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随着第五代移动通信（5G）技术的兴起，高速、大容量的传输技术，成为了现在光通信界研究的重点。无线光通信（WOC）具有高速、高带宽、免电磁干扰（EMI）、无需频谱申请等优点，越来越受到人们的关注。但地球表面存在大气，其对光波具有衰减，闪烁等影响。因此，研究大气光信道信息传输机理具有重要的科学意义和工程价值。其次，当今社会是“互联网”时代，信息安全是重点研究主题，由于大气光信道具有互易和时变随机特性，满足密钥源的条件，所以研究大气光信道共享密钥生成技术也具有重要的理论意义和应用价值。
本论文主要针对大气光信道中信息传输机理及共享密钥生成技术展开了一系列的关键技术研究。首先，研究了大气光信道特征参数之间的机理性能，包括：大气衰减、透过率系数、大气湍流中的闪烁因子、大气相干长度以及信道衰落的概率密度函数（PDF），并根据模型对特征参数进行了外场监测和实验分析。然后，系统地研究了大气光信道的特征参数对多进制脉冲幅度调制(M-PAM)和多进制相移键控调制(M-PSK)信息传输影响机理，基于此，研制和搭建了M-PAM和M-PSK(M=4)信息传输系统并进行了相关实验。在研究工作开展的同时，破除了基于光纤系统的大气光信道互易性评价难的困境，成功研制了互易性测试实验系统，基于此系统的特点，提出了大气光信道共享密钥生成技术，攻克了相关量化算法和密钥协商的难题，主要研究内容具体如下：
（1）理论研究了大气光信道的特征参数模型。首先，通过数学物理公式描述了大气光信道衰减效益、大气闪烁效应、大气湍流强度的评价模型和大气光信道的PDF分布模型。然后，在西藏阿里天文台和长春理工大学进行了大气光信道特征参数外场监测实验。最后，验证了相关理论模型的正确性并讨论了大气光信道的特征参数在实际工程的用途和物理意义。
（2）理论和实验研究了大气光信道对M-PAM信息传输的影响机理及信号均衡技术。首先，结合雪崩光电二极管(APD)探测器的工程参数，给出了一种基于Gamma-Gamma大气光信道的M-PAM信息传输模型。然后，根据理论模型进行了数值仿真分析。仿真结果表明，在进行大气光信道M-PAM信息传输时，根据大气光信道条件，可以选择增加APD的增益、降低系统温度、选择合适波长的光源、采用最优的调制阶数等方式提高M-PAM信息传输质量。与此同时，针对M-PAM光信号在大气光信道中发生畸变的问题，提出了FIR-LMS自适应均衡器方案，并研制了适用于大气光信道的M-PAM(M=4)信息传输系统。最后，在大气模拟湍流池中，进行了相关实验，验证了FIR-LMS自适应均衡器的可行性和有效性。
（3）理论和实验研究了大气光信道对M-PSK信息传输的影响机理及信号均衡技术。首先，针对光纤接收系统，提出了一种可以描述光纤接收光信号时域分布的Johnson SB PDF，并通过蒙特卡洛数值仿真和外场测试实验进行了验证。然后，结合平衡探测器的特性，基于Johnson SB信道衰落PDF建立了M-PSK信息传输模型，并进行了相关数值仿真实验。结合理论模型和数值仿真结果，搭建了M-PSK(M=4)信息传输系统。针对大气光信道造成的M-PSK光信号畸变的难题，提出了级联LMS-LMS自适应均衡器方案，并在大气湍流模拟池中进行了相关M-PSK信息传输和信号均衡实验，实验验证了LMS-LMS自适应均衡器的可行性和有效性。
（4）理论和实验研究了大气光信道互易性机理，并实验研究了大气光信道时变随机特性。通过对点接收光场分析，从理论上介绍了大气光信道互易性的证明。其次，针对光纤接收系统，证明了在该系统场景下，大气光信道具有互易性，并提出了一种可以测量和评价互易性的模型，同时给出了测量原理图。然后，按着互易性测量原理，搭建了实验，测得互易性保持在0.83以上。在实验中，观察得到了测量系统存在延时，并通过离线消除延时，系统互易性提高了10%。此外，基于Johnson SB PDF，通过随机微分方程(SDEs)方法给出了时域光强生成模型，并研究了互易性测量系统延时对互易性的影响。最后，根据大气光信道的时域变化特性，采用自适应采样方法对空域上的激光光斑进行随机数提取，并采用NIST进行测试验证。结果表明所提取的随机数序列符合真随机数特性，证明了大气光信道在时域和空域上都是时变随机的。
（5）理论和实验研究了大气光信道共享密钥生成机理。基于大气光信道的互易且时变随机特性，建立了大气光信道共享密钥生成模型，给出了Alice和Bob通信双方实时接收的光信号时域模型。然后，研究了大气光信道共享密钥生成原理中的ASBG量化算法模型，进行了相关数值仿真。针对ASBG算法共享密钥生成率不足的难题，提出了MF-AMSBG量化算法。随后，为了更进一步降低共享密钥不一致率，提出了基于并行级联低密度校验码(LDPC)的密钥协商模型，并进行了相关的数值仿真实验。最后，搭建了大气光信道共享密钥生成的实验系统，通过MF-AMSBG算法和密钥协商模型联合处理，成功生成了共享密钥序列，验证了该模型的可行性。
本文的研究成果对大气光信道信息传输系统和大气光信道共享密钥生成系统的设计具有重要的指导意义和参考价值。
本论文主要针对大气光信道中信息传输机理及共享密钥生成技术展开了一系列的关键技术研究。首先，研究了大气光信道特征参数之间的机理性能，包括：大气衰减、透过率系数、大气湍流中的闪烁因子、大气相干长度以及信道衰落的概率密度函数（PDF），并根据模型对特征参数进行了外场监测和实验分析。然后，系统地研究了大气光信道的特征参数对多进制脉冲幅度调制(M-PAM)和多进制相移键控调制(M-PSK)信息传输影响机理，基于此，研制和搭建了M-PAM和M-PSK(M=4)信息传输系统并进行了相关实验。在研究工作开展的同时，破除了基于光纤系统的大气光信道互易性评价难的困境，成功研制了互易性测试实验系统，基于此系统的特点，提出了大气光信道共享密钥生成技术，攻克了相关量化算法和密钥协商的难题，主要研究内容具体如下：
（1）理论研究了大气光信道的特征参数模型。首先，通过数学物理公式描述了大气光信道衰减效益、大气闪烁效应、大气湍流强度的评价模型和大气光信道的PDF分布模型。然后，在西藏阿里天文台和长春理工大学进行了大气光信道特征参数外场监测实验。最后，验证了相关理论模型的正确性并讨论了大气光信道的特征参数在实际工程的用途和物理意义。
（2）理论和实验研究了大气光信道对M-PAM信息传输的影响机理及信号均衡技术。首先，结合雪崩光电二极管(APD)探测器的工程参数，给出了一种基于Gamma-Gamma大气光信道的M-PAM信息传输模型。然后，根据理论模型进行了数值仿真分析。仿真结果表明，在进行大气光信道M-PAM信息传输时，根据大气光信道条件，可以选择增加APD的增益、降低系统温度、选择合适波长的光源、采用最优的调制阶数等方式提高M-PAM信息传输质量。与此同时，针对M-PAM光信号在大气光信道中发生畸变的问题，提出了FIR-LMS自适应均衡器方案，并研制了适用于大气光信道的M-PAM(M=4)信息传输系统。最后，在大气模拟湍流池中，进行了相关实验，验证了FIR-LMS自适应均衡器的可行性和有效性。
（3）理论和实验研究了大气光信道对M-PSK信息传输的影响机理及信号均衡技术。首先，针对光纤接收系统，提出了一种可以描述光纤接收光信号时域分布的Johnson SB PDF，并通过蒙特卡洛数值仿真和外场测试实验进行了验证。然后，结合平衡探测器的特性，基于Johnson SB信道衰落PDF建立了M-PSK信息传输模型，并进行了相关数值仿真实验。结合理论模型和数值仿真结果，搭建了M-PSK(M=4)信息传输系统。针对大气光信道造成的M-PSK光信号畸变的难题，提出了级联LMS-LMS自适应均衡器方案，并在大气湍流模拟池中进行了相关M-PSK信息传输和信号均衡实验，实验验证了LMS-LMS自适应均衡器的可行性和有效性。
（4）理论和实验研究了大气光信道互易性机理，并实验研究了大气光信道时变随机特性。通过对点接收光场分析，从理论上介绍了大气光信道互易性的证明。其次，针对光纤接收系统，证明了在该系统场景下，大气光信道具有互易性，并提出了一种可以测量和评价互易性的模型，同时给出了测量原理图。然后，按着互易性测量原理，搭建了实验，测得互易性保持在0.83以上。在实验中，观察得到了测量系统存在延时，并通过离线消除延时，系统互易性提高了10%。此外，基于Johnson SB PDF，通过随机微分方程(SDEs)方法给出了时域光强生成模型，并研究了互易性测量系统延时对互易性的影响。最后，根据大气光信道的时域变化特性，采用自适应采样方法对空域上的激光光斑进行随机数提取，并采用NIST进行测试验证。结果表明所提取的随机数序列符合真随机数特性，证明了大气光信道在时域和空域上都是时变随机的。
（5）理论和实验研究了大气光信道共享密钥生成机理。基于大气光信道的互易且时变随机特性，建立了大气光信道共享密钥生成模型，给出了Alice和Bob通信双方实时接收的光信号时域模型。然后，研究了大气光信道共享密钥生成原理中的ASBG量化算法模型，进行了相关数值仿真。针对ASBG算法共享密钥生成率不足的难题，提出了MF-AMSBG量化算法。随后，为了更进一步降低共享密钥不一致率，提出了基于并行级联低密度校验码(LDPC)的密钥协商模型，并进行了相关的数值仿真实验。最后，搭建了大气光信道共享密钥生成的实验系统，通过MF-AMSBG算法和密钥协商模型联合处理，成功生成了共享密钥序列，验证了该模型的可行性。
本文的研究成果对大气光信道信息传输系统和大气光信道共享密钥生成系统的设计具有重要的指导意义和参考价值。