仿真分析结果及解读

基于上述理论推导，得到了计算无人机逆向调制光通信系统基于Gamma-Gamma分布的误码率和中断概率的闭合表达式，中、强湍流条件下，表示中湍流和强湍流的取值分别为3.5×10-18，7.5×10-18，对应的Rytov方差取值分别为采用的接受孔径大小与前面内容相同，本节所用到的其他参数如表4.3所示。为了验证式（4.49）、式（4.51）和所选参数的正确性，用蒙特卡罗仿真进行了验证，仿真过程中，运用了逆CDF法来生成服从中、强湍流和指向误差共同作用时信道衰落分布的随机数，在仿真过程中为了减少不确定性，使每张图的仿真过程产生108个随机数。

表4.3　仿真参数

图4.20仿真分析了中、强湍流条件下系统平均误码率和信噪比的关系，从图中可以看出，数值仿真结果与蒙特卡罗仿真结果基本吻合。分析仿真结果首先可以发现，当湍流强度增大时，系统误码率明显增大。例如，当调制方式为QPSK，湍流强度分别为中、强湍流，信噪比SNR=90 dB的条件下，系统平均误码率分别为1.2×10-6，5×10-6。湍流强度和信噪比条件不变，调制方式为8PSK时的系统误码率分别为3.9×10-6和2.1×10-5；调制方式为16PSK时的系统误码率分别为2.1×10-5和1.3×10-4。从以上3组数据中还可以分析得出，调制方式的增大会明显提高系统链路误码率；同时在仿真条件下，以10-6为链路误码性能指标，发现有3个可以满足性能指标的系统设置，分别是：①=2×10-14，调制方式为QPSK，SNR≥84 dB；②=2×10-14，调制方式为8PSK，SNR≥87.5 dB；③=5×10-14，调制方式为QPSK，SNR≥88.3 dB。

图4.20　中、强湍流条件下系统平均误码率与信噪比的关系

不同接受孔径条件下系统平均误码率与信噪比的关系如图4.21所示，在图4.21（a）中，当SNR=90 dB，调制方式为QPSK，接收端孔径尺寸D分别为50 cm和75 cm时，系统误码率分别为1.1×10-6和3.9×10-7。信噪比和接收端孔径尺寸条件不变，调制方式变为8PSK时的系统误码率分别为4×10-6和1.5×10-6；调制方式变为16PSK时的系统误码率分别为1.9×10-5和7×10-6。分析上述3组数据可以知道，中湍流条件下孔径尺寸的增大所带来的孔径平均效应对系统误码性能的改善是比较明显的，并且对于不同调制方式的系统，性能改善程度基本相同。在图4.21（b）中，当SNR=90 dB、调制方式为QPSK、接收端孔径尺寸分别为50 cm和75 cm时，系统误码率分别为3.1×10-6和2.4×10-6。信噪比和接收端孔径尺寸条件不变，调制方式变为8PSK时的系统误码率分别为1.5×10-5和1×10-5；调制方式变为16PSK时的系统误码率分别为8.5×10-5和6.9×10-5。分析以上3组数据可以发现，虽然强湍流条件下，孔径尺寸的增大对不同调制方式下的系统链路误码性能改善程度基本相同，但是性能的提升不如中湍流条件下明显。将弱、中、强湍流条件下的系统误码性能进行比较可以发现，孔径平均效应在中湍流条件下对系统的误码性能改善最为明显。

图4.21　不同接受孔径条件下系统平均误码率与信噪比的关系(www.xing528.com)

（a）中湍流条件下；（b）强湍流条件下

图4.22　不同抖动标准差条件下系统误码率与信噪比的关系

（a）中湍流；（b）强湍流

图4.22为不同抖动标准差条件下系统平均误码率与信噪比的关系图，根据图4.22（a），当SNR=70 dB、调制方式为QPSK、σs=25，35 cm时，系统平均误码率分别为1.04×10-3，2.9×10-3；其他条件不变，仅将调制方式变为8PSK，系统误码率分别为3.9×10-3，8×10-3。在图4.22（b）中，当SNR=70 dB、调制方式为QPSK、σs=25，35 cm时，系统平均误码率分别为1.2×10-2，1.9×10-2；其他条件不变，仅将调制方式变为8PSK，系统误码率分别为4.1×10-2，5.1×10-2。从以上两组结果中可以发现，除了抖动标准差的增大会造成系统误码率升高之外，在相对较低的信噪比（例如SNR=70 dB）条件下，强湍流条件下的系统受到抖动标准差的影响比中湍流条件下的系统小，这是因为随着湍流强度的增大，湍流所造成的信道衰落对系统链路误码性能的影响逐渐增大所致。分析本节仿真结果中相对大信噪比（例如SNR=95 dB）条件下的系统误码性能还可以发现，在中、强湍流条件下，当信噪比相对较大时抖动标准差对系统误码性能的影响程度基本上相同。例如，中湍流下，当SNR=95 dB、调制方式为QPSK、σs=25，35 cm时，系统平均误码率分别为2.4×10-7，1.6×10-6；其他条件不变，仅将调制方式变为8PSK，系统误码率分别为8×10-7，5.1×10-6。强湍流下，当SNR=95 dB、调制方式为QPSK、σs=25，35 cm时，系统平均误码率分别为2×10-6，1×10-5；其他条件不变，仅将调制方式变为8PSK，系统误码率分别为7×10-6，2.5×10-5。

图4.23仿真了不同接收孔径条件下系统中断概率与归一化门限的关系，观察图中仿真结果可以看出，蒙特卡罗仿真结果与数值仿真结果基本吻合，验证了式（4.51）的正确性。分析图中仿真结果，当湍流强度为中湍流、归一化信噪比门限值为10 dB、接收孔径尺寸分别为10 cm和15 cm时，系统中断概率分别为0.615和0.034；其他条件不变，仅将湍流强度增大为强湍流，系统中断概率分别为0.821和0.089 5。分析以上两组数据发现，接收端孔径尺寸对系统中断概率有比较大的影响，在本节仿真条件下，两种大小不同接收孔径下的系统中断概率差别约为1个数量级，同时，系统中断性能也会随着湍流强度的增大有所下降，但是湍流强度对系统中断性能的影响相比之下较小。

图4.23　不同接收孔径条件下系统中断概率与归一化信噪比门限的关系