基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)性能的深度剖析與優(yōu)化策略一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今通信技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，對(duì)高速、高效、可靠通信的需求與日俱增。自由空間光（FreeSpaceOptical,FSO）通信作為一種新興的通信技術(shù)，以激光為信息載體，在大氣空間中實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)。其傳輸速率極快，能夠滿足大數(shù)據(jù)量高速傳輸?shù)男枨螅豢垢蓴_能力強(qiáng)，不易受到電磁干擾的影響，在復(fù)雜電磁環(huán)境中仍能穩(wěn)定工作；同時(shí)，還具備高帶寬、安全保密性好以及無(wú)需頻譜授權(quán)等特點(diǎn)，因此在通信領(lǐng)域備受關(guān)注，成為研究熱點(diǎn)之一。然而，F(xiàn)SO通信系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中大氣湍流是限制其性能的關(guān)鍵因素。在晴朗的大氣環(huán)境下，大氣湍流的存在會(huì)導(dǎo)致激光束在傳輸過(guò)程中發(fā)生光強(qiáng)閃爍和光束漂移等現(xiàn)象。光強(qiáng)閃爍使得接收端接收到的光信號(hào)強(qiáng)度不穩(wěn)定，呈現(xiàn)出隨機(jī)起伏，這增加了信號(hào)檢測(cè)和恢復(fù)的難度，容易導(dǎo)致誤碼率升高；光束漂移則會(huì)使激光束的傳播方向發(fā)生改變，可能導(dǎo)致接收端無(wú)法準(zhǔn)確接收信號(hào)，進(jìn)一步降低了通信系統(tǒng)的可靠性。這些不利影響嚴(yán)重限制了FSO通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和通信質(zhì)量，阻礙了其大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用。為了克服大氣湍流對(duì)FSO通信系統(tǒng)的負(fù)面影響，提高系統(tǒng)性能，多輸入多輸出（Multiple-InputMultiple-Output,MIMO）鏈路技術(shù)和多用戶分集技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。MIMO鏈路技術(shù)通過(guò)在發(fā)射端和接收端分別配置多個(gè)天線，利用空間維度的多樣性，構(gòu)建多個(gè)并行的傳輸鏈路，從而有效降低光信號(hào)深度衰落的概率。當(dāng)某一條鏈路受到大氣湍流的嚴(yán)重影響時(shí)，其他鏈路仍有可能保持較好的傳輸質(zhì)量，通過(guò)合理的信號(hào)處理和合并算法，可以提高接收信號(hào)的可靠性，降低誤碼率。例如，在一些實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，通過(guò)增加發(fā)射和接收天線的數(shù)量，系統(tǒng)的抗衰落能力得到顯著增強(qiáng)，通信性能得到明顯改善。多用戶分集技術(shù)則充分利用了多個(gè)用戶信道的獨(dú)立性和隨機(jī)性。在多用戶環(huán)境下，不同用戶的信道狀態(tài)會(huì)隨時(shí)間和空間發(fā)生變化，且這些變化相互獨(dú)立。通過(guò)選擇瞬時(shí)信道條件較好的用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以提高系統(tǒng)的整體傳輸效率和頻譜利用率。例如，在一個(gè)包含多個(gè)用戶的FSO通信系統(tǒng)中，基站可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)用戶的信道質(zhì)量，當(dāng)某個(gè)用戶的信道處于良好狀態(tài)時(shí)，優(yōu)先將數(shù)據(jù)傳輸給該用戶，從而實(shí)現(xiàn)多用戶分集增益，提升系統(tǒng)性能。將MIMO鏈路技術(shù)和多用戶分集技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于FSO通信系統(tǒng)，能夠進(jìn)一步發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，有效抑制大氣湍流的影響，提高系統(tǒng)的可靠性、傳輸速率和頻譜利用率。對(duì)基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)性能進(jìn)行深入分析，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在理論方面，有助于深入理解MIMO鏈路和多用戶分集技術(shù)在FSO通信系統(tǒng)中的作用機(jī)制，以及它們與大氣湍流等信道因素之間的相互關(guān)系，為通信理論的發(fā)展提供新的研究方向和思路。通過(guò)建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型和理論分析框架，可以推導(dǎo)出系統(tǒng)性能的相關(guān)指標(biāo)和參數(shù)，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，研究成果可為FSO通信系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)和部署提供有力支持。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)性能的分析，可以確定最優(yōu)的系統(tǒng)參數(shù)配置，如發(fā)射和接收天線的數(shù)量、用戶選擇策略等，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的最大化。這有助于降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，推動(dòng)FSO通信技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，如城市通信網(wǎng)絡(luò)中的“最后一公里”接入、衛(wèi)星通信、應(yīng)急通信等場(chǎng)景，滿足不同場(chǎng)景下對(duì)高速、可靠通信的需求。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來(lái)，隨著FSO通信技術(shù)的快速發(fā)展，基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)性能研究受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。在國(guó)外，Ibrahim等人首次提出使用MIMO這種空間分集技術(shù)來(lái)提高FSO通信系統(tǒng)的傳輸性能，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。Djordjevic等人對(duì)Gamma-Gamma信道下基于正交振幅調(diào)制（QAM）的FSO通信系統(tǒng)的誤碼性能展開(kāi)研究，分析了在該信道模型下不同調(diào)制方式對(duì)系統(tǒng)誤碼性能的影響。Kashani等人采用開(kāi)關(guān)鍵控（OOK）調(diào)制，深入研究了MIMO-FSO通信系統(tǒng)在Gamma-Gamma信道下相較于單鏈路FSO系統(tǒng)的性能提升情況，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真對(duì)比，明確了MIMO技術(shù)在改善系統(tǒng)性能方面的優(yōu)勢(shì)。Elamassie等人則著重研究了在Gamma-Gamma信道中有限信噪比（SNR）條件下MIMO-FSO通信系統(tǒng)的分集性能，推導(dǎo)出了相關(guān)的性能指標(biāo)和參數(shù)，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。在國(guó)內(nèi)，也有眾多學(xué)者致力于該領(lǐng)域的研究。李璞等人針對(duì)FSO通信系統(tǒng)易受大氣湍流效應(yīng)影響的問(wèn)題，采用MIMO技術(shù)設(shè)計(jì)了基于QAM的MIMO-FSO通信系統(tǒng)。他們深入分析了系統(tǒng)在負(fù)指數(shù)分布信道模型下的性能表現(xiàn)，成功推導(dǎo)出系統(tǒng)的誤碼率（BER）計(jì)算公式以及分集增益相關(guān)參數(shù)，如分集階數(shù)（DO）、分集階數(shù)增量（IDO）和收斂速度（SOC）等的閉式表達(dá)式，并通過(guò)Matlab進(jìn)行蒙特卡洛仿真，驗(yàn)證了所推導(dǎo)公式的準(zhǔn)確性。仿真結(jié)果清晰地表明，MIMO技術(shù)在不增加發(fā)射功率和接收孔徑面積的情況下，能夠大幅度降低FSO通信系統(tǒng)的BER，且在飽和湍流信道下，系統(tǒng)鏈路數(shù)量越多或湍流強(qiáng)度越低時(shí)，DO隨SNR增長(zhǎng)到理論最大值的速度越快。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者在基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)性能研究方面已取得了一定成果，但仍存在一些不足之處。部分研究?jī)H考慮了單一的大氣湍流模型，而實(shí)際的大氣環(huán)境復(fù)雜多變，多種因素相互作用，單一模型難以全面準(zhǔn)確地描述實(shí)際信道特性。此外，在用戶選擇策略方面，現(xiàn)有的研究大多基于理想的信道狀態(tài)信息（CSI），然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于信道估計(jì)誤差、反饋延遲等因素的存在，CSI往往是不完美的，這會(huì)導(dǎo)致實(shí)際系統(tǒng)性能與理論分析存在較大偏差。同時(shí)，對(duì)于MIMO鏈路和多用戶分集技術(shù)相結(jié)合后，系統(tǒng)的復(fù)雜度增加所帶來(lái)的問(wèn)題，如信號(hào)處理難度增大、計(jì)算資源需求增加等，目前的研究還不夠深入，缺乏有效的解決方案。針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，本文將綜合考慮多種大氣湍流模型，建立更加準(zhǔn)確的信道模型，以更真實(shí)地反映實(shí)際信道特性。同時(shí)，深入研究在非理想CSI條件下的用戶選擇策略，充分考慮信道估計(jì)誤差和反饋延遲等因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響，提出更加魯棒的用戶選擇算法。此外，還將對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜度增加所帶來(lái)的問(wèn)題進(jìn)行深入分析，探索有效的解決方法，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能和復(fù)雜度之間的良好平衡，進(jìn)一步提高基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)的性能。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究圍繞基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)性能展開(kāi)，具體內(nèi)容包括：系統(tǒng)原理分析：深入剖析基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)的工作原理，詳細(xì)闡述MIMO技術(shù)如何利用多天線配置降低光信號(hào)深度衰落概率，以及多用戶分集技術(shù)怎樣通過(guò)選擇瞬時(shí)信道條件好的用戶來(lái)提升系統(tǒng)傳輸效率。同時(shí)，全面分析MIMO鏈路和多用戶分集技術(shù)相結(jié)合時(shí)的協(xié)同工作機(jī)制，以及該機(jī)制對(duì)系統(tǒng)性能的提升作用。例如，研究MIMO鏈路為多用戶分集提供的空間分集增益，以及多用戶分集如何優(yōu)化MIMO鏈路的資源分配。性能指標(biāo)研究：確定誤碼率、中斷概率、信道容量等作為評(píng)估系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，并深入研究這些指標(biāo)在不同條件下的表現(xiàn)。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)在多種大氣湍流模型下，系統(tǒng)誤碼率與發(fā)射功率、信噪比、鏈路數(shù)量等參數(shù)之間的定量關(guān)系；分析中斷概率與大氣湍流強(qiáng)度、用戶數(shù)量、信道衰落等因素的內(nèi)在聯(lián)系；探究信道容量在MIMO鏈路和多用戶分集技術(shù)作用下的變化規(guī)律，明確系統(tǒng)在不同場(chǎng)景下能夠達(dá)到的最大傳輸速率。影響因素探討：綜合考慮大氣湍流、指向誤差、天氣條件等多種因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響。深入研究大氣湍流導(dǎo)致的光強(qiáng)閃爍和光束漂移現(xiàn)象，以及它們對(duì)信號(hào)傳輸?shù)母蓴_機(jī)制；分析指向誤差產(chǎn)生的原因及其對(duì)信號(hào)接收的影響程度；探討不同天氣條件（如晴天、雨天、霧天等）下，大氣衰減和散射等因素如何改變信道特性，進(jìn)而影響系統(tǒng)性能。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和仿真，量化各因素對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響程度，為系統(tǒng)優(yōu)化提供依據(jù)。優(yōu)化策略提出：基于對(duì)系統(tǒng)性能的深入分析，提出一系列優(yōu)化策略，以提高系統(tǒng)性能。例如，研究在非理想信道狀態(tài)信息條件下，如何改進(jìn)用戶選擇策略，充分考慮信道估計(jì)誤差和反饋延遲等因素，提出更加魯棒的用戶選擇算法，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的最大化；探索優(yōu)化MIMO鏈路配置的方法，如合理選擇發(fā)射和接收天線的數(shù)量、布局等，在降低系統(tǒng)復(fù)雜度的同時(shí)，提高系統(tǒng)的抗干擾能力和傳輸效率；分析不同調(diào)制方式和編碼技術(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，選擇最適合的調(diào)制和編碼方案，以提升系統(tǒng)的可靠性和頻譜利用率。1.3.2研究方法為了實(shí)現(xiàn)上述研究?jī)?nèi)容，本研究將采用以下研究方法：理論分析：運(yùn)用通信原理、概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等相關(guān)知識(shí)，對(duì)基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)的性能進(jìn)行理論推導(dǎo)。建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，分析系統(tǒng)在不同條件下的性能指標(biāo)，如誤碼率、中斷概率、信道容量等的理論表達(dá)式。通過(guò)理論分析，深入理解系統(tǒng)的工作機(jī)制和性能影響因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，為后續(xù)的研究提供理論基礎(chǔ)。數(shù)學(xué)建模：根據(jù)系統(tǒng)的工作原理和性能影響因素，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來(lái)描述系統(tǒng)的性能。例如，利用大氣湍流模型來(lái)描述大氣信道特性，結(jié)合MIMO信道模型和多用戶分集模型，建立系統(tǒng)性能指標(biāo)與各參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。通過(guò)數(shù)學(xué)建模，可以將復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問(wèn)題，便于進(jìn)行定量分析和求解。仿真實(shí)驗(yàn)：使用Matlab等仿真軟件，搭建基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)的仿真平臺(tái)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)置仿真參數(shù)，模擬系統(tǒng)在不同條件下的運(yùn)行情況。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，可以快速、準(zhǔn)確地獲取系統(tǒng)性能指標(biāo)的數(shù)值結(jié)果，驗(yàn)證理論分析和數(shù)學(xué)建模的正確性。同時(shí)，通過(guò)改變仿真參數(shù)，如大氣湍流強(qiáng)度、用戶數(shù)量、天線配置等，深入研究各因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響，為系統(tǒng)優(yōu)化提供參考依據(jù)。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1MIMO鏈路技術(shù)2.1.1MIMO鏈路基本原理MIMO鏈路技術(shù)作為現(xiàn)代通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，其核心在于在發(fā)射端和接收端同時(shí)配置多個(gè)天線，以此構(gòu)建多個(gè)并行的傳輸鏈路。這種多天線配置的方式，利用了無(wú)線信道中的多徑傳播特性，為通信系統(tǒng)帶來(lái)了諸多優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際的無(wú)線通信環(huán)境中，信號(hào)從發(fā)射端到接收端的傳播過(guò)程并非是簡(jiǎn)單的直線傳輸，而是會(huì)經(jīng)歷多條不同路徑的傳播，這些路徑的長(zhǎng)度、環(huán)境等因素各不相同，導(dǎo)致信號(hào)在接收端以不同的幅度和相位疊加。MIMO技術(shù)正是巧妙地利用了這一特性，通過(guò)多個(gè)發(fā)射天線將信號(hào)發(fā)送出去，這些信號(hào)經(jīng)過(guò)不同的路徑到達(dá)接收端，接收端再通過(guò)多個(gè)接收天線接收這些信號(hào)，并利用先進(jìn)的信號(hào)處理算法對(duì)其進(jìn)行處理。從數(shù)學(xué)模型的角度來(lái)看，假設(shè)發(fā)射端有N_t個(gè)天線，接收端有N_r個(gè)天線，發(fā)射信號(hào)向量可以表示為\mathbf{s}=[s_1,s_2,\cdots,s_{N_t}]^T，其中s_i表示第i個(gè)發(fā)射天線發(fā)送的信號(hào)。信道矩陣\mathbf{H}為N_r\timesN_t的矩陣，其元素h_{ij}表示從第j個(gè)發(fā)射天線到第i個(gè)接收天線的信道增益。接收信號(hào)向量\mathbf{y}=[y_1,y_2,\cdots,y_{N_r}]^T可以表示為：\mathbf{y}=\mathbf{H}\mathbf{s}+\mathbf{n}其中，\mathbf{n}=[n_1,n_2,\cdots,n_{N_r}]^T是加性高斯白噪聲向量，n_i表示第i個(gè)接收天線上的噪聲。MIMO鏈路技術(shù)主要通過(guò)空間分集和空間復(fù)用兩種方式來(lái)提高通信性能。空間分集是指在多個(gè)天線上發(fā)送相同的信息，利用無(wú)線信道的多徑傳播特性，使得不同天線上的信號(hào)在傳輸過(guò)程中經(jīng)歷不同的衰落，接收端通過(guò)合并這些信號(hào)來(lái)提高信號(hào)的可靠性。例如，在一個(gè)2×2的MIMO系統(tǒng)中，兩個(gè)發(fā)射天線同時(shí)發(fā)送相同的信號(hào)，由于無(wú)線信道的隨機(jī)性，兩個(gè)信號(hào)在到達(dá)接收端時(shí)會(huì)經(jīng)歷不同的衰落，接收端通過(guò)最大比合并（MRC）等算法將這兩個(gè)信號(hào)合并，從而提高接收信號(hào)的信噪比，降低誤碼率。空間復(fù)用則是在多個(gè)天線上同時(shí)發(fā)送不同的信息，從而提高數(shù)據(jù)傳輸速率。在這種方式下，每個(gè)發(fā)射天線都承載著獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，接收端通過(guò)信號(hào)處理算法將這些數(shù)據(jù)流分離出來(lái)。以一個(gè)4×4的MIMO系統(tǒng)為例，假設(shè)每個(gè)發(fā)射天線都發(fā)送一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，那么在相同的時(shí)間和頻率資源下，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率理論上可以提高4倍。2.1.2MIMO鏈路關(guān)鍵技術(shù)空時(shí)編碼：空時(shí)編碼是MIMO鏈路技術(shù)中的一項(xiàng)重要技術(shù)，它通過(guò)在時(shí)間和空間兩個(gè)維度上對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼，從而提高系統(tǒng)的傳輸可靠性。其基本原理是將輸入的信息比特流按照特定的規(guī)則進(jìn)行編碼，然后在多個(gè)發(fā)射天線上同時(shí)發(fā)送這些編碼后的信號(hào)。在接收端，通過(guò)對(duì)多個(gè)接收天線接收到的信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合解碼，利用空間分集和時(shí)間分集的優(yōu)勢(shì)，降低誤碼率。常見(jiàn)的空時(shí)編碼技術(shù)包括空時(shí)格碼（STTC）和空時(shí)塊碼（STBC）。空時(shí)格碼通過(guò)引入網(wǎng)格編碼的思想，在提供分集增益的同時(shí)，還能獲得編碼增益，但解碼復(fù)雜度相對(duì)較高?？諘r(shí)塊碼則具有較低的解碼復(fù)雜度，其中最具代表性的是Alamouti碼。以兩發(fā)射天線的Alamouti碼為例，假設(shè)要發(fā)送的兩個(gè)符號(hào)為s_1和s_2，在第一個(gè)時(shí)間周期，從第一個(gè)發(fā)射天線發(fā)送s_1，從第二個(gè)發(fā)射天線發(fā)送s_2；在第二個(gè)時(shí)間周期，從第一個(gè)發(fā)射天線發(fā)送-s_2^*（s_2的復(fù)共軛），從第二個(gè)發(fā)射天線發(fā)送s_1^*。接收端通過(guò)簡(jiǎn)單的線性處理即可解碼信息，有效提高了信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?。波束賦形：波束賦形技術(shù)通過(guò)控制天線陣列中各天線的發(fā)射相位和幅度，使得信號(hào)在空間中形成定向波束，從而增強(qiáng)信號(hào)的覆蓋范圍和抗干擾能力。其原理基于天線陣列的方向性原理，通過(guò)調(diào)整各天線的相位和幅度，使得天線陣列在目標(biāo)方向上的輻射能量增強(qiáng)，而在其他方向上的輻射能量減弱。在實(shí)際應(yīng)用中，波束賦形可以根據(jù)信道狀態(tài)信息（CSI）進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。例如，在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，基站可以實(shí)時(shí)獲取移動(dòng)終端的信道狀態(tài)信息，根據(jù)這些信息調(diào)整發(fā)射天線的相位和幅度，使得信號(hào)的波束指向移動(dòng)終端，從而提高信號(hào)的接收質(zhì)量。同時(shí)，波束賦形還可以用于抑制干擾，通過(guò)將波束零陷指向干擾源方向，降低干擾信號(hào)對(duì)接收信號(hào)的影響。多用戶檢測(cè)：在多用戶MIMO系統(tǒng)中，多個(gè)用戶共享相同的頻譜資源，不同用戶之間的信號(hào)會(huì)相互干擾，多用戶檢測(cè)技術(shù)就是為了解決這一問(wèn)題而提出的。其基本原理是利用多個(gè)用戶信號(hào)之間的相關(guān)性和統(tǒng)計(jì)特性，在接收端對(duì)多個(gè)用戶的信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)，從而消除用戶間干擾，提高系統(tǒng)容量和性能。常見(jiàn)的多用戶檢測(cè)算法包括線性檢測(cè)算法和非線性檢測(cè)算法。線性檢測(cè)算法如迫零（ZF）檢測(cè)和最小均方誤差（MMSE）檢測(cè)，它們通過(guò)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行線性變換來(lái)消除干擾，計(jì)算復(fù)雜度較低，但性能相對(duì)有限。非線性檢測(cè)算法如最大似然檢測(cè)（MLD），雖然能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)的檢測(cè)性能，但計(jì)算復(fù)雜度極高，在實(shí)際應(yīng)用中受到一定限制。為了在性能和復(fù)雜度之間取得平衡，還出現(xiàn)了一些次優(yōu)的非線性檢測(cè)算法，如干擾消除（IC）算法等，這些算法通過(guò)逐步消除干擾信號(hào)，在一定程度上提高了檢測(cè)性能，同時(shí)保持了相對(duì)較低的計(jì)算復(fù)雜度。2.2多用戶分集技術(shù)2.2.1多用戶分集原理多用戶分集技術(shù)是一種利用多用戶環(huán)境中用戶信道狀態(tài)的差異來(lái)提高系統(tǒng)性能的技術(shù)。在多用戶通信系統(tǒng)中，不同用戶的信道受到多種因素的影響，如多徑衰落、陰影效應(yīng)、用戶位置移動(dòng)等，導(dǎo)致各用戶的信道增益隨時(shí)間和空間呈現(xiàn)出不同的隨機(jī)變化。其基本原理是基于信道的隨機(jī)性和用戶之間信道的獨(dú)立性。假設(shè)一個(gè)包含K個(gè)用戶的通信系統(tǒng)，每個(gè)用戶的信道增益可以表示為h_k，k=1,2,\cdots,K。由于信道的隨機(jī)性，不同用戶在同一時(shí)刻的信道增益不同。當(dāng)基站有數(shù)據(jù)需要傳輸時(shí)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)用戶的信道狀態(tài)信息（CSI），選擇在某一時(shí)刻信道條件最好（即信道增益最大）的用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。例如，在某一時(shí)刻，用戶i的信道增益h_i大于其他所有用戶的信道增益，那么基站就將數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶i。從數(shù)學(xué)角度分析，假設(shè)系統(tǒng)的傳輸速率與信道增益的對(duì)數(shù)成正比，即用戶k的傳輸速率R_k=W\log(1+\gamma_k)，其中W是系統(tǒng)帶寬，\gamma_k是用戶k的信噪比，與信道增益h_k相關(guān)。當(dāng)選擇信道增益最大的用戶進(jìn)行傳輸時(shí)，系統(tǒng)的瞬時(shí)傳輸速率R=\max\{R_1,R_2,\cdots,R_K\}。隨著用戶數(shù)量K的增加，出現(xiàn)信道增益較大用戶的概率也會(huì)增加，從而使得系統(tǒng)能夠以更高的傳輸速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)多用戶分集增益。這種分集增益的獲得并非依賴于額外的發(fā)射功率或帶寬擴(kuò)展，而是巧妙地借助了多用戶信道的自然特性。通過(guò)合理的用戶選擇策略，系統(tǒng)能夠在不增加系統(tǒng)資源消耗的前提下，顯著提升傳輸效率和頻譜利用率。例如，在一個(gè)具有10個(gè)用戶的系統(tǒng)中，與單用戶傳輸相比，通過(guò)多用戶分集技術(shù)選擇信道條件最佳的用戶進(jìn)行傳輸，系統(tǒng)的平均傳輸速率可能會(huì)提高數(shù)倍。多用戶分集技術(shù)充分利用了多個(gè)用戶信道的獨(dú)立性和隨機(jī)性，通過(guò)選擇瞬時(shí)信道條件好的用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，有效提高了系統(tǒng)的整體傳輸效率和頻譜利用率，為多用戶通信系統(tǒng)性能的提升提供了一種高效的解決方案。2.2.2多用戶分集實(shí)現(xiàn)方式在多用戶分集系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)多用戶分集增益的關(guān)鍵在于采用合適的調(diào)度算法來(lái)選擇信道條件好的用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。以下是幾種常見(jiàn)的調(diào)度算法及其在多用戶分集中的應(yīng)用分析：輪詢調(diào)度算法：輪詢（RoundRobin,RR）調(diào)度算法是一種最為簡(jiǎn)單直觀的調(diào)度算法。其工作原理是按照固定的順序依次為每個(gè)用戶分配傳輸機(jī)會(huì)，而不考慮用戶的信道狀態(tài)信息。例如，在一個(gè)包含K個(gè)用戶的系統(tǒng)中，基站先將數(shù)據(jù)傳輸給用戶1，然后是用戶2，以此類推，直到用戶K，之后又重新從用戶1開(kāi)始循環(huán)。從實(shí)現(xiàn)角度來(lái)看，輪詢調(diào)度算法的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度極低，不需要對(duì)用戶的信道狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，只需要維護(hù)一個(gè)簡(jiǎn)單的用戶順序列表即可。這種算法能夠保證每個(gè)用戶都有公平的傳輸機(jī)會(huì)，在用戶之間的信道條件差異不大或者對(duì)公平性要求較高的場(chǎng)景下，輪詢調(diào)度算法能夠確保每個(gè)用戶都能獲得一定的服務(wù)質(zhì)量。然而，由于它完全不考慮信道狀態(tài)，當(dāng)用戶之間的信道條件存在較大差異時(shí)，系統(tǒng)的整體性能會(huì)受到嚴(yán)重影響。因?yàn)樵谶@種情況下，可能會(huì)將傳輸機(jī)會(huì)分配給信道條件較差的用戶，導(dǎo)致傳輸速率低下，無(wú)法充分發(fā)揮多用戶分集的優(yōu)勢(shì)。2.比例公平調(diào)度算法：比例公平（ProportionalFair,PF）調(diào)度算法在考慮用戶信道狀態(tài)的同時(shí)，兼顧了用戶之間的公平性。該算法為每個(gè)用戶計(jì)算一個(gè)比例公平因子，其計(jì)算公式通常為PF_k=\frac{R_{k}}{\overline{R}_{k}}，其中R_{k}是用戶k當(dāng)前的瞬時(shí)傳輸速率，與信道增益相關(guān)，\overline{R}_{k}是用戶k過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)的平均傳輸速率。在每次調(diào)度時(shí)，基站選擇比例公平因子最大的用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)這種方式，信道條件好的用戶有更大的機(jī)會(huì)被選中進(jìn)行傳輸，從而提高系統(tǒng)的整體傳輸效率；同時(shí)，由于考慮了平均傳輸速率，那些信道條件較差但長(zhǎng)期以來(lái)獲得服務(wù)較少的用戶也能逐漸獲得傳輸機(jī)會(huì)，保證了用戶之間的公平性。例如，在一個(gè)用戶分布較為廣泛的場(chǎng)景中，靠近基站的用戶信道條件較好，而遠(yuǎn)離基站的用戶信道條件較差。比例公平調(diào)度算法會(huì)在保證靠近基站用戶較高傳輸速率的同時(shí)，也為遠(yuǎn)離基站的用戶分配一定的傳輸時(shí)間，使得整個(gè)系統(tǒng)在效率和公平性之間達(dá)到較好的平衡。3.最大信干噪比調(diào)度算法：最大信干噪比（MaxSignal-to-Interference-plus-NoiseRatio,MaxSINR）調(diào)度算法是一種以最大化系統(tǒng)傳輸速率為目標(biāo)的調(diào)度算法。它在每個(gè)調(diào)度時(shí)刻，選擇信干噪比（SINR）最大的用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。信干噪比是衡量接收信號(hào)質(zhì)量的重要指標(biāo)，其定義為信號(hào)功率與干擾功率和噪聲功率之和的比值，即SINR_k=\frac{P_k|h_k|^2}{\sum_{j\neqk}P_j|h_{jk}|^2+N_0}，其中P_k是用戶k的發(fā)射功率，h_k是用戶k的信道增益，h_{jk}是從其他用戶j到用戶k的干擾信道增益，N_0是噪聲功率。由于選擇了信干噪比最大的用戶，MaxSINR調(diào)度算法能夠使系統(tǒng)在每個(gè)時(shí)刻都以最高的傳輸速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而最大化系統(tǒng)的吞吐量。然而，這種算法完全忽略了用戶之間的公平性，可能會(huì)導(dǎo)致信道條件較差的用戶長(zhǎng)時(shí)間得不到服務(wù)。例如，在一個(gè)多小區(qū)的通信系統(tǒng)中，如果某個(gè)小區(qū)內(nèi)的部分用戶靠近基站，信道條件非常好，而其他用戶遠(yuǎn)離基站，信道條件較差。MaxSINR調(diào)度算法會(huì)幾乎總是選擇靠近基站的用戶進(jìn)行傳輸，使得遠(yuǎn)離基站的用戶的通信需求無(wú)法得到滿足。2.3FSO系統(tǒng)2.3.1FSO系統(tǒng)工作原理FSO系統(tǒng)，即自由空間光通信系統(tǒng)，是一種以激光為信息載體，在大氣空間中實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)。其工作原理主要涉及光發(fā)射、光傳輸和光接收三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在光發(fā)射環(huán)節(jié)，待傳輸?shù)碾娦盘?hào)首先進(jìn)入光發(fā)射機(jī)。電信號(hào)通常是經(jīng)過(guò)編碼、調(diào)制等處理后的數(shù)字信號(hào)，它包含了各種信息，如語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像等。光發(fā)射機(jī)中的光源，一般采用激光二極管（LD）或發(fā)光二極管（LED），其中激光二極管因其具有高功率、窄光束、單色性好等優(yōu)點(diǎn)，在FSO系統(tǒng)中應(yīng)用更為廣泛。電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，將信息加載到光載波上。常見(jiàn)的調(diào)制方式有強(qiáng)度調(diào)制（IM）、相位調(diào)制（PM）和頻率調(diào)制（FM）等，其中強(qiáng)度調(diào)制由于其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)勢(shì)，在FSO系統(tǒng)中最為常用。例如，在基于強(qiáng)度調(diào)制的FSO系統(tǒng)中，電信號(hào)的幅值變化會(huì)導(dǎo)致光源輸出光強(qiáng)度的相應(yīng)變化，從而實(shí)現(xiàn)信息的加載。調(diào)制后的光信號(hào)通過(guò)光學(xué)發(fā)射天線，以定向光束的形式發(fā)射到大氣空間中。光學(xué)發(fā)射天線通常采用透鏡、反射鏡等光學(xué)元件組成，其作用是將光源發(fā)出的發(fā)散光束準(zhǔn)直為平行光束，以減少光信號(hào)在傳輸過(guò)程中的能量擴(kuò)散，提高傳輸效率和傳輸距離。光信號(hào)在大氣中傳輸時(shí)，會(huì)受到多種因素的影響。大氣中的氣體分子、氣溶膠、塵埃等粒子會(huì)對(duì)光信號(hào)產(chǎn)生吸收和散射作用，導(dǎo)致光信號(hào)的能量衰減。例如，氧氣分子對(duì)某些特定波長(zhǎng)的光具有較強(qiáng)的吸收作用，而氣溶膠粒子的散射會(huì)使光信號(hào)向各個(gè)方向散射，從而減少了沿傳輸路徑傳播的光信號(hào)能量。大氣湍流也是影響光信號(hào)傳輸?shù)闹匾蛩?。大氣湍流是由于大氣中溫度、濕度等物理量的不均勻分布而產(chǎn)生的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，它會(huì)導(dǎo)致大氣折射率的隨機(jī)變化。當(dāng)光信號(hào)通過(guò)大氣湍流區(qū)域時(shí)，會(huì)發(fā)生光強(qiáng)閃爍、光束漂移和擴(kuò)展等現(xiàn)象。光強(qiáng)閃爍使得接收端接收到的光信號(hào)強(qiáng)度隨機(jī)起伏，增加了信號(hào)檢測(cè)的難度；光束漂移會(huì)使光信號(hào)的傳播方向發(fā)生改變，可能導(dǎo)致接收端無(wú)法準(zhǔn)確接收信號(hào)；光束擴(kuò)展則會(huì)使光信號(hào)的光斑尺寸增大，降低了接收端的光功率密度。在光接收環(huán)節(jié)，接收端的光學(xué)接收天線負(fù)責(zé)收集傳輸過(guò)來(lái)的光信號(hào)。光學(xué)接收天線通常具有較大的口徑，以提高對(duì)光信號(hào)的收集效率。收集到的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的聚焦后，進(jìn)入光接收機(jī)。光接收機(jī)中的光電探測(cè)器，如光電二極管（PD）或雪崩光電二極管（APD），將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。以光電二極管為例，當(dāng)光照射到其PN結(jié)上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在外加電場(chǎng)的作用下，這些電子-空穴對(duì)形成光電流，從而實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)通常比較微弱，還需要經(jīng)過(guò)放大、濾波、解調(diào)等一系列信號(hào)處理過(guò)程，恢復(fù)出原始的信息。放大電路用于提高電信號(hào)的幅值，濾波電路則用于去除噪聲和干擾信號(hào)，解調(diào)電路根據(jù)發(fā)射端采用的調(diào)制方式，將加載在光載波上的信息提取出來(lái)。經(jīng)過(guò)處理后的電信號(hào)就可以被后續(xù)的設(shè)備，如計(jì)算機(jī)、通信終端等使用，完成整個(gè)通信過(guò)程。2.3.2FSO系統(tǒng)特點(diǎn)FSO系統(tǒng)作為一種新興的通信技術(shù)，具有一系列獨(dú)特的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使其在通信領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿?，但同時(shí)也面臨一些挑戰(zhàn)。FSO系統(tǒng)具有諸多顯著優(yōu)點(diǎn)。首先，其傳輸速率極快，能夠滿足大數(shù)據(jù)量高速傳輸?shù)男枨蟆SO系統(tǒng)利用激光作為信息載體，激光的頻率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的無(wú)線電波，這使得FSO系統(tǒng)在理論上能夠?qū)崿F(xiàn)極高的傳輸速率。目前，市場(chǎng)上的FSO設(shè)備最高支持10Gbps甚至更高的傳輸速率，相比一些傳統(tǒng)的無(wú)線通信技術(shù)，如Wi-Fi、藍(lán)牙等，具有明顯的速率優(yōu)勢(shì)。其次，F(xiàn)SO系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，不易受到電磁干擾的影響。由于光信號(hào)在大氣中傳輸，與無(wú)線電波不同，它不會(huì)受到電磁噪聲、射頻干擾等的影響，因此在復(fù)雜電磁環(huán)境中仍能穩(wěn)定工作。例如，在醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)等對(duì)電磁干擾敏感的場(chǎng)所，F(xiàn)SO系統(tǒng)能夠提供可靠的通信服務(wù)，而不會(huì)對(duì)其他設(shè)備造成干擾，也不會(huì)受到其他設(shè)備的干擾。再者，F(xiàn)SO系統(tǒng)具有高帶寬的特點(diǎn)，能夠支持多種業(yè)務(wù)的同時(shí)傳輸。其帶寬資源豐富，可滿足高清視頻傳輸、大數(shù)據(jù)傳輸?shù)葘?duì)帶寬要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。在一些企業(yè)園區(qū)內(nèi)部，需要同時(shí)傳輸大量的數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和視頻信息，F(xiàn)SO系統(tǒng)可以輕松應(yīng)對(duì)，為企業(yè)提供高效的通信解決方案。此外，F(xiàn)SO系統(tǒng)還具備安全保密性好的優(yōu)勢(shì)。激光光束具有很強(qiáng)的方向性，信號(hào)傳播路徑較為集中，不易被竊聽(tīng)和干擾。同時(shí)，用戶到集線器之間的鏈路通常是加密的，進(jìn)一步增強(qiáng)了通信的安全性。在軍事通信、金融數(shù)據(jù)傳輸?shù)葘?duì)安全性要求極高的領(lǐng)域，F(xiàn)SO系統(tǒng)的安全保密性使其成為一種理想的通信選擇。FSO系統(tǒng)無(wú)需頻譜授權(quán)，這使得其部署更加靈活便捷。與傳統(tǒng)的無(wú)線通信技術(shù)需要申請(qǐng)和分配頻譜資源不同，F(xiàn)SO系統(tǒng)在300GHz以上的電磁波頻段應(yīng)用不受限制，可以免費(fèi)使用，大大降低了系統(tǒng)部署的成本和時(shí)間。在一些臨時(shí)通信場(chǎng)景，如應(yīng)急救援、臨時(shí)活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)等，F(xiàn)SO系統(tǒng)可以快速搭建，提供即時(shí)的通信服務(wù)。然而，F(xiàn)SO系統(tǒng)也存在一些缺點(diǎn)。其中最主要的是受大氣條件影響較大。激光光波的波長(zhǎng)與雨雪或霧氣的水微粒的直徑差不多，光波易被水氣吸收，因此晴天對(duì)傳輸質(zhì)量的影響最小，而雨、雪和霧對(duì)傳輸質(zhì)量的影響則較大。據(jù)測(cè)試，F(xiàn)SO受天氣影響的衰減經(jīng)驗(yàn)值分別為：晴天5-15dB/Km，雨天20-50dB/Km，雪天為50-150dB/Km，霧天為50-300dB/Km。在惡劣天氣條件下，如暴雨、大雪、濃霧等，光信號(hào)的衰減會(huì)急劇增加，導(dǎo)致通信質(zhì)量下降甚至中斷。大風(fēng)和地震等自然災(zāi)害也會(huì)對(duì)FSO系統(tǒng)產(chǎn)生影響。風(fēng)力和大氣溫度的梯度變化會(huì)產(chǎn)生氣穴，氣穴密度的變化將帶來(lái)光折射率的變化，這會(huì)造成光束強(qiáng)度的瞬時(shí)突變，即所謂的“閃光”，嚴(yán)重影響FSO的通信傳輸質(zhì)量。FSO系統(tǒng)的傳輸距離相對(duì)有限。雖然目前一些FSO設(shè)備的最大傳輸距離可達(dá)4公里，但通常在1-2公里才有穩(wěn)定的傳輸效果。這是因?yàn)殡S著傳輸距離的增加，光信號(hào)在大氣中的衰減會(huì)逐漸增大，同時(shí)大氣湍流等因素對(duì)光信號(hào)的影響也會(huì)更加明顯，導(dǎo)致接收端的光功率降低，信號(hào)質(zhì)量變差。FSO系統(tǒng)還要求發(fā)射端和接收端之間必須是可視的，兩終端之間不能有阻擋。這在一些復(fù)雜的地理環(huán)境或建筑物密集的區(qū)域，會(huì)給系統(tǒng)的部署和應(yīng)用帶來(lái)一定的限制。在城市中，高樓大廈林立，要找到一條無(wú)阻擋的可視路徑較為困難，這可能需要增加中繼設(shè)備或采用特殊的安裝方式來(lái)解決。三、基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)模型3.1系統(tǒng)架構(gòu)基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)主要由發(fā)射端、接收端以及多用戶場(chǎng)景構(gòu)成，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示：圖1基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)架構(gòu)圖在發(fā)射端，包含多個(gè)發(fā)射天線（激光器）以及信號(hào)處理模塊。待傳輸?shù)男畔⑹紫冗M(jìn)入信號(hào)處理模塊，該模塊會(huì)對(duì)信息進(jìn)行一系列處理，如編碼、調(diào)制等操作。編碼過(guò)程能夠增加信息的冗余度，提高信號(hào)在傳輸過(guò)程中的抗干擾能力，常見(jiàn)的編碼方式有卷積碼、Turbo碼等。調(diào)制則是將信息加載到光載波上，常見(jiàn)的調(diào)制方式包括開(kāi)關(guān)鍵控（OOK）、脈沖位置調(diào)制（PPM）和正交振幅調(diào)制（QAM）等。以O(shè)OK調(diào)制為例，它通過(guò)控制光信號(hào)的有無(wú)來(lái)表示二進(jìn)制信息中的“0”和“1”，實(shí)現(xiàn)信息的加載。經(jīng)過(guò)處理后的信號(hào)被分配到多個(gè)發(fā)射天線上，每個(gè)發(fā)射天線將攜帶信息的光信號(hào)以激光束的形式發(fā)射到大氣空間中。多個(gè)發(fā)射天線的配置利用了MIMO技術(shù)的空間分集和復(fù)用特性，能夠有效降低光信號(hào)深度衰落的概率，提高系統(tǒng)的傳輸可靠性和傳輸速率。例如，在空間分集模式下，不同發(fā)射天線發(fā)送相同的信息，接收端通過(guò)合并多個(gè)天線接收到的信號(hào)，增強(qiáng)信號(hào)的可靠性；在空間復(fù)用模式下，不同發(fā)射天線發(fā)送不同的信息，從而提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。接收端由多個(gè)接收天線（光電探測(cè)器）、信號(hào)處理模塊和用戶選擇模塊組成。接收天線負(fù)責(zé)收集來(lái)自大氣空間的光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。由于大氣湍流等因素的影響，接收端接收到的光信號(hào)會(huì)存在光強(qiáng)閃爍、光束漂移等問(wèn)題，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降。信號(hào)處理模塊對(duì)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、解調(diào)等處理，以恢復(fù)出原始的信息。放大電路用于提高電信號(hào)的幅值，使其能夠滿足后續(xù)處理的要求；濾波電路則用于去除噪聲和干擾信號(hào)，提高信號(hào)的純度；解調(diào)過(guò)程根據(jù)發(fā)射端采用的調(diào)制方式，將加載在光載波上的信息提取出來(lái)。用戶選擇模塊根據(jù)多用戶分集技術(shù)的原理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)用戶的信道狀態(tài)信息（CSI），選擇在某一時(shí)刻信道條件最好的用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。例如，通過(guò)比較不同用戶的信道增益、信噪比等參數(shù)，選擇信道增益最大或信噪比最高的用戶，從而實(shí)現(xiàn)多用戶分集增益，提高系統(tǒng)的整體傳輸效率。多用戶場(chǎng)景中包含多個(gè)用戶終端，每個(gè)用戶終端都具備與發(fā)射端和接收端進(jìn)行通信的能力。不同用戶的信道狀態(tài)會(huì)受到多種因素的影響，如用戶的位置、移動(dòng)速度、大氣條件等，導(dǎo)致各用戶的信道增益隨時(shí)間和空間呈現(xiàn)出不同的隨機(jī)變化。這些用戶通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)的方式與發(fā)射端和接收端進(jìn)行通信，接收端根據(jù)用戶選擇模塊的決策，將數(shù)據(jù)傳輸給信道條件最好的用戶。例如，在一個(gè)包含多個(gè)用戶的FSO通信系統(tǒng)中，基站（發(fā)射端和接收端的組合）會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)用戶的信道質(zhì)量，當(dāng)某個(gè)用戶的信道處于良好狀態(tài)時(shí)，優(yōu)先將數(shù)據(jù)傳輸給該用戶，從而實(shí)現(xiàn)多用戶分集增益，提升系統(tǒng)性能。3.2信號(hào)傳輸流程在基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)中，信號(hào)傳輸流程涵蓋了從發(fā)射端到接收端的一系列復(fù)雜操作，具體如下：發(fā)射端信號(hào)處理：在發(fā)射端，待傳輸?shù)亩M(jìn)制信息首先進(jìn)入編碼器，編碼器采用特定的編碼算法，如前所述的卷積碼、Turbo碼等，對(duì)信息進(jìn)行編碼處理。以卷積碼為例，它通過(guò)將輸入的信息序列與一個(gè)特定的卷積碼生成多項(xiàng)式進(jìn)行卷積運(yùn)算，產(chǎn)生冗余碼元，增加信息的冗余度。這些冗余碼元在信號(hào)傳輸過(guò)程中起到糾錯(cuò)的作用，能夠提高信號(hào)在受到干擾時(shí)的抗干擾能力。例如，在一個(gè)(2,1,3)的卷積碼中，每輸入1個(gè)信息比特，會(huì)產(chǎn)生2個(gè)碼元，其中1個(gè)是信息比特本身，另1個(gè)是根據(jù)卷積碼生成多項(xiàng)式計(jì)算得到的冗余比特，通過(guò)這種方式增強(qiáng)了信號(hào)的可靠性。調(diào)制過(guò)程：經(jīng)過(guò)編碼后的信號(hào)進(jìn)入調(diào)制器，調(diào)制器根據(jù)選定的調(diào)制方式，如開(kāi)關(guān)鍵控（OOK）、脈沖位置調(diào)制（PPM）或正交振幅調(diào)制（QAM）等，將編碼后的信號(hào)加載到光載波上。以O(shè)OK調(diào)制為例，它是一種最簡(jiǎn)單的數(shù)字調(diào)制方式，通過(guò)控制光信號(hào)的有無(wú)來(lái)表示二進(jìn)制信息中的“0”和“1”。當(dāng)發(fā)送“1”時(shí)，光發(fā)射機(jī)發(fā)出一定強(qiáng)度的光信號(hào)；當(dāng)發(fā)送“0”時(shí)，光發(fā)射機(jī)不發(fā)光。這種調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本較低，但抗干擾能力相對(duì)較弱。PPM調(diào)制則是通過(guò)改變光脈沖在時(shí)間軸上的位置來(lái)表示不同的信息。例如，在一個(gè)4-PPM調(diào)制系統(tǒng)中，將一個(gè)固定的時(shí)間間隔等分為4個(gè)時(shí)隙，根據(jù)要傳輸?shù)男畔?，將光脈沖放置在不同的時(shí)隙中，從而實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。PPM調(diào)制具有較高的功率效率，但調(diào)制和解調(diào)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。QAM調(diào)制則是將幅度調(diào)制和相位調(diào)制相結(jié)合，通過(guò)同時(shí)改變信號(hào)的幅度和相位來(lái)表示不同的信息。在16-QAM調(diào)制中，信號(hào)被分為16種不同的幅度和相位組合，每種組合對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的信息符號(hào)，從而在相同的帶寬下可以傳輸更多的信息，提高了頻譜利用率，但對(duì)信道的線性度要求較高。MIMO鏈路傳輸：調(diào)制后的信號(hào)被分配到多個(gè)發(fā)射天線上，每個(gè)發(fā)射天線將攜帶信息的光信號(hào)以激光束的形式發(fā)射到大氣空間中。多個(gè)發(fā)射天線利用MIMO技術(shù)的空間分集和復(fù)用特性進(jìn)行信號(hào)傳輸。在空間分集模式下，不同發(fā)射天線發(fā)送相同的信息，利用大氣信道的多徑傳播特性，使得不同天線上的信號(hào)在傳輸過(guò)程中經(jīng)歷不同的衰落，接收端通過(guò)合并多個(gè)天線接收到的信號(hào)，增強(qiáng)信號(hào)的可靠性。例如，在一個(gè)2×2的MIMO系統(tǒng)中，兩個(gè)發(fā)射天線同時(shí)發(fā)送相同的信號(hào)，由于大氣湍流等因素的影響，兩個(gè)信號(hào)在到達(dá)接收端時(shí)會(huì)經(jīng)歷不同的衰落，接收端通過(guò)最大比合并（MRC）算法將這兩個(gè)信號(hào)合并，提高接收信號(hào)的信噪比，降低誤碼率。在空間復(fù)用模式下，不同發(fā)射天線發(fā)送不同的信息，從而提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。例如，在一個(gè)4×4的MIMO系統(tǒng)中，假設(shè)每個(gè)發(fā)射天線都發(fā)送一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，那么在相同的時(shí)間和頻率資源下，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率理論上可以提高4倍。接收端信號(hào)處理：在接收端，多個(gè)接收天線負(fù)責(zé)收集來(lái)自大氣空間的光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。由于大氣湍流等因素的影響，接收端接收到的光信號(hào)會(huì)存在光強(qiáng)閃爍、光束漂移等問(wèn)題，導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降。信號(hào)處理模塊對(duì)轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、解調(diào)等處理，以恢復(fù)出原始的信息。放大電路采用低噪聲放大器，用于提高電信號(hào)的幅值，使其能夠滿足后續(xù)處理的要求；濾波電路則采用帶通濾波器，用于去除噪聲和干擾信號(hào)，提高信號(hào)的純度；解調(diào)過(guò)程根據(jù)發(fā)射端采用的調(diào)制方式，將加載在光載波上的信息提取出來(lái)。例如，在采用OOK調(diào)制的系統(tǒng)中，解調(diào)過(guò)程通過(guò)比較接收信號(hào)的光強(qiáng)與一個(gè)設(shè)定的閾值來(lái)判斷發(fā)送的是“0”還是“1”。當(dāng)接收信號(hào)的光強(qiáng)大于閾值時(shí)，判斷為“1”；當(dāng)接收信號(hào)的光強(qiáng)小于閾值時(shí)，判斷為“0”。用戶選擇與解碼：用戶選擇模塊根據(jù)多用戶分集技術(shù)的原理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)用戶的信道狀態(tài)信息（CSI），選擇在某一時(shí)刻信道條件最好的用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。例如，通過(guò)比較不同用戶的信道增益、信噪比等參數(shù)，選擇信道增益最大或信噪比最高的用戶，從而實(shí)現(xiàn)多用戶分集增益，提高系統(tǒng)的整體傳輸效率。選定用戶后，對(duì)該用戶接收到的信號(hào)進(jìn)行解碼，解碼過(guò)程是編碼的逆過(guò)程，通過(guò)特定的解碼算法，如維特比譯碼算法（針對(duì)卷積碼）、置信傳播算法（針對(duì)Turbo碼）等，恢復(fù)出原始的二進(jìn)制信息。以維特比譯碼算法為例，它是一種基于網(wǎng)格圖的最大似然譯碼算法，通過(guò)在網(wǎng)格圖中搜索最有可能的路徑，來(lái)確定發(fā)送的原始信息序列，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的準(zhǔn)確恢復(fù)。3.3信道模型3.3.1大氣湍流信道模型大氣湍流是指大氣中由于溫度、濕度等物理量的不均勻分布而產(chǎn)生的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，它會(huì)導(dǎo)致大氣折射率的隨機(jī)變化。當(dāng)激光束在大氣湍流信道中傳輸時(shí)，會(huì)受到多種因素的影響，從而產(chǎn)生不同的信道衰落特性。目前，常用的大氣湍流信道模型主要有對(duì)數(shù)正態(tài)模型、Gamma-Gamma模型和負(fù)指數(shù)模型。對(duì)數(shù)正態(tài)模型是最早用于描述大氣湍流對(duì)光信號(hào)影響的模型之一，它適用于弱湍流條件。在弱湍流情況下，大氣折射率的起伏較小，光強(qiáng)閃爍服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。假設(shè)接收光強(qiáng)為I，其對(duì)數(shù)正態(tài)分布的概率密度函數(shù)可以表示為：p_{LN}(I)=\frac{1}{I\sqrt{2\pi\sigma_{ln}^2}}\exp\left(-\frac{(\lnI-\mu)^2}{2\sigma_{ln}^2}\right)其中，\mu是\lnI的均值，\sigma_{ln}^2是\lnI的方差，它與大氣湍流強(qiáng)度等因素有關(guān)。對(duì)數(shù)正態(tài)模型在弱湍流條件下能夠較好地描述光強(qiáng)閃爍現(xiàn)象，但在強(qiáng)湍流條件下，其準(zhǔn)確性會(huì)受到一定限制。Gamma-Gamma模型則能夠更準(zhǔn)確地描述不同強(qiáng)度的大氣湍流對(duì)光信號(hào)的影響，在大氣湍流信道研究中應(yīng)用較為廣泛。該模型考慮了大氣湍流中不同尺度的渦旋對(duì)光信號(hào)的作用，將光強(qiáng)閃爍看作是由大尺度渦旋和小尺度渦旋共同作用的結(jié)果。假設(shè)接收光強(qiáng)為I，其Gamma-Gamma分布的概率密度函數(shù)為：p_{GG}(I)=\frac{2(\alpha\beta)^{\frac{\alpha+\beta}{2}}}{\Gamma(\alpha)\Gamma(\beta)}I^{\frac{\alpha+\beta}{2}-1}K_{\alpha-\beta}(2\sqrt{\alpha\betaI})其中，\alpha和\beta是與大氣湍流強(qiáng)度和鏈路長(zhǎng)度等因素相關(guān)的參數(shù)，它們分別表示大尺度渦旋和小尺度渦旋對(duì)光強(qiáng)閃爍的影響程度；\Gamma(\cdot)是伽馬函數(shù)；K_{\alpha-\beta}(\cdot)是第二類修正貝塞爾函數(shù)。在弱湍流時(shí)，\alpha和\beta的值較大，光強(qiáng)閃爍主要由大尺度渦旋主導(dǎo)；隨著湍流強(qiáng)度增強(qiáng)，\alpha和\beta的值逐漸減小，小尺度渦旋的影響逐漸增大。負(fù)指數(shù)模型適用于描述飽和湍流條件下的信道特性。在飽和湍流狀態(tài)下，光強(qiáng)閃爍達(dá)到飽和，傳統(tǒng)的對(duì)數(shù)正態(tài)模型和Gamma-Gamma模型不再適用。負(fù)指數(shù)模型假設(shè)接收光強(qiáng)的概率密度函數(shù)服從負(fù)指數(shù)分布，其表達(dá)式為：p_{NE}(I)=\frac{1}{\bar{I}}\exp\left(-\frac{I}{\bar{I}}\right)其中，\bar{I}是接收光強(qiáng)的均值。負(fù)指數(shù)模型在飽和湍流條件下能夠準(zhǔn)確地描述光強(qiáng)的分布特性，對(duì)于研究飽和湍流信道下的FSO系統(tǒng)性能具有重要意義。不同的大氣湍流信道模型適用于不同的湍流強(qiáng)度和應(yīng)用場(chǎng)景。在實(shí)際研究中，需要根據(jù)具體的湍流條件選擇合適的信道模型，以準(zhǔn)確描述大氣湍流對(duì)光信號(hào)的影響，為基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)性能分析提供可靠的信道模型基礎(chǔ)。3.3.2其他信道影響因素除了大氣湍流外，大氣衰減、散射、吸收以及瞄準(zhǔn)誤差等因素也會(huì)對(duì)FSO通信系統(tǒng)的信道產(chǎn)生重要影響。大氣衰減是指光信號(hào)在大氣中傳輸時(shí)，由于與大氣中的氣體分子、氣溶膠、塵埃等粒子相互作用，導(dǎo)致光信號(hào)的能量逐漸減少的現(xiàn)象。大氣衰減主要包括散射衰減和吸收衰減。散射衰減是由于大氣中的粒子對(duì)光信號(hào)的散射作用，使光信號(hào)的傳播方向發(fā)生改變，從而導(dǎo)致沿傳輸路徑傳播的光信號(hào)能量減少。吸收衰減則是由于大氣中的某些氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)的光信號(hào)具有吸收作用，使得光信號(hào)的能量被吸收轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，如熱能等。大氣衰減的程度與光信號(hào)的波長(zhǎng)、大氣中的粒子濃度和類型等因素密切相關(guān)。在可見(jiàn)光和近紅外波段，大氣衰減相對(duì)較小，而在紫外和遠(yuǎn)紅外波段，大氣衰減則較為嚴(yán)重。例如，在霧天、沙塵天氣等惡劣環(huán)境下，大氣中的氣溶膠粒子濃度增加，會(huì)導(dǎo)致光信號(hào)的散射衰減和吸收衰減急劇增大，嚴(yán)重影響FSO通信系統(tǒng)的傳輸性能。散射是大氣中粒子對(duì)光信號(hào)的一種重要作用方式，它會(huì)使光信號(hào)向各個(gè)方向散射，從而降低接收端接收到的光信號(hào)強(qiáng)度。散射主要分為瑞利散射和米氏散射。瑞利散射是當(dāng)光信號(hào)的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于大氣中粒子的尺寸時(shí)發(fā)生的散射現(xiàn)象，其散射強(qiáng)度與光信號(hào)波長(zhǎng)的四次方成反比。因此，在短波長(zhǎng)的光信號(hào)傳輸中，瑞利散射的影響更為顯著。米氏散射則是當(dāng)光信號(hào)的波長(zhǎng)與大氣中粒子的尺寸相近時(shí)發(fā)生的散射現(xiàn)象，其散射強(qiáng)度與粒子的尺寸、形狀和折射率等因素有關(guān)。在大氣中，氣溶膠粒子的尺寸范圍較廣，既會(huì)發(fā)生瑞利散射，也會(huì)發(fā)生米氏散射，這使得散射對(duì)光信號(hào)的影響更加復(fù)雜。吸收是大氣中的氣體分子對(duì)光信號(hào)的另一種重要作用方式。不同的氣體分子對(duì)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)具有不同的吸收特性。例如，氧氣分子對(duì)波長(zhǎng)為760nm的光信號(hào)具有較強(qiáng)的吸收作用，而水蒸氣分子對(duì)波長(zhǎng)在1.38μm和1.87μm附近的光信號(hào)吸收較強(qiáng)。在FSO通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，需要充分考慮大氣吸收的影響，選擇合適的光信號(hào)波長(zhǎng)，以減少吸收衰減對(duì)系統(tǒng)性能的影響。瞄準(zhǔn)誤差是指由于發(fā)射端和接收端的對(duì)準(zhǔn)偏差，導(dǎo)致光信號(hào)無(wú)法準(zhǔn)確到達(dá)接收端的現(xiàn)象。瞄準(zhǔn)誤差主要由機(jī)械振動(dòng)、風(fēng)荷載、溫度變化等因素引起。在實(shí)際應(yīng)用中，由于FSO系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端通常安裝在不同的位置，受到環(huán)境因素的影響，很難保證兩者始終處于精確對(duì)準(zhǔn)的狀態(tài)。瞄準(zhǔn)誤差會(huì)導(dǎo)致接收光功率下降，從而降低系統(tǒng)的可靠性和通信質(zhì)量。通常用瞄準(zhǔn)誤差角來(lái)描述瞄準(zhǔn)誤差的大小，瞄準(zhǔn)誤差角越大，接收光功率下降越明顯。為了減小瞄準(zhǔn)誤差的影響，可以采用高精度的瞄準(zhǔn)和跟蹤設(shè)備，如光電跟蹤器、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)等，實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)射端和接收端的對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)，提高系統(tǒng)的抗瞄準(zhǔn)誤差能力。四、系統(tǒng)性能指標(biāo)分析4.1誤碼率（BER）4.1.1BER計(jì)算公式推導(dǎo)誤碼率（BitErrorRate,BER）作為衡量通信系統(tǒng)傳輸可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)，反映了接收端接收到的錯(cuò)誤比特?cái)?shù)占總比特?cái)?shù)的比例。在基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)中，由于大氣湍流等信道因素的影響，信號(hào)在傳輸過(guò)程中容易受到干擾，導(dǎo)致誤碼的產(chǎn)生。因此，準(zhǔn)確推導(dǎo)該系統(tǒng)的誤碼率計(jì)算公式，對(duì)于評(píng)估系統(tǒng)性能具有重要意義。在推導(dǎo)誤碼率計(jì)算公式時(shí)，首先考慮信號(hào)在大氣湍流信道中的傳輸模型。假設(shè)發(fā)射端發(fā)送的信號(hào)為s(t)，經(jīng)過(guò)大氣湍流信道傳輸后，接收端接收到的信號(hào)r(t)可表示為：r(t)=h(t)s(t)+n(t)其中，h(t)表示信道增益，它受到大氣湍流、大氣衰減、散射等因素的影響，呈現(xiàn)出隨機(jī)變化的特性；n(t)是加性高斯白噪聲（AWGN），其均值為0，方差為\sigma_n^2，用于描述信道中的噪聲干擾。對(duì)于采用強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測(cè)（IM-DD）的FSO系統(tǒng)，常見(jiàn)的調(diào)制方式有開(kāi)關(guān)鍵控（OOK）、脈沖位置調(diào)制（PPM）和正交振幅調(diào)制（QAM）等。以O(shè)OK調(diào)制為例，發(fā)射端發(fā)送的二進(jìn)制信號(hào)“0”和“1”分別對(duì)應(yīng)光信號(hào)的“關(guān)”和“開(kāi)”狀態(tài)。在接收端，光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、濾波等處理后，通過(guò)與一個(gè)設(shè)定的閾值進(jìn)行比較來(lái)判斷接收到的是“0”還是“1”。假設(shè)判決閾值為V_{th}，當(dāng)接收信號(hào)的幅度大于V_{th}時(shí)，判決為“1”；當(dāng)接收信號(hào)的幅度小于V_{th}時(shí)，判決為“0”。在存在噪聲和信道衰落的情況下，誤碼的產(chǎn)生主要源于接收信號(hào)的幅度在判決閾值附近的波動(dòng)。對(duì)于OOK調(diào)制，誤碼率P_{e,OOK}可以通過(guò)計(jì)算接收信號(hào)幅度小于閾值且發(fā)送信號(hào)為“1”，以及接收信號(hào)幅度大于閾值且發(fā)送信號(hào)為“0”的概率之和來(lái)得到。根據(jù)高斯分布的特性，誤碼率P_{e,OOK}的計(jì)算公式為：P_{e,OOK}=Q\left(\frac{\sqrt{\gamma}}{2}\right)其中，\gamma為信噪比，它與發(fā)射功率、信道增益以及噪聲功率有關(guān)，Q(x)為高斯Q函數(shù)，定義為：Q(x)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{x}^{\infty}e^{-\frac{t^2}{2}}dt對(duì)于脈沖位置調(diào)制（PPM），假設(shè)采用M進(jìn)制PPM調(diào)制，每個(gè)符號(hào)周期被等分為M個(gè)時(shí)隙，信息通過(guò)光脈沖在不同時(shí)隙中的位置來(lái)攜帶。在接收端，通過(guò)檢測(cè)光脈沖的位置來(lái)恢復(fù)原始信息。由于大氣湍流等因素的影響，光脈沖的位置可能發(fā)生偏移，導(dǎo)致誤碼的產(chǎn)生。誤碼率P_{e,PPM}的計(jì)算公式較為復(fù)雜，它與調(diào)制階數(shù)M、信噪比\gamma等因素有關(guān)，一般可表示為：P_{e,PPM}=\frac{M-1}{2}\sum_{k=1}^{M-1}\frac{(-1)^{k+1}}{k+1}Q\left(\sqrt{\frac{2\gamma}{M}}\frac{k+1}{M}\right)對(duì)于正交振幅調(diào)制（QAM），以M進(jìn)制QAM為例，信號(hào)點(diǎn)在復(fù)平面上以星座圖的形式分布，每個(gè)信號(hào)點(diǎn)代表一個(gè)特定的符號(hào)。在接收端，通過(guò)檢測(cè)接收信號(hào)在星座圖上的位置來(lái)判決發(fā)送的符號(hào)。由于信道衰落和噪聲的影響，接收信號(hào)可能會(huì)偏離其正確的星座點(diǎn)位置，從而產(chǎn)生誤碼。誤碼率P_{e,QAM}的計(jì)算公式與調(diào)制階數(shù)M、信噪比\gamma以及星座圖的結(jié)構(gòu)有關(guān)，對(duì)于方形M-QAM，其誤碼率近似計(jì)算公式為：P_{e,QAM}\approx\frac{4(1-\frac{1}{\sqrt{M}})}{\log_2M}Q\left(\sqrt{\frac{3\gamma}{M-1}}\right)在基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)中，還需要考慮多用戶分集和MIMO鏈路的影響。多用戶分集通過(guò)選擇信道條件最好的用戶進(jìn)行傳輸，降低了誤碼率。假設(shè)系統(tǒng)中有K個(gè)用戶，每個(gè)用戶的信道增益為h_k，通過(guò)比較各用戶的信道增益，選擇信道增益最大的用戶進(jìn)行傳輸。MIMO鏈路則通過(guò)空間分集和復(fù)用技術(shù)，進(jìn)一步降低誤碼率。在采用最大比合并（MRC）的MIMO系統(tǒng)中，接收信號(hào)的信噪比得到增強(qiáng)，從而降低了誤碼率。綜合考慮多用戶分集和MIMO鏈路的影響后，系統(tǒng)的誤碼率計(jì)算公式會(huì)更加復(fù)雜，需要結(jié)合具體的系統(tǒng)參數(shù)和信道模型進(jìn)行推導(dǎo)。4.1.2不同調(diào)制方式下的BER性能在基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)中，不同的調(diào)制方式對(duì)誤碼率（BER）性能有著顯著的影響。通過(guò)對(duì)比開(kāi)關(guān)鍵控（OOK）、脈沖位置調(diào)制（PPM）和正交振幅調(diào)制（QAM）等常見(jiàn)調(diào)制方式在該系統(tǒng)中的BER性能，能夠?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供重要依據(jù)。OOK調(diào)制作為一種最簡(jiǎn)單的數(shù)字調(diào)制方式，具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。在OOK調(diào)制中，二進(jìn)制數(shù)據(jù)通過(guò)光信號(hào)的“開(kāi)”和“關(guān)”來(lái)表示，接收端通過(guò)比較接收信號(hào)的光強(qiáng)與閾值來(lái)判決數(shù)據(jù)。然而，OOK調(diào)制對(duì)噪聲較為敏感，其BER性能相對(duì)較差。在大氣湍流等惡劣信道條件下，光強(qiáng)閃爍和噪聲的影響會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)的光強(qiáng)在判決閾值附近波動(dòng)，從而增加誤碼的概率。當(dāng)大氣湍流強(qiáng)度增加時(shí)，OOK調(diào)制的誤碼率會(huì)迅速上升，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。PPM調(diào)制通過(guò)改變光脈沖在時(shí)間軸上的位置來(lái)攜帶信息，具有較高的功率效率。在PPM調(diào)制中，每個(gè)符號(hào)周期內(nèi)只有一個(gè)光脈沖，通過(guò)光脈沖在不同時(shí)隙中的位置來(lái)表示不同的符號(hào)。由于PPM調(diào)制在每個(gè)符號(hào)周期內(nèi)只需要傳輸一個(gè)光脈沖，因此在相同的發(fā)射功率下，PPM調(diào)制的光脈沖能量相對(duì)較高，對(duì)噪聲的抵抗能力較強(qiáng)。在弱湍流信道條件下，PPM調(diào)制的BER性能優(yōu)于OOK調(diào)制。當(dāng)湍流強(qiáng)度較低時(shí)，PPM調(diào)制能夠有效降低誤碼率，提高通信系統(tǒng)的可靠性。但PPM調(diào)制也存在一些缺點(diǎn)，如帶寬需求較大，時(shí)隙劃分增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，對(duì)同步要求較高，定時(shí)抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致BER急劇上升。QAM調(diào)制將幅度調(diào)制和相位調(diào)制相結(jié)合，通過(guò)同時(shí)改變信號(hào)的幅度和相位來(lái)表示不同的信息，具有較高的頻譜利用率。在QAM調(diào)制中，信號(hào)點(diǎn)在復(fù)平面上以星座圖的形式分布，星座點(diǎn)的密度決定了頻譜效率和抗噪性。例如，16-QAM每符號(hào)傳輸4比特，相比OOK和PPM調(diào)制，在相同的帶寬下能夠傳輸更多的信息。在高信噪比條件下，高階QAM（如256-QAM）的BER性能較好，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。但在低信噪比條件下，由于星座點(diǎn)之間的距離較近，噪聲容易導(dǎo)致接收信號(hào)誤判，高階QAM的BER性能會(huì)急劇惡化。16-QAM在中等信噪比下綜合性能最優(yōu)，它在保證一定頻譜效率的同時(shí)，對(duì)噪聲的抵抗能力也相對(duì)較強(qiáng)。不同調(diào)制方式在基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)中各有優(yōu)劣。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)系統(tǒng)的具體需求、信道條件以及性能要求等因素，綜合考慮選擇合適的調(diào)制方式，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的最優(yōu)化。4.2中斷概率4.2.1中斷概率定義與意義中斷概率（OutageProbability）是衡量基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)之一。在FSO通信系統(tǒng)中，由于受到大氣湍流、大氣衰減、散射以及瞄準(zhǔn)誤差等多種因素的影響，接收端接收到的信號(hào)質(zhì)量會(huì)發(fā)生波動(dòng)。中斷概率指的是接收端信噪比（Signal-to-NoiseRatio,SNR）低于某個(gè)預(yù)設(shè)門限值的概率。當(dāng)接收端信噪比低于該門限值時(shí)，信號(hào)的誤碼率會(huì)顯著增加，導(dǎo)致通信質(zhì)量嚴(yán)重下降，甚至無(wú)法正常傳輸數(shù)據(jù)，此時(shí)系統(tǒng)處于中斷狀態(tài)。中斷概率對(duì)于評(píng)估系統(tǒng)的可靠性具有至關(guān)重要的意義。在實(shí)際通信應(yīng)用中，系統(tǒng)的可靠性是用戶關(guān)注的核心問(wèn)題之一。一個(gè)具有較低中斷概率的系統(tǒng)能夠在各種復(fù)雜的環(huán)境條件下，更穩(wěn)定地為用戶提供通信服務(wù)，確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。在一些對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性要求極高的場(chǎng)景，如軍事通信、金融交易數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程醫(yī)療等領(lǐng)域，中斷概率的大小直接影響到通信的有效性和安全性。在軍事通信中，若中斷概率過(guò)高，可能導(dǎo)致指揮命令無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確傳達(dá)，影響作戰(zhàn)決策和行動(dòng)；在金融交易數(shù)據(jù)傳輸中，中斷可能導(dǎo)致交易信息丟失或錯(cuò)誤，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失；在遠(yuǎn)程醫(yī)療中，中斷可能影響診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性，危及患者的生命安全。因此，通過(guò)分析和降低中斷概率，可以有效提高基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)的可靠性，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)通信質(zhì)量的嚴(yán)格要求。4.2.2中斷概率計(jì)算方法在基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)中，中斷概率的計(jì)算較為復(fù)雜，需要綜合考慮大氣湍流信道模型、MIMO鏈路特性以及多用戶分集等因素。首先考慮大氣湍流信道模型對(duì)中斷概率的影響。如前文所述，常用的大氣湍流信道模型有對(duì)數(shù)正態(tài)模型、Gamma-Gamma模型和負(fù)指數(shù)模型等。以Gamma-Gamma模型為例，假設(shè)接收光強(qiáng)為I，其概率密度函數(shù)為：p_{GG}(I)=\frac{2(\alpha\beta)^{\frac{\alpha+\beta}{2}}}{\Gamma(\alpha)\Gamma(\beta)}I^{\frac{\alpha+\beta}{2}-1}K_{\alpha-\beta}(2\sqrt{\alpha\betaI})其中，\alpha和\beta是與大氣湍流強(qiáng)度和鏈路長(zhǎng)度等因素相關(guān)的參數(shù)。接收端的信噪比\gamma與接收光強(qiáng)I相關(guān)，可表示為\gamma=\frac{I^2}{N_0}，其中N_0為噪聲功率。系統(tǒng)的中斷概率P_{out}可通過(guò)對(duì)信噪比的概率分布進(jìn)行積分來(lái)計(jì)算。當(dāng)信噪比\gamma低于預(yù)設(shè)門限值\gamma_{th}時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生中斷。則中斷概率P_{out}的計(jì)算公式為：P_{out}=P(\gamma\lt\gamma_{th})=\int_{0}^{\gamma_{th}}p_{\gamma}(\gamma)d\gamma其中，p_{\gamma}(\gamma)是信噪比\gamma的概率密度函數(shù)，它與大氣湍流信道模型以及MIMO鏈路特性有關(guān)。對(duì)于基于MIMO鏈路的系統(tǒng)，假設(shè)發(fā)射端有N_t個(gè)天線，接收端有N_r個(gè)天線，信道矩陣為\mathbf{H}，其元素h_{ij}表示從第j個(gè)發(fā)射天線到第i個(gè)接收天線的信道增益。接收信號(hào)向量\mathbf{y}與發(fā)射信號(hào)向量\mathbf{s}和噪聲向量\mathbf{n}的關(guān)系為\mathbf{y}=\mathbf{H}\mathbf{s}+\mathbf{n}。通過(guò)對(duì)信道矩陣\mathbf{H}的分析，可以得到接收信號(hào)的信噪比\gamma的表達(dá)式，進(jìn)而計(jì)算出中斷概率。在采用最大比合并（MRC）的MIMO系統(tǒng)中，接收信號(hào)的信噪比\gamma_{MRC}可以表示為：\gamma_{MRC}=\sum_{i=1}^{N_r}\sum_{j=1}^{N_t}|h_{ij}|^2\gamma_{ij}其中，\gamma_{ij}是從第j個(gè)發(fā)射天線到第i個(gè)接收天線的子信道信噪比。將\gamma_{MRC}代入中斷概率計(jì)算公式中，即可得到基于MIMO鏈路的系統(tǒng)中斷概率。在多用戶分集場(chǎng)景下，系統(tǒng)中有K個(gè)用戶，每個(gè)用戶的信道增益為h_k，k=1,2,\cdots,K。系統(tǒng)通過(guò)選擇信道條件最好的用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，即選擇信道增益最大的用戶。設(shè)用戶k的信噪比為\gamma_k，則系統(tǒng)選擇的用戶的信噪比為\gamma_{max}=\max\{\gamma_1,\gamma_2,\cdots,\gamma_K\}。此時(shí)，系統(tǒng)的中斷概率P_{out}可表示為：P_{out}=P(\gamma_{max}\lt\gamma_{th})=\prod_{k=1}^{K}P(\gamma_k\lt\gamma_{th})即系統(tǒng)中斷概率等于每個(gè)用戶的信噪比都低于門限值的概率之積。這是因?yàn)橹挥挟?dāng)所有用戶的信道條件都較差（信噪比都低于門限值）時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)發(fā)生中斷。系統(tǒng)中斷概率與信道條件密切相關(guān)。大氣湍流強(qiáng)度越強(qiáng)，信道衰落越嚴(yán)重，接收信號(hào)的信噪比越低，中斷概率越高。鏈路長(zhǎng)度增加，大氣衰減和散射等因素對(duì)信號(hào)的影響增大，也會(huì)導(dǎo)致中斷概率上升。用戶數(shù)量的增加會(huì)使系統(tǒng)選擇到信道條件較好用戶的概率增大，在一定程度上降低中斷概率。但當(dāng)用戶數(shù)量過(guò)多時(shí)，由于信道資源有限，用戶之間的干擾可能會(huì)增加，反而可能導(dǎo)致中斷概率上升。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程中，需要綜合考慮信道條件和用戶數(shù)量等因素，以降低中斷概率，提高系統(tǒng)的可靠性。4.3信道容量4.3.1信道容量理論基礎(chǔ)信道容量作為衡量通信系統(tǒng)傳輸能力的關(guān)鍵指標(biāo)，是指在特定信道條件下，信道能夠可靠傳輸信息的最大速率，單位通常為比特每秒（bps）。它為通信系統(tǒng)的性能設(shè)定了理論上限，在通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析中具有至關(guān)重要的地位。香農(nóng)定理是信道容量理論的核心基礎(chǔ)，由克勞德?艾爾伍德?香農(nóng)（ClaudeElwoodShannon）于1948年提出，也被稱為香農(nóng)-哈特利定理。該定理描述了在帶寬有限且存在噪聲干擾的信道中，信道容量C與信道帶寬B、信號(hào)功率S以及噪聲功率N之間的關(guān)系，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：C=B\log_2(1+\frac{S}{N})其中，C表示信道容量，單位為比特每秒（bps）；B是信道帶寬，單位為赫茲（Hz），它決定了信道能夠傳輸信號(hào)的頻率范圍；S是信號(hào)功率，單位為瓦特（W），反映了信號(hào)攜帶信息的能量大??；N是噪聲功率，單位同樣為瓦特（W），代表信道中干擾信號(hào)傳輸?shù)脑肼暷芰?。\frac{S}{N}為信噪比（Signal-to-NoiseRatio，SNR），它是衡量信號(hào)與噪聲強(qiáng)度相對(duì)大小的重要參數(shù)。香農(nóng)定理深刻揭示了通信系統(tǒng)中信道容量與帶寬和信噪比之間的內(nèi)在聯(lián)系。在一定程度上，增加信道帶寬可以提高信道容量，因?yàn)楦鼘挼膸捯馕吨诺滥軌蛉菁{更多的信號(hào)變化，從而傳輸更多的信息。當(dāng)信道帶寬增加一倍時(shí)，在其他條件不變的情況下，信道容量理論上也會(huì)相應(yīng)增加。但這種增加并非是無(wú)限制的，隨著帶寬的不斷增大，噪聲功率也會(huì)隨之增加，導(dǎo)致信噪比下降，最終限制了信道容量的進(jìn)一步提升。提高信噪比也能夠有效提高信道容量。信噪比越高，說(shuō)明信號(hào)相對(duì)噪聲越強(qiáng)，信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到噪聲干擾的影響越小，從而能夠更準(zhǔn)確地傳輸信息，進(jìn)而提高信道容量。通過(guò)增加發(fā)射功率來(lái)提高信號(hào)功率，或者采用更先進(jìn)的接收設(shè)備來(lái)降低噪聲功率，都可以提高信噪比，從而提升信道容量。香農(nóng)定理還表明，在信道容量一定的情況下，帶寬和信噪比之間存在著相互制約的關(guān)系。當(dāng)信道帶寬受限無(wú)法增加時(shí)，可以通過(guò)提高信噪比來(lái)保證信道容量；反之，當(dāng)信噪比難以提升時(shí)，可以通過(guò)增加帶寬來(lái)維持信道容量。在實(shí)際通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和條件，合理權(quán)衡帶寬和信噪比，以實(shí)現(xiàn)信道容量的最大化。香農(nóng)定理為通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要的理論指導(dǎo)，它使得研究人員能夠在理論層面上明確通信系統(tǒng)的性能極限，為開(kāi)發(fā)更高效、可靠的通信技術(shù)提供了方向。在無(wú)線通信、光纖通信等領(lǐng)域，香農(nóng)定理被廣泛應(yīng)用于評(píng)估系統(tǒng)性能、設(shè)計(jì)調(diào)制解調(diào)方案以及優(yōu)化編碼技術(shù)等方面。4.3.2系統(tǒng)信道容量分析在基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)中，信道容量的分析涉及到多個(gè)復(fù)雜因素的相互作用，包括大氣湍流、MIMO鏈路特性以及多用戶分集等。這些因素共同影響著系統(tǒng)在不同條件下的信道容量，進(jìn)而決定了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力和性能表現(xiàn)。大氣湍流作為影響FSO系統(tǒng)信道容量的關(guān)鍵因素之一，其對(duì)信道容量的影響十分顯著。大氣湍流會(huì)導(dǎo)致光信號(hào)在傳輸過(guò)程中發(fā)生光強(qiáng)閃爍、光束漂移和擴(kuò)展等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會(huì)引起接收信號(hào)的信噪比下降，從而降低信道容量。在強(qiáng)湍流條件下，光強(qiáng)閃爍劇烈，接收信號(hào)的光強(qiáng)波動(dòng)范圍增大，噪聲的影響相對(duì)增強(qiáng)，導(dǎo)致信噪比降低，信道容量隨之減小。研究表明，當(dāng)大氣湍流強(qiáng)度增加時(shí)，基于Gamma-Gamma信道模型的FSO系統(tǒng)信道容量會(huì)明顯下降。MIMO鏈路技術(shù)通過(guò)在發(fā)射端和接收端配置多個(gè)天線，利用空間分集和復(fù)用特性，能夠有效提高系統(tǒng)的信道容量。在空間分集模式下，不同發(fā)射天線發(fā)送相同的信息，接收端通過(guò)合并多個(gè)天線接收到的信號(hào)，增強(qiáng)信號(hào)的可靠性，降低噪聲對(duì)信號(hào)的影響，從而提高信噪比，進(jìn)而提升信道容量。在采用最大比合并（MRC）的MIMO系統(tǒng)中，接收信號(hào)的信噪比得到增強(qiáng)，信道容量也相應(yīng)提高。在空間復(fù)用模式下，不同發(fā)射天線發(fā)送不同的信息，充分利用空間維度，在相同的時(shí)間和頻率資源下，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率得到提高，從而增加了信道容量。一個(gè)具有N_t個(gè)發(fā)射天線和N_r個(gè)接收天線的MIMO系統(tǒng)，其信道容量隨著天線數(shù)量的增加而增大。多用戶分集技術(shù)通過(guò)選擇瞬時(shí)信道條件最好的用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了多用戶分集增益，對(duì)系統(tǒng)信道容量產(chǎn)生積極影響。在多用戶場(chǎng)景下，不同用戶的信道狀態(tài)隨時(shí)間和空間呈現(xiàn)出不同的隨機(jī)變化。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)用戶的信道狀態(tài)信息（CSI），選擇信道增益最大或信噪比最高的用戶進(jìn)行傳輸，能夠使系統(tǒng)在每個(gè)時(shí)刻都以較高的傳輸速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而提高系統(tǒng)的整體信道容量。隨著用戶數(shù)量的增加，出現(xiàn)信道條件較好用戶的概率也會(huì)增加，多用戶分集增益更加明顯，系統(tǒng)信道容量進(jìn)一步提升。當(dāng)用戶數(shù)量從10個(gè)增加到20個(gè)時(shí)，系統(tǒng)的信道容量可能會(huì)提高一定比例。為了更直觀地展示系統(tǒng)在不同條件下的信道容量變化情況，通過(guò)Matlab仿真得到圖2：圖2不同條件下系統(tǒng)信道容量變化圖從圖2中可以清晰地看出，隨著大氣湍流強(qiáng)度的增加，系統(tǒng)信道容量逐漸降低，這是因?yàn)榇髿馔牧鲗?dǎo)致信號(hào)衰落加劇，信噪比下降。當(dāng)大氣湍流強(qiáng)度從弱變強(qiáng)時(shí)，信道容量從較高值逐漸減小。而隨著MIMO鏈路天線數(shù)量的增加，系統(tǒng)信道容量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這體現(xiàn)了MIMO鏈路技術(shù)通過(guò)空間分集和復(fù)用對(duì)信道容量的提升作用。當(dāng)發(fā)射天線和接收天線數(shù)量從2增加到4時(shí)，信道容量有明顯的提升。隨著用戶數(shù)量的增加，系統(tǒng)信道容量也逐漸增大，反映了多用戶分集技術(shù)通過(guò)選擇優(yōu)質(zhì)信道用戶來(lái)提高信道容量的效果。當(dāng)用戶數(shù)量從5個(gè)增加到15個(gè)時(shí)，信道容量不斷上升。在基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)中，大氣湍流、MIMO鏈路和多用戶分集等因素對(duì)信道容量的影響相互交織。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程中，需要綜合考慮這些因素，采取有效的措施來(lái)提高信道容量，以滿足不斷增長(zhǎng)的通信需求。五、影響系統(tǒng)性能的因素5.1大氣湍流強(qiáng)度5.1.1湍流強(qiáng)度對(duì)信號(hào)衰落的影響大氣湍流是影響基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一，其強(qiáng)度的變化會(huì)對(duì)信號(hào)衰落產(chǎn)生顯著影響。大氣湍流是由于大氣中溫度、濕度等物理量的不均勻分布而產(chǎn)生的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致大氣折射率的隨機(jī)變化。當(dāng)激光束在大氣湍流中傳輸時(shí)，會(huì)受到多種效應(yīng)的作用，其中光強(qiáng)閃爍和光束漂移是最為突出的現(xiàn)象。光強(qiáng)閃爍是指接收端接收到的光信號(hào)強(qiáng)度呈現(xiàn)出隨機(jī)起伏的現(xiàn)象。在大氣湍流中，由于不同尺度的渦旋對(duì)光信號(hào)的散射和折射作用，使得光信號(hào)在傳輸過(guò)程中經(jīng)歷多條不同路徑，這些路徑的長(zhǎng)度和相位各不相同，從而在接收端產(chǎn)生干涉效應(yīng)。當(dāng)這些干涉信號(hào)相互疊加時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致接收光強(qiáng)的劇烈波動(dòng)。在強(qiáng)湍流條件下，大氣中的渦旋更加復(fù)雜且尺度分布更廣，光信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到的散射和折射作用更加劇烈，使得光強(qiáng)閃爍的幅度增大，衰落深度加深。當(dāng)大氣湍流強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，光強(qiáng)閃爍可能會(huì)導(dǎo)致接收光強(qiáng)瞬間降低到極低水平，使得接收信號(hào)的信噪比急劇下降，嚴(yán)重影響信號(hào)的可靠傳輸。光束漂移則是指激光束在傳輸過(guò)程中傳播方向發(fā)生隨機(jī)改變的現(xiàn)象。大氣湍流中的溫度和風(fēng)速等因素的不均勻分布，導(dǎo)致大氣折射率在空間上的變化，使得激光束在傳播過(guò)程中受到不均勻的折射力作用。這種不均勻的折射力會(huì)使激光束的波前發(fā)生畸變，從而導(dǎo)致光束的傳播方向發(fā)生偏移。在強(qiáng)湍流環(huán)境下，大氣折射率的變化更加劇烈，光束漂移的程度也會(huì)隨之增大。當(dāng)光束漂移超出接收端的視場(chǎng)范圍時(shí)，接收端將無(wú)法準(zhǔn)確接收到信號(hào)，導(dǎo)致通信中斷。大氣湍流強(qiáng)度的增加還會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的衰落持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)。在弱湍流條件下，雖然也會(huì)出現(xiàn)光強(qiáng)閃爍和光束漂移現(xiàn)象，但衰落的持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，系統(tǒng)有更多機(jī)會(huì)在衰落間隙恢復(fù)正常通信。而在強(qiáng)湍流條件下，衰落事件更加頻繁且持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，這使得系統(tǒng)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于低信噪比狀態(tài)，增加了誤碼率和中斷概率，嚴(yán)重降低了系統(tǒng)的可靠性和通信質(zhì)量。大氣湍流強(qiáng)度的變化對(duì)信號(hào)衰落有著深刻的影響，光強(qiáng)閃爍和光束漂移等現(xiàn)象會(huì)隨著湍流強(qiáng)度的增加而加劇，導(dǎo)致信號(hào)衰落深度加深、持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，進(jìn)而嚴(yán)重影響基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)的性能。5.1.2不同湍流強(qiáng)度下系統(tǒng)性能對(duì)比為了深入研究不同湍流強(qiáng)度下基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)的性能差異，通過(guò)Matlab仿真平臺(tái)進(jìn)行了一系列仿真實(shí)驗(yàn)。在仿真中，設(shè)定了不同的大氣湍流強(qiáng)度參數(shù)，分別模擬弱湍流、中等強(qiáng)度湍流和強(qiáng)湍流三種典型的大氣湍流環(huán)境。在弱湍流條件下，大氣折射率的起伏較小，光強(qiáng)閃爍和光束漂移現(xiàn)象相對(duì)較弱。從誤碼率性能來(lái)看，由于光信號(hào)受到的干擾較小，接收端能夠較為準(zhǔn)確地檢測(cè)和恢復(fù)信號(hào)，誤碼率保持在較低水平。在采用開(kāi)關(guān)鍵控（OOK）調(diào)制方式時(shí)，誤碼率在低信噪比區(qū)域隨著信噪比的增加而快速下降，當(dāng)信噪比達(dá)到一定值后，誤碼率趨于穩(wěn)定，維持在一個(gè)較低的數(shù)值。在中斷概率方面，由于信號(hào)衰落較輕，接收端信噪比低于預(yù)設(shè)門限值的概率較低，中斷概率也相應(yīng)較低。在信道容量方面，由于弱湍流對(duì)信號(hào)的影響較小，系統(tǒng)能夠充分利用信道資源，信道容量接近理論最大值。隨著湍流強(qiáng)度增加到中等強(qiáng)度，大氣折射率的起伏逐漸增大，光強(qiáng)閃爍和光束漂移現(xiàn)象變得明顯。此時(shí)，誤碼率開(kāi)始上升，在相同信噪比條件下，誤碼率比弱湍流條件下有所增加。這是因?yàn)楣庑盘?hào)受到的干擾增強(qiáng)，接收端檢測(cè)信號(hào)的難度增大，導(dǎo)致誤碼率上升。中斷概率也隨之增加，由于信號(hào)衰落加劇，更多情況下接收端信噪比會(huì)低于門限值，從而增加了中斷的可能性。信道容量則有所下降，中等強(qiáng)度的湍流使得信號(hào)傳輸受到一定阻礙，信道資源的利用效率降低，導(dǎo)致信道容量減小。當(dāng)湍流強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)到強(qiáng)湍流時(shí)，光強(qiáng)閃爍和光束漂移現(xiàn)象變得非常劇烈。誤碼率急劇上升，在較高信噪比區(qū)域，誤碼率仍然維持在較高水平，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。這是因?yàn)閺?qiáng)湍流導(dǎo)致光信號(hào)的衰落深度加深，接收端接收到的信號(hào)質(zhì)量嚴(yán)重下降，誤碼率大幅增加。中斷概率也顯著增大，信號(hào)頻繁衰落使得系統(tǒng)經(jīng)常處于中斷狀態(tài)，通信的可靠性極低。信道容量則大幅下降，強(qiáng)湍流對(duì)信號(hào)的嚴(yán)重干擾使得信道幾乎無(wú)法正常傳輸信息，信道容量遠(yuǎn)低于理論最大值。通過(guò)Matlab仿真得到不同湍流強(qiáng)度下系統(tǒng)誤碼率、中斷概率和信道容量的對(duì)比曲線，如圖3、圖4和圖5所示：圖3不同湍流強(qiáng)度下系統(tǒng)誤碼率對(duì)比曲線從圖3可以清晰地看出，隨著湍流強(qiáng)度的增加，誤碼率逐漸上升，強(qiáng)湍流條件下的誤碼率遠(yuǎn)高于弱湍流和中等強(qiáng)度湍流。圖4不同湍流強(qiáng)度下系統(tǒng)中斷概率對(duì)比曲線從圖4可以看出，中斷概率隨著湍流強(qiáng)度的增加而顯著增大，強(qiáng)湍流條件下的中斷概率接近1，說(shuō)明系統(tǒng)幾乎無(wú)法正常通信。圖5不同湍流強(qiáng)度下系統(tǒng)信道容量對(duì)比曲線從圖5可以看出，信道容量隨著湍流強(qiáng)度的增加而逐漸減小，強(qiáng)湍流條件下的信道容量大幅降低，表明系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力受到嚴(yán)重限制。不同湍流強(qiáng)度對(duì)基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)的性能有著顯著影響，隨著湍流強(qiáng)度的增加，系統(tǒng)的誤碼率、中斷概率上升，信道容量下降，系統(tǒng)性能逐漸惡化。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用中，必須充分考慮大氣湍流強(qiáng)度的影響，采取有效的抗湍流措施，以提高系統(tǒng)的可靠性和通信質(zhì)量。5.2鏈路數(shù)量5.2.1鏈路數(shù)量與分集增益的關(guān)系在基于MIMO鏈路的多用戶分集FSO系統(tǒng)中，鏈路數(shù)量與分集增益之間存在著緊密的聯(lián)系。分集增益是衡量通信系統(tǒng)抗衰落能力的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)通過(guò)利用多個(gè)獨(dú)立衰落路徑來(lái)降低信號(hào)衰落影響的能力。隨著鏈路數(shù)量的增加，系統(tǒng)能夠獲得的分集增益顯著提高。這是因?yàn)樵贛IMO系統(tǒng)中，每個(gè)鏈路都可以看作是一個(gè)獨(dú)立的傳輸路徑，當(dāng)某一條鏈路由于大氣湍流等因素而遭受深度衰落時(shí)，其他鏈路仍有可能保持較好的傳輸質(zhì)量。在一個(gè)2×2的MIMO-FSO系統(tǒng)中，有兩條發(fā)射鏈路和兩條接收鏈路，當(dāng)其中一條發(fā)射鏈路到接收鏈路的信道受到大氣湍流的嚴(yán)重干擾，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度大幅下降時(shí)，另一條鏈路可能受到的影響較小，仍然能夠傳輸相對(duì)可靠的信號(hào)。接收端通過(guò)采用合適的合并算法，如最大比合并（MRC）算法，將多個(gè)鏈路接收到的信