考虑不同波束影响的Double GG复合信道基多跳-FSO误码率计算方法技术

本发明专利技术公开了考虑不同波束影响的Double GG复合信道基多跳‑FSO误码率计算方法，包括：1)基于Double GG湍流分布，考虑到点误差和路径损耗的影响，建立了适于多跳‑FSO系统的传输模型。在此基础上，推导了Double GG湍流、路径损耗以及点误差联合作用下的系统概率密度函数和累积分布函数；2)利用高斯‑拉盖尔多项式，得到了闭合的系统误码率表达式，并通过蒙特卡罗法进行了仿真验证；3)考虑到不同波束的影响，将跳数、归一化抖动、归一化波束宽度以及天气条件参数带入到多跳‑FSO系统端到端闭合的平均误码率表达式中，得到该参数对多跳‑FSO系统性能的影响。

Multi hop -FSO BER calculation method for Double GG composite channel considering different beam effects

The invention discloses a method for calculating the bit error rate (BER) of the base multi-hop On this basis, the system probability density function and cumulative distribution function under the combined action of double GG turbulence, path loss and point error are deduced; 2) By using Gauss-Laguerre polynomial, the closed system BER expression is obtained, and is verified by Monte Carlo simulation; 3) Considering the different beam shadows. The hop number, normalized jitter, normalized beam width and weather condition parameters are introduced into the expression of the average bit error rate (BER) of the end-to-end closure of the multi-hop FSO system, and the effect of the parameters on the performance of the multi-hop FSO system is obtained.

【技术实现步骤摘要】
考虑不同波束影响的DoubleGG复合信道基多跳-FSO误码率计算方法
本专利技术属于无线光通信
，具体为一种在点误差和路径损耗作用下，考虑到不同波束的影响，采用译码转发协议(DF)和IM/DD检测，对端到端的ABER性能进行理论和仿真研究的DoubleGG复合信道基多跳-FSO系统误码率计算方法。
技术介绍
自由空间光通信(FSOFree-spaceOpticalCommunication)又称作无线光通信(WOCWirelessOpticalCommunication)，是以激光为载波，以大气为传输介质实现双向通信的新型视距传输通信技术。由于其频带宽，成本低，无需频谱资源许可，无电磁干扰，安全性高以及保密性强而被认为是最有前景的无线通信技术之一。然而，FSO链路的性能易受到大气湍流、发射机和接收机之间的瞄准误差以及恶劣天气条件下路径损耗等因素的影响。因此，为了提高系统的可靠性，科研人员提出了多种方法来缓解上述因素引起的系统性能降低，包括信道编码，多跳传输和协作分集等。信道方面，到目前为止，人们已经提出了多种数学模型来描述关于大气湍流的随机辐照度波动的概率密度函数(PDF)。其中，对数正态(LN)分布仅适用于弱湍流状态；K分布只适用于强湍流状态；双伽玛(gamma-gamma，GG)分布适用于在所有的湍流状态；在中、强湍流条件下，DoubleWeibull分布比GG模型更有效。最近，M.A.Kashani等人提出了一种新型的大气衰落数学模型—DoubleGeneralizedGamma(DoubleGG)，该模型涵盖了现有的几种统计模型，包括K，LN，GG和DoubleWeibull分布，适用于弱、中、强湍流条件，并且对平面波和球面波的模拟数据提供了极好的拟合，可以研究不同光波束对多跳-FSO系统传输性能的影响。目前的问题在于：基于DoubleGG复合湍流信道模型的多跳-FSO系统误码率的特性研究未见报道；此外，不同传输光束(球面波和平面波)对该多跳系统性能影响的分析也未见报道。因此，基于新型的信道模型——DoubleGG模型，考虑到点误差和路径损耗的影响，研究不同光波束条件下多跳-FSO系统端到端平均误码特性实属当前十分重要的研究方向。
技术实现思路
本专利技术的目的在于考虑新的大气湍流模型—DoubleGG分布，并结合点误差和路径损耗的联合作用，基于译码转发策略和强度调制直接检测(IM/DD)机制，计算多跳-FSO系统端到端平均误码率性能，对比不同传输波束(平面波和球面波)对系统传输性能的影响。其中，由于DoubleGG分布对平面波和球面波的模拟数据均提供了极好的拟合，因此本专利技术基于该复合信道模型，利用高斯-拉盖尔函数对系统误码率公式进行近似，进而正确有效地计算出多跳-FSO架构下闭合的端到端平均误码率。本专利技术是通过下述技术方案来实现的。考虑不同波束影响的DoubleGG复合信道基多跳-FSO误码率计算方法，包括下述步骤：1)基于DoubleGG湍流分布，考虑到点误差和路径损耗的影响，建立适于多跳-FSO系统的传输模型，并推导DoubleGG湍流、路径损耗以及点误差联合作用下的多跳-FSO系统复合信道模型的概率密度函数和累积分布函数；2)利用高斯-拉盖尔多项式，得到DoubleGG湍流、路径损耗以及点误差联合作用下的多跳-FSO系统端到端闭合的平均误码率表达式，并通过蒙特卡罗法进行仿真验证；3)考虑到不同波束的影响，将跳数、归一化抖动、归一化波束宽度以及天气条件参数带入到多跳-FSO系统端到端闭合的平均误码率表达式中，得到该参数对多跳-FSO对系统性能的影响。上述技术方案中，本专利技术还有进一步限定的方案：进一步，所述步骤1)中，建立适于多跳-FSO系统的传输模型如下：基于译码转发协议的多跳-FSO通信系统，源节点通过N-1个串行中继到达目的节点；设x为发送信号序列，y为接收信号序列，且每个点对点链路均满足独立同分布，可得到多跳-FSO系统中第j跳接收机的电信号的传输模型。进一步，所述步骤1)中，推导DoubleGG湍流、路径损耗以及点误差联合作用下的多跳-FSO系统复合信道模型的概率密度函数，通过下述步骤实现：1a)给出DoubleGG信道模型的概率密度函数、点误差的概率密度函数和路径损耗函数；1b)分别得到多跳-FSO系统在考虑DoubleGG湍流和路径损耗、考虑DoubleGG湍流和点误差、考虑DoubleGG湍流、路径损耗以及点误差联合作用下的复合信道模型的概率密度函数。进一步，所述步骤1)中，推导出DoubleGG湍流、点误差和路径损耗联合作用下的多跳-FSO系统复合信道模型的累积分布函数，通过下述步骤实现：1c)基于强度调制和直接检测，第j跳接收的瞬时电信噪比μj与复合信道衰落系数Ij的关系；1d)根据步骤1a)和1b)公式(2)、(5)、(6)和(7)中得到的DoubleGG信道模型的概率密度函数考虑DoubleGG湍流和路径损耗时的概率密度函数考虑DoubleGG湍流和点误差时的概率密度函数和考虑DoubleGG湍流、路径损耗和点误差时的概率密度函数结合步骤1c)的第j跳接收机的电信噪比与复合信道衰落系数之间的关系，得到对应的仅考虑DoubleGG湍流时、考虑DoubleGG湍流和路径损耗时、考虑DoubleGG湍流和点误差时和考虑DoubleGG湍流、路径损耗及点误差时关于电信噪比的累积分布函数。进一步，所述步骤2)中，多跳-FSO系统端到端闭合的平均误码率表达式，是通过下述方法得到的：2a)基于译码转发中继策略，利用目标节点的等效信噪比μequ及μequ的累积分布函数得到多跳-FSO系统端到端闭合的平均误码率表达式；2b)使用高斯-拉盖尔正交函数，则得到多跳-FSO系统端到端闭合的平均误码率近似表达式；2c)由步骤1d)得到对应的大气DoubleGG湍流、点误差和路径损耗联合作用下的多跳-FSO系统复合信道模型的累积分布函数和步骤2b)中的多跳-FSO系统端到端闭合的平均误码率表达式，可得到仅考虑DoubleGG湍流时，考虑DoubleGG湍流和路径损耗时、考虑DoubleGG湍流和点误差时和考虑DoubleGG湍流、点误差以及路径损耗时的多跳-FSO系统端到端闭合的平均误码率表达式。进一步，所述步骤3)中，天气条件包括空气非常清晰、毛毛雨、阴霾、轻雾。本专利技术具有以下优点：本专利技术首先提出了一种考虑不同波束影响的DoubleGG复合信道基多跳-FSO误码率计算方法。DoubleGG模型适用于平面波和球面波且涵盖了多种已有的湍流信道模型，进而分析对比了不同波束对系统性能的影响。因此，该方法有效的综合考虑了多种影响系统性能的因素，更符合实际情况。附图说明图1是自由空间光通信系统的多跳传输模型；图2a)和图2b)分别是基于平面波束和球面波束的4跳自由空间光通信系统在强湍和中湍条件下有无点误差时端到端平均误码率的对比；图3a)和图3b)分别是基于平面波束和球面波束的4跳自由空间光通信系统在中湍并考虑路径损耗的条件下，有无点误差时端到端平均误码率的对比；图4a)和图4b)分别是基于平面波束和球面波束的自由空间光通信系统，在强湍和毛毛雨天气下有无点误差时，不同跳数(3跳和8跳)对多跳系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.考虑不同波束影响的Double GG复合信道基多跳‑FSO误码率计算方法，其特征在于，包括下述步骤：1)基于Double GG湍流分布，考虑到点误差和路径损耗的影响，建立适于多跳‑FSO系统的传输模型，并推导Double GG湍流、点误差以及路径损耗联合作用下的多跳‑FSO系统复合信道模型的概率密度函数和累积分布函数；2)利用高斯‑拉盖尔多项式，得到Double GG湍流、路径损耗以及点误差联合作用下的多跳‑FSO系统端到端闭合的平均误码率表达式；3)考虑到不同波束的影响，将跳数、归一化抖动、归一化波束宽度以及天气条件参数带入到多跳‑FSO系统端到端闭合的平均误码率表达式中，得到该参数对多跳‑FSO对系统性能的影响。

【技术特征摘要】
1.考虑不同波束影响的DoubleGG复合信道基多跳-FSO误码率计算方法，其特征在于，包括下述步骤：1)基于DoubleGG湍流分布，考虑到点误差和路径损耗的影响，建立适于多跳-FSO系统的传输模型，并推导DoubleGG湍流、点误差以及路径损耗联合作用下的多跳-FSO系统复合信道模型的概率密度函数和累积分布函数；2)利用高斯-拉盖尔多项式，得到DoubleGG湍流、路径损耗以及点误差联合作用下的多跳-FSO系统端到端闭合的平均误码率表达式；3)考虑到不同波束的影响，将跳数、归一化抖动、归一化波束宽度以及天气条件参数带入到多跳-FSO系统端到端闭合的平均误码率表达式中，得到该参数对多跳-FSO对系统性能的影响。2.根据权利要求1所述的考虑不同波束影响的DoubleGG复合信道基多跳-FSO误码率计算方法，其特征在于，所述步骤1)中，建立适于多跳-FSO系统的传输模型如下：基于译码转发协议的多跳-FSO通信系统，源节点通过N-1个串行中继到达目的节点；设x为发送信号序列，y为接收信号序列，且每个点对点链路均满足独立同分布，多跳-FSO系统中第j跳接收的电信号的传输模型可定义为：yj＝RIjxj+nj(1)其中，j＝1:N，xj为具有平均功率为Pj的BPSK副载波强度调制信号，R为光电探测器响应率，nj为均值为0、方差为的加性高斯白噪声；Ij为复合信道衰落系数，包括确定性路径损耗DoubleGG湍流和瞄准误差3.根据权利要求1所述的考虑不同波束影响的DoubleGG复合信道基多跳-FSO误码率计算方法，其特征在于，所述步骤1)中，推导DoubleGG湍流、路径损耗以及点误差联合作用下的多跳-FSO系统复合信道模型的概率密度函数，通过下述步骤实现：1a)给出DoubleGG信道模型的概率密度函数、点误差的概率密度函数和路径损耗函数；其中，DoubleGG信道模型的概率密度函数为：其中，和表示形状参数,是尺度参数，Γ(·)表示gamma函数,是梅耶尔函数,tj＝αj+βj，α和β是正整数，且满足α/β＝k1/k2，点误差的概率密度函数为：其中，A0j＝erf2(ηj)代表收集到的光功率的一部分，erf(·)表示误差函数，且bj表示孔径半径，是光束宽度；其中表示抖动标准差，是等效光束宽度；路径损耗函数为：其中，ε表示不同天气条件下的衰减系数，Lj表示每一跳的链路长度；1b)分别得到多跳-FSO系统在考虑DoubleGG湍流和路径损耗、考虑DoubleGG湍流和点误差、考虑DoubleGG湍流、路径损耗以及点误差联合作用下的复合信道模型的概率密度函数：考虑DoubleGG湍流和路径损耗时复合信道衰落系数概率密度函数为：考虑DoubleGG湍流和点误差时复合信道衰落系数概率密度函数为：考虑DoubleGG湍流、路径损耗和点误差时复合信道衰落系数概率密度函数为：4.根据权利要求3所述的考虑不同波束影响的DoubleGG复合信道基多跳-FSO误码率计算方法，其特征在于，所述步骤1)中，推导出DoubleGG湍流、点误差和路径损耗联合作用下的多跳-FSO系统复合信道模型的累积分布函数，通过下述步骤实现：1c)基...

【专利技术属性】
技术研发人员：王平，贾程，黄超，李宇涛，傅慧华，庞维娜，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61