基于广义似然比检验原理的空间光通信系统信号检测算法研究

Due to its bandwidth limitation, the conventional radio-frequency link can hardly meet the increasing demand of data rates. In comparison, free space optical (FSO) links have much higher optical bandwidth, higher security, smaller size, lighter weight and lower power consumption. However, FSO links are perturbed by the atmospheric turbulence, the pointing errors and the background illumination. To mitigate these factors, this project aims to develop new receiver detection algorithms based on the generalized likelihood ratio test principle.. Since the optical signal may be blocked by objects such as aircrafts, planets and cloud, future system may adopt various technologies forming a hybrid system to ensure the reliability. The design of the adaptive strategy relies on the performance analysis of various technologies under different environments. Thus, this project aims to analyze system error performance and simplify the performance expression by employing upper and lower bounds in simple form, for providing theoretical guidance for the future system adaptive strategy design.

传统的微波链路由于其频谱资源受限，已无法满足人们对通信速率日益增长的需求。相比之下，空间光通信链路具有更大的带宽资源、更高的保密性、更小的设备尺寸、更轻便的设备质量以及更低的功耗等诸多优势。然而，激光链路受到大气湍流、指向误差与背景辐射等因素的影响。为了克服这些不利因素，本项目拟基于广义似然比检验理论，设计出一套切实可行、且可靠高效的接收机检测算法。 . 由于光信号在传输时可能被飞行器、星体或者云雾等障碍物阻碍，未来系统在设计时会采用多种技术组成的混合式方案来确保可靠性。系统的自适应调节机制高度依赖于对不同技术在不同环境下的差错性能分析。因此，本项目拟对系统差错性能进行分析，并通过结构简单易于分析的上下界函数对系统的准确误码性能表达式近似逼近，以简化其复杂度，为未来自适应调度机制的设计提供可靠的理论依据。

空间光通信链路具有高带宽资源、高保密性、小尺寸、轻便、低功耗等诸多优势。为了克服大气湍流、指向误差与背景辐射等因素的不利影响，本项目基于广义似然比检验理论，对空间光通信中的信号检测、参数估计、差错性能分析和重传接收策略四个方面做出探索和研究：.1.对强度调制系统、光子计数系统、相干系统，推导出在未知信道状态等信息情况下的最佳序列接收机，覆盖了无背景辐射和有背景辐射的情况。该方案可以在无信道估计和背景辐射估计的情况下进行数据序列检测，也可同时进行信道估计和/或背景辐射估计。三者可完全独立进行，没有相互依赖关系，比传统先估计再检测的分步系统设计更为简便。所提出的维特比类型搜索算法和选择性存储策略以及进一步的简化逐符号检测法既避免了误码平层、提升了系统性能，又极大降低了检测的复杂度。.2.对于目前常用的分步估计和检测的系统结构，给出单载波和OFDM系统的色散估计、时间同步、频偏估计、信道/相位估计等一系列数字信号处理算法，包括独立估计和联合估计算法。这些方法能更灵活的用于现有系统和设计结构，可以更快的实现应用，降低性能提升的成本。.3.通过解析法的性能分析，不但能比仿真更快的预估系统性能，还能通过解析法优化系统参数，大大降低计算复杂度。另一方面，通过建立信号统计特性与系统参数的解析关系式，可通过可简便测量的信号统计特性进行参数估计。.4.以有效信噪比为基准公平比较多种重传系统和无重传系统的性能。通过调整信道增益阈值得到最佳重传接收策略，该设计的分集收益大于传统分集接收。.以上四方面的算法成果覆盖了光通信数字信号处理的多个环节，为光通信系统的改进和新设计提供了理论依据和大量备选算法。本项目最终形成论文38篇，其中IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology、OSA Optics Express、IEEE Transactions on Wireless Communications、IEEE Wireless Communications Letters、IEEE Communications Letters、IEEE Access、光学精密工程等期刊论文22篇，其中SCI收录18篇；OECC、IEEE ICC、IEEE VTC等国际会议论文16篇，其中一篇获IEEE ICCC2015会议最佳论文奖。发明专利受理8项，其中已授权5项。