强大气湍流信道的FSO链接指向误差的误码率性能

1、强大气湍流信道的FSO链接指向误差的误码率性能摘要：在本论文中，我们研究的无线光通信(FSO)在衰落信道强气流与偏差(指向错误)的影响链接在一起的误码率性能。首先，我们提出了一种新颖的封闭表达式,它是随机分布的一种无线光通信信道模型，该模型既考虑大气湍流引起的衰落乂考虑到错位引起的衰落。然后，在假设强度调制/直接检测与开关按键的情况下,我们评估了无线光通信系统运行在这种封闭形式的频道和环境下的平均误码率。数值示例进一步证明了提出的解析表达式。关键字：误码率(BER),自由空间光学通信(FSO),K大气湍流信道，错位衰落，指向错误一.介绍户外长距离的无线光通信（FSO）链接非常脆弱是由于大气湍流

2、和指向错误的降解作用。由于折射率变化的结果，大气湍流导致辐射波动时接收到的信号（称为褪色或闪烁）沿附近地面水平路径传播。湍流引起的衰落降低链路的性能，特别是1公里以上的距离1。另一个值得关注的是由于建筑波动导致FSO链接指向错误。热膨胀系数，动态风荷载和弱地震导致高层建筑晃动。这会导致发射光束的振动，因此，发射机和接收机之间错位2。多年來各种统计模型提出了描述大气湍流信道为不同程度的强度1。K分布己发现对于强气流信道是一个合适的模型,因为它提供了一个很好的理论和实验数据之间的协议3。4,Uysal和Li己经利用这种湍流模型评估了系统的编码无线光通信方面成对错误概率和误码率（BER）o5,Kia

3、saleh研究了误码率性能差的FSO通信系统中存在的K动荡衰落。ffi6JCaragianiiidis等人已经检查了总体性能转播（多跳）无线光通信系统。在7和8中，错位和大气湍流对地面FSO链路性能的影响进行了首次调查。在这些作品已被认为可以忽略不计的探测器孔径大小方面的波束。9,法里徳和Hiaiiilovic提供了FSO的信道模式，这模式的衰落是由于大气湍流的衰落和错位考虑宽度，指向误差方差和探测器大小。特别是，他们己经考虑了对数正态分布和YY分布式动荡对数正态分布,探讨了系统在能力和中断率方面的性能。在本论文中，我们目前统计的FSO通道模型考虑K分布较强的衰落和指向错误动荡的共同作用。首先

4、,我们得到一个封闭的概率密度函数（pdf）的统计描述这个信道。然后，我们推导出一个强度调制/直接检测（IM/DD）通断键控（OOK）的FSO系统的平均误码率表达式。选定的数值结果进一步验证了我们数学分析的准确性。二系统与信道模式系统模型假设我们考虑使用IM/DD无线光通信系统与OOK,它被广泛部署在商业系统。通过与加性高斯白噪声(AWGN),K湍流中存在指向错误的信道传播的激光束沿水平路径。接收器集成了探测器响应入射光功率为每个位周期的光信号。假设一个统一响应系数。接收到的电信号给出y=hx-Hi(1)其中x是二进制传输信号，h是归一化信道衰落系数，被认为是恒定超过大量的传输比特，n是加性高斯

5、白噪声与代的方差。由于采用OOK调制方案，x为0或2R其中R是平均发射光功率。信道的状态被认为是两个随机因素的产品，h=hahp,ha是由于大气湍流的衰减，hp是由于儿何扩散和指向错误的衰减。湍流和错位衰落模型在K湍流模型的辐射概率密度函数给出4Ifha(hj=h尹,ha0其中,a是有关离散散射的有效信道参数,()是众所周知的伽玛功能10,EQ.(8.310.1),和Kv(-)是修改的vth阶贝塞尔函数的第二类10,EQ.(8.432.2)。当CIT8时，(2)接近负指数(NE)分布。考虑一个半径为r的圆检测孔径高斯光束，1*的概率密度函数使用9中所描述的假设和方法，可以得出2fhp()=一膚

6、7、0hpAq人6其中，尸WZeq/26是在接收端的等效光束半径和指向错误位移标准偏差(抖动)在接收之间的比率。参数Wzeq使用的关系，可以计算U=VSr/V2wz,Ao=erf(B)2和W)2q=w；VHeif(u)/2uexiiu2)其中ERF()为误差函数，Wz是束腰(半径计算，E2)在距离z(见9更多详情)。(4)使用前面的pdf湍流和错位褪色的pdf结合h给出的fh(h)=/7h|fta(hha)fha(fea)dha(5)其中fhlha(h|ha)有条件的概率给定的h割状态，并表示为代入(2)和(5),(4)结果为2丁2_Ao护(c)X为了解决在(6)的积分，我们表达的KV()是基

7、于Meijer的G功能11,eq.(14),o然后，使用12,eq.(0085.01),一个封闭的形式表达派生(7)式可以进一步简化使用12,eq.(0001.01)l给出(12)平均误码率OOK无线误码率的IM/DD给出Pb(e)=p(l)p(e|l)+p(O)p(e|O)其中p(1)和P(0)发送1和0位的概率，当传输的位是1和0,p(e|l)和p(e|0)分别表示有条件的误码概率。还考虑到p(1)=p(2)=1/2和p(e|1)=p(e|0),它很容易证明条件在h13耳(时)=p(c|l./z)=p(e|O,h)(9)其中Q()是高斯Q函数，这是关系到互补错误函数erfc()byerfc

8、(x)=2Q(V2x)o对于平均误码率，町可以得到平均(9)的hi.e的PDF,珂(e)=广几伍(训问(10)Jo代入(8)在(10)中，Meijer的G功能表达Kv()积函数和erfc()，erfc(仮)=创0,1/2.12,eq.(0006.01儿我们获得(如下显示psS/Eoh72-14沆0_iodh(11)因此,使用ll,eq(21)和10,eq.(9.31.1),封闭形式解决方案的误码率推导出16FMo2-节L-Q2-q11辭20丄仝W292沪7乎厂砂数值结果我们认为FSO与归-化抖动链接，as/r=0.1,噪声的标准偏差，QN=10_7A/Hz,W和动荡衰落参数，a=2。图1显示了

9、平均误码率在dBm的发射光功率归波束的各种值的五个步骤（wz/r=5,.,25）o据观察，使用窄波束实现一个更好的误码率性能，因为接收信号功率增加。然而，正如在7中，当波束窄时，由于在通信接收器的方向线视距（LOS）的动议，发射器可以很容易在切断错位效果增加。在图2和3的平均误码率与动荡衰落参数a（X轴）和归抖动强度bJR（丫轴）Pt二20dBm和Wz/r=10或20的3D绘图。从这些数字显示，建筑波动和动荡降低光学无线链路的误码率性能。不过，这种情况可以半衡扩大在接收功率为代价的光束指向错误的存在，以增加链接的鲁棒性。因此，选择一个最佳的波束，最大限度地减少所需的发射功率可以达到目标误码率。

10、由于复杂的派生平均误码率的计算公式和特殊算法，这是本论文的范围，可能需要优化这个问题是非常困难的。平划咲码率t发射光功率r（dBm）图规范化的儿个值的EER与发射功率波束20图2.误码率与a和强度crJR假设R=20dBm和乞/r=20结论经研究在分布式的FSO系统的误码率性能存在偏差的动荡衰落褪色，一个有用的乘法统计信道模型，推导出包括衰落的条件，也提出了封闭形式的误码率表达，很显然，光无线系统的设计者应考虑无线光通信系统的性能影响的主导因素，大气湍流和建筑波动。参考文献L.Andrews,RL.Pliilips,andCYHopen,LaserBeamScintillationwithAp

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