[发明专利]基于信道容量的自适应MIMO-FSO多模式传输方法

权利要求书

1.基于信道容量的自适应MIMO-FSO多模式传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立FSO复合大气信道模型，考虑大气湍流、指向误差以及路径损耗的联合影响，给出复合信道模型的辐照度概率密度函数；

步骤2、建立自适应MIMO-FSO系统的基带信号模型；

步骤3、基于瞬时信道容量表达式、平均信道容量表达式、步骤1得到的辐照度概率密度函数以及步骤2得到的基带信号模型求出系统分别处于空间复用、分集和混合模式之下的平均信道容量函数式；

步骤4、在不同收发端天线数目、不同Malaga湍流分布信道以及不同天气条件时，基于步骤3得到的平均信道容量函数式得到系统分别处于空间复用、分集和混合模式之下的平均信道容量数据，根据平均信道容量数据建立进行模式切换的接收端信噪比阈值查找表；在接收端信噪比范围内始终选择平均信道容量大的模式为当前工作模式；

步骤5、在大气湍流强弱不同的情况下，接收端计算瞬时信噪比，将信噪比与查找表中可用的信噪比阈值进行比较，并选择适用的最佳传输模式；

步骤6、接收端将所选模式通过反馈链路传给发射端的自适应控制模块，在不同模式之间进行切换；

步骤7、反馈模式持续工作，使系统进行不断的自适应模式切换；

所述步骤1具体包括：光强起伏用Malaga大气湍流概率密度函数来描述，调整参数分别用来模拟Gamma-Gamma分布信道σ_I²＝0.5、Lognormal分布信道σ_I²＝0.2和K分布信道σ_I²＝2，Malaga大气湍流光强起伏的概率密度函数具体为：

式(1)至式(3)中，α是一个正参数；β是表示自然衰落参数数量；K_n(·)为n阶第二类修正Bessel函数；视距传输独立散射分量的平均功率为总散射部分的平均功率为为耦合到LOS分量；ρ为耦合到视距部分的散射功率大小，0≤ρ≤1；Ω′是相干平均功率；Γ(·)为Gamma函数；

考虑指向误差的辐照度h_p的概率密度函数表示为：

式(4)中，g＝w_zeq/(2σ_s)是接收机处的等效光束半径w_zeq与抖动准偏差σ_s之比；A₀＝[erf(v)]²，erf(·)是误差函数，a是圆形探测孔径的半径，w_z是光束束腰半径；

路径损耗h_l的概率密度函数表示为：

h_l＝exp(-σL) (5)

式(5)中，σ为衰减系数，L为路径长度；

考虑大气湍流、指向误差以及路径损耗的联合影响，给出复合信道模型的辐照度概率密度函数：

式(6)中，为MeijerG函数；

所述步骤2中自适应MIMO-FSO系统的发端和收端的数目分别为M和N，在空间复用下，产生M个独立的数据信号为x^A＝(x₁,x₂,...,x_M)^T；在分集模式中，产生M个相同的数据信号为x^B＝(x₁,x₁,...,x₁)^T；混合模式时，t个并行数据信号通过M个传输孔径发送，M和N是t的倍数，且t个重复码在M/t个不同的序列集上传送，传输信号为x^C＝(x₁,x₂,...,x_t)^T，其中x_i表示M/t上的重复信号流；

所述步骤2中建立的自适应MIMO-FSO系统的基带信号模型为：

式(8)中，P_T是总光发射功率，η是电光转换常数；w∈R^N表示加性高斯白噪声，且w_i～N(0,N₀/2),i＝1,2,...,N，N₀表示双边功率谱密度；Η∈R^M×N表示衰落信道矩阵，其元素h_ij(i＝1,2,...,N,j＝1,2,...,M)表示第j个发射孔径和第i个接收孔径之间的信道增益；

所述步骤3，根据式(9)，推导当系统分别处于空间复用、分集、混合模式之下的平均信道容量函数式，在式(9)中，t＝1和t＝M分别对应于分集模式和空间复用模式的平均信道容量；当t属于M的除数集且t≠1，t≠M时，对应于混合模式的平均信道容量，式(10)为瞬时信道容量表达式：

具体步骤为：

步骤3.1、在空间复用中，不同天线发送不同的信息；最大自由度为min(M,N)＝M，信道矩阵简化为对角形式为：

H＝diag{h₁,h₂,...,h_M} (11)

将式(11)代入瞬时信道容量表达式得空间复用模式下的瞬时信道容量为：

式(12)中，γ₀为平均信噪比；

将式(12)和式(6)代入平均信道容量的表达式中，得到采用空间复用模式时系统的平均信道容量函数式为：

式(13)中，h_l为路径损耗；由MeijerG函数性质，式(13)转换为：

式(14)中，为MeijerG函数；

步骤3.2、分集模式中，不同天线发送相同的信息；该模式下步骤2中的式(8)写为：

信道矩阵H用以下格式写入：

将式(16)代入瞬时信道容量表达式得分集模式下的瞬时信道容量为：

将式(17)、(6)代入平均信道容量表达式，得分集模式的平均信道容量函数式为：

由MeijerG函数性质，式(18)又写做：

步骤3.3、混合模式将分集和空间复用结合，通过M个发射孔构造t个并行流；重复码在M/t个不同孔径上传送；在第l流处的第i个接收信号为：

式(20)中，h_ij^l是第l流中从第j发射孔到第i接收孔的信道系数，信道矩阵H为：

将式(21)代入瞬时信道容量表达式，则混合模式的瞬时信道容量为：

将式(22)、(6)代入平均信道容量表达式，得混合模式的平均信道容量函数式为：

由MeijerG函数性质，式(23)表示为：