引用本文:

周宇,李岳衡,王炜杰,等. FSO-UWOC混合双跳系统中断概率性能分析[J]. 光通信技术,2025,49(6):30-36.

FSO-UWOC混合双跳系统中断概率性能分析

周 宇,李岳衡*,王炜杰,吕 勇,居美艳

(河海大学 信息科学与工程学院, 江苏 常州 213200)

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摘要:针对现有研究在跨介质“空-地-海”中继通信领域信道建模不完善的问题,分析了解码转发(DF)中继下自由空间光通信(FSO)-水下无线光通信(UWOC)混合双跳系统的中断概率性能。通过构建包含Gamma-Gamma大气湍流、广义伽马(GGD)水下湍流、指向误差和路径损耗的复合信道模型,利用Meijer-G函数推导了系统中断概率的闭型表达式及高信噪比渐近解。仿真结果表明:大气湍流增强使中断概率显著上升,且指向误差的影响比湍流效应更明显;增大FSO链路距离会持续恶化性能,而UWOC链路距离的影响在高信噪比时减弱;外差检测性能始终优于强度调制/直接检测(IM/DD)。理论值与仿真结果高度吻合,验证了所提模型的正确性。

关键词:解码转发;自由空间光;水下无线光通信;指向误差;湍流衰落;性能分析

中图分类号:TN929.3 文献标志码:文章编号:1002-5561(2025)06-0030-07

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2025.06.006

本文主要分析了FSO-UWOC(自由空间光/水下无线光通信)混合双跳系统中断概率的性能,以下是详细总结:


研究背景与意义:

可见光通信作为6G/B6G“空-天-地-海”一体化覆盖的关键技术,UWOC(水下无线光通信)在高速、低延迟传输方面潜力显著。

现有研究多集中于同质介质中继传输,对跨介质“空/天-地-海”中继通信的探索较为缺乏。

相较于RF(射频)通信,FSO(自由空间光)通信在容量、速率和安全性上优势显著,是更具潜力的空/地-水面中继链路。


研究内容与贡献:

构建了一个采用DF(解码-转发)中继协议的FSO-UWOC混合双跳通信系统。

综合考虑了双链路所经历的湍流、指向误差与路径损耗等复合衰落因素。

推导了系统在外差检测与IM/DD(强度调制/直接检测)检测两种方式下的平均中断概率理论闭型表达式,并给出了高信噪比下的渐近性能。

通过蒙特卡洛仿真验证了理论分析的正确性,并考察了不同系统核心参数对系统中断概率性能的影响。


系统与信道模型:

系统概述:系统包含发射节点S、海面中继节点R与水下目的节点D。S通过FSO链路将信号发送至R,R对信号进行解码与转发,重构后的信号再经UWOC链路传输至D。

FSO链路模型:考虑了大气路径损耗、Gamma-Gamma中-强大气湍流效应以及零视轴指向误差。

UWOC链路模型:考虑了水下路径损耗、GGD(广义伽马分布)海洋湍流衰落以及零视轴指向误差。


端到端系统性能分析:

瞬时SNR统计特性:端到端瞬时信噪比表示为S-R链路与R-D链路瞬时信噪比的最小值。

中断概率及渐近值分析:推导了系统中断概率的理论闭型表达式和高信噪比条件下的渐近表达式。


仿真结果与分析:

大气湍流强度对中断概率的影响:大气湍流强度的增强会导致中断概率性能的快速下降。

检测方案对中断概率的影响:外差检测相比IM/DD检测能获得更低的系统中断概率值。

指向误差对中断概率的影响:指向误差的取值越小(指向误差越严重),中断概率性能越差;指向误差对系统中断概率的影响比大气湍流效应更加明显。

链路传输距离对中断概率的影响:增大FSO链路的传输距离会导致系统中断概率性能的恶化;增大UWOC链路的传输距离对系统中断概率性能恶化的影响主要体现在低系统平均信噪比区域。


结论与贡献:

构建了完善的FSO和UWOC链路复合衰落信道模型。

推导了接收机分别采用外差检测和IM/DD检测方案时FSO链路和UWOC链路瞬时信噪比的概率密度函数和累积分布函数的数学通式。

推导了混合双跳FSO-UWOC系统平均中断概率的理论闭型表达式和渐近表达式。

利用蒙特卡洛数值仿真验证了理论分析的准确性,并分析了不同核心参数的选择对系统中断概率性能的影响。