基于放大-转发中继方式的RF/FSO协作通信系统性能分析

1）信噪比模型

（1）无RF直传链路。系统在无RF直传链路条件下采取固定增益中继方式端到端信噪比为

固定增益中继方式下，无RF直传链路条件下中继系统的累计分布函数根据式（3.113）可表示为

将式（3.40）和式（3.96）代入式（3.114），则上式CDF可表示为

式（3.115）中对γ求导，同时利用Meijer's G函数性质，可以得到概率密度函数PDF为

（2）采用分集技术。系统在采用分集技术条件下采取固定增益中继方式端到端信噪比表示为

根据式（3.118），系统基于端到端SNR的累积分布函数表达式可写为

将式（3.97）和式（3.100）代入式（3.119）中得累积分布函数CDF为

对式（3.120）中的γ进行求导，得到概率密度函数PDF为

2）系统性能分析

（1）无RF直传链路。中断概率作为度量通信系统传输可靠性的物理量，定义为系统端到端瞬时信噪比低于某一目标信噪比门限值的概率。由式（3.115）可得无RF直传链路时RF／FSO通信系统的中断概率表示为

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将式（3.117）代入式（3.77），利用Meijers'G函数性质推导得误码率闭合表达式为

（2）采用分集技术。由式（3.120）可得采用分集技术条件下系统的中断概率为

（3）误码率。将式（3.121）代入式（3.77），推导得误码率闭合表达式为3）仿真及结果分析

根据上述推导得到的中断概率闭合表达式（3.122）、式（3.124）及误码率的闭合表达式（3.123）、式（3.125），对基于固定增益放大-转发中继的RF／FSO协作通信系统性能进行仿真分析。仿真中设中继节点（R）到目的节点（D）间链路（FSO链路）的平均信噪比为10 dB，固定中继增益数值为C=1。激光波长为λ=1 550 nm，FSO链路传输距离为L=100 km。针对式（3.122）～式（3.125）中的无穷级数形式，在计算时设i=30，此时公式可基本收敛。

图3.36仿真分析了不同接收孔径条件下无RF直传链路及采用分集技术下系统误码率变化规律，系统采用BPSK调制方式和弱湍流强度。仿真结果表明，系统在采用分集技术时误码率性能改善明显，例如，在SNR=20 dB和D=15 cm时，采用分集技术系统和无RF直传链路系统误码率分别为7.275×10-6和2.649×10-3。孔径平均效应也可改善系统误码率性能，如系统采用分集技术，SNR=20 dB时，在D=15 cm时的误码率比D=5 cm时的降低1个量级。

图3.36　不同接收孔径条件下，无RF直传链路及采用分集技术下系统误码率变化规律

图3.37为采用选择合并分集技术的系统在固定增益中继方式下，处于不同衰落指数和大气湍流强度条件时系统平均误码率性能随信噪比变化规律。仿真中设接收孔径D=15 cm，调制方式为BPSK。由仿真结果可知，同一SNR值下，系统处于任意湍流强度，弱RF衰减时的误码性能整体优于强RF衰减时的误码率。故在固定增益中继条件下，RF链路对RF／FSO协作通信系统性能起主要影响作用。如当SNR=24 dB时，系统在弱湍流强度及强RF衰减（m=1）条件下，Pe=1.811×10-5，系统处于中湍流强度及弱RF衰减（m=3）条件下误码率Pe=1.953×10-6，误码率降低了1个量级。

图3.37　不同RF链路衰落指数m下误码率变化规律

采用选择合并分集技术的RF／FSO协作通信系统在不同调制方式下的误码率变化规律如图3.38所示。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。当SNR=20 dB时，BPSK，BFSK，DBPSK和QPSK调制方式下误码率分别为7.275×10-6，2.242×10-5，5.646×10-5和1.291×10-4，由数据可得BPSK与QPSK调制方式误码率相差2个量级，BPSK为最佳调制方式，其次为BFSK和DBPSK，QPSK调制方式误码性能最差。

图3.38　不同调制方式下平均误码率变化规律

图3.39为不同接收孔径条件下无RF直传链路及采用分集技术下系统中断概率变化规律。由图可知，分集技术的采用明显提高了系统中断性能。且随着接收孔径的增大，系统性能随之改善。如SNR=26 dB时，RF／FSO协同通信系统采用分集技术条件下，D=5 cm时，Pout=1.052×10-4；D=15 cm时，Pout=2.79×10-5。

图3.39　不同接收孔径条件下无RF直传链路及采用分集技术下系统中断概率变化规律