基于指数韦布尔分布的无线光通信的研究与优化

发布时间：2017-05-14 20:11

  本文关键词：基于指数韦布尔分布的无线光通信的研究与优化，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：无线光通信又称自由空间光通信,是伴随着大功率半导体激光器和高灵敏度光电探测器件迅猛发展而重新兴起的一种通信方式。它具有容量大、频带宽、保密性强、安装快捷、抗干扰能力强等诸多优点,有着广泛的应用前景。然而,无线光通信系统性能很大程度上会受到大气湍流以及指向误差的影响而下降。为此,正确的认识大气湍流对传输光信号的影响机理对设计有效、灵敏、低廉的无线光通信系统及网络是非常有价值的。本文主要从大气湍流的非柯尔莫戈洛夫性,大气湍流导致的光强起伏(光强闪烁)、光束扩散与漂移和大气气溶胶的光散射与吸收所导致的路径衰减,通信系统发射端和接收端之间不对准引起的指向误差等多方面来研究湍流大气信道对无线光通信通信系统性能的影响。寻找能合适模拟湍流大气导致的光强闪烁的统计规律对无线光通信的研究是非常重要的。人们已经提出多种光强闪烁统计模型,其中最为广泛接受的2种光强闪烁统计模型是对数正态分布模型和伽马-伽马分布模型。实验研究表明,当存在孔径平滑的时,对数正态分布模型和伽马-伽马分布模型二者都不适用于描述完整由弱到强的光强闪烁区域。然而,最近提出来的指数韦布尔分布模型适用于模拟采用有限孔径接收器的从弱到强的整个光强闪烁区域的光信号强度随机波动。提高无线光通信系统通信性能的系统优化方式有多种,选择一种合适的优化方式有助于设计可靠的无线光通信系统。本论文考虑到了无线光通信系统的光信号在大气中传输的特点以及实际系统中需要考虑到多种因素对它的共同作用,采用强度调制／直接探测的方式,从理论上分析了块状编码优化方式与选择分束结合技术对无线光通信系统性能的优化效果,建立了对数正态分布与指数韦布尔分布信道模型的无线光通信系统的信道容量模型,具体成果如下：1)在弱起伏湍流大气水平通信信道中,运用对数正态信道统计分布模型,考虑到大气湍流的非柯尔莫哥洛夫性、系统指向误差,以及湍流的内尺度与外尺度的影响,建立了与实际情况更接近的无线光通信系统的平均信道容量预测模型。2)采用大气闪烁的指数韦布尔统计分布模型,考虑传播光束的扩展与漂移,大气衰减,系统指向误差以及大气湍流的非柯尔莫哥洛夫指数影响,我们建立了适用于整个湍流起伏区的无线光通信系统的平均信道容量模型。通过数值研究得出如下结论：①大尺度闪烁和小尺度闪烁进入到饱和区域的条件以及影响都不一样；②在强的湍流强度环境下,两种闪烁先后进入到饱和区域,而受其影响,平均信道容量随传输距离的变化是相当复杂的；③在弱到中等的湍流强度环境下,大气能见度对于无线光通信是一个重要的制约问题,能见度越高,通信质量越好；④在强的湍流强度环境下,非柯尔莫戈洛夫指数对无线光通信系统的影响比较剧烈,指数越大,平均信道容量越大；⑤无论是在弱还是强的湍流强度环境下,指向误差的影响都是非常重要的,采用自适应追踪技术能够有效减小指向误差,提高无线光通信质量；⑥在中等到强的湍流强度环境下,接收器孔径越大,平均信道容量越大,而在弱和饱和湍流强度区域,接收器孔径的影响可以忽略。这表明,在中等到强湍流强度环境,孔径平滑技术对无线光通信性能的提升是非常有益的。3)基于大气闪烁的指数韦布尔分布模型,采用在接收端添加特定额外信息达到纠正传输过程中所产生错误的块状编码,研究了强湍流大气斜程信道对无线光通信系统的块状误码率性能的影响,分析了湍流大气中非柯尔莫哥洛夫功率谱指数、光束漂移与扩散,以及指向误差对编码系统的影响。4)选择分束结合技术可以最大限度地提高结合光信号的质量,降低湍流所导致的信号衰减。采用选择分束结合技术的指数韦布尔分布型无线光通信系统,在整个闪烁起伏环境下,建立了无线光通信系统的中断概率、平均误码率和平均信道容量模型。研究发现,和孔径平滑技术一样,在中等到强的湍流强度环境下,选择分束结合技术对无线光通信系统性能提高的效果最为明显。
【关键词】：无线光通信 指数韦布尔分布模型 大气湍流信道 系统优化
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.1
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-14
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-13
• 1.3 论文的基本结构13-14
• 第二章 大气湍流对无线光通信系统的影响机理14-27
• 2.1 大气湍流14-15
• 2.2 大气折射率结构参数15-16
• 2.3 大气折射率功率谱模型16-18
• 2.4 大气湍流效应对无线光通信系统的影响18-27
• 2.4.1 光强闪烁18-20
• 2.4.2 光强闪烁概率分布模型20-24
• 2.4.3 光束的扩展与漂移24-25
• 2.4.4 大气衰减25-26
• 2.4.5 指向误差26-27
• 第三章 指数韦布尔分布型无线光通信信道研究27-39
• 3.1 湍流大气通信信道模型27-31
• 3.1.1 对数正态大气湍流衰减信道27-28
• 3.1.2 指数韦布尔大气湍流衰减信道28-31
• 3.2 平均信道容量31-35
• 3.2.1 指数韦布尔型无线光通信系统的平均信道容量31-35
• 3.2.2 对数正态型无线光通信系统的平均信道容量35
• 3.3 平均误码率35-37
• 3.4 中断概率P_(out)37-39
• 第四章 指数韦布尔型无线光通信优化研究39-52
• 4.1 孔径平滑技术39-41
• 4.2 块状编码技术41-42
• 4.3 空间选择分束结合技术42-52
• 4.3.1 选择分束结合系统中断概率44-46
• 4.3.2 选择分束结合系统平均误码率46-49
• 4.3.3 选择分束结合系统平均信道容量49-52
• 主要结论与展望52-53
• 主要结论52
• 展望52-53
• 致谢53-54
• 参考文献54-58
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文58

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