航空光通信仿真结果分析：性能表现

根据上述推导得到的平均误码率闭合表达式（3.89）、式（3.91）及中断概率的闭合表达式（3.88）、式（3.90）对基于放大-转发2×2中继的混合通信系统性能进行仿真分析，在数值仿真中，设激光波长为λ=1 550 nm，FSO链路传输距离为L=100 km。针对式（3.88）～式（3.91）中的无穷级数形式，在计算时设i=30，此时公式可基本收敛。

1）固定增益中继

在固定增益中继方式下，中继节点到目的节点间链路（FSO链路）的平均信噪比设为10 dB，固定中继增益数值设为C=1。图3.23为系统中断性能在不同接收孔径和湍流条件下随RF链路平均信噪比变化规律。大气结构常数及相应的Rytov指数在弱湍流条件下取值为（9.8×10-19，0.092 4），中湍流强度下信噪比门限值γth设为10 dB，RF链路衰落指数m=3（弱衰落），由图可以看出，随湍流强度增大，RF／FSO混合系统中断性能降低，如当RF链路信噪比为SNR=23 dB、接收孔径为D=15 cm时，弱湍流条件下系统中断概率为Pout=1.1×10-4，而中湍流强度条件下中断概率增大到5.1×10-3。在孔径平均效应的影响下，系统中断性能随着接收孔径的增大而得到改善。当通信系统处于中湍流强度且SNR=25 dB、误码率在接收孔径为5，15 cm时分别为1.9×10-4和1.2×10-4。

图3.23　不同湍流强度条件下中断概率变化规律

系统采用固定增益中继方式，不同衰落指数和大气湍流强度条件下系统平均误码率性能随信噪比变化规律如图3.24所示。数值仿真中设接收孔径D=15 cm，系统采用调制方式为BPSK。仿真结果表明，当SNR=20 dB、系统在弱湍流强度及强RF衰减（m=1）条件下，Pe=8.583×10-5，系统处于中湍流强度及弱RF衰减（m=3）条件下误码率Pe=5.454×10-6，误码率降低了1个量级。由上两数据可得在固定增益中继混合RF／FSO系统中，RF链路对通信系统性能影响相较于FSO链路较大，占主导地位。

图3.24　不同衰落指数及湍流强度条件下平均误码率变化规律

图3.25为不同调制方式下，平均误码率随SNR的变化规律。接收孔径尺寸取15 cm，仿真在弱湍流强度及弱RF衰减m=3条件下进行。由图可知，系统性能BPSK＞（优于）DBPSK＞BFSK＞QPSK，即BPSK为最佳调制方式。此外，系统误码性能随着接收孔径的增大而改善，例如，BPSK调制方式下，当SNR=16 dB时、接收孔径尺寸为5 cm时，系统误码率为2.709×10-5；当接收孔径尺寸增大为D=15 cm时，系统误码率减少至1.563×10-5。

图3.25　不同调制方式下平均误码率变化规律(www.xing528.com)

2）可变增益中继

在可变增益中继方式下，设中继节点（R）至目的节点（D）的FSO链路平均信噪比为30 dB，RF链路为弱衰落指数（m=3）。图3.26给出了在不同湍流强度及不同接收孔径条件下系统中断概率随SNR变化的规律。大气结构常数及相应的Rytov指数在弱湍流条件下取值为（9.8×10-19，0.092 4），中湍流强度下由图可知，大气湍流效应对混合RF／FSO系统的中断概率影响严重。例如，当RF链路平均信噪比取SNR=35 dB、接收孔径为D=15 cm时，系统中断概率在弱湍流条件下为7.11×10-6，中湍流条件下中断概率增加为4.31×10-3。同时，当RF链路的平均信噪比增长到与FSO链路平均信噪比相等时（30 dB），系统的中断概率保持稳定。此时，提高RF链路的平均信噪比，系统中断概率几乎不受影响，由式（3.84）的定义可解释此情况。由可知，系统中具有较小信噪比的链路主要决定了混合RF／FSO中继系统的系统性能，因此当RF链路平均信噪比大于FSO链路平均信噪比取值（30 dB）时，混合系统误码率性能主要受FSO影响，出现了中断概率保持稳定的情况。

图3.26　不同湍流条件下中断概率变化规律

不同湍流强度及接收孔径条件下系统误码性能变化规律如图3.27所示，其中，RF链路衰落指数设为m=3（弱RF衰落指数），大气湍流条件相关参数与图3.12中参数相同，仿真中系统调制方式采用BPSK。由图3.27可以看出，可变增益中继方式下RF／FSO混合系统的误码率性能随着接收孔径增大而改善。例如，当SNR=30 dB时，在中湍流强度条件下，接收孔径为5 cm时，系统平均误码率为7.069×10-5，当接收孔径增大至D=20 cm时，平均误码率减小至3.396×10-5。另外，当RF链路的平均信噪比大于等于FSO信道平均信噪比30 dB时，系统平均误码率趋于稳定。

图3.28给出了在弱、中湍流强度及接收孔径为D=15 cm条件下，混合系统平均误码率在不同调制方式下的变化规律。与图3.27相似的是，当RF链路的平均信噪比大于等于FSO信道平均信噪比30 dB时，系统平均误码率趋于稳定。同时可以看出，大气湍流对混合系统误码率性能影响较大，弱湍流条件下的误码率性能明显优于中湍流条件下的误码率性能。在湍流强度相同的条件下，系统误码性能最优的调制方式为BPSK。

图3.27　不同湍流条件下平均误码率变化规律

图3.28　不同调制方式下平均误码率变化规律