[发明专利]联合效应影响下大气光MIMO系统平均容量的近似计算方法

说明书

联合效应影响下大气光MIMO系统平均容量的近似计算方法，包括光强衰减系数矩阵G的计算、光MIMO系统信道的建模、平均信道容量的计算、光强衰减系数累加和及其概率密度数的计算、平均信道容量的近似化简，其中G通过在独立信道光强衰减系数矩阵H两端分别左乘和右乘指数相关矩阵来获得。结合MPPM调制，采用泊松光子计数模型建立了联合效应下信道相关时光MIMO系统的信道模型。在此基础上推导出了光MIMO系统的平均信道容量，进一步通过化简光强衰减系数的累加和，将原来需要计算MN次积分的光MIMO系统平均信道容量近似为只需要计算一次积分的最简表达式。

技术领域

本发明涉及无线光通信技术领域，具体是联合效应下MPPM调制时无线光MIMO系统平均信道容量的计算及其近似方法。

背景技术

无线光通信结合了光纤通信与无线通信的优势，具有无需频率许可、低成本、安装快捷方便、通信安全保密等优点，被认为是解决全球高速通信中“最后一公里”问题的有效途径。但是激光信号在复杂的大气信道中传输时，会受到大气衰减、大气湍流等因素的影响。另外，固定收发终端设备的平台会因随机抖动而产生瞄准误差，这使得接收信号出现一定的随机性。同时，大气衰减、大气湍流与瞄准误差共同作用会产生一种联合衰减效应。这种联合效应对无线光通信的影响将不同于单一因素作用时的影响，它将严重影响系统的有效性和可靠性。而光多输入多输出技术(MIMO)可以在不额外增加频谱资源和发射功率的情况下，成倍提高现有系统的信道容量，同时还可通过获得分集增益来减弱接收信号的光强起伏，达到有效抵御大气湍流的作用。另外，还可以降低对瞄准误差的要求。因此，该技术在无线光通信中具有广泛的应用前景。

在无线光通信中，通常采用强度调制/直接探测(IM/DD)技术，常用的调制方式有开关键控(OOK)、脉冲位置调制(PPM)和多脉冲位置调制(MPPM)。其中，OOK调制虽然具有简单易实现等诸多优势，但其传输效率低，且在背景光较强时难以满足高速率传输的需求。PPM调制具有较高的光功率利用率，能够满足高速率通信的需求，但其带宽效率较低，并且对同步的要求较高。MPPM调制作为一种改进的脉冲位置调制，在一个符号中允许发送多个脉冲，这不但可以改善带宽效率，而且也增强了抗背景光的能力，是一种较理想的调制方式。

信道容量是通信系统能够达到的最大传输速率，是衡量通信系统通信能力的重要指标之一。而实际信道传输的信息速率必然小于信道容量，信道容量即为通信系统的性能界。因此，研究MIMO系统的信道容量对评价通信系统的好坏以及提升系统性能具有重要意义。目前，有关光MIMO系统信道容量的研究主要集中在大气湍流条件下。另外，对于受大气衰减、湍流和瞄准误差联合衰减效应影响下光MIMO系统信道容量的研究也有部分成果，这为MIMO技术在无线光领域中的应用提供了较好的理论基础。但是，上述研究均假设各发射端发送的信号和接收孔径上接收的信号是不相关的，且信道服从独立同分布的衰落特性。

然而，Phillips教授等人通过研究指出，由于发送和接收端的天线阵列间距、传输距离、湍流条件等因素的影响，致使传输的信号间存在一定的相关性，这会严重影响MIMO系统的容量特性，而且这使得有关信道独立的假设过于理想化。在实际应用中，光MIMO系统会受到大气衰减、湍流、瞄准误差以及空间相关性共同作用的影响，仅仅考虑其中部分因素是不够全面的。因此，针对实际的无线光MIMO通信系统，综合考虑影响链路性能的联合衰减效应，并结合MPPM调制方式计算光MIMO系统平均信道容量，这对于无线光通信系统设计具有重要的研究意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种联合效应影响下大气光MIMO系统平均容量的近似计算方法。

本发明是联合效应影响下大气光MIMO系统平均容量的近似计算方法，所述的近似计算方法主要包括光强衰减系数矩阵G的计算、光MIMO系统信道的建模、平均信道容量的计算、光强衰减系数累加和及其概率密度数的计算、平均信道容量的近似化简。