基于混合MDM-PDM的宽带业务Ro-FSO系统在不同天气条件下纳入甜甜圈模式

简介

当前新冠肺炎疫情不仅对全球卫生保健产生影响，也对全球疫情应对机制的有效性提出了质疑。在筛查感染者和一线医护人员方面，通信和数据交换系统发挥着至关重要的作用。特别是在泰国、中国和印度等人口稠密的国家，必须更新这类系统，以控制正在发生的大流行疫情。电信运营商可以通过使用创新应用程序在医院安装高速宽带网络，以数字化和准确地推动应急响应机制。宽带网络可以使用高频和低频来提供频率在30到300千兆赫之间的毫米波的最高速度。然而，这些无线毫米波不允许出现在敏感的医疗场所，因为它会干扰重要的医疗设备，影响患者的健康。因此，这些敏感位置总是被认为是连接宽带服务的挑战位置。此外，不断增长的人口造成了数据需求的大幅增长，这进一步迫使研究人员探索新一代通信技术。根据爱立信的一项调查，2015年移动数据流量增长了65%，预计到2021年底将增长10倍[1］．现有无线无线电网络的带宽增加问题可以通过减小小区尺寸来容纳更多的用户来解决。微波或毫米波段的工作频带可缓解频谱拥塞[2］．因此，服务区需要多个基站，导致其结构复杂，成本较高。自由空间光学(FSO)因其在光纤中可平滑传输的特性，在高速无线网络中得到广泛应用[3.- - - - - -5］．此外，另一项基于fso的研究[6]使用点对点激光信号进行可忽略不计的拦截，以确保传输安全。研究[7- - - - - -9]也报道了FSO的特点，包括容量大、功耗低、重量轻、体积小和成本效益高的实施费用。自由空间光学无线电(Ro-FSO)通信是一个极好的解决方案，以较低的成本将无线电技术与光学无线技术相结合，以满足高速数据的需求[10，11］．随着现代城市越来越大，挖地安装光纤电缆是不可行的。因此，Ro-FSO可以成为一个潜在的载体，提供各种高速数字服务，如高速互联网、视频点播和三网合一服务(TPS)，而无需使用光纤电缆[12，13如:图1．Ro-FSO可以通过高速光载波传输射频信号，无需太多费用或任何许可，从而处理不断增加的移动用户。

Ro-FSO的一些主要特点包括不需要许可证，低功耗和易于部署;但在雾、雨、闪烁、雾等大气湍流中，其性能受到限制[4，14，15］．大气湍流由于温度、风的变化和压力的影响，在光通道中引起折射率的时间随机波动[16］．折射率的波动进一步导致光信号在大气中传输时的相移，从而导致波前的衰减。为了提高系统的性能，许多研究者在降低系统复杂度和成本的基础上，提出了正交频分复用(OFDM)方案。2016年[17]，作者传输了1.6在强降雨条件下，采用OFDM方案实现1.8 km FSO链路Gbps数据传输。2017年[18]，作者采用16 QAM-OFDM编码方案传输20Gbps数据超过10公里单模光纤链路和300毫米FSO链路。2018年[19]，提出了采用非视距辅助中继的ofdm FSO链路。最近在2019年[20.，作者提出了混合偏振分复用(PDM)和OFDM方案在5km FSO链路上传输数据。OFDM可以通过提供高频谱带宽、抗多径衰落效应和窄带干扰的稳定性来提高FSO系统的性能。然而，这增加了FSO发射机和接收机的成本和复杂性。开关键编码方案是降低FSO通信系统成本和简化通信系统的有效解决方案。但它也需要在传输能力和距离上做出妥协。而模式分割多路复用(MDM)通过在不同模式下同时传输不同的信道来提高多模式传输系统的传输能力成为一种有吸引力的解决方案。在过去的几年中，MDM方案在FSO系统中得到了显著的应用。它采用本构模代替波长，提高了Ro-FSO的容量。特征模式可以通过使用光子晶体光纤(PCF)或空间光调制器(SLM)等机制来生成。加入PDM可以进一步提高Ro-FSO的频谱带宽[21]使用MDM。

MDM-PDM-R建模o无线光通信系统。

图2展示了如何使用OptiSystem™软件设计混合MDM-PDM方案来传输四个独立的信道。每个通道可支持10的数据速率Gbps转换为40GHz毫米载波。一种波长为1552.5的连续波长激光纳米利用甜甜圈模式发生器来激发特定的甜甜圈模式。激光功率设置为0dBm．发射器1在甜甜圈模式0下运行，发射器2在甜甜圈模式1下运行。这些发射机的输出是集成的。方位角为0的偏振控制器状态⁰用于维持偏振状态(X偏振)。类似地，变送器3和4分别在甜甜圈模式0和1上操作。发射机3和4的输出结合在一起，通过提供90的方位角来维持偏振状态(Y偏振)⁰通过偏振控制器的状态。极化控制器的状态输出通过自由空间链路进行组合和传输。采用增益18dB的光放大器对链路输出进行放大。图3为X和Y偏振的维持偏振状态。在接收端使用偏振分配器分离X和Y偏振。偏振态进一步分裂为两部分，对应于发射机端传输的两种模式。模式选择器用于选择接收方所需的特定模式。

图4所提出的MDM-PDM-Ro-FSO系统的发射机和接收机示意图。10采用低成本的NRZ编码方案对Gbps数据进行编码，然后使用混频器上转换为40ghz毫米波，如图所示图5．正弦波发生器用于产生40ghz mm信号。

采用铌酸锂光调制器通过光载波对40ghz上转换波进行调制。接收机由PIN光电二极管组成，它进一步将光信号转换回相应的电信号。光电探测器的输出再与40 GHz无线电信号混合，达到下转换的过程。

经过下转换后，采用低通滤波器恢复原始基带信号。

在这个FSO连杆方程中， $P_{\mathrm{再保险}ce我ved}$ 指望远镜接收端和接收端的接收功率 $P_{Tr\mathrm{一个}n\mathrm{年代}米我tted}$ 望远镜发射端发射功率。 $d_T$ 发射机是和的吗 $d_R$ 接收器的孔径。 $\vartheta$ 定义为光束散度，FSO范围表示为R衰减范围表示为 $\alpha$ ．利用比尔-兰伯特定律计算衰减现象，衰减现象可以表示为[22］:

式中“λ”为波长，“L”为传播距离，“H”为损失系数。另一个依赖可见性因素的FSO衰减模型，即Kim的衰减模型，可以用数学表示为[23］:

在哪里v指气象能见度，λ工作波长和问一个取决于大气粒子大小分布的因素。

在不同降雨的影响下，可计算衰减[24］:

在哪里R是降雨量。表1显示大气湍流的不同数值[25),表2显示了为所提出的MDM-PDM-Ro-FSO链路建模的参数。

建模观察和讨论

本节将介绍并讨论从所提出的MDM-PDM-Ro-FSO系统建模中获得的结果。图6描述了在晴朗天气条件下，分别以X极化甜甜圈模式0和1工作的通道1和2，以及以Y极化状态工作的通道3和4，相对于Ro-FSO链路距离的实测BERs。如图6时，信道1和信道2的误码率计算值为10⁻⁹, 10⁻⁷和10⁻⁵在2,700米、3,200米及3,400米的无线电波传输链路。类似地，对于信道3和信道4，误码率值计算为10⁻⁹, 10⁻⁶和10⁻⁵在2,700米、3,200米及3,400米的无线通讯系统传输链路，详见图6 b．

因此，在天气晴朗的情况下，所有信道的误码率均为10⁻⁴低于可接受BER≈10的范围⁻³(FCC限制)，安装在3400米的FSO链路上，并要求打开眼图。然而，在甜甜圈模式1下运行的频道2和频道4受到的影响要比在甜甜圈模式0下运行的频道1和频道3稍微大一些。在另一种情况下，Ro-FSO链路受到部分雾霾/多雨的大气条件的影响，计算出的误码率显示在图7．信道1的误码率计算为10⁻⁷, 10⁻⁵和10⁻³在850米、940米及1000米的无线传输链路。与通道2类似，它被计算为10⁻⁹, 10⁻⁵和10⁻³在850米、940米及1000米的无线传输链路。如图7 b时，信道3和信道4的误码率计算值为10⁻⁹, 10⁻⁵和10⁻³在850米、940米及1000米的无线传输链路。

图8显示在浓雾/非常朦胧的大气条件下，所有通道的误码率。对于信道1和信道2，误码率计算为10⁻⁷, 10⁻⁵，和10⁻⁴在570米、600米及620米的无线传输线路。

类似于图8 b，对于信道3和信道4，误码率计算为10⁻⁷, 10⁻⁵和10⁻⁴在570米、600米及620米的无线传输线路。

因此，当建议的Ro-FSO链路在晴朗的天气条件下运行时，计算的误码率显示传输到3400 m FSO链路的所有信道，可接受的误码率≈10⁻³还有眼部图表。经过FSO传输距离后，误码率值超过FCC限制。此外，当所提出的Ro-FSO链路在局部雾霾/雨中运行时，FSO传输距离减小到1000 m，误码率和眼图均可接受。此外，当拟议的Ro-FSO链路在浓雾/大雨中运行时，FSO传输距离减少到620米，具有可接受的误码率和眼图。

结论

本文采用MDM和PDM混合方案，设计了用于宽带业务传输的Ro-FSO链路。MDM方案采用0、1甜甜圈模式，伪随机数据编码采用NRZ模式。所设计的MDM-PDM-Ro-FSO链路可以传输4个独立信道，每个信道将10 Gbps数据上转换为40 GHz无线电信号。在天气晴朗的情况下，所提出的MDM-PDM-Ro-FSO链路可传输40Gbps数据高达3400 m，可接受的误码率≈10⁻³．然而，当天气条件变为局部雾霾/降雨时，由于衰减，所提出的MDM-PDM-Ro-FSO链路只能承受高达1000米的辐射。此外，当大气条件由局部雾霾/降雨转变为浓雾/大雨时，所提出的链路仅能承受650 m，误码可接受。

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

SC:概念化、方法论、调查、写作——初稿。LW:监督、资源、项目管理、资金获取。JN和XT:监管，资金获取。MS, SA和AA:方法论，资金获取，资源。AS和SC:数据管理和可视化。

资金

本研究项目由泰国朱拉隆功大学第二世纪基金(C2F)资助。本研究也得到了TSRI基金(CU_FRB640001_01_21_8)的资助。

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

本文中所表达的所有主张仅代表作者，并不代表他们的附属组织，也不代表出版商、编辑和审稿人。任何可能在本文中评估的产品，或可能由其制造商提出的声明，都不得到出版商的保证或认可。

致谢

作者也要感谢塔伊夫大学的研究人员支持项目号(TURSP-2020/228)，塔伊夫大学，沙特阿拉伯。

参考文献