本发明涉及强湍流水下无线光通信系统平均频谱效率获取方法。
背景技术：
1、海底地形、海洋遥感、船测等业务都在向更高容量、更安全、更便捷的目标发展，全覆盖、高质量的海洋通信网络需求日益增加。高性能的水下无线通信技术是实现海洋探测、资源勘测和海洋环境监测通信的重要保障，在海洋通信网络中发挥着至关重要的作用。目前，水下无线通信技术主要包括：水下射频通信、水下声波通信和水下无线光通信(underwater wireless optical communication,uwoc)。同水下射频通信、水下声波通信技术相比，uwoc具有宽带宽、抗电磁干扰、小体积、低功耗、高速率和高安全等优势，更适合于海洋监测网络采集的海量数据、视频的实时高速传输和交换需求，在水下高速通信、商业海洋资源勘探等领域具有广泛的应用。
2、然而，光信号在海洋中传输会受到湍流影响，从而产生光束闪烁效应，限制了uwoc系统的性能。另一方面，uwoc系统性能除了受到湍流效应的限制外，还受到瞄准误差的影响。瞄准误差是因信源和接收机之间的相对运动而引起的，它会造成接收功率出现波动，从而影响了uwoc系统的性能。
3、在通信系统中，考虑接收信号强度和衰落的情况下，信道容量是使用最广泛的性能指标之一，直接决定了信息的最大传输速率。平均频谱效率(average spectralefficiency，ase)是将平均信道容量对带宽作归一化处理得到的物理量，相较于信道容量更能直接反映单位带宽内的传输速率。但在考虑湍流、吸收、散射以及瞄准误差的复杂水下环境下的无线光通信系统中，对系统的平均频谱效率的研究较少。
技术实现思路
1、本发明的目的是提出强湍流水下无线光通信系统平均频谱效率获取方法，获取考虑湍流、吸收、散射以及瞄准误差的平均频谱效率，并借助平均频谱效率评估不同参数对水下无线通信系统性能的影响，为分析复杂海洋环境下的水下无线光通信系统性能提供了方便。
2、本发明通过以下技术方案实现：
3、强湍流水下无线光通信系统平均频谱效率获取方法，包括如下步骤：
4、步骤s1、建立强海洋湍流信道模型，光信号通过该信道传输后到达接收端的瞬时接收强度为h＝hahthp，其中，ha是与光的吸收与散射系数有关的传输损耗，ht是海洋湍流的衰减量，其为gamma-gamma分布，hp是瞄准误差的衰减量；
5、步骤s2、获取基于gamma-gamma分布的海洋湍流和吸收、散射以及瞄准误差联合作用下，水下无线光通信系统瞬时接收强度的概率密度分布函数其中，表示meijer g函数，α和β分别是描述光波闪烁的外尺度和内尺度参量，其大小与海洋湍流参数和高斯光束参数直接相关，γ为接收端等效光束半径与瞄准误差位移偏差之比，a0为径向距离r＝0处的接收功率，γ(·)表示gamma函数；
6、步骤s3、在基于gamma-gamma分布的海洋湍流和吸收、散射以及瞄准误差联合作用下，分别考虑瞄准误差和忽略瞄准误差的水下无线光通信系统的平均频谱效率的封闭表达式和其中，μ为考虑瞄准误差时的平均信噪比，μ′为忽略瞄准误差时的平均信噪比；
7、步骤s4、对于步骤s3所得的考虑瞄准误差和忽略瞄准误差的平均频谱效率的封闭表达式，分别将参数带入这两个封闭表达式，以评估其对水下无线通信系统性能的影响，其中参数包括不同的传输距离、水下湍流系数和瞄准误差大小。
8、进一步的，所述步骤s1中，光信号通过所述传输模型传输后，在接收端得到的信号为y＝sx+n，其中，n为在传输中受到的均值为0、方差为n0/2的高斯白噪声，s＝ηh为瞬时强度增益，η为接收机的光电转化率。
9、进一步的，所述步骤s2中，径向距离r＝0处的接收功率为a0＝[erf(v)]2，erf(·)为误差函数，r＝d/2，d为接收端采用孔径接收的孔径直径，为传输距离l处的束腰，λ为波长，w0为发送端的束腰，表示相干长度，k＝2π/λ为波数，为折射率结构常数。
10、进一步的，所述折射率结构常数定义为其中，表示光束传输所在位置距离发送到的长度，κ为空间频率大小，为海洋湍流功率谱，其中，ε表示湍流动能耗散率，u为动力粘度，ω为温度和盐度波动对海洋湍流贡献的比值，χt为均方温度耗散率，δ＝8.28κ4/3uε-1/3+12.978κ2u3/2ε-1/2，ats＝9.41×10-3，as＝1.9×10-4，为接收端抖动方差，为等效束宽。
11、进一步的，所述步骤s3中，平均频谱效率表示为其中，φ＝(ηh)2/n0为接收的瞬时信噪比，η为接收机的光电转化率；考虑瞄准误差时，γ2＞＞1时平均信噪比则h可写成则用φ表示的瞬时接收强度的概率密度分布函数为从而得到带有瞄准误差的水下无线光通信系统的平均频谱效率为将log2(1+φ)表示为meijer g函数，即并利用meijerg函数的积分公式得到
12、进一步的，忽略瞄准误差时，h＝haht，则用φ表示的瞬时接收强度的概率密度函数分布为进而得到其中，kα-β为阶数为(α-β)的第二类修正贝塞尔函数。
13、本发明具有如下有益效果：
14、本发明基于gamma-gamma分布模拟强海洋湍流信道模型，该信道模型考虑光的吸收与散射以及瞄准误差的影响，然后推导出水下无线光通信系统瞬时接收强度的概率分布函数，再借助meijer g函数分别获取考虑瞄准误差和忽略瞄准误差情况下的平均频谱效率的封闭表达式，利用该平均频谱效率的封闭表达式可评估不同的传输距离、水下湍流系数和瞄准误差大小对水下无线通信系统性能的影响，为分析复杂海洋环境下的水下无线光通信系统性能提供了方便。
1.强湍流水下无线光通信系统平均频谱效率获取方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的强湍流水下无线光通信系统平均频谱效率获取方法，其特征在于：所述步骤s1中，光信号通过所述传输模型传输后，在接收端得到的信号为y＝sx+n，其中，n为在传输中受到的均值为0、方差为n0/2的高斯白噪声，s＝ηh为瞬时强度增益，η为接收机的光电转化率。
3.根据权利要求1所述的强湍流水下无线光通信系统平均频谱效率获取方法，其特征在于：所述步骤s2中，径向距离r＝0处的接收功率为a0＝[erf(v)]2，erf(·)为误差函数，r＝d/2，d为接收端采用孔径接收的孔径直径，为传输距离l处的束腰，λ为波长，w0为发送端的束腰，表示相干长度，k＝2π/λ为波数，为折射率结构常数。
4.根据权利要求3所述的强湍流水下无线光通信系统平均频谱效率获取方法，其特征在于：所述折射率结构常数定义为其中，表示光束传输所在位置距离发送到的长度，κ为空间频率大小，为海洋湍流功率谱，其中，ε表示湍流动能耗散率，u为动力粘度，ω为温度和盐度波动对海洋湍流贡献的比值，χt为均方温度耗散率，δ＝8.28κ4/3uε-1/3+12.978κ2u3/2ε-1/2，ats＝9.41×10-3，as＝1.9×10-4，为接收端抖动方差，为等效束宽。
5.根据权利要求1或2或3所述的强湍流水下无线光通信系统平均频谱效率获取方法，其特征在于：所述步骤s3中，平均频谱效率表示为其中，φ＝(ηh)2/n0为接收的瞬时信噪比，η为接收机的光电转化率；考虑瞄准误差时，γ2＞＞1时平均信噪比则h可写成则用φ表示的瞬时接收强度的概率密度分布函数为从而得到带有瞄准误差的水下无线光通信系统的平均频谱效率为将log2(1+φ)表示为meijer g函数，即并利用meijerg函数的积分公式得到
6.根据权利要求5所述的强湍流水下无线光通信系统平均频谱效率获取方法，其特征在于：忽略瞄准误差时，h＝haht，则用φ表示的瞬时接收强度的概率密度函数分布为进而得到其中，kα-β为阶数为(α-β)的第二类修正贝塞尔函数。
