一种动态调整最优发射模式组合的空间光通信系统

摘要

本发明涉及一种动态调整最优发射模式组合的空间光通信系统，包括：大气湍流强度检测装置，获取大气信道的大气湍流强度；模式动态调整装置，采用最优模式组合选择算法，从不同LG光束模式组合中选取处在当前大气湍流强度下频率效率最大的最优LG光束模式组合；多路LG模发生装置，基于最优LG光束模式组合产生多路LG光束；多路LG模调制发送装置，基于多路LG光束调制射频信号，产生多路光载射频信号并复用至同一信道发射；多路LG模接收检测装置，接收经大气信道传输的光载射频信号，经解复和解调后输出射频信号。与现有技术相比，本发明具有系统频谱效率、系统容量和抗干扰能力等优点。

权利要求

1.一种动态调整最优发射模式组合的空间光通信系统，其特征在于，包括：大气湍流强度检测装置，获取大气信道的大气湍流强度；

模式动态调整装置，采用最优模式组合选择算法，从不同LG光束模式组合中选取处在当前大气湍流强度下频谱效率最大的最优LG光束模式组合，所述最优LG光束模式组合包括最优径向节点数和对应最优径向节点数的最优模式数；

多路LG模发生装置，基于最优LG光束模式组合产生多路LG光束；

多路LG模调制发送装置，基于多路LG光束调制射频信号，产生多路光载射频信号并复用至同一信道发射；

多路LG模接收检测装置，接收经大气信道传输的光载射频信号，经解复和解调后输出射频信号。

2.根据权利要求1所述的一种动态调整最优发射模式组合的空间光通信系统，其特征在于，所述最优模式组合选择算法包括以下步骤：

1)初始化设置所有最优模式数的总个数为Q，其中，第i个初始径向节点数对应的最优模式数的个数为ni， 0≤ni≤Ni，Np为初始径向节点数的总个数，Ni为第i个初始径向节点数对应的初始模式数的总个数，ni≠0对应的初始径向节点数为最优径向节点数；

2)穷举所有可能的最优LG光束模式组合，所有可能的最优LG光束模式组合中，每个初始径向节点数对应的最优模式数的选取优先级与初始模式数的阶数绝对值成反比；

3)基于大气湍流强度获取所有可能的最优LG光束模式组合的频谱效率；

4)遍历所有频谱效率，输出频谱效率最大值对应的最优LG光束模式组合。

3.根据权利要求2所述的一种动态调整最优发射模式组合的空间光通信系统，其特征在于，所述步骤2)中，当初始模式数的阶数绝对值相同时，优选选取阶数为正数的初始模式数为最优模式数。

4.根据权利要求1所述的一种动态调整最优发射模式组合的空间光通信系统，其特征在于，所述模式动态调整装置中采用注水信道功率分配算法获取频谱效率。

5.根据权利要求4所述的一种动态调整最优发射模式组合的空间光通信系统，其特征在于，所述注水信道功率分配算法的具体步骤为：

31)针对每一可能的最优LG光束模式组合，根据大气湍流强度、最优径向节点数和最优模式数获得对应的信道矩阵；

32)设置最优功率分配公式为Si＝(μ-1/(ρ·di2))+,i＝1,...,NS，其中，NS表示分配功率的信道总数，Si表示第i个信道分配到的功率，μ表示功率分配因子，di2为h*h的特征值并降序排列，h表示步骤31)获得的信道矩阵，ρ为信噪比，符号(·)+表示(·)内的数值为非负数；

33)根据最优功率分配公式中Si≥0的条件迭代求解得到NS和μ；

34)基于最优功率分配公式，由NS和μ得到Si，Si对应最优功率分配方案；

35)由Si得到频谱效率SE，满足以下公式：

6.根据权利要求1所述的一种动态调整最优发射模式组合的空间光通信系统，其特征在于，所述大气湍流强度检测装置包括：单路监测光束发生单元，生成单路LG光束；

监测光束调制发送单元，将测试信号调制到单路LG光束上形成光载测试信号，并发射光载测试信号；

监测光束接收检测单元，接收经大气信道传输的光载测试信号，对光载测试信号进行光功率检测，得到大气信道的大气湍流强度。

7.根据权利要求6所述的一种动态调整最优发射模式组合的空间光通信系统，其特征在于，所述单路LG光束和多路LG光束分别由不同波长的激光光源转换生成。

8.根据权利要求7所述的一种动态调整最优发射模式组合的空间光通信系统，其特征在于，所述单路LG光束由波长1050nm的激光光源转换生成，所述多路LG光束由波长950nm的激光光源转换生成。

说明书

一种动态调整最优发射模式组合的空间光通信系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种空间光通信系统，尤其是涉及一种动态调整最优发射模式组合的空间光通信系统。

背景技术

[0002] 轨道角动量复用技术是一种新型空分复用技术，它是将载波所携带的轨道角动量量子数(OAM模式)作为调制参数。利用OAM模式内在的正交性，将多路信号调制在不同的OAM模式上，根据模式数区分不同的信道。这样在相同载频上可以得到多个相互独立的OAM信道。

[0003] OAM是描述螺旋波束能量横向旋转模式的空间坐标维度，可用m表示，OAM量子(或模式数)m可取任意数值。携带有OAM的电磁波束具有螺旋波阵面。由于不同模式之间的正交性质使得OAM可以作为一种复用资源，理论上同一载频利用OAM复用可获得无穷的传输能力。因此基于OAM的复用技术可以极大地提高频谱效率和系统容量。

[0004] 拉盖尔-高斯(LG)波束是一种常用的轨道角动量复用载波，其表达式为：

[0005]

[0006] 公式(1)中p为径向节点数，m为模式数。

[0007] 文献“Zhao N,Li X.Capacity limits of spatially multiplexed free-space communication[J].Nature Photonics,16November 2015(VOL 9)”提出的OAM复用频谱效率的计算方法为：

[0008]

[0009] 公式(2)中Q为信道总数，q为子信道数，λq为传输矩阵h的奇异值的平方，即h*h的特征值，代表相应子信道的增益。由式(2)中可看出，频谱效率和各个子信道的增益相关，则选择增益λq较大的子信道进行传输可以有效的提高频谱效率，即进行最优模式选择能够有效提高频谱效率。

[0010] 现有的OAM复用技术是使用p＝0的LG波束，并使用未进行最优模式选择的OAM模式。本发明中使用的LG模复用技术，使用了多种径向节点数(p＝0,1,2,3…)的LG波束，并根据监测的大气湍流强度动态选择最优模式组合，与现有技术相比，优化了频谱效率，提高了系统容量，增强了系统抗干扰能力，并降低了成本。

发明内容

[0011] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种动态调整最优发射模式组合的空间光通信系统，通过发射一束特定波长的监测光束来监测实时大气湍流强度，反馈给模式动态调整装置，通过模式选择算法控制光通信系统发射端的模式组合，以优化频谱效率，使同等模式数及同等功率时系统容量最大化，这样就降低了系统对模式数量和功率的要求，大大降低了成本。

[0012] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

[0013] 一种动态调整最优发射模式组合的空间光通信系统包括：

[0014] 大气湍流强度检测装置，获取大气信道的大气湍流强度；

[0015] 模式动态调整装置，采用最优模式组合选择算法，从不同LG光束模式组合中选取处在当前大气湍流强度下频谱效率最大的最优LG光束模式组合，所述最优LG光束模式组合包括最优径向节点数和对应最优径向节点数的最优模式数；

[0016] 多路LG模发生装置，基于最优LG光束模式组合产生多路LG光束；

[0017] 多路LG模调制发送装置，基于多路LG光束调制射频信号，产生多路光载射频信号并复用至同一信道发射；

[0018] 多路LG模接收检测装置，接收经大气信道传输的光载射频信号，经解复和解调后输出射频信号。

[0019] 所述最优模式组合选择算法包括以下步骤：

[0020] 1)初始化设置所有最优模式数的总个数为Q，其中，第i个初始径向节点数对应的最优模式数的个数为ni， Np为初始径向节点数的总个数，Ni为第i个初始径向节点数对应的初始模式数的总个数，ni≠0对应的初始径向节点数为最优径向节点数；

[0021] 2)穷举所有可能的最优LG光束模式组合，所有可能的最优LG光束模式组合中，每个初始径向节点数对应的最优模式数的选取优先级与初始模式数的阶数绝对值成反比；

[0022] 3)基于大气湍流强度获取所有可能的最优LG光束模式组合的频谱效率；

[0023] 4)遍历所有频谱效率，输出频谱效率最大值对应的最优LG光束模式组合。

[0024] 所述步骤2)中，当初始模式数的阶数绝对值相同时，优选选取阶数为正数的初始模式数为最优模式数。

[0025] 所述模式动态调整装置中采用注水信道功率分配算法获取频谱效率。

[0026] 所述注水信道功率分配算法的具体步骤为：

[0027] 31)针对每一可能的最优LG光束模式组合，根据大气湍流强度、最优径向节点数和最优模式数获得对应的信道矩阵；

[0028] 32)设置最优功率分配公式为Si＝(μ-1/(ρ·di2))+,i＝1,...,NS，其中，NS表示分配功率的信道总数，Si表示第i个信道分配到的功率，μ表示功率分配因子，di2为h*h的特征值并降序排列，h表示步骤31)获得的信道矩阵，ρ为信噪比，符号(·)+表示(·)内的数值为非负数；

[0029] 33)根据最优功率分配公式中Si≥0的条件迭代求解得到NS和μ；

[0030] 34)基于最优功率分配公式，由NS和μ得到Si，Si对应最优功率分配方案；

[0031] 35)由Si得到频谱效率SE，满足以下公式：

[0032]

[0033] 所述大气湍流强度检测装置包括：

[0034] 单路监测光束发生单元，生成单路LG光束；

[0035] 监测光束调制发送单元，将测试信号调制到单路LG光束上形成光载测试信号，并发射光载测试信号；

[0036] 监测光束接收检测单元，接收经大气信道传输的光载测试信号，对光载测试信号进行光功率检测，得到大气信道的大气湍流强度。

[0037] 所述单路LG光束和多路LG光束分别由不同波长的激光光源转换生成。

[0038] 所述单路LG光束由波长1050nm的激光光源转换生成，所述多路LG光束由波长950nm的激光光源转换生成。

[0039] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0040] 1)本发明通过发射一束特定波长的监测光束来监测实时大气湍流强度，反馈给模式动态调整装置，通过最优模式组合选择算法控制在不同大气湍流强度下光通信系统发射端的模式组合，以优化频谱效率，使同等模式数及同等功率时系统容量最大化，这样就降低了系统对模式数量和功率的要求，大大降低了成本。

[0041] 2)本发明基于大气湍流强度动态调整最优发射模式组合，注水(water filling)信道功率分配算法和最优模式组合选择算法是对抗干扰能力最强的若干模式分配功率和模式选择，使系统进行信号传输的信道都是最优模式，以提高系统频谱效率、系统容量、抗干扰能力和信道信噪比(SNR)。

[0042] 3)最优模式组合选择算法优先选择P值不同的LG模的最低阶模式构成最优的模式组合，经过试验证明，最优模式组合选择算法可以极大的减少了计算量和复杂度，快速计算得到最优模式组合。

[0043] 4)在同样的系统容量要求下，本发明系统利用LG光束传输信号，可以降低功率要求，减少传输模式总数要求，降低辐射，降低系统成本。

[0044] 5)单路LG光束和多路LG光束分别采用不同波长，可以防止监测光束和LG模发生信道串扰和干涉，便于接收检测。

附图说明

[0045] 图1为本发明系统整体结构示意图；

[0046] 图2为使用空间光调制器生成LG光束的示意图；

[0047] 图3为不同LG光束模式组合的频谱效率对比示意图。

[0048] 图中：1、第一激光器，2、监测光束发生器，3、第一调制器，4、第一发射机，5、第一接收机，6、第一检测器，7、模式动态调整装置，8、第二激光器，9、LG模发生器，10、第二调制器，11、复用器，12、第二发射机，13、第二接收机，14、解复用器，15、第二检测器，16、第一信号源，17、第二信号源，18、扩束器，19、空间光调制器。

具体实施方式

[0049] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0050] 如图1所示，一种基于大气湍流检测动态调整最优发射模式组合的空间光通信系统包括：

[0051] 大气湍流强度检测装置，获取大气信道的大气湍流强度Cn；

[0052] 模式动态调整装置7，采用最优模式组合选择算法，从不同LG光束模式组合中选取处在当前大气湍流强度下频谱效率最大的最优LG光束模式组合，最优LG光束模式组合包括最优径向节点数和对应最优径向节点数的最优模式数；

[0053] 多路LG模发生装置，基于最优LG光束模式组合产生多路LG光束；

[0054] 多路LG模调制发送装置，基于多路LG光束调制射频信号，产生多路光载射频信号并复用至同一信道发射；

[0055] 多路LG模接收检测装置，接收经大气信道传输的光载射频信号，经解复和解调后输出射频信号。

[0056] 最优模式组合算法是指：对于径向节点数P相同的LG模式：从Q′个总模式中选取Q个最优模式，首先对 种模式组合进行water filling功率分配，然后根据上面提到的方法求解频谱效率SE，穷举这 种模式组合的SE并选取最优SE情形下的模式组合。

[0057] 最优模式组合算法在模式组合优选策略上提出：径向节点数相同的LG模，其最低阶模式是最优的模式组合，即：对于不同径向节点数的LG模式：从Q′个总模式中选取Q个最优模式，其中Q′个总模式包含N1个P＝0的LG模式，N2个P＝1的LG模式，N3个P＝2的LG模式，N4个P＝3的LG模式等等，选取最优模式组合的方法是，这Q个模式由这几种P值不同的LG模的最低阶构成，如n1个P＝0的LG模式，n2个P＝1的LG模式，n3个P＝2的LG模式，n4个P＝3的LG模式等等，然后穷举Q＝n1+n2+n3+n4…的所有构成组合，计算频谱效率并选取最优SE，此种方法极大的减少了计算量和复杂度，可以快速计算得到最优模式组合。

[0058] 综上，可知最优模式组合选择算法包括以下步骤：

[0059] 1)初始化设置所有最优模式数的总个数为Q，其中，第i个初始径向节点数对应的最优模式数的个数为ni， Np为初始径向节点数的总个数，Ni为第i个初始径向节点数对应的初始模式数的总个数，ni≠0对应的初始径向节点数为最优径向节点数；

[0060] 2)穷举所有可能的最优LG光束模式组合，所有可能的最优LG光束模式组合中，每个初始径向节点数对应的最优模式数的选取优先级与初始模式数的阶数绝对值成反比，其中，当初始模式数的阶数绝对值相同时，可以优选选取阶数为正数的初始模式数为最优模式数；

[0061] 3)基于大气湍流强度，采用注水信道功率分配算法获取所有可能的最优LG光束模式组合的频谱效率；

[0062] 4)遍历所有频谱效率，输出频谱效率最大值对应的最优LG光束模式组合。

[0063] 步骤3)中注水信道功率分配算法是指根据信道矩阵h，由Nt个总信道的衰减和损耗程度，对其中NS个信道进行功率分配和功率补偿来达到最优功率分配，其具体实现步骤如下：

[0064] 31)针对每一可能的最优LG光束模式组合，基于分步傅里叶近似算法和随机场分布理论，根据所选取的径向节点数和模式数建立信道传输模型，再结合实测的大气湍流强度仿真获取获得对应的信道矩阵h；

[0065] 32)设置最优功率分配公式为Si＝(μ-1/(ρ·di2))+,i＝1,...,NS，其中，NS表示分配功率的信道总数，Si表示第i个信道分配到的功率，μ表示功率分配因子，di2为h*h的特征值并降序排列，h表示步骤31)获得的信道矩阵，ρ为信噪比(SNR)，符号(·)+表示(·)内的数值为非负数；

[0066] 33)根据最优功率分配公式中Si≥0的条件迭代求解得到分配功率的信道总数NS和功率分配因子μ；

[0067] 34)基于最优功率分配公式，由分配功率的信道总数NS和功率分配因子μ得到分配的功率Si，Si对应最优功率分配方案；

[0068] 35)由最优功率分配方案的Si得到频谱效率SE，满足以下公式：

[0069]

[0070] 本实施例中，大气湍流强度检测装置包括：由第一激光器1和监测光束发生器2构成的单路监测光束发生单元，由第一信号源16、第一调制器3和第一发射机4构成的监测光束调制发送单元，由第一接收机5和第一检测器6构成的监测光束接收检测单元。模式动态调整装置7可采用数字信号处理器。多路LG模发生装置由第二激光器8和LG模发生器9构成。多路LG模调制发送装置由第二信号源17、第二调制器10、复用器11和第二发射机12构成。多路LG模接收检测装置由第二接收机13、解复用器14和第二检测器15构成。

[0071] 如图2所示，监测光束发生器2和LG模发生器9采用空间光调制器19，例如：螺旋相位板、全息光栅阵列等，激光器发出的光源依次经过扩束器18、空间光调制器19转换生成LG光束。

[0072] 该系统工作过程为：

[0073] 1)第一激光器1提供一路波长λ1＝1050nm的激光束。

[0074] 2)监测光束发生器2将第一激光器1发出的激光束转换成单路LG光束，作为监测光束，本例中LG光束的径向节点数P＝0，模式数M＝0。

[0075] 3)第一调制器3将第一信号源16发出的测试信号调制到单路LG光束上形成光载测试信号，第一发射机4发射光载测试信号。

[0076] 4)第一接收机5接收经大气信道传输的光载测试信号，第一检测器6对光载测试信号进行光功率检测，信号分离、放大和还原，由光功率检测判断得到大气信道的大气湍流强度Cn，输出大气湍流强度信号。

[0077] 5)模式动态调整装置7接收到第一检测器6反馈的大气湍流强度参数Cn，通过注水信道功率分配算法和最优模式组合选择算法，选择最优模式组合并输出最LG光束优模式组合的控制信号。基于最优LG光束模式组合的优选选择策略：径向节点数相同的LG模，其最低阶模式是最优的模式组合，本例中大气湍流强度参数Cn＝1e-14，从76个总模式(P＝0,1,2,3)中选取20个最优模式，例如从P＝0，M＝-9，-8，-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，
7，8，9这样总共19个模式中选取的5个最佳模式为M＝-2，-1，0，1，2，可以大大地提高计算效率。

[0078] 从76个总模式(P＝0,1,2,3)中选取20个最优模式，总模式和通过算法选择的最优模式组合如下所示：

[0079] 表1 76个总模式

[0080]

[0081]

[0082] 表2 20个最优模式(Cn＝1e-14)

[0083]

[0084] 模式动态调整装置7是基于反馈的大气湍流强度变化来动态调整最优模式组合，若大气湍流强度参数变化为Cn＝1e-13，则最优模式组合如下：

[0085] 表3 20个最优模式(Cn＝1e-13)

[0086]

[0087] 6)LG模发生器9根据模式动态调整装置7输出的最优模式组合控制信号，控制螺旋相位板/全息光栅阵列特征参数，产生最优模式组合的多路不同径向节点数(P)和不同模式数(M)的LG光束；

[0088] 7)第二调制器10将第二信号源17发出的射频信号调制到多路LG光束上形成光载射频信号，复用器11将多路已调光载射频信号复用至统一信道，再由第二发射机12发射至大气信道中，进行无线传输。

[0089] 8)第二接收机13接收经大气信道传输的光载射频信号，解复用器14将对同一信道上的光载射频信号解复用，分成多路光载射频信号，第二检测器15对多路光载射频信号进行光功率检测，信号分离、放大和还原，输出射频信号。

[0090] 通过对比下面几种选择方式的频谱效率，并以图表说明本例中选取的模式组合为最优组合。

[0091] (1)本例中选取Cn＝1e-14情形下的15个最优模式组合，如表4所示；

[0092] 表4 15个最优模式(Cn＝1e-14)

[0093]

[0094] (2)选取P＝0下LG模式的15个最低阶模式；

[0095] (3)选取P＝1下LG模式的15个最低阶模式；

[0096] (4)选取P＝2下LG模式的15个最低阶模式；

[0097] (5)选取P＝3下LG模式的15个最低阶模式；

[0098] (6)--(10)使用MATLAB产生随机数的方式产生76个总模式选取的15个模式组合。

[0099] 计算得到各种情形下的频谱效率如图3所示，由图3中可以看出，情形(1)下的模式组合的频谱效率最优。

[0100] 现有的OAM复用技术是使用P＝0的LG波束，并使用未进行最优模式选择的OAM模式。本发明中使用的LG模复用技术，使用了多种径向节点数(P＝0,1,2,3…)的LG波束，并根据监测的大气湍流强度动态选择最优模式组合，与现有技术相比，优化了频谱效率，提高了系统容量，增强了系统抗干扰能力，并降低了成本。