医院宽带业务的低成本混合WDM-MDM-Ro-FSO系统

简介

近十年来，无线通信的需求迅速增长，带动了光无线通信系统的发展。国际电信联盟(国际电联)[1报告称，移动宽带用户总数以每年20%的速度增长，截至2017年底已超过40亿。这一增长进一步增加了国际电联在农村和城市地区为不同蜂窝运营商分配无线电频率(RF)频谱的挑战。然而，在医院情况下，由于无线电信号会干扰敏感的医疗仪器，以及对病人的健康有很大影响，因此提供宽频服务并不总是可行的[2］．因此，禁止在医院使用无线电波。然而，宽带服务对于医院来说是必要的，可以将有价值的数据(如患者的监测报告)从一个地方传输到另一个地方。不仅如此，通过高速宽带服务，医生们可以在任何时间相互联系，并从任何位置访问医疗数据库。宽带服务的这种潜在用途进一步为宽带提供商提出了一个巨大的挑战，即在不损害病人健康的情况下在医院提供宽带服务。Ro-FSO或自由空间无线电可以为医院提供宽带服务，因为它集成了无线电和光学网络，如图图1．

Ro-FSO允许射频信号的多重传输，无需任何昂贵的光纤基础设施，也无需向射频运营商颁发许可证[3.］．此外，由于Ro-FSO的数据传输采用光信号形式，对患者的健康没有影响，也不会对医疗设备产生干扰，因此成为医院提供宽带服务的一种有吸引力的解决方案。此外，在医院地区，由于需要连续工作操作和空间较小，挖洞安装光纤电缆是不可可行的，因此Ro-FSO成为替代光纤基础设施的合适替代品。它还结合了光纤无线电(RoF)和自由空间光学(FSO)。RoF允许共享各种昂贵的射频操作，如从中心位置到所有基站的上转换和下转换、切换、切换等，从而降低部署成本[4］．此外，它可以共享低衰减和低功耗的大带宽射频信号。然而，FSO不使用光纤。相反，它使大气数据传输能够迅速采用[5，6］．此外，与射频传输相比，它不需要任何许可证。无线光通信和无线光通信的这些综合特性使无线光通信成为医院提供宽带服务的兼容技术。因此，Ro-FSO是一种与射频无线网络无缝、快速和低成本集成的相关技术[7，8］．然而，Ro-FSO面临着大气湍流的挑战，如闪烁、雾、雨、雪等，会影响信噪比[9］．这些大气湍流增加了传输路径的衰减，导致网络关闭。因此，研究人员在设计Ro-FSO网络时应考虑这些湍流。另一项新兴技术是使用不同模式通过多个通道传输的MDM或模式划分多路复用。除波长外[10]，极化[11]和时间[12MDM通过一个光通道实现多路复用，从而实现多模数据传输。在MDM中，模式可以通过空间光调制器等各种机制被激发[13]，偏移发射[14]，高速VCSEL阵列[15]及光子晶体光纤[16］．2016年，研究人员使用4个OAM波束(1 =±1和1 =±3)通过120米的FSO链路传输400 Gbps数据[17];MDM-OFDM计划于2017年通过50公里的FSO链路传输80 Gbps数据[7];以及基于mdm的极化移相键方案，于2020年通过90公里的FSO链路传输80 Gbps数据[18］．研究人员还提出了基于多路复用的混合多通道通信系统，包括波分多路复用(WDM)-MDM [19]、光码分多址(OCDMA)-MDM [20.]及WDM-PDM [21］．将MDM与WDM相结合可以提高Ro-FSO基础设施的总容量和频谱效率，在医院基础设施中具有潜在的应用前景。在这项工作中，我们展示了专门为医疗场所设计的Ro-FSO拓扑，结合WDM-MDM方案，可以通过FSO链路传输4个信道，每个信道的容量为10 Gbps上转换为40 GHz无线电信号。

MDM-Ro-FSO建模

所提出的MDM-Ro-FSO的原理图如图所示图2．四个通道通过使用混合WDM-MDM方案传输。对于波分复用方案，使用了两个波长(850 nm和851 nm)，每个波长都有1 nm的信道空间。MDM方案采用LG (lagerre Gaussian) 00和HG (Hermite Gaussian) 00的模态复用。如图2第一和第二通道分别工作在LG 00和HG 00模式下，波长为850 nm;第三和第四通道分别工作在LG 00和HG 00模式下，波长为851 nm。LG和HG模式如下所示情商。而且情商。［22]：

上式包含方位指数(X)由米径向指数(Y)由n．曲率半径表示为R_o，光点大小按w_o和拉盖尔多项式Ln, m．

在上式中，X和Y索引表示它们轴上的模式依赖关系，表示为米而且n,分别。曲率半径表示为R_o而且我们是光斑大小。厄米特多项式用Hm和表示接下来的．

每个信道都有10 Gbps的非归零(NRZ)数据与正弦发生器产生的40 GHz毫米波混合，并借助混合器进行上转换过程。利用空间连续波长激光衍生的马赫曾德调制器(MZM)对40ghz毫米波进行光载波调制。MZM调制器原理图如图所示图3．工作原理MZM调制器MZM调制器的23]：

在哪里E_欧t(t)为调制器E输出端口的电场_在(t)为调制器输入口的电场，两个支路的相位差用表示 $\Delta \theta （t）$ 可以进一步表示为:

在哪里调制(t)是电输入信号。

在上面的方程中，项呃可以定义为:

在哪里提取为消光系数，设置为30 dB。同理，信号相位变化定义为:

的值SC如果启用负chirp值，则为1;否则，它就是-1和科幻小说是对称因子。

光调制器的输出与三个不同通道的调制器的输出相结合，通过FSO链路传输，再加上增益为16db的光放大器。连接可由以下公式定义[24]：

上式为接收机孔径( $d_R$ )，发射机孔径( $d_T$ )，光束散度( $\theta$ )， range (R)和大气衰减( $\alpha$ )．采用伽玛分布模型对大气衰落进行模拟。给定强度的概率(我)描述如下式[25]：

在上式中，小尺度涡流用 $1/\alpha$ ，大尺度涡表示为 $1/\beta$ ， $\Gamma （\mathrm{.．.}）$ 函数和 $K_{\alpha -\beta }$ 为第二类修正贝塞尔函数。 $\alpha$ 而且 $\beta$ 可以从数学上推导出来，如Eq。9而且情商。：

在哪里 ${\sigma }_R^2$ 为Rytov方差，可由下式计算:

在哪里 $C_n^2$ 是折射率结构，k光波数和z就是值域。

在晴朗天气下，无线电波信号链路的大气衰减为0.14 dB/km，低雾时为12 dB/km，中雾时为16 dB/km，大雾时为22 dB/km [26，27］．分配器用于将FSO输出分成四个接收器。每个接收器由一个模式选择器组成，选择特定的模式和波长。APD或雪崩光电二极管用于将光信号转换为电信号。

本工作在APD中启用了射击噪声和热噪声，并假设其他背景噪声是理想的。经过40 GHz混频进行下转换后，采用低通滤波器恢复原始基带信号。

中提到的其他关键参数表1．

结果与讨论

由于MDM-Ro-FSO模型的准确性，其建模是在OptiSystem™软件中完成的。在本节中，将介绍和讨论从建模中获得的结果。首先，Ro-FSO链路在晴朗的天气条件下运行，这意味着不考虑大气湍流。所有通道的误码率或误码率测量如图所示图4．在距离1200 m处，采用LG模式在850 nm波长处传输的信道1的误码率为 ${10}^{-7}$ 而对于使用HG 00模式传输的信道2，则计算为 ${10}^{-5}$ ．

结果表明，HG模式在FSO链路上的衰减比LG模式略大。同理，使用851 nm LG 00模式传输的信道3的误码率也计算为 ${10}^{-7}$ 而对于使用HG 00模式传输的第4频道，则计算为 ${10}^{-5}$ ．这表明所有信道在1200 m Ro-FSO链路上成功传输，且误码率可接受( $\le {10}^{-3.}$ )．

在此之后，所提出的MDM-Ro-FSO链路在低、中、高不同雾条件的影响下运行。对于低雾条件，大气衰减值被认为是12 dB/km，对于中雾条件，它被认为是16 dB/km，对于大雾条件，它被认为是22 dB/km。图5(a)、(b)和(c)分别为低雾、中雾和浓雾下各信道误码率的测量结果。当Ro-FSO链路在低雾下工作时，信道1和3的误码率值计算为 ${10}^{-6}$ 而对于通道2和通道4，它被测量为 ${10}^{-4}$ 在Ro-FSO连接距离570米处。然而，当Ro-FSO链路在中雾下工作时，信道1和3的误码率值计算为 ${10}^{-5}$ 而对于通道2和通道4，它被测量为 ${10}^{-3.}$ 在500米的Ro-FSO连接距离上。类似地，当Ro-FSO链路在大雾下工作时，通道1和3的误码率值测量为 ${10}^{-5}$ 而对于通道2和通道4，它被测量为 ${10}^{-3.}$ 仅在440米的Ro-FSO连接距离。

结论

本文提出了一种低成本的高速Ro-FSO系统，用于在医院场景下提供宽带服务。WDM和MDM方案结合在一起，在Ro-FSO链路上传输四个容量为10gbps的上转换为40ghz毫米波的信道。MDM方案使用LG 00和HG 00模式，而WDM使用850和851 nm波长。报告的结果表明所有渠道都成功传输。当RO-FSO链路在晴朗天气下运行时，所有信道都能成功传输至1200米的高空。但是，当Ro-FSO链路在低雾、中雾和大雾运行时，传输距离分别限制在570m、500 m和440 m，可接受(≤ ${10}^{-3.}）$ ．目前工作的进一步研究可以包括在不同大气条件下的MDM-Ro-FSO的实时实验和性能评估。

数据可用性声明

支持本文结论的原始数据将由作者提供，毫无保留地提供。

作者的贡献

PL:概念化、方法论、调查、撰写初稿、监督、资源、项目管理、资金获取。CZ:方法论、调查、撰写初稿、监督、资金获取。JN:方法论，调查，数据管理，可视化。SC:调查，数据整理，写作-初稿。心涛:写作——回顾、评析、验证、概念化。

资金

国家重点研究与发展计划(no. 1)资助。2018YFB1305700和泉州市科技计划项目(2019CT009)。

利益冲突

作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。

参考文献