极大似然解码原理
• 3.3 频域编码
• 3.3.1 频域编码原理
• 3.3.2 频域编码后系统模型
• 3.3.3 频域编码后系统性能
• 3.4 时域编码
• 3.4.1 时域编码原理
• 3.4.2 时域译码原理
• 3.5 基于时频码系统仿真实验
• 3.6 本章小结
• 4. 时域FH序列同步算法
• 4.1 FSO-OFDM系统同步误差分析
• 4.1.1 载波频偏对OFDM系统的影响
• 4.1.2 定时偏差对OFDM系统的影响
• 4.1.3 采样时钟偏差对OFDM系统的影响
• 4.2 基于训练序列的符号定时算法研究
• 4.2.1 S&C与Minn算法
• 4.2.2 训练序列的设计
• 4.2.3 基于FH序列的符号定时算法
• 4.3 FSO-OFDM系统频率同步算法的研究
• 4.3.1 基于循环前缀的最大似然（ML）同步算法
• 4.3.2 基于训练序列的频偏估计算法
• 4.4 本章小结
• 5. 大气散射效应对FSO-OFDM信号的影响
• 5.1 大气散射信道模型
• 5.2 雨、雾、沙的物理特性及衰减效应
• 5.2.1 雨的物理特性及衰减效应
• 5.2.2 雾的物理特性及衰减效应
• 5.2.3 沙尘暴的物理特性及衰减效应
• 5.3 FSO-OFDM系统误符号率分析
• 5.4 数值分析
• 5.4.1 雨粒子散射效应影响
• 5.4.2 雾散射效应影响
• 5.5 本章小结
• 6. 基于导频辅助信道估计算法
• 6.1 衰落信道对OFDM信号的影响
• 6.2 基于频域导频的信道估计算法
• 6.2.1 导频结构
• 6.2.2 导频位置信道响应的估计
• 6.2.3 FSO-OFDM信道估计中的内插算法
• 6.2.4 性能验证
• 6.3 基于时域训练序列的信道估计算法
• 6.3.1 基于DFT变换的信道估计算法
• 6.3.2 基于自适应滤波器的预测算法
• 6.3.3 基于LMS的半盲信道估计算法
• 6.3.4 仿真实验
• 6.4 非理想信道估计对系统的影响
• 6.5 本章小结
• 7. 总结
• 7.1 工作总结
• 7.2 研究创新
• 7.3 进一步研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表和收录的论文
• 攻读博士学位期间专利授权情况
• 攻读博士学位期间获奖情况
• 攻读博士学位期间参与的主要科研课题