[论文解读] Turbulence Mitigation Scheme for Optical Communications using Orbital Angular Momentum Multiplexing Based on Channel Coding and Wavefront Correction

Shengmei Zhao, Bei Wang+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2014

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 26被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种混合湍流抑制方案，用于轨道角动量（OAM）复用自由空间光（FSO）通信，通过结合里德-所罗门（RS）信道编码与夏克-哈特曼波前校正技术。该方法通过编码对每个OAM模式的突发和随机错误进行校正，并通过波前传感减少相位畸变引起的模式间串扰，从而在强湍流条件下（Cₙ² = 2.8×10⁻¹⁴ m⁻²/³）实现近乎无限的信噪比（图像质量恢复），证明了在极端大气条件下仍具有强大性能。

ABSTRACT

The free-space optical (FSO) communication links with orbital angular momentum (OAM) multiplexing have been demonstrated that they can largely enhance the systems' capacity without a corresponding increase in spectral bandwidth, but the performance of the system is unavoidably disturbed by atmospheric turbulence (AT). Different from the existed AT disturbance, the OAM-multiplexed systems will cause both the burst and random errors for a single OAM state carrier and the `crosstalk' interference between the different OAM states carriers. In this paper, we propose a turbulence mitigation method to improve AT tolerance of OAM-multiplexed FSO communication links. In the proposed scheme, we use channel codes to correct the burst and random errors caused by AT for a single OAM state carrier; And we use wavefront correction method to correct the `crosstalk' interference between the different OAM states carriers. The improvements of AT tolerance are discussed by comparing the performance of OAM-multiplexed FSO communication links with or without channel coding or Shark-Hartmann wavefront correction method. The numerical simulation results show that the OAM-multiplexed FSO communication links have enhanced their AT tolerance. The usage of channel codes and wavefront correction methods together has improved greatly the performance of OAM-multiplexed FSO communication links over atmospheric turbulence.

研究动机与目标

• 解决大气湍流（AT）对OAM复用FSO系统造成的双重退化影响：每个OAM模式的突发/随机误码以及模式间串扰。
• 通过集成信道编码与波前补偿技术，提升系统对AT的容忍度。
• 评估信道编码与波前校正技术在缓解AT引起的信号退化方面的单独与联合有效性。
• 通过所提出的混合方案，证明在湍流OAM-FSO链路中保持高质量图像传输的可行性。
• 通过数值仿真，在不同湍流强度下量化误码率（BER）与信噪比（PSNR）的性能增益。

提出的方法

• 使用不同折射率结构常数（Cₙ²）的随机相位板模拟大气湍流，范围为5.0×10⁻¹⁶至5.0×10⁻¹⁵ m⁻²/³。
• 利用空间光调制器（SLMs）将模拟的相位板施加于OAM光束上，实现更真实的传播建模。
• 应用里德-所罗门（RS）码（具体为RS(6,2,3)）对单个OAM态载波上的突发与随机比特错误进行校正。
• 实施夏克-哈特曼波前传感器与校正系统，以估计并补偿导致OAM模式间串扰的相位畸变。
• 并行应用信道编码与波前校正，以同时缓解两类AT引起的误码。
• 通过重建的8级灰度图像（如“Lena”）的误码率（BER）与峰值信噪比（PSNR）评估系统性能，覆盖多个湍流等级。

实验结果

研究问题

• RQ1 大气湍流如何在误码率与模式间串扰方面降低OAM复用FSO通信链路的性能？
• RQ2 在湍流条件下，里德-所罗门信道编码在多大程度上可减少单个OAM态上的突发与随机误码？
• RQ3 夏克-哈特曼波前校正在多大程度上可有效缓解由相位畸变引起的不同OAM模式之间的串扰？
• RQ4 当同时应用信道编码与波前校正时，联合性能增益有多大？
• RQ5 在何种湍流强度水平（Cₙ²）下，所提出的方案可使图像质量完全恢复，表现为PSNR趋近于无穷大？

主要发现

• 所提出的方案显著降低了OAM复用FSO链路在大气湍流下的误码率（BER），并提升了图像质量。
• 当同时应用信道编码（RS(6,2,3)）与夏克-哈特曼波前校正时，在Cₙ² = 2.8×10⁻¹⁴ m⁻²/³条件下，'Lena'图像的PSNR达到近乎无限值，表明实现了完全的图像恢复。
• 在弱湍流水平（Cₙ² = 5.0×10⁻¹⁶ m⁻²/³）下，'Lena'图像的PSNR为33.2863 dB，而采用缓解方案后性能得到显著提升。
• 仅使用波前校正或仅使用信道编码均可提升图像质量，但两者结合可产生协同增益，尤其在强湍流条件下表现更优。
• 即使在相对较强的湍流条件下（最高达Cₙ² = 5.0×10⁻¹⁵ m⁻²/³），系统仍能保持高质量图像传输，双重缓解方法实现了近乎无损通信。
• 在20次模拟的平均结果中，当同时使用两种技术时，所有湍流等级下的PSNR值均表现出一致且可测量的提升，证实了方案的鲁棒性与可靠性。