Turbo码在光无线通信系统中的应用研究(2)

线通信器件变得便宜而可靠耐用，使光无线通信设备的造价大大降低，人们才又逐渐开始其商业应用的研究。目前，光无线通信已成为发达国家宽带接入通信系统的关键技术之一。

1.2 光无线通信的技术优势和劣势

光无线通信作为宽带通信的接入方式之一，综合了光纤通信和无线电通信的优点，其主要的技术优势是[5]：

（1）无需频率申请； （2）安全保密； （3）组网速度快； （4）多径失真小； （5）协议的透明性； （6）设备成本低； （7）传输信息容量大。

光无线通信是利用大气信道来传送信号的，由于大气信道的不稳定性，所以光无线通信系统必须重点考虑信道的特性。光无线通信的主要缺点是：

首先，受信道环境影响大，激光束在大气中传输时，会受到雾、雨、雪、烟、尘等颗粒的吸收和散射而产生衰减，并且其衰减量变化是无法预知的[6]。

另外，系统必须具有自动跟踪、对准（ATP）的功能，但在外界因素的作用下，即使在系统对准以后，也可能偏离目标，需要重新对准。而目前也是一个技术难点[7]。

影响光无线通信系统性能的另外两个重要因素是大风和振动[8]，都会造成光路的偏移；对系统的微弱光电信号处理技术同样提出了极高的要求。

实际上，经过多年的研究，上面的一些问题逐渐找到了解决的办法。首先，最大的问题是大气介质对光信号的衰减，目前一种比较好的办法是采用高纠错能力的信道编码技术。随着93年turbo码的首次提出[9]，给信道编码领域带来了革命性的发展，为信道编码理论指引了新的发展方向—随机编码方式。由于turbo码具有极强的纠错能力，所以成为第三代移动通信数据传输的编码方案之一，但turbo码在光无线通信中的应用还很少见。

尽管存在一些问题，但随着市场需求的不断扩大和光电子器件的成熟，光无线通信系统日趋成熟，其实用化已是势在必行。

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1.3 光无线通信的国内外研究概况

由于在光电子器件及系统关键技术上的进步，以及通信对带宽的需求急剧增长，促使美国、欧洲、日本等技术强国在光无线通信领域投入了大量的人力和物力，加速了光无线通信技术的发展。我国国内的清华大学、桂林34所、上海光机所、华中科技大学、成都电子科技大学、哈尔滨工业大学等单位也进行了这方面的研究，取得了很大的进展。

1.3.1 国外研究概况

美国、欧洲和日本等政治军事大国都非常重视光无线通信的研究和发展。随着各国对太空军事战略的日益重视，以及航天和全球通信市场竞争的日益加剧，今后各国在该领域的竞争会越来越激烈，技术进步也会越来越快。

1.3.2 国内研究概况

我国对光无线通信技术的研究与国际上相比，起步并不晚，但水平上还存在一定的差距。国内现在从事光无线通信研究的主要有北京大学、哈尔滨工业大学、西安电子科技大学、华中科技大学、北京邮电大学、成都电子科技大学、电子部桂林34所、成都光机所、上海光机所、清华同方公司等单位。

北京大学电子学系区域光纤通信网及新型光通信系统国家重点实验室探索一种采用多量子阱光折变器件的新型相干空间光通信接收方案，和传统的差拍方案相比，可以省掉繁琐的中频跟踪电子学系统，并对光无线通信传输中常见的波面畸变，偏振面无规律变化及多普勒频移等干扰有所抑制[10]。

哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室对激光星间链路中的天线扫描捕获技术进行了理论分析和模拟实验研究[11]。建立了天线扫描捕获理论模型，对影响系统捕获性能的各主要参量之间的关系进行了数值仿真分析，设计实现了一套天线扫描捕获实验室模拟系统并进行了验证，实验结果与数值分析结果基本符合[12]。该实验室还研究了卫星振动对空间光通信系统的影响。

华中科技大学光电子工程系对光无线通信系统的ATP部分、自适应接收技术、信道编码及系统构成进行了理论和实验研究。所承担的武汉市重大科技攻关项目《155M宽带光无线通信系统》成功的通过了专家的验收，并且取得了一项专利，专家一致认为该系统达到了国际领先的水平。

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随着国内各高校和研究机构对光无线通信技术的重视，我国在该领域与世界先进水平的差距在不断缩小。但是就目前来说，还基本上处于实验阶段，离产品的市场化还有很大的一段路需要走。

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2 影响光无线通信系统信号传输的主要因素

本章主要研究不同气象条件下对于光无线通信系统信号的传输的影响，给出了大

气衰减模型，其主要目的是希望能准确掌握不同气候通信条件下，找到气象条件影响通信质量的规律，为通信的实现提供参考数据。

2.1 引言

光无线通信系统采用大气信道作为传输媒介，信号的传输过程就是信号与大气信道的介质相互作用的过程，研究大气信道对传输信号的影响，对于信号的传输具有重要的意义[13]。

大气信道对激光信号传输的影响可以分为两个大的方面：(1) 激光信号功率的衰减；(2) 由于激光波束的变形引起的激光功率的起伏。激光功率的衰减来自介质对光的吸收和散射。激光功率的起伏是由于大气的折射系数的微小的动态变化引起的。

同时，光无线通信系统一般架设在高的建筑物的顶部，各种自然和非自然的原因会使得发射和接收平台振动，这种振动又会影响到平台上的发射和接收系统，使其产生非周期性的摆动，这种摆动严重影响光无线通信系统的通信质量，使得系统的误码率增加，通信质量下降，严重的甚至使得系统无法通信。因此，振动对光无线通信系统的影响，也是非常严重的。

与光纤通信不同，激光信号在大气信道中传输时存在背景光，在接收端，除了所希望的接收信号功率外，处在一个亮背景下的光无线通信接收系统还将接收到背景光噪声。接收到的背景光噪声与所期望的信号光被一起进行处理，从而对整个系统的性能造成劣化。

本章主要分析大气信道的衰减，建立了大气衰减理论模型，为在光无线系统中应用turbo码奠定了基础。

2.2 大气衰减及理论模型

激光束在大气中传输时，由于大气中存在着各种气体和微粒，如灰尘、烟、雾等，以及刮风、下雨等气象变化，使部分光辐射能量被吸收而转换成其它形式的能量（如热能）[14]；另外部分光辐射能量则被散射而偏离原来的传播方向（即辐射方向重新分配），吸收和散射的总效果是使传输的光辐射强度受到衰减，这就是大气衰减产生的

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因[15]。在不同的天气条件下，空气中的水分子、水滴、颗粒会对激光的传播产生不同的衰减，表2-1是典型天气条件下衰减的数值。

表2-1 典型天气下的大气衰减系数 天气 小 雨 小到中雨 中到大雨/ 小雪/ 薄雾 暴雨/ 中雪/ 轻雾 大暴雨/ 暴雪/ 浓雾 衰减（dB / km） 3 5 10 17 30

激光在大气中传播时，由于大气的作用产生的能量衰减主要来自于大气分子的吸收、散射和大气气溶胶的散射。大气衰减可以用Beer定律来表示[16]，

T?(L)?I/I0?exp(????L) （2.1）

式（2.1）中T?为波长为?的光在大气中传输距离为L的透过率，I为通过大气后的光强，I0为通过大气前的光强，??（1/km）为波长为?的传输光的衰减系数，L为传输距离。式（2.1）表明传输光功率随传输距离的增加而指数衰减。

大气衰减包括吸收和散射两种独立的物理过程，衰减系数??可以表示为[17]

???km??m?k???? （2.2）

其中km为大气分子的吸收系数，在红外波段，水、二氧化碳、臭氧等分子对光波有很强的吸收作用；?m为大气分子的瑞利散射系数，瑞利散射是比光波波长小很多的微粒与光相互作用的结果，在红外区，因为波长较长，散射系数较小，可以忽略不计；k?为气溶胶的吸收系数，气溶胶的吸收主要由分布在大气中的固体和液体颗粒造成的，例如冰、灰尘和有机物等；??为气溶胶的Mie散射系数，当大气微粒的大小与光波波长相差不多或大于波长时，这时主要产生Mie散射，Mie散射系数在整个衰减系数中占主要地位。

雾的衰减。雾的颗粒十分接近可见到红外光波长，散射十分严重，所以雾的衰减是相当严重的，其衰减系数也可近似计算[18]。表2-2列出的是测量得到的几种波长的不同的A值（V?1km）。由于各地区雾的特性不同，衰减程度可能不一样。

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