CN112543051B - 一种非视距通信链路误码率计算方法 - Google Patents

一种非视距通信链路误码率计算方法 Download PDF

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Abstract

本申请属于紫外散射通信技术领域，特别是涉及一种非视距通信链路误码率计算方法。本申请中建立了基于伽马‑伽马分布的紫外非视距通信的解析信道模型，该模型适用于强、中、弱三种不同湍流强度，并且解析的表达式相比于基于蒙特卡罗仿真的方法，大大节省了时间。进一步地，本申请在该模型的基础上引入了编码，推导出了该信道下的成对差错概率，并且利用转移函数方法计算了OOK调制或者其他调制下的比特差错概率的上界，这对分析带编码的紫外非视距通信的差错性能具有重要意义。

Description

一种非视距通信链路误码率计算方法
技术领域
本申请属于紫外散射通信技术领域，特别是涉及一种非视距通信链路误码率计算方法。
背景技术
通常将无线通信系统的传播条件分成视距(LOS)和非视距(NLOS)两种环境。视距条件下，无线信号无遮挡地在发信端与接收端之间“直线”传播，这要求在第一菲涅尔区(First Fresnel zone)内没有对无线电波造成遮挡的物体，如果条件不满足，信号强度就会明显下降。菲涅尔区的大小取决于无线电波的频率及收发信机间距离。
从发射机到接收机传播路径上，有直射波和反射波，反射波的电场方向正好与原来相反，相位相差180度。如果天线高度较低且距离较远时，直射波路径与反射波路径差较小，则反射波将会产生破坏作用。实际传播环境中，第一菲涅尔区定义为包含一些反射点的椭圆体，在这些反射点上反射波和直射波的路径差小于半个波长。非视距最直接的解释是，通信的两点视线受阻，彼此看不到对方，菲涅尔区大于50％的范围被阻挡。
紫外非视距通信因其配置灵活，不受障碍物限制，保密性强，背景噪声低以及抗恶劣环境能力佳等优势，被视为传统光通信和无线电通信的重要补充。而大气湍流被认为是影响紫外通信性能的重要因素。目前，基于对数正态分布得到了紫外非视距通信的湍流信道的解析模型，基于伽马-伽马分布研究了强湍流下的信道特性。但是基于对数正态分布的解析模型只适用于弱湍流的情况，而基于伽马-伽马分布的模型没有解析表达式，故仿真时间较长。
发明内容
1.要解决的技术问题
基于对数正态分布的解析模型只适用于弱湍流的情况，而基于伽马-伽马分布的模型没有解析表达式，故仿真时间较长的问题，本申请提供了一种非视距通信链路误码率计算方法。
2.技术方案
为了达到上述的目的，本申请提供了一种非视距通信链路误码率计算方法，所述方法包括如下步骤：
1)将紫外非视距通信链路视为由两段视距通信链路组成，分别为从发射端到有效散射体积和从有效散射体积到接收端，基于两段视距通信链路的伽马-伽马湍流信道模型，建立紫外非视距通信信道模型；
2)基于所述紫外非视距通信信道模型，计算非视距通信链路的成对差错概率公式。
本申请的另一种实施方式为：所述步骤1中，建立基于伽马-伽马分布的紫外非视距通信信道模型的过程如下：
1a)建立从发射端到有效散射体积和从有效散射体积到接收端两段视距通信链路的伽马-伽马湍流信道模型；
1b)联立两段视距通信链路的伽马-伽马模型，得到接收端光强的边缘概率密度函数。
本申请的另一种实施方式为：所述紫外非视距通信信道模型为：
Figure BDA0002211734040000021
Figure BDA0002211734040000022
其中Iv为有效散射体积内的光强，Ir为接收端的光强，αi为大尺度散射系数，βi为小尺度散射系数，Ev表示在没有湍流的情况下有效散射体积内的光强，Ke(·)表示e阶的第二类修正贝塞尔函数，Γ(·)表示伽马函数，Erv表示接收端光强的期望，P(Ir)为Ir的边缘概率密度函数。
本申请的另一种实施方式为：所述步骤2中，基于本申请得到的信道模型，计算非视距通信链路在开关键控调制即OOK调制和其他调制方案下的成对差错概率公式。
本申请的另一种实施方式为：所述步骤2中，计算非视距通信链路在OOK调制和其他调制方案下的成对差错概率公式，其计算过程如下：
2a)基于所述紫外非视距通信信道模型的OOK和其他调制方案，计算符号差错概率；
2b)根据发送序列与接收序列之间的汉明距离，通过对衰落系数求期望得到两种调制方案下的成对差错概率。
本申请的另一种实施方式为：还包括基于所述紫外非视距通信信道模型，利用转移函数方法结合成对差错概率公式，计算OOK调制和其他调制下的比特差错概率的上界。
本申请的另一种实施方式为：所述紫外非视距通信信道模型适用于强、中、弱三种不同湍流强度。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的非视距通信链路误码率计算方法的有益效果在于：
本申请提供的非视距通信链路误码率计算方法，通过将紫外非视距通信链路视为由两段视距通信链路组成，并且在每段链路上用伽马-伽马分布建立模型，得到紫外非视距通信链路的解析模型。该模型能够适用于强、中、弱三种不同的湍流情况，而基于对数正态分析的模型则在强湍流情况下会产生较大的误差。除了适用范围更广外，该模型较基于蒙特卡罗仿真的模型而言，大大节省了计算时间。
本申请提供的非视距通信链路误码率计算方法，考虑到紫外非视距通信由于其路径损耗较大而造成误码率较高，故本申请基于该紫外非视距通信信道模型，引入卷积码降低系统的误码率。为了对编码后的通信系统做性能分析，本申请计算了基于该紫外非视距通信信道模型的成对差错概率，并在此基础上，根据转移函数法，推导得到OOK和其他调制方案下比特差错概率的上界。基于该紫外非视距通信信道模型的成对差错概率是分析引入编码后的通信系统性能的基础工具，故本申请的基于该紫外非视距通信信道模型的成对差错概率表达式具有重要作用。
附图说明
图1为本申请紫外非视距通信信道模型示意图；
图2为基于伽马-伽马分布的紫外非视距通信的接收功率分布；
图3为OOK调制下，不加编码的通信系统的符号差错率；
图4为OOK调制下，加入编码的通信系统的误码率。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施实施方式。
二进制键控(OOK:On-Off Keying)又名二进制振幅键控(2ASK)，它是以单极性不归零码序列来控制正弦载波的开启与关闭。该调制方式的出现比模拟调制方式还早，Morse码的无线电传输就是使用该调制方式。由于OOK的抗噪声性能不如其他调制方式，所以该调制方式在目前的卫星通信、数字微波通信中没有被采用，但是由于该调制方式的实现简单，在光纤通信系统中，振幅键控方式却获得广泛应用。
参见图1～4，本申请提供一种非视距通信链路误码率计算方法，所述方法包括如下步骤：
1)将紫外非视距通信链路视为由两段视距通信链路组成，分别为从发射端到有效散射体积和从有效散射体积到接收端，基于两段视距通信链路的伽马-伽马湍流信道模型，建立紫外非视距通信信道模型；
2)基于所述紫外非视距通信信道模型，计算非视距通信链路的成对差错概率公式。
进一步地，所述步骤1中，建立基于伽马-伽马分布的紫外非视距通信信道模型的过程如下：
1a)建立从发射端到有效散射体积和从有效散射体积到接收端两段视距通信链路的伽马-伽马湍流信道模型；
1b)联立两段视距通信链路的伽马-伽马模型，得到接收端光强的边缘概率密度函数。
进一步地，所述紫外非视距通信信道模型为：
Figure BDA0002211734040000041
Figure BDA0002211734040000042
其中Iv为有效散射体积内的光强，Ir为接收端的光强，αi为大尺度散射系数，βi为小尺度散射系数，Ev表示在没有湍流的情况下有效散射体积内的光强，Ke(·)表示e阶的第二类修正贝塞尔函数，Γ(·)表示伽马函数，Erv表示接收端光强的期望，P(Ir)为Ir的边缘概率密度函数。
进一步地，所述步骤2中，基于本申请得到的信道模型，计算非视距通信链路在OOK调制和其他调制方案下的成对差错概率公式。
进一步地，所述步骤2中，计算非视距通信链路在OOK调制和其他调制方案下的成对差错概率公式，其计算过程如下：
2a)基于所述紫外非视距通信信道模型的OOK和其他调制方案，计算符号差错概率；
2b)根据发送序列与接收序列之间的汉明距离，通过对衰落系数求期望得到两种调制方案下的成对差错概率。
进一步地，还包括基于所述紫外非视距通信信道模型，利用转移函数方法结合成对差错概率公式，计算OOK调制和其他调制下的比特差错概率的上界。
这里的其他调制主要指二进制脉冲位置调制即BPPM调制。
进一步地，所述紫外非视距通信信道模型适用于强、中、弱三种不同湍流强度。
实施例
一种基于伽马-伽马湍流模型的紫外非视距通信链路误码率计算方法，具体实施步骤如下：
在通信系统实际工作之前，为了保证通信质量，我们需要利用信道模型预测系统的路径损耗和误码率等。当大气湍流结构常数达到10-13m-2/3，属于强湍流范围，此时湍流对于通信系统的影响不可忽视；当于收发机之前的距离较长时，湍流对通信系统的影响更加明显。因此本申请提出了一个基于伽马-伽马分布的非视距通信信道模型以适应强湍流和较长距离的通信场景，而以往的基于对数正态分布的非视距通信信道模型在强湍流和较长距离条件下已不适用。
考虑强湍流和较长距离通信场景，其参数如下：发射机发送功率50mW，接收机接收面积为1.77cm2，发射机和接收机相距800m，大气湍流结构常数为10-13m-2/3，需要指出的是在实际使用时，大气湍流结构常数可以由仪器设备测量得到或者由大气湍流模型预估得到，发射机俯仰角为80°，发射端发散角为10°，接收端俯仰角为60°，接收端视场角为30°。首先利用现有的紫外通信信道模型(比如蒙特卡罗模型，单次散射模型，近似模型等)计算没有湍流情况下的接收端功率，此时接收功率是没有波动的。为了获得接收功率的概率密度函数即接收功率的波动情况，需要建立紫外非视距通信湍流信道模型。在此之前，将非视距链路分成两部分，即视距链路1和视距链路2，如图1所示，其中视距链路1的通信距离为r1＝1077.84m，视距链路2的通信距离为r2＝1225.67m，故视距链路的的Rytov方差分别为
Figure BDA0002211734040000051
故视距链路1和2的伽马-伽马分布的参数分别为α1＝7.12，β1＝1.04，α2＝7.81，β2＝1.03，联立两段视距链路模型，得到非视距链路模型，得到的接收功率概率分布如图2所示。从图2可以看到，由于湍流的影响，接收端功率满足一定的概率分布。
为了进一步研究通信系统的系统，以OOK方式对发射机的发送信号进行调制，然后基于非视距接收功率分布计算系统的符号差错概率，如图3所示。如图3所示，假设要求通信系统的符号差错概率为10-3，则该系统需要达到的平均信噪比为80dB，假设要求通信系统的符号差错概率为10-4，则该系统需要达到的平均信噪比为100dB。可见，紫外非视距通信的误符号率较大。为了提高通信系统的可靠性，引入纠错编码提高系统的通信性能。基于前述符号差错概率，结合转移函数法计算OOK调制下误码率的上界，结果如图4所示。如图4所示，假设要求通信系统的误码率为10-6，则该系统需要达到的平均信噪比为40dB，假设要求通信系统的误码率为10-8，则该系统需要达到的平均信噪比为45dB。
需要指出的是，当我们考虑其他调制方案时也可根据OOK调制下的推导过程进行计算，当采用其他编码方案时，可以根据利用卷积码的推导过程进行计算。当湍流强度为中或者弱时，同样可以利用本申请提出的方法进行计算。当收发端的距离，收发端俯仰角，收发端发散角等变化时，同样可以根据前述步骤进行计算。
本申请提供的非视距通信链路误码率计算方法，通过将紫外非视距通信链路视为由两段视距通信链路组成，并且在每段链路上用伽马-伽马分布建立模型，得到紫外非视距通信链路的解析模型。该模型能够适用于强、中、弱三种不同的湍流情况，而基于对数正态分析的模型则在强湍流情况下会产生较大的误差。除了适用范围更广外，该模型较基于蒙特卡罗仿真的模型而言，大大节省了计算时间。
本申请提供的非视距通信链路误码率计算方法，考虑到紫外非视距通信由于其路径损耗较大而造成误码率较高，故本申请基于该紫外非视距通信信道模型，引入卷积码降低系统的误码率。为了对编码后的通信系统做性能分析，本申请计算了基于该紫外非视距通信信道模型的成对差错概率，并在此基础上，根据转移函数法，推导得到OOK和其他调制方案下比特差错概率的上界。基于该紫外非视距通信信道模型的成对差错概率是分析引入编码后的通信系统性能的基础工具，故本申请的基于该紫外非视距通信信道模型的成对差错概率表达式具有重要作用。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (6)

1.一种非视距通信链路误码率计算方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
1)将紫外非视距通信链路视为由两段视距通信链路组成，分别为从发射端到有效散射体积和从有效散射体积到接收端，基于两段视距通信链路的伽马-伽马湍流信道模型，建立紫外非视距通信信道模型；
2)基于所述紫外非视距通信信道模型，计算非视距通信链路的成对差错概率公式；
还包括基于所述紫外非视距通信信道模型，利用转移函数方法结合成对差错概率公式，计算开关键控调制和二进制脉冲位置调制下的比特差错概率的上界。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，建立基于伽马-伽马分布的紫外非视距通信信道模型的过程如下：
1a)建立从发射端到有效散射体积和从有效散射体积到接收端两段视距通信链路的伽马-伽马湍流信道模型；
1b)联立两段视距通信链路的伽马-伽马模型，得到接收端光强的边缘概率密度函数。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述紫外非视距通信信道模型为：
Figure FDA0003686213930000011
Figure FDA0003686213930000012
其中P(Iv)表示有效散射体积内的光强的概率密度函数；P(Ir|Iv)表示当有效散射体积内的光强为Iv时，接收端光强的条件概率密度函数；Iv为有效散射体积内的光强，Ir为接收端的光强，αi为大尺度散射系数，βi为小尺度散射系数，Ev表示在没有湍流的情况下有效散射体积内的光强，Ke(·)表示e阶的第二类修正贝塞尔函数，Γ(·)表示伽马函数，Erv表示接收端光强的期望，P(Ir)为Ir的边缘概率密度函数，i表示第几段视距链路，其中i＝1表示第一段视距链路，i＝2表示第二段视距链路。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中，基于所述紫外非视距通信 信道模型，计算非视距通信链路在开关键控调制和二进制脉冲位置调制方案下的成对差错概率公式。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中，计算非视距通信链路在开关键控调制和二进制脉冲位置调制方案下的成对差错概率公式，其计算过程如下：
2a)基于所述紫外非视距通信信道模型的开关键控调制和二进制脉冲位置调制方案，计算符号差错概率；
2b)根据发送序列与接收序列之间的汉明距离，通过对衰落系数求期望得到两种调制方案下的成对差错概率。
6.如权利要求1～5中任一项所述的方法，其特征在于：所述紫外非视距通信信道模型适用于强、中、弱三种不同湍流强度。
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