[發明專利]聯合效應影響下大氣光MIMO系統平均容量的近似計算方法

有效

• 申請號: 201811539660.1
• 申請日: 2018-12-17
• 公開（公告）號: CN109617576B
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發明（設計）人: 張悅;王惠琴;曹明華;王璽;毛一聰;呂佳蕓;張偉
• 申請（專利權）人: 蘭州理工大學
• 主分類號: H04B7/0413
• 分類號: H04B7/0413;H04B17/309;H04B17/391;H04B10/524
• 代理公司: 蘭州振華專利代理有限責任公司 62102
• 代理人: 董斌

1.聯合效應影響下大氣光MIMO系統平均容量的近似計算方法，其特征在于，所述的近似計算方法主要包括光強衰減系數矩陣G的計算、光MIMO系統信道的建模、平均信道容量的計算、光強衰減系數累加和及其概率密度數的計算、平均信道容量的近似化簡，其具體步驟為：

步驟1：聯合衰減效應影響下信道獨立時MIMO系統的光強衰減系數h_nm為大氣衰減大氣湍流和瞄準誤差三個衰減因子的線性乘積，即

式中，是傳輸距離Z后引起的大氣衰減，表征弱湍流強度，服從對數正態分布；是瞄準誤差引起的信道衰減系數，R_nm是發射光束m的中心與接收孔徑n中心的徑向位移，ω是等效波束寬度；

信道獨立時，光MIMO信道的光強衰減系數矩陣為H＝(h_nm)_NM；

步驟2：通過在步驟1計算所得的光強衰減系數矩陣H兩端分別左乘和右乘指數相關矩陣獲得了大氣衰減、湍流、瞄準誤差聯合衰減效應下信道相關時的光強衰減系數矩陣

G＝R_r·H·R_t＝(g_nm)_NM

式中，是接收相關矩陣,0≤r_t≤1是接收相關系數；

是發送相關矩陣，0≤r_r≤1是發送相關系數，g_nm是第m個激光器到第n個探測器上受聯合衰減效應影響的光強衰減系數；

步驟3：針對MPPM調制，采用泊松光子計數模型并將步驟2計算所得的光強衰減系數g_nm帶入，建立了聯合衰減效應下信道相關時的光MIMO系統信道模型；

具體方法如下：

對于有M個激光器，N個探測器的無線光MIMO系統，第n(n＝1,2,…,N)個探測器上接收到的信號為：

其中，η為光電轉換效率，E_s是系統總能量，h是普朗克常數，f是光載波頻率，x^(m)表示第m(m＝1,2,…,M)個激光器上發送的信號，n₀是噪聲向量，n_b是噪聲所產生的平均計數速率，服從泊松分布；

步驟4：在步驟3所建光MIMO系統信道模型的基礎上，通過近似計算光強衰減系數的累加和S及其概率密度函數f_S(S)，獲得了平均信道容量的最簡表達式；

具體方法如下：

聯合效應下光強衰減系數的累加和S可表示為：

其中，l₀＝e^-σZ是大氣衰減系數，的概率密度函數為式中，γ＝ω/(2σ_s)表示接收端等效波束半徑與瞄準誤差偏移量標準差之間的比值，ω是等效波束寬度，σ_s是接收端抖動偏移量標準差；

對于獨立信道而言，當服從對數正態分布的弱湍流和瞄準誤差共存時，B_nm將服從正態分布；當B_nm與具有對稱性的相關矩陣R_t和R_r相乘時仍服從正態分布，將S化簡為其中，V_k仍服從正態分布；由于對數正態變量之和仍可以近似為另一個對數正態變量，利用Wilkinson方法進一步可將S化簡為：

S＝A₀l₀e^W-T＝A₀l₀e^U

其中，U＝W-T，W仍然是一個服從正態分布的變量，其均值和方差分別為

另外，S的概率密度函數可由和計算得到，其表達式為

S化簡后可將原來需要計算MN次積分的光MIMO系統平均信道容量近似為只需要計算一次積分的最簡表達式：

式中，Q是時隙數，ζ是發送脈沖數；

由以上步驟可以實現基于聯合衰減效應影響下MPPM調制時對大氣光MIMO系統平均信道容量的近似計算，極大的降低了計算復雜度，提高了分析和仿真效率。