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基于矩方法的FSO通信中湍流大气信道统计与仿真分析

DOI：10.1109/ACCESS.2019.2892320 期刊：IEEE Access 出版年份：2019 更新时间：2025-09-22 21:58:28
摘要： 自由空间光通信（FSO）或无线光网络以大气为传输信道，该信道有时具有湍流特性从而降低系统性能。通过引入多种信道模型和调制技术可分析这类湍流信道。不同研究者针对各类信道模型采用不同方法评估了系统性能。本文提出统一分析方法，通过推导对数正态、Nakagami-n（莱斯）和瑞利统计模型的平均误码率及中断概率精确闭式解，实现对这三种模型的性能分析。该方法利用Q函数的替代形式和输出信噪比（SNR）矩生成函数的高斯-埃尔米特求积近似实现。进一步推导了各类调制技术的明确表达式以描述FSO通信系统中的信道衰落，研究对象包括M进制相移键控（M-PSK）和M进制正交幅度调制（M-QAM）技术。此外，上述湍流信道的平均输出SNR、平均接收辐照度及衰落强度（衰落强度）也以简单闭式表达。研究还分析了大气湍流和指向误差共同影响下的FSO系统性能，在对数正态衰落信道中检验了零/非零瞄准误差（分别采用瑞利和莱斯分布建模）的统计模型，同时给出了该系统的复合对数正态概率密度函数及渐近误码率和中断概率。通过基于矩方法的闭式表达式推导，评估了BPSK调制产生的Tikhonov分布相位噪声对三种湍流信道BER性能的影响。最终通过数值结果与蒙特卡洛仿真值及图表的对比验证了数学分析的正确性。
作者： Harmeet Singh，Amandeep Singh Sappal
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研究概述 实验方案

研究目的

通过推导平均误码率、中断概率等参数的精确闭式表达式，为自由空间光通信中Log-normal（对数正态）、Nakagami-n（莱斯）和Rayleigh（瑞利）统计模型的性能分析提供统一方法，并研究大气湍流、指向误差及相位噪声的影响。

研究成果

该论文为湍流、指向误差和相位噪声条件下的自由空间光通信系统性能提供了统一的分析框架，并通过仿真验证。研究表明，在特定条件下QPSK等调制方案表现更优，同时强调了抖动和瞄准误差对系统性能的影响。

研究不足

本文侧重于理论分析与模拟研究，未涉及使用实际设备的实践实验验证。所建立的模型基于特定统计分布假设，可能无法涵盖大气条件中所有现实变化因素。

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