中國(guó)報(bào)告大廳網(wǎng)訊，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化升級(jí)以及6G技術(shù)的逐步推進(jìn)，光通信行業(yè)正迎來前所未有的發(fā)展機(jī)遇。自由空間光通信(FSO)憑借其高帶寬、低延遲的特性，成為提升網(wǎng)絡(luò)傳輸效率、拓展覆蓋范圍的核心支撐技術(shù)。然而，光信號(hào)在自由空間傳輸時(shí)易受大氣湍流效應(yīng)的影響，導(dǎo)致光強(qiáng)閃爍、相位畸變及信道容量波動(dòng)，特別是在湍流較強(qiáng)的環(huán)境中，F(xiàn)SO信道的衰落效應(yīng)變得更加顯著，嚴(yán)重制約了FSO系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。因此，如何通過創(chuàng)新技術(shù)提升FSO系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的通信性能，成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

  一、光通信中的極化碼自適應(yīng)構(gòu)造方法：GA-OPO算法的提出

  《2025-2030年全球及中國(guó)光通信行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報(bào)告》指出，自由空間光通信(FSO)系統(tǒng)在面對(duì)多尺度大氣湍流時(shí)，傳統(tǒng)的極化碼構(gòu)造方法難以適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的信道環(huán)境，導(dǎo)致通信性能下降。為解決這一問題，本文提出了一種基于大氣相干長(zhǎng)度的極化碼自適應(yīng)構(gòu)造方法——GA-OPO算法。該算法通過判斷大氣湍流強(qiáng)度，動(dòng)態(tài)匹配與湍流強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的極化碼構(gòu)造方式，從而在滿足性能要求的同時(shí)最小化構(gòu)造復(fù)雜度。具體而言，GA-OPO算法在弱湍流場(chǎng)景下采用基于互信息最大化準(zhǔn)則的GA構(gòu)造法，以較低的復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)可靠子信道篩選;在中強(qiáng)湍流場(chǎng)景中，則采用離線偏序(OPO)構(gòu)造法，利用子信道序號(hào)的固有魯棒性適應(yīng)非高斯信道特性。通過構(gòu)建湍流感知、極化碼構(gòu)造方式與參數(shù)優(yōu)化的協(xié)同框架，GA-OPO算法在多尺度湍流環(huán)境中動(dòng)態(tài)平衡通信性能與復(fù)雜度，顯著提升系統(tǒng)誤碼率表現(xiàn)。

  二、光通信系統(tǒng)模型與大氣湍流效應(yīng)

  自由空間光通信(FSO)系統(tǒng)采用強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)(IM/DD)方式，其系統(tǒng)模型包括發(fā)送端和接收端。在發(fā)送端，光源產(chǎn)生的光信號(hào)通過光調(diào)制器調(diào)制后，經(jīng)光纖準(zhǔn)直器發(fā)送到FSO信道中;在接收端，光信號(hào)經(jīng)過光纖耦合器匯聚后，通過光電二極管轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行采樣以及后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)操作恢復(fù)出原始的發(fā)送信號(hào)。大氣湍流效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光信號(hào)在傳輸過程中的光強(qiáng)閃爍和相位畸變，形成光閃爍效應(yīng)，進(jìn)而影響FSO系統(tǒng)的通信性能。根據(jù)Kolmogorov湍流理論，本文采用Gamma-Gamma分布來模擬大氣湍流對(duì)光信號(hào)的影響，其接收光強(qiáng)的概率密度分布函數(shù)(PDF)可近似表示為特定的數(shù)學(xué)公式。此外，大氣相干長(zhǎng)度(r?)是描述大氣湍流強(qiáng)度對(duì)波前擾動(dòng)情況的物理量，其與大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)、觀測(cè)目標(biāo)與接收面的距離、光束波長(zhǎng)和天頂角密切相關(guān)。通過測(cè)量大氣相干長(zhǎng)度，可以計(jì)算出大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)，進(jìn)而推導(dǎo)出Rytov方差，為極化碼自適應(yīng)構(gòu)造方案提供了理論基礎(chǔ)。

  三、光通信中的極化碼自適應(yīng)構(gòu)造方案：GA-OPO算法的實(shí)現(xiàn)

  (一)構(gòu)造原理

  極化碼的構(gòu)造關(guān)鍵在于極化信道的劃分，通過對(duì)極化后的子信道進(jìn)行可靠性排序，挑選出最可靠的子信道作為信息位，剩余的子信道設(shè)為凍結(jié)位。在弱湍流條件下，大氣湍流對(duì)光信號(hào)的影響較小，信道的統(tǒng)計(jì)特性與加性高斯白噪聲(AWGN)信道較為接近，因此采用GA構(gòu)造法。GA構(gòu)造法通過計(jì)算各子信道的可靠性，選擇可靠性最高的子信道作為信息位。具體步驟包括假設(shè)信道為AWGN信道、計(jì)算各子信道的巴特查里亞參數(shù)，并選擇參數(shù)最小的子信道作為信息位。GA構(gòu)造法具有計(jì)算復(fù)雜度低、適合實(shí)時(shí)性要求高的優(yōu)點(diǎn)。在中、強(qiáng)湍流條件下，信道呈現(xiàn)非高斯特性，GA構(gòu)造法的性能顯著下降，因此采用OPO構(gòu)造法。OPO構(gòu)造法利用子信道之間的可靠性關(guān)系，通過極化權(quán)重公式對(duì)極化后各個(gè)子信道的可靠度進(jìn)行評(píng)估，從而實(shí)現(xiàn)接近蒙特卡洛(MC)構(gòu)造法的誤碼率性能。

  (二)構(gòu)造方案

  GA-OPO算法的核心在于通過探測(cè)大氣相干長(zhǎng)度，動(dòng)態(tài)匹配最優(yōu)極化碼構(gòu)造方法。在FSO系統(tǒng)中，大氣湍流引發(fā)的光強(qiáng)閃爍和相位波前畸變會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰落與波形失真，嚴(yán)重惡化信道容量并抬升系統(tǒng)誤碼率。極化碼在應(yīng)用于FSO系統(tǒng)時(shí)展現(xiàn)出顯著的湍流抑制潛力，但由于弱湍流與中、強(qiáng)湍流條件下信道參數(shù)存在顯著差異，固定構(gòu)造參數(shù)的極化碼難以實(shí)現(xiàn)多尺度湍流場(chǎng)景的穩(wěn)定性能。為此，GA-OPO算法基于大氣相干長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)極化碼構(gòu)造方案與湍流環(huán)境的動(dòng)態(tài)匹配。在發(fā)送端，通過大氣相干長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x(DIMM)模塊獲取大氣相干長(zhǎng)度，進(jìn)而判斷湍流強(qiáng)度，并選擇對(duì)應(yīng)的極化碼構(gòu)造方法。具體而言，根據(jù)Rytov方差的大小，將湍流強(qiáng)度分為弱湍流、中等湍流和強(qiáng)湍流三類。結(jié)合大氣相干長(zhǎng)度與Rytov方差的關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)湍流強(qiáng)度的準(zhǔn)確判斷，并據(jù)此選擇GA構(gòu)造法或OPO構(gòu)造法進(jìn)行極化碼的構(gòu)造。通過這種方式，GA-OPO算法能夠在不同湍流強(qiáng)度下動(dòng)態(tài)調(diào)整極化碼的構(gòu)造策略，從而在保證編碼效率的同時(shí)，顯著提升系統(tǒng)在多尺度湍流條件下的中斷性能與誤碼率表現(xiàn)。

  (三)碼長(zhǎng)及碼率分析

  在光通信系統(tǒng)中，極化碼的碼長(zhǎng)和碼率是影響其性能的重要因素。碼長(zhǎng)增加時(shí)，極化碼的誤碼率性能改善，糾錯(cuò)能力增強(qiáng)，但譯碼復(fù)雜度上升且傳輸效率可能降低。在中、強(qiáng)湍流條件下，長(zhǎng)碼長(zhǎng)可有效提升信道編碼性能，增強(qiáng)系統(tǒng)抗噪聲與抗湍流能力。因此，本文后續(xù)仿真采用碼長(zhǎng)為1024的極化碼進(jìn)行分析。同時(shí)，碼率也在其中扮演重要角色。較低的碼率使信號(hào)在信道傳輸時(shí)有更多的比特用于攜帶糾錯(cuò)信息，更適配信道特性，進(jìn)而提高糾錯(cuò)能力。因此，本文后續(xù)仿真采用碼率為0.5的極化碼進(jìn)行分析。

  四、光通信中的仿真結(jié)果及分析

  光通信行業(yè)現(xiàn)狀分析指出，為了驗(yàn)證GA-OPO算法的有效性，本文采用Gamma-Gamma湍流模型模擬湍流強(qiáng)度變化的FSO系統(tǒng)，研究不同極化碼構(gòu)造算法的性能，并分析其時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度。仿真結(jié)果顯示，GA-OPO算法在復(fù)雜度、時(shí)延和誤碼率性能上具有顯著優(yōu)勢(shì)。與GA-MC算法相比，GA-OPO算法的總構(gòu)造時(shí)延僅有其1%，且在中、強(qiáng)湍流下與MC構(gòu)造法相比僅有不足0.4dB的信噪比差距。此外，無論采用哪種構(gòu)造方式的極化碼相比于LDPC碼都有更低的誤碼率，在抗湍流能力上表現(xiàn)優(yōu)異。具體而言，在弱湍流條件下，GA構(gòu)造法相對(duì)OPO構(gòu)造法有0.06dB的信噪比提升;在中湍流條件下，OPO構(gòu)造法相較于LDPC碼有2.1dB的信噪比增益;在強(qiáng)湍流條件下，OPO構(gòu)造法相較于LDPC碼有0.2dB的信噪比增益。這表明GA-OPO算法能夠在保證低構(gòu)造時(shí)延的同時(shí)，有效提升FSO系統(tǒng)在多尺度湍流環(huán)境下的誤碼率性能，為光通信中的高效可靠通信提供了切實(shí)可行的解決方案。

  五、總結(jié)

  2025年，光通信行業(yè)在5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化升級(jí)和6G技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，正迎來快速發(fā)展的機(jī)遇。自由空間光通信(FSO)作為光通信領(lǐng)域的重要技術(shù)，憑借其高帶寬、低延遲的特性，在提升網(wǎng)絡(luò)傳輸效率和拓展覆蓋范圍方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，光信號(hào)在自由空間傳輸時(shí)易受大氣湍流效應(yīng)的影響，導(dǎo)致光強(qiáng)閃爍、相位畸變及信道容量波動(dòng)，嚴(yán)重制約了FSO系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。為解決這一問題，本文提出了一種基于大氣相干長(zhǎng)度的極化碼自適應(yīng)構(gòu)造方法——GA-OPO算法。該算法通過判斷大氣湍流強(qiáng)度，動(dòng)態(tài)匹配與湍流強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的極化碼構(gòu)造方式，從而在滿足性能要求的同時(shí)最小化構(gòu)造復(fù)雜度。仿真結(jié)果表明，GA-OPO算法在復(fù)雜度、時(shí)延和誤碼率性能上具有顯著優(yōu)勢(shì)，能夠在保證低構(gòu)造時(shí)延的同時(shí)，有效提升FSO系統(tǒng)在多尺度湍流環(huán)境下的誤碼率性能，為光通信中的高效可靠通信提供了切實(shí)可行的解決方案。這一研究成果不僅為FSO系統(tǒng)抗湍流干擾提供了創(chuàng)新解決方案，也為未來空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供了重要的技術(shù)支撐。

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