室外无线光通信中的偏振调制技术及其比较分析

⃝⃝可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirectICT Express 3（2017）62www.elsevier.com/locate/icte室外无线光通信YuweiSu，Takuro Sato日本东京早稻田大学基础科学与工程学院通信与计算机工程系接收日期：2017年3月15日;接收日期：2017年5月12日;接受日期：2017年5月23日2017年5月31日在线发布摘要在本文中，我们介绍了一个关键技术，偏振调制（PM），这应该考虑到标准化的室外光无线通信（OWC），也被称为自由空间光通信（FSO）。分析了激光在大气信道中传输时估计了光学偏振态的浮动范围，并讨论了研究该技术的必要性。此外，我们对基于PM的FSO系统和基于强度调制的FSO系统进行了比较。所得结论对制定FSO标准体系结构具有一定的指导意义。c2017 韩 国 通 信 信 息 科 学 研 究 所 。 出 版 社 ： Elsevier B.V. 这 是 一 篇 基 于 CC BY-NC-ND 许 可 证 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍对更宽带宽和更高传输速度的日益增长的需求引起了人们对使用光作为载体的光无线通信（OWC）的关注。表1所示的大多数现有OWC标准[1室外OWC，又称自由空间光通信（FSO），是一种通过大气信道传输光信号的视距技术由于激光束本身很窄，因此FSO系统具有显著的方向性，可用于超长距离（>20km）链路。FSO设备比RF设备更便携、更节能当光纤系统太昂贵或不可能建立时（例如，在自然灾害地区、山区等），FSO系统可以是一个备选方案（10*通讯作者。电子邮件地址：suyuwei@suou.waseda.jp（Y。Su），t-sato@waseda.jp（T.Sato）。同行评审由韩国通信信息科学研究所负责本文是题为“专利、标准化和ICT实践中的未决问题特刊”的一部分本论文由Dong-Soo Han教授处理。http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2017.05.002FSO系统也被认为是最后一英里问题（10公里）的解决方案[6鉴于FSO系统的优势，国际电信联盟自2006年以来一直在制定FSO标准。研究最多的FSO系统是强度调制（IM）方案。在文献[7，11-另一方面，光波的偏振态在通过大气信道传播时是 一 个 更 加 稳 定 的 特 性 [14-PM 可 以 大 致 分 为 线 偏 振（LP）和圆偏振（CP）调制。一种称为偏振移位键控（PolSK）的LP调制方案将两个正交偏振状态分别定义为在文献[14]中，为了充分利用偏振稳定性，另一种LP方法在标准化移动FSO系统时，CP调制更适合，因为收发器的旋转最常见的CP调制是圆偏振移位键控（CPolSK），它使用2405-9595/c2017韩国通信信息科学研究所。Elsevier B. V.的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。Y. Su，T.Sato/ICT Express 3（2017）6263ℜ）的[⎩）1/41+1δ2A（10）= 0。16δ200（L0）= 0.16δ200P+（⎤l00表1现有OWC标准。标准波长（nm）数据速率IEEE 802.11 850SIR 2.4MIR 0.576和1.152 Mbps红外远红外区850-9004 Mbps四分之一波片实现线偏振态和圆偏振态的相互转换[8，9]。本文的目的是强调（ll）7/ 6ln在标准化FSO系统方面的PM技术研究在ℜ1000+1000[（l ）12（l） 7/ 12]第二部分，分析了渠道效应，估算了浮动光强度和光偏振的范围。一· 一加一。7501000+1000-0. 2501000+1000、（六）基于PM和基于IM第3节介绍了FSO系统。结果反映了（LL）7/ 6lnAℜ1000+1000PM方案的优越性。[（L ）1/ 2（ 比利时））7/ 12]·一加一。7501000+1000-0. 2501000+1000、（7）2. 信道模型2.1. 光强度2= 3。86δ2中国（1+）1 .一、51111/ 122l0（四）罪116arctan0）The Gamma–Gamma distribution model is widely因为它既可以代表弱者，也可以代表中强派罪2l03 arctan0湍流区它包含两个Gamma分布因子（）下一页⎫⎪⎬调制闪烁和概率密度函数，可以写成[6，11]。ε+γ0的情况。27-（1+2）7/24罪54 arctan0-3. 5微升−5/6.（八）⎭⎪F （Q）= 2（εγ）2Qε+γ−2K（2εγQ），相关参数由[6，11]给出：QPrP（一）100万美元10个。89L=kl2 ，kl0δℜ（=δ2QΓ（ε） Γ（γ）2ε−γ）VFIR16 MbpsUFIR96 Mbps千兆红外0.576和1.024 GbpsCP-1221VLCACP-1222380–7804.8kbps的CP-1223物理I11.6IEEE 802. 15. 7PHY II380–7801.25PHY III1264Y. Su，T.Sato/ICT Express 3（2017）62lnA0δ=δlnAlnBPP0二、61=1 + 0。45δ2π1/6，R其中Pr是接收到的光功率，符号Pr。表示064π2L=ℜl0100万美元（九）闪烁系综平均值，Km（.）是L0kL2，μL0=μlY. Su，T.Sato/ICT Express 3（2017）6265、+100066Y. Su，T.Sato/ICT Express 3（2017）62第二类m阶修正贝塞尔函数ε和γ分别表示小尺度因子和大尺度因子，Y. Su，T.Sato/ICT Express 3（2017）6267表示为[6，11]68Y. Su，T.Sato/ICT Express 3（2017）62其中l0是湍流的内部尺度，1 mm至10 mm，L0是湍流的外尺度，Y. Su，T.Sato/ICT Express 3（2017）6269米的刻度。符号δ2= 1。23C2k7/ 6L11/ 6表示70Y. Su，T.Sato/ICT Express 3（2017）62挪威2ε=[exp（δ2γ=[exp（σ2）−1]−1，（2））− 1]−1.（三）平面波的Rytov方差，其中Cn是指数折射结构常数在10- 17 m-2/3Y. Su，T.Sato/ICT Express 3（2017）6271lnBδ2和δ272Y. Su，T.Sato/ICT Express 3（2017）62是小尺度和大尺度 对数辐照度Y. Su，T.Sato/ICT Express 3（2017）6273传输距离74Y. Su，T.Sato/ICT Express 3（2017）62InAInB方差，分别，可以写为[6，11]2.2. 光学偏振Y. Su，T.Sato/ICT Express 3（2017）62752lnA276Y. Su，T.Sato/ICT Express 3（2017）62lnA（l0）−δ2Y. Su，T.Sato/ICT Express 3（2017）6277（L0），（4）2.2.1. 线偏振畸变假设大气信道是均匀的78Y. Su，T.Sato/ICT Express 3（2017）62δ2=0。5 1δ2（1+0. 69δ12/5）−5/6（5）和各向同性，并且光波传播遵循Y. Su，T.Sato/ICT Express 3（2017）6279nn=-=-∆θ∆θ2δn×=⟨ ⟩ ⟨⟩∗∗AA+AAXYX Yn⟨ ⟩ ⟨⟩−XYS=, (14)1==−⟨ ⟩⟨⟩+XYS=, (15)2⟨ ⟩ ⟨⟩nK2n0303∆θ∆θnn亥姆霍兹方程[11]：E+k2n2E+2n [E·nln（n）]= 0（10）其中E是光波电矢量，n表示折射率。折射率光谱被认为是众所周知的柯尔莫哥洛夫光谱：Φn（κ）= 0。033 C 2κ−11/3，l0≤κ ≤ L0，（11）其中κ是标量波数。根据[11]，偏振失真可以表示为：=0。007C2πL（l−7−L−7）（12）其中，θ表示偏振方向的失真，并且2是θ的方差。取内尺度l01 mm，外尺度L010 m，传输距离L2km，光波长λ1 5 5 0 nm，折射结构常数C2在10−17 m−2/3 ~10−13 m−2/3范围内，我们估计方差δ2范围从10−22 rad2到10−18 rad2。假设θ服从零均值高斯分布：f=1exp（−θ2）（十三）θ（√2πδ22图 1、给出了偏振涨落分布在不同的湍流强度（弱、中等和强）下。图 1表明，首先，随着湍流强度的增加而增加，其次，即使在非常强的湍流（C210−13 m−2/3），偏振畸变大于5 10−9 rad的可能性约为零。2.2.2. 圆偏振畸变CP调制比LP调制更适用于移动通信，因为它可以省去极化对准系统。归一化斯托克斯参数定义为AAXAAYAXAX+AYAYAA YAAXAS3=j·<$A<$YAX<$−<$A<$XAY<$，（ 16）其中AX和AY表示X和Y分量，并且j表示虚数单位。星号表示复共轭。所需的右旋圆偏振光可以写为（S1，S2，S3）（0，0，1），并且（S1，S2，S3）（0，0，1）表示左旋圆偏振光，如图1中的红点和蓝点所示。图 二、类似于线性偏振失真分析，通过考虑柯尔莫哥洛夫谱，我们可以估计圆偏振失真。图1. 一 、不 同 湍 流 强 度 下 的 线偏振起伏分布。 (a)弱： C2=10−17m−2/3。(b)中度：C2=10−15 m−2/3。(c)强：C2=10−13 m−2/3。偏振畸变图2中的红色和蓝色圆圈分别表示右旋和左旋圆偏振光的浮动区域。偏振畸变从被包围的区域逃逸的可能性几乎为零，这意味着偏振态具有显著的稳定性。在这一节中，我们分析了大气湍流引起的偏振畸变。从估计结果可以看出，激光在大气中传输时，光的偏振态是一个比光强稳定得多的性质这促使我们研究基于PM的FSO系统，并考虑到该建议时，FSO通信。3. 系统性能在本节中，我们进行了模拟，比较了基于PolSK和基于开关键控（OOK）的FSO系统在不同大气湍流强度（C2 =10 − 17 m − 2/3、10 − 15 m − 2/3、10 − 13 m − 2/3）下的性能，其中δδ2∆θ.80Y. Su，T.Sato/ICT Express 3（2017）62n =图二. 在庞加莱球上可视化的右手和左手圆偏振光及其浮动区域。(For对本图图例中所指颜色的解释，读者可参考本文的网络版图三. 在不同的大气湍流强度下，基于PolSK和OOK的FSO系统的性能比较。信道参数如第2节中那样设置。系统结构和与第1节中提到的其他基于PM的FSO系统的类似比较在[8，9，14图3示出了数值结果。可以得出以下结论：为了降低系统的误比特率（BER），有必要增加信噪比（SNR）。 强区的大气湍流（如210−13 m−2/3）将在FSO链接。在不同的大气湍流条件下，基于PolSK的FSO系统的性能优于基于OOK的FSO系统在相同的信道效应下，基于PolSK的FSO系统需要大约5dB的SNR来获得相同的BER。4. 结论本文阐述了自由空间光通信的优势，强调了标准化的必要性通过对湍流对光强和偏振特性的影响以及基于PolSK和OOK的FSO系统性能的比较，说明了PM技术在建立标准FSO体系结构中的重要意义。引用[1] 室温Valadas，A.R.Tavares，A.M.deO.Duarte，A.C.莫雷拉Lomba，IEEE 802.11无线局域网标准的红外物理层，IEEE Commun. Mag.36（12）（1998）107-112.[2] A.C. Boucouvalas，P. Chatzimisios，Z. Ghassemlooy，M.乌伊萨尔湾Yiannopoulos ， 室内 光无 线通 信标 准 ，IEEE Commun 。Mag.53（3）（2015）24-31.[3] 可见光通信协会，2015年。[联机]。可用：http：//vlca. net/standdard/.[4] P. Kocharoen，P. Nantivatana，K. Jaruwongrungsee，T. Srited，P.Kov-intaveewat，符合CP 1223标准的可见光通信开发套件，在：第31届电路/系统、计算机和通信国际技术会议上发表，ITC-CSCC2016，冲绳，日本，2016，pp. 69比72[5] A.S. Hamza，J.S. Deogun，D.R. 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