无线光通信FSO/FSO/RF三跳中继系统性能研究

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随着现代信息化水平的逐渐提高,传统通信方式已经无法满足人们对信息传输的要求,传统射频(Radio Frequency,RF)技术频谱资源日趋紧张,且传播易受干扰。自由空间光(Free Space Optical,FSO)通信作为一种新兴的通信传输技术,因其具有高带宽、安全、高传输速率以及有效缓解现有频谱资源紧张的优势,成为了在用户和基站之间建立桥梁的有效方法。但FSO传输受环境因素和距离影响显著,因此结合两种通信方式的混合双跳FSO/RF中继通信系统被提出且广泛研究。然而FSO/RF通信系统的远距离传输仍然会受到天气变化(尤其是大气湍流)的影响。为了减轻这些因素对FSO传播的影响,双跳中继辅助FSO/FSO系统被认为有效利用了空间分集技术,使远距离通信也有良好的性能。本文将双跳中继辅助FSO/FSO系统与混合双跳FSO/RF中继通信系统相结合,提出了一个基于解码转发(Decode-and-Forward,DF)中继的三跳FSO/FSO/RF通信系统,充分研究了该系统在远距离传输时的抗干扰性能,分析了在不同通信场景下的不同信道参数对该通信系统误码率和中断概率的影响,并用Monte Carlo仿真实验验证了理论的正确性。本文的研究内容如下:1)首先提出了基于DF中继的三跳FSO/FSO/RF中继通信系统模型,并分别介绍了第一FSO、第二FSO链路和RF链路的信号传输原理和传输过程,得出了每个传输阶段的瞬时信噪比表达式;2)为了模拟实际场景下的系统特性,令第一FSO信道、第二FSO信道均服从Gamma-Gamma(G-G)分布,模拟中等到强大气湍流衰落情形,RF信道服从Rayleigh分布,模拟传播路径中只有NLOS链路的情形。基于DF中继的特性,可以得出通信系统端到端信噪比的统计特征,进而可以得出三跳FSO/FSO/RF中继通信系统的中断概率和BPSK调制的系统误码率。通过对比基于G-G/Rayleigh分布的三跳FSO/FSO/RF中继通信系统的中断概率和误码率的变化规律,可得出大气湍流、传播路径等信道参数因素对系统性能的影响3)接下来进一步丰富系统场景,令第一FSO信道、第二FSO信道均遵循M分布湍流模型,该模型可以更加精准的模拟从弱到强大气湍流的情形;RF信道遵循Rician信道模型,NLOS和LOS衰落情形的传播路径均可被模拟。在上述通信场景下,首先,重新推导了M/Rician分布的三跳FSO/FSO/RF中继通信系统端到端瞬时信噪比的统计特征。其次,重新推导了该通信系统的中断概率和基于BPSK调制的系统误码率。通过对比三跳FSO/FSO/RF中继通信系统的中断概率和误码率的变化曲线,分析得出在不同湍流参数和Rician K因子对系统性能的影响4)最后,令第一FSO信道、第二FSO信道遵循Málaga-M湍流分布,这一分布除了可以建模大气湍流引起的衰落,还考虑了指向误差和路径损耗对FSO信道的影响。在上述考虑的通信场景下,重新推导了Málaga-M/Rician分布的三跳FSO/FSO/RF中继通信系统端到端瞬时信噪比的统计特征,继而,该通信系统的中断概率和基于BPSK调制的系统误码率也可得出。通过对比Málaga-M/Rician分布的三跳FSO/FSO/RF中继通信系统的中断概率和误码率的变化曲线,可分析得出指向误差和路径损耗因素对系统性能的影响。
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