自由空间光通信信道建模

１ 介 绍
在 最近 许 多关 于 无 线通 信 系 统 的技 术 中 ， 自 由空 间光 通 信 系 统 技 术 已经 被 证 明 是一 项 关 键 的技 术 。 自 由空 间 光通 信 系 统 技 术 适用于户外联系、短距离无线通 信和现有的骨干网光 纤通信 。在 自 由空 间 光通 信 系统 中 ，信 道损 伤 是 有 限 的 。 但 是 ， 由于 大 气 中 有 大 量 的 噪 声 ，从 而 造 成 大 气通 信 信 道 的 不 理 想 。 由 于压 力 、温 度的变化 以及大气波动 ，使得 自由空 间光通信系统中接收端信号 的幅度和相位有所波动 ，最终可 能导致数字通信道路 中的信息传 输 错 误 。Ｈ ｅ ｎ ｎ ｉ ｇ ｅ ｒ 和 Ｗｉ ｌ ｆ ｅ ｒ ｔ 详 细 地 阐 述 了 自由 空 间光 通 信 系 统 在 大 气 湍 流 效 应 下 的挑 战 。Ｚ ｈ ｕ 和 Ｋａ ｈ ｎ 记 录 了多 种 减 小 大 气 湍 流引起的衰减效应 的技术 ，并给 出了在不 同接收机处使衰减效应 无效的空间分集技术 ，并且记录了最大可行性检测技术 的使用情 况。Ｇ ａ ｏ ａ ｔ ｅ ｌ 提 出 了差 分相 移 键控 技 术 ， 来提 高 Ｆ Ｓ Ｏ系 统 的接 收 灵 敏 度 。他 们 表 明在 相 同的 信 道 约束 下 ，差 分 相 移 键控 技 术 优 于 基 于开关键控技术 。在相 同的带宽下，理论分析和数值结果都表明 Ｏ ＯＫ具有比ＤＰ Ｓ Ｋ系统更低的灵敏 度，因此 ，差分相移键控技术 在大气信道和无线光通信系统中具有广 阔的应用前景。
【 关键词 】大气湍流；瑞利分布；Ｈ模型；概率分布函数；信道建模
３ ． １ 瑞利分布 在 自 由空 间 光 通 信 系 统 中 ，使 用 瑞 利 模 型 来 描 述通 信 信 道 增 益。对于深度 衰落的信道 的概率密度函数是 高度集中 的瑞利 分布 。瑞利分布信道 的闪烁指数为 １ ，瑞利 分布 式信道 的概率密 度 函数计算如下公式３ ． ２ 所示 ：
４ 结 果 与讨 论
本 文绘制 了不同信道模 型下光强的概率密度 函数和辐照度 的关系 曲线 。图２ 和 图３ 给 出了 Ｈ 分布式信道和瑞利分布式信道 模 型光 强 的 的概 率 密 度 函数 和 辐 照 度 的 关 系 曲 线 。 可 以观 察 到 光在通信过程 中，对 于所有从弱到强的湍流 区域 ， Ｈ 分布式信 道 模 型 得 表 现 更 好 。 图４ 给 出当输入为Ｐ Ｐ Ｍ 信 号 时 ， 多 路 径 Ｈ 信 道 模 型 的 输 出响 应 。
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图２ 卜 Ｔ 分布式信道概率密度函数和辐照度关系曲线
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其 中， 是光 的波 数， 是折射率 结构参数 ，Ｚ是传播 通路距 离，其是水平路径的常数 。
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自由空 间光通 信信 道 建模
成都理 工 大学信 息科 学与技 术 学院 赵 敏 康 书宁 郭佳奥
【 摘要 】自由空间光通信（ Ｆ ｓ ０） 系统 已被证 明是 用于通信和监控 系统最好 的一种 方式。这种通信 系统与其他 系 统合并一起使 用有 巨大 的应 用价 值。在 自由空间光通 信 系统 中，光是通 过大 气信道传输 ，由于雾、雪 、雨等的存在 ，可以观 察到 光在 通信 过程 中衰弱现 象 尤其严重 ，因此 ，我们在这 里讨论 了为减 小这 些影 响的不同的 自由空间 中光信道 建模 的方法。
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２ 自由空间光通信系统
本文提 出的光无线通信系统的主要子系统如图１ 所示 。 在自由空间光通信系统中，激 光光束用作无线连接 ，自由空 间 被 用作 携 带 信 息 的通 信信 道 。在 接 收 的 信 号 中 ，观 察 到 由于 大 气 湍 流 而 产生 的任 意 变 化 的波 动 ，其 被 称 为 闪烁 。 自 由空 间光 通 信系统系 统的性能主要受 自由空间信道 的影响。 因此 ， 自由空 间 通 信 信 道 的 分 析 对 于 衡 量 系 统 的性 能 具 有 重 要 的作 用 。 影 响 自由空间光波传播的主要参数是散射 、吸收和折射率的变化。
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３ ． ２ 分布
（ ３ ． ２ ）
对 于 Ｈ 分 布 式 信 道 ，信 道 强 度 波 动 的概 率 密 度 函数 计 算 如 下公式３ ． ３ 所示 ：
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（ ３ － ３ ）
其 中， 是信 号 的强度 ，是 二阶修 正贝塞 尔函数 ，表示均 匀平面波 的闪烁 ， 计算公式如下公式３ ． ４ ：
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在 自由空 间光 通信 系统 中 ，信 道 衰落 强度 取 决 于通 路距 离、介质 的折射率结 构参数和光 辐射波长 。 自由空 间光通信信 道模 型通常取决￣Ｒ ｙ ｔ ｏ ｖ 方差，其计 算如下公式３ ． １ 所示：
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３ ． ３ 对 数 正 态 分 布 在 对 数 正 态 分 布 式 信 道 模 型 中 ， 接 收 到 的光 强 的 概 率 密 度 函数计笛由 ｎ 下 １ ． 昕呆 ・
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其 中 ，Ｉ ｏ 是在 没有 闪烁 的情 况下的信号辐照度 ，Ｉ 代表 目标 辐照度 。