结合混合W-MDM技术的4 × 20gbps ofdm FSO链路性能评估

简介

近年来，由于使用高信道带宽的多媒体应用程序(如视频会议、快速互联网和直播)的增长，网络流量显著增加。这对有限而拥挤的基于射频频谱的传统无线传输系统提出了挑战[1］．自由空间光学(FSO)被认为是一种很有前途的解决方案，以满足用户的大容量和大传输速率的需求。光调制载波信号用于在紧密对齐的发射机和接收机单元之间的自由空间介质上传输数据信号。FSO技术有许多优点，例如安装快捷方便、信道带宽高、抗电磁干扰、高速网络、安全数据传输和免许可证频谱可用性[2- - - - - -5］．正交频分复用(OFDM)是多载波调制技术的一个子集，使用该技术将高比特率信号传输到几个低速子载波上，这些子载波在频域内紧密间隔，彼此正交，从而消除了载波间的干扰[6，7］．通过将OFDM技术与FSO链路相结合，可以实现高可靠的远程数据传输链路。在此，作者在参考文献[8- - - - - -10]报告了不同大气条件下基于ofdm的FSO地面链路的设计和性能研究。为了增加链路的数据承载能力，可以使用波分多路复用(WDM)，即在同一介质上使用不同波长同时传输多个信息信号[11- - - - - -14］．

模式分割多路复用(MDM)是一种重要的、不断发展的传输技术，它利用单个激光束的不同空间模式在同一通道上传输独立的数据信号。作者在参考文献[15- - - - - -17]报告光信号处理技术，以产生和解复用不同的激光模式。空间光调制器在复用和反复用光学空间激光束中的应用已在文献[18，19］．Y. Jung等人在参考文献[20.］．a . Amphawan等人报道了单芯光子晶体光纤产生不同的线偏振(LP)模式的应用。近年来，将MDM集成到光纤链路中以实现高速传输已被广泛研究[21］．A. Juarez等人报道了一种MDM系统，该系统能够在使用线偏振(LP)模式的多模光纤(MMF)链路上实现高速数据传输[22］．作者报告了在接收单元使用多模掺铒光纤放大器(EDFA)在50公里长的MMF链路上以3 GHz-km带宽长度的产品传输120 gbps数据的可行性。T. Kodama等人报道了一种新型混合全光MDM码分多址系统，以实现未来一代光接入网[23］．实验报告了两种LP模式的可行传输 $\times$ 4个相移键光码 $\times$ 在42公里的光纤长度上使用单模和多模光纤实现10gbps的开-关键数据流，且无需色散补偿。T. Masunda等人提出了混合MDM和WDM架构来实现高速MMF互连[24］．使用六个独立的垂直腔面发射激光二极管，其中每个波长产生三个不同的拉盖尔-高斯(LG)模式，以实现18个平行通道传输。作者报告了可行的60 Gbps传输在2.5公里MMF链路上，通过在前馈均衡器中使用一种新颖的tap配置来减轻模式间耦合的影响。

R. Murad等人报道了一种使用混合模式用于数据中心大容量光互连的大容量MDM系统[25］．作者报告了在1550.12 nm通道上使用两个螺旋相控环模式和两个径向偏移厄米-高斯(HG)模式在1551.72 nm通道上沿1,500 m范围的MMF传输44-Gbps数据，并且系统具有可接受的误码率。E. Hamed等人报道了三种不同类型光纤的性能比较，即阶跃指数少模光纤(FMF)、梯度指数FMF和横向指数FMF在频谱高效MDM系统中[26］．三种不同的LP模式，其中每种模式携带10 gbps正交调幅(QAM)数据信号，通过所有三种光纤类型传输。作者报告说，横向指数- fmf的性能最好，并证明了可行的500公里传输30 gbps QAM数据的良好性能。Z. Feng等人报道了一种基于混合MDM和WDM技术的具有高级调制格式的超高通道容量光接入网[27］．在系统中引入了200 gbps偏振分复用(PDM)-16级qam - ofdm数据信号。作者报告了4个波长信道的可行数据传输 $\times$ 6空间模式 $\times$ 200 Gbps QAM数据信号沿37公里MMF与可接受的性能七核。

利用光信号的轨道角动量(OAM)维度来承载不同的独立信息通道，实现高速光网络，近年来已被许多研究组报道。C. Brunet等人在参考文献[[]中报道了一种能够传输16种不同OAM模式的中空芯光纤的设计，以实现大容量的远程MDM传输。28］．X. Zhang等人报道了一种圆形光子晶体光纤的制备，该光纤能够支持14种不同的OAM模式，具有低约束损失和低非线性系数[29］．此外，作者还报道了基于圆形光子晶体光纤的多模EDFA的制造，该光纤能够以20 dB增益可靠地放大所有14种模式。M. Hassan等人在参考文献[中报道了一种新型光子晶体光纤的设计，该光纤能够支持26种OAM模式，具有低约束损耗、低非线性系数和高带宽，可用于未来光接入网的长距离高效频谱MDM传输。30.］．K. Ingerslev等人报告了12种OAM模式的可行传输，其中每种模式在1.2 km MMF链路上携带10 Gbaud正交相移键控(QPSK)信号，性能良好[31］．此外，作者还通过使用60个独立波长的信道，信道间距为25 GHz，证明了超高容量可靠传输。a . Tatarczak等人报告了三种不同OAM模式的可行传输的实验演示，其中每种模式在400米MMF链路上传输一个10 gbps开-关键信号，用于短连接链路和大容量数据中心[32］．F. Al-Zahrani等报道了一种高折射率分离的环芯光子晶体光纤的开发和分析，该光纤能够在高速高范围光通信网络中支持76种OAM模式和6种LP模式[33］．J. Wang等人在参考文献中讨论了OAM模式的自由空间传输，其频谱效率为95.7 bit/sec/Hz，净信息速率为100.8 Tbps, OAM模式的1.1 km MMF传输可实现1.6 Tbps光纤网络[34］．

应用OAM模式实现高速FSO链路也有不同研究组的报道[35- - - - - -39］．Z Qu.等人在参考文献[中讨论了使用OAM多路复用在强湍流条件下结合大容量传输的低密度奇偶校验编码FSO链路的设计和评估[35］．I. Djordjevic在参考文献[36］．Z. Qu.等人报道了一个包含混合OAM多路复用和WDM技术的千兆容量FSO链路[37］．此外，通过部署自适应光学和信道编码技术，强湍流条件下的链路性能得到了改善。L. Li等人报道了一种oam多路FSO通信系统，在相距100米的两个地面终端之间传输80 gbps的信息通过使用两条独立的40 gbps qpsk调制OAM波束的无人机[38］．Z. Zhao等人报道了在强大气湍流条件下采用OAM多路复用、极化多路复用和频率多路复用的超高容量FSO通信系统[39］．研究工作参考文献[40- - - - - -44]报告了基于mdm的大容量光纤无线链路的仿真分析。

这里的主要动机是建立一个能够在不同大气条件下以高比特率安全地在医疗保健设施中传输生物传感器数据的FSO链路模型。讨论了在不同大气条件下，利用WDM和MDM技术对具有高速数据传输能力的OFDM-FSO链路进行仿真设计和评估。链路设计报告在基于波模分复用-正交频分复用的自由空间光学链路设计节，并对仿真评价结果进行了讨论数值结果部分。结论第四部分总结了本研究工作。

基于波模分复用-正交频分复用的自由空间光学链路设计

图1给出了所提出的FSO链路的设计方案。Optisystem^TM采用仿真软件v.15进行了仿真链路的设计和评估。

四个20gbps ofdm编码的数据信号在不同天气条件下通过FSO信道传输。两个信道(1和2)以193.1-THz频率在HG01和HG03模式下传输，另外两个信道(3和4)以193.2 THz频率在HG01和HG03模式下传输。WDM多路复用器用于在发射机端组合两个频率。图2给出了发射信号的光谱。

HG模态可以用方程[45]:

在哪里 $r$ 模式概要文件是否依赖于 $X$ 设在, $\mathrm{年代}$ 模式概要文件是否依赖于 $Y$ -轴时，光束的半径表示为 $R$ 时，腰部光束的大小表示为 ${\omega }_0$ , $H_{米}\mathrm{一个}nd{H}_n$ 表示厄米特多项式。使用空间激光器激发不同的HG模式，模式强度分布如图所示图3．

对于每个信道，来自信息源的20gbps数据被映射到4-QAM符号上，其中每个符号传输两个比特。该信号在电域中进一步进行OFDM调制。OFDM调制器的规格为1024个快速反傅里叶变换点，512个正交子载波，循环前缀值为32，平均功率为15 dBm。该信号使用7.5 ghz正交振幅(QM)调制器进行上转换。对于每个频率信道，4-QAM-OFDM空间调制信号使用MDM多路复用器(MUX)进行组合。不同的频率通道然后使用WDM MUX (图2)，信息信号通过发射透镜传送。

连杆方程可以描述为[46]:

在哪里 $d_R$ 表示接收镜头孔径(100mm)， $d_T$ 表示发射透镜孔径(100mm)， $\theta$ 为光束大小/发散角(0.25 mrad)， Z为FSO范围 $\sigma$ 为不同气候条件下的衰减系数。低雾、大雾和晴空条件下的衰减系数分别为9、22和0.14 dB/km [47］．在接收端，使用WDM多路复用器(DEMUX)分离单独的频率通道，对于每个频率通道，使用MDM DEMUX分离独立的空间通道。APD光电二极管将光信号转换为等效的电信号。原始传输的消息位使用OFDM和QM解调部分恢复。

数值结果

图4，5说明在晴朗天气下，建议链路的信噪比和信号功率随范围增加的曲线图。图4一由193.1 THz频率下HG01模式传输的通道1明显优于HG03模式传输的通道2。信道1在接收端的信噪比分别为34.67、23.75和15.44 dB，而信道2在10、25和40 km处的信噪比分别为31.29、19.62和10.31 dB。图4 b结果表明，信道3在10、25和40 km处的信噪比分别为34.88、24.14和16.16 dB，信道4在10、25和40 km处的信噪比分别为31.52、20.16和11.23 dB。可以看出，对于193.2 THz信道，HG01模式优于HG03模式。

图5一个由图中所示，通道1在10km、25km和40km处的信号功率分别为−27.93、−47.78和−60.02 dBm，通道2在10km、25km和40km处的信号功率分别为−34.39、−54.22和−66.32 dBm。图5 b由图5可知，通道3在10、25和40 km处的信号功率分别为−32.49、−52.33和−64.49 dBm，而通道4在10、25和40 km处的信号功率分别为−26.03、−45.88和−58.14 dBm。一个可行的传输4 $\times$ 在32公里处提供20 Gbps的信息，具有公平的性能指标(信噪比) $\sim$ 20分贝)[40]从给出的结果中观察到。图6报告星座图，和图7报告32公里处信号的射频功率。

此外，基于w - mdm - ofdm的FSO链路在低雾和大雾条件下进行了评估。图8，9报告建议链路低雾条件下不同信道的信噪比和信号功率曲线图。图8 a, B结果表明，在低雾条件下，当链路距离从800 m增加到3000 m时，信道1、信道2、信道3和信道4的信噪比分别从48.83、45.59、49.01和45.77 dB下降到16.13、11.07、16.82和11.96 dB。同样的,图9 a, B结果表明，在低雾条件下，当链路距离从800米增加到3000米时，通道1、2、3和4的信号功率分别从0.04、−6.41、1.94和−4.51 dBm下降到−59.12、−65.44、−57.23和−63.60 dBm。

图10，11给出大雾条件下不同信道的信噪比和信号功率图。图10、B结果表明，在大雾条件下，当链路距离从500 m增加到2000 m时，信道1、2、3和4的信噪比分别从50.96、47.72、51.14和47.90 dB降低到13.36、8.01、14.17和9.01 dB。同样的,图11 a, B结果表明，在大雾条件下，当链路距离从500 m增加到2000 m时，通道1、2、3和4的信号功率分别从4.29、−2.16、6.18和−0.26 dBm下降到−62.67、−68.87、−60.81和−67.09 dBm。可以观察到，对于低雾，链路延长到2800米，而对于大雾，1750米的范围是支持的，性能还可以(信噪比) $\sim$ 20 dB)。

在本研究中，我们还讨论了光束发散角增加对所提出的连杆性能的影响。数字12，13分别演示随着波束发散角增加的信噪比和信号功率图。从结果可以看出，通道1、通道2、通道3和通道4的波束发散角从0.2增加到1.6 mrad时，信噪比分别从39.73、36.85、40.12和36.49 dB变化到21.57、17.10、21.75和16.57 dB。另外，当通道1、2、3和4的波束发散角从0.2 mrad增加到1.6 mrad时，信号功率分别从−20.59、−27.05、−18.73和−25.19 dBm降低到−53.35、−59.76、−51.50和−57.92 dBm。从报告的结果中可以观察到，接收信号质量随着光束发散角的增加而退化。这是因为增加光束尺寸会导致接收平面收集的光功率变小，而向周围环境损失的光功率增大，从而降低链路性能。

结论

在本研究中，我们提出了一种用于提供生物医学服务的FSO链接，并报告了一个成功的传输4 $\times$ 通过在不同大气条件下结合混合WDM和MDM技术，在基于ofdm的FSO链路上传输20 gbps数据。从结果可以得出结论，提出的链路延长到32公里，具有可接受的性能(信噪比) $\sim$ 20分贝)，在低雾和浓雾情况下，分别降至2,800米和1750米。此外，HG01模式比HG03模式表现更好，因为前者对不利天气条件造成的褪色效应有更强的免疫力。并讨论了该连杆在光束发散角增大时的性能。从结果可以看出，随着波束发散角的增加，所提出的链路的接收信号的信噪比和信号功率都会降低。在未来的研究中，双极化传输以及接收端的数字信号处理技术可以被纳入拟议的系统中，以进一步增强在不利气候条件下的信息容量和链路性能。

数据可用性声明

研究中提出的原始贡献包含在文章/补充材料中;进一步的查询可以联系通讯作者。

作者的贡献

所有列出的作者都对该工作做出了实质性的、直接的和智力上的贡献，并批准了其出版。

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。

出版商的注意

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致谢

研究人员要感谢卡西姆大学科学研究院长资助该项目的出版。

参考文献