[發(fā)明專利]聯(lián)合效應影響下大氣光MIMO系統(tǒng)平均容量的近似計算方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811539660.1
• 申請日: 2018-12-17
• 公開（公告）號: CN109617576B
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發(fā)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(quán)）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

聯(lián)合效應影響下大氣光MIMO系統(tǒng)平均容量的近似計算方法，包括光強衰減系數(shù)矩陣G的計算、光MIMO系統(tǒng)信道的建模、平均信道容量的計算、光強衰減系數(shù)累加和及其概率密度數(shù)的計算、平均信道容量的近似化簡，其中G通過在獨立信道光強衰減系數(shù)矩陣H兩端分別左乘和右乘指數(shù)相關(guān)矩陣來獲得。結(jié)合MPPM調(diào)制，采用泊松光子計數(shù)模型建立了聯(lián)合效應下信道相關(guān)時光MIMO系統(tǒng)的信道模型。在此基礎上推導出了光MIMO系統(tǒng)的平均信道容量，進一步通過化簡光強衰減系數(shù)的累加和，將原來需要計算MN次積分的光MIMO系統(tǒng)平均信道容量近似為只需要計算一次積分的最簡表達式。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無線光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體是聯(lián)合效應下MPPM調(diào)制時無線光MIMO系統(tǒng)平均信道容量的計算及其近似方法。

背景技術(shù)

無線光通信結(jié)合了光纖通信與無線通信的優(yōu)勢，具有無需頻率許可、低成本、安裝快捷方便、通信安全保密等優(yōu)點，被認為是解決全球高速通信中“最后一公里”問題的有效途徑。但是激光信號在復雜的大氣信道中傳輸時，會受到大氣衰減、大氣湍流等因素的影響。另外，固定收發(fā)終端設備的平臺會因隨機抖動而產(chǎn)生瞄準誤差，這使得接收信號出現(xiàn)一定的隨機性。同時，大氣衰減、大氣湍流與瞄準誤差共同作用會產(chǎn)生一種聯(lián)合衰減效應。這種聯(lián)合效應對無線光通信的影響將不同于單一因素作用時的影響，它將嚴重影響系統(tǒng)的有效性和可靠性。而光多輸入多輸出技術(shù)(MIMO)可以在不額外增加頻譜資源和發(fā)射功率的情況下，成倍提高現(xiàn)有系統(tǒng)的信道容量，同時還可通過獲得分集增益來減弱接收信號的光強起伏，達到有效抵御大氣湍流的作用。另外，還可以降低對瞄準誤差的要求。因此，該技術(shù)在無線光通信中具有廣泛的應用前景。

在無線光通信中，通常采用強度調(diào)制/直接探測(IM/DD)技術(shù)，常用的調(diào)制方式有開關(guān)鍵控(OOK)、脈沖位置調(diào)制(PPM)和多脈沖位置調(diào)制(MPPM)。其中，OOK調(diào)制雖然具有簡單易實現(xiàn)等諸多優(yōu)勢，但其傳輸效率低，且在背景光較強時難以滿足高速率傳輸?shù)男枨蟆PM調(diào)制具有較高的光功率利用率，能夠滿足高速率通信的需求，但其帶寬效率較低，并且對同步的要求較高。MPPM調(diào)制作為一種改進的脈沖位置調(diào)制，在一個符號中允許發(fā)送多個脈沖，這不但可以改善帶寬效率，而且也增強了抗背景光的能力，是一種較理想的調(diào)制方式。

信道容量是通信系統(tǒng)能夠達到的最大傳輸速率，是衡量通信系統(tǒng)通信能力的重要指標之一。而實際信道傳輸?shù)男畔⑺俾时厝恍∮谛诺廊萘浚诺廊萘考礊橥ㄐ畔到y(tǒng)的性能界。因此，研究MIMO系統(tǒng)的信道容量對評價通信系統(tǒng)的好壞以及提升系統(tǒng)性能具有重要意義。目前，有關(guān)光MIMO系統(tǒng)信道容量的研究主要集中在大氣湍流條件下。另外，對于受大氣衰減、湍流和瞄準誤差聯(lián)合衰減效應影響下光MIMO系統(tǒng)信道容量的研究也有部分成果，這為MIMO技術(shù)在無線光領(lǐng)域中的應用提供了較好的理論基礎。但是，上述研究均假設各發(fā)射端發(fā)送的信號和接收孔徑上接收的信號是不相關(guān)的，且信道服從獨立同分布的衰落特性。

然而，Phillips教授等人通過研究指出，由于發(fā)送和接收端的天線陣列間距、傳輸距離、湍流條件等因素的影響，致使傳輸?shù)男盘栭g存在一定的相關(guān)性，這會嚴重影響MIMO系統(tǒng)的容量特性，而且這使得有關(guān)信道獨立的假設過于理想化。在實際應用中，光MIMO系統(tǒng)會受到大氣衰減、湍流、瞄準誤差以及空間相關(guān)性共同作用的影響，僅僅考慮其中部分因素是不夠全面的。因此，針對實際的無線光MIMO通信系統(tǒng)，綜合考慮影響鏈路性能的聯(lián)合衰減效應，并結(jié)合MPPM調(diào)制方式計算光MIMO系統(tǒng)平均信道容量，這對于無線光通信系統(tǒng)設計具有重要的研究意義和應用價值。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種聯(lián)合效應影響下大氣光MIMO系統(tǒng)平均容量的近似計算方法。

本發(fā)明是聯(lián)合效應影響下大氣光MIMO系統(tǒng)平均容量的近似計算方法，所述的近似計算方法主要包括光強衰減系數(shù)矩陣G的計算、光MIMO系統(tǒng)信道的建模、平均信道容量的計算、光強衰減系數(shù)累加和及其概率密度數(shù)的計算、平均信道容量的近似化簡。