基于平行多跳架构的水下无线光通信系统误码率计算方法技术方案

本发明专利技术公开了基于平行多跳架构的水下无线光通信系统误码率计算方法，包括：基于LN海洋湍流分布并考虑到路径损耗的影响，采用最大最小准则的最佳路径选择方案，建立适于平行多跳‑水下无线光通信系统的传输模型；推导LN湍流以及路径损耗联合作用下的系统概率密度函数和累积分布函数；利用高斯‑拉盖尔多项式，得到闭合的系统误码率表达式，并通过蒙特卡罗法进行仿真验证；将不同参数带入到闭合的平均误码率表达式中，得到这些参数对系统性能的影响；引入LDPC编码，对比不同结构参数、码率、最大迭代次数和码长对平行多跳‑UWOC系统性能的影响。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。

【技术实现步骤摘要】
基于平行多跳架构的水下无线光通信系统误码率计算方法
本专利技术属于水下无线光通信
，具体为一种在海洋湍流和路径损耗联合作用下，引入LDPC编码，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LN复合信道平行多跳-UWOC系统误码率计算方法。
技术介绍
水下无线光通信(UWOCUnderwaterWirelessOpticalCommunication)，是以激光为载波，以海水为传输介质实现双向通信的新型视距传输通信技术。由于其传输信息容量大，通信频带宽，传输速度高，抗干扰能力强，安全性高，保密性强以及体积小等优点而备受关注。然而，UWOC链路的性能易受到海洋湍流以及水中分布的粒子与杂质引起的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，中继协作技术等。海水会对水下无线光通信系统产生两方面影响：一是海水中的各种物质以及不规则运动的悬浮颗粒会导致光在传播时产生明显的吸收和散射等现象；二是海水中盐度和温度等因素的不规则分布会使得海水产生湍流现象。在海洋湍流方面，人们已经提出了多种数学模型来模拟海洋湍流，其中，对数正态分布(Lognormal，LN)是一种比较可靠的信道模型。在路径损耗方面，海水对光波的吸收和散射作用整体上可以用指数分布表征，并用消光系数代表海水吸收和散射作用对光波的影响程度，该系数由吸收系数和散射系数确定。目前的问题在于：基于LN复合湍流信道模型的平行多跳-UWOC系统误码率的特性研究未见报道；此外，LDPC编码对该平行多跳系统性能影响的分析也未见报道。因此，基于LN湍流模型，考虑到路径损耗的影响，研究引入LDPC编码的平行多跳-UWOC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常用的海洋湍流信道模型—LN分布，并结合路径损耗的影响，基于最大最小准则的最佳路径选择算法，计算平行多跳-UWOC系统端到端平均误码率性能，进而研究LDPC编码对系统传输性能的影响。其中，由于LN分布能够很好的模拟弱湍条件下的海洋湍流，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平行多跳-UWOC系统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。基于平行多跳架构的水下无线光通信系统误码率计算方法，包括下述步骤：1)基于LN海洋湍流分布，考虑到路径损耗的影响，基于最大最小准则的路径选择算法，建立适于平行多跳-UWOC系统的传输模型，并推导出LN湍流和路径损耗联合作用下的平行多跳-UWOC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LN湍流和路径损耗联合作用下的平行多跳-UWOC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)将不同链路距离、消光系数、孔径、温度方差耗散率和结构参数带入到平行多跳-UWOC系统端到端闭合的平均误码率表达式中，得到该参数对系统性能的影响；4)引入LDPC编码，通过蒙特卡罗法进行仿真，对比不同结构参数、码率、最大迭代次数和码长对平行多跳-UWOC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，建立适于平行多跳-UWOC系统的传输模型如下：设x为发送信号序列，y为接收信号序列，平行多跳-UWOC系统中第i个平行路径中的第j跳接收的电信号的传输模型yi,j可定义为：yi,j＝RPhi,jxi,j+ni,j(1)其中，xi,j为MPSK副载波强度调制信号；RP为光电响应系数；ni,j为均值为零、方差为的加性高斯白噪声；hi,j为联合的信道增益，表示为表示湍流导致的衰落因子，表示由吸收和散射引起的衰落因子。进一步，所述步骤1)中，推导LN湍流和路径损耗联合作用下的平行多跳-UWOC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LN信道模型的概率密度函数和路径损耗函数；1b)得到平行多跳-UWOC系统在考虑LN湍流和路径损耗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LN湍流和路径损耗联合作用下的平行多跳-UWOC系统复合信道模型的累积分布函数，通过下述步骤实现：1c)给出每条链路的瞬时电信噪比μi,j与联合的信道增益hi.j的关系；1d)根据步骤1a)公式中得到的LN信道模型的概率密度函数和和步骤1b)公式中得到的考虑LN湍流和路径损耗时的概率密度函数f(hi,j)，结合步骤1c)的每条链路的电信噪比与联合的信道增益之间的关系，得到对应的LN湍流和路径损耗联合作用下的平行多跳-UWOC系统复合信道模型的累积分布函数。进一步，所述步骤2)中，平行多跳-UWOC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)基于最大最小准则的最佳路径选择方案，利用端到端等效的瞬时信噪比μmax可以得到平行多跳-UWOC系统端到端闭合的平均误码率表达式；2b)使用高斯-拉盖尔多项式，得到平行多跳-UWOC系统端到端闭合的平均误码率表达式；2c)由步骤1d)得到对应的LN湍流和路径损耗联合作用下的平行多跳-UWOC系统复合信道模型的累积分布函数和步骤2b)中的平行多跳-UWOC系统端到端闭合的平均误码率表达式，可得到LN湍流和路径损耗联合作用下的平行多跳-UWOC系统端到端闭合的平均误码率表达式。本专利技术具有以下优点：本专利技术首先提出了一种基于LN海洋湍流复合信道的平行多跳-UWOC系统误码率计算方法。进后，引入LDPC编码并研究其对系统性能的改善作用。由于LN海洋湍流信道模型和路径损耗联合作用下的信道建模方法，引入了中继辅助传输和LDPC编码技术，使得对海洋中影响系统性能的因素以及改善系统性能的方法有了较为综合的考量，可用于更加实际的水下无线光通信系统。附图说明图1是带有直连链路的平行多跳架构UWOC系统模型；图2a)、图2b)和图2c)分别是在三种链路距离条件下，考虑到独立等同分布，基于副载波BPSK和MPSK调制的平行多跳UWOC系统的误码率特性；图3a)、3b)和3c)分别给出了不同海水类型、接收孔径以及温度方差耗散率条件下BPSK调制UWOC系统的误码率特性；图4a)和图4b)给出了两种接收孔径条件下，中继数目和并行路径数目对系统误码率特性的影响；图5a)、5b)、5c)、5d)和5e)分别给出了引入LDPC编码后，不同湍流强度、不同并行路径数目和跳数、不同码率、不同迭代次数和不同码长条件下系统误码率性能的变化。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明。本实施例仅表示对本专利技术的原理性说明，不代表对本专利技术的任何限制。本专利技术的基于平行多跳架构的水下无线光通信系统误码率计算方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤1，基于LN海洋湍流分布，考虑到路径损耗的影响，基于最大最小准则的路径选择算法，建立适于平行多跳-UWOC系统的传输模型：设x为发送信号序列，y为接收信号序列，平行多跳-UWOC系统中第i个平行路径中的第j跳接收的电信号的传输模型yi,j可定义为：yi,j＝RPhi,jxi,j+ni,j(1)其中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于平行多跳架构的水下无线光通信系统误码率计算方法，其特征在于，包括下述步骤：1)基于LN海洋湍流分布，考虑到路径损耗的影响，基于最大最小准则的路径选择算法，建立适于平行多跳‑UWOC系统的传输模型，并推导出LN湍流和路径损耗联合作用下的平行多跳‑UWOC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LN湍流和路径损耗联合作用下的平行多跳‑UWOC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)将不同链路距离、消光系数、孔径、温度方差耗散率和结构参数带入到平行多跳‑UWOC系统端到端闭合的平均误码率表达式中，得到该参数对系统性能的影响；4)引入LDPC编码，通过蒙特卡罗法进行仿真，对比不同结构参数、码率、最大迭代次数和码长对平行多跳‑UWOC系统性能的影响。

【技术特征摘要】
1.基于平行多跳架构的水下无线光通信系统误码率计算方法，其特征在于，包括下述步骤：1)基于LN海洋湍流分布，考虑到路径损耗的影响，基于最大最小准则的路径选择算法，建立适于平行多跳-UWOC系统的传输模型，并推导出LN湍流和路径损耗联合作用下的平行多跳-UWOC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LN湍流和路径损耗联合作用下的平行多跳-UWOC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)将不同链路距离、消光系数、孔径、温度方差耗散率和结构参数带入到平行多跳-UWOC系统端到端闭合的平均误码率表达式中，得到该参数对系统性能的影响；4)引入LDPC编码，通过蒙特卡罗法进行仿真，对比不同结构参数、码率、最大迭代次数和码长对平行多跳-UWOC系统性能的影响。2.根据权利要求1所述的基于平行多跳架构的水下无线光通信系统误码率计算方法，其特征在于，所述步骤1)中，建立适于平行多跳-UWOC系统的传输模型如下：设x为发送信号序列，y为接收信号序列，平行多跳-UWOC系统中第i个平行路径中的第j跳接收的电信号的传输模型yi,j可定义为：yi,j＝RPhi,jxi,j+ni,j(1)其中，xi,j是MPSK副载波强度调制信号；RP为光电响应系数；ni,j为均值为零、方差为的加性高斯白噪声；hi,j为联合的信道增益，表示为表示湍流导致的衰落因子，表示由吸收和散射引起的衰落因子。3.根据权利要求1所述的基于平行多跳架构的水下无线光通信系统误码率计算方法，其特征在于，所述步骤1)中，推导LN湍流和路径损耗联合作用下的平行多跳-UWOC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LN信道模型的概率密度函数和路径损耗函数；其中,LN信道模型的概率密度函数为：其中，为对数光强方差；由吸收和散射引起的衰落因子hl用指数分布表征：hl(L)＝exp[-c(λ)L](3)其中，L为传输路径长度，c(λ)为波长λ的光波在海水中的衰减系数，可由c(λ)＝a(λ)+b(λ)求得，其中a(λ)为吸收系数，b(λ)为散射系数；1b)得到平行多跳-UWOC系统在考虑LN湍流和路径损耗联合作用下的复合信道模型的概率密度函数：考虑LN湍流和路径损耗时联合的信道增益分别为湍流导致和吸收和散射引起的衰落因子，则概率密度函数f(hi,j)为：累积分布函数F(hi,j)为：其中，erf(·)为误差函数4.根据权利要求3所述的基于平行多跳架构的水下无线光通信系统误码率计算方法，其特征在于，所述步骤1)中，推导出LN湍流和路径损耗联合作用下的平行多跳-UWOC系统复合信道模型的累积分布函数，通过下述步骤实现：1c)每条链路的瞬时电信噪比μi,j为：其中表示平均电信噪比；为加性高斯白噪声的方差；RP为...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昂，王平，陈雯雯，庞维娜，李宇涛，刘升，
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