基于不同衰落信道模型的无线光通信系统传输性能研究

摘要

无线光通信（Wireless Optical Communication，WOC）作为无线通信技术中的一种，利用激光束作为载体，以自由大气空间作为传输介质进行数据传输。与传统射频通信相比，无线光通信具有体积小、频谱资源充足、抗电磁干扰且无需频谱许可等优势。然而WOC技术使用视距传输，会受到周边环境的影响。大气介质的不均匀性会引起折射率变化，这会引起严重的大气湍流，造成接收信号的幅度和相位随机波动。大气湍流造成的光强闪烁现象，在通信领域也叫信号衰落。此外，地震、风速以及建筑物的热胀冷缩等因素，会导致置于高层建筑物顶端的天线随机晃动，由此形成的瞄准误差现象也会降低通信系统的传输性能。应用中，为了提高接收机灵敏度和量子效率，通常使用雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，APD）实现光电转换。但是高温等环境因素会引起光电检测器性能的下降，从而引起系统性能的降低，甚至造成通信中断。因此，探索克服以上不利因素的技术，提高WOC系统的通信质量显得至关重要。论文拟基于三种不同的信道模型—双伽马（Gamma-Gamma，GG）、M分布和指数韦伯（Exponentiated Weibull，EW）湍流模型研究无线光传输系统的传输性能。主要内容如下： （1）在GG信道衰落中，考虑大气湍流以及瞄准误差联合效应的影响，研究基于二进制移相键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）副载波调制的平行多跳WOC通信系统平均误码率（Average Bit Error Rate，ABER）性能。基于GG分布模型，考虑瞄准误差的影响，利用Meijer-G函数，推导复合信道的概率分布函数（Probability Density Function，PDF）和累积分布函数（Cumulative Distribution Function，CDF）。根据“最大最小”最优路径选择机制，推导平行多跳中继辅助系统的平均误码率公式。再分析湍流强度和瞄准误差对WOC系统误码性能的影响。同时通过改变跳数和路径数目，研究中继辅助技术对信道衰落的抑制作用。 （2）研究基于APD光电检测，采用孔径平均技术和脉冲位置调制（Pulse-Position Modulation，PPM）方式的WOC系统的误码率性能。分别基于M分布和EW分布，推导该系统关于平均接收光子数的PDF和CDF。利用条件误码率公式和等价信噪比公式推导普适的误码率表达式，并利用埃尔米特公式化简。最后在湍流强度、孔径尺寸、平均APD增益、接收机噪声温度以及PPM每时隙平均光子数变化时，分析比较两种系统平均误码率及其变化趋势。 论文工作为无线光通信系统设计和实现提供了一定的理论依据。

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