非Kolmogorov湍流下MIMO光通信的多光束容量分析

本文主要探讨了在非Kolmogorov强湍流环境下，多部分相干光束应用于多输入多输出（MIMO）自由空间光通信系统的容量性能。作者们针对的是等增益合并（equal gain combining, EGC）多样性配置，这种配置被广泛用于提高光通信系统的可靠性，特别是在难以控制的自由空间环境中，如大气湍流。 研究的核心内容首先集中在对多个独立的部分相干光束进行分析，这些光束在传播过程中受到非Kolmogorov强湍流的影响。Kolmogorov湍流模型通常假设大气湍流的强度分布是正态的，但在实际情况下，湍流特性可能更为复杂，因此采用非Kolmogorov模型能更好地反映实际情况。 文章的关键发现是，通过对多伽马-伽马随机变量（gamma-gamma random variables）的求和，作者得到了多部分相干光束在强湍流中的散射（scintillation）的闭合形式表达式。散射是指光信号在传输过程中由于大气扰动而产生的闪烁现象，它直接影响着光通信系统的信噪比（SNR）和数据传输的稳定度。 接着，作者进一步推导出平均容量的闭合形式，这是衡量系统传输能力的重要指标。平均容量反映了在考虑到散射效应后，系统能够稳定传输的信息速率。研究结果显示，这个平均容量不仅取决于独立的分支数量，还与湍流强度的幂律指数α以及折射指数结构参数有关。 通过这些分析，研究人员揭示了在非Kolmogorov强湍流条件下，如何优化MIMO FSO系统的配置以最大化容量，这对于设计抗干扰、高可靠性的光通信系统具有重要意义。此外，这项研究也为理解不同湍流条件下的光通信性能提供了理论依据，有助于未来在恶劣环境下的光纤替代技术——如卫星通信或地面无线传输——的发展。 这篇研究论文深入探讨了在现实大气条件下的MIMO FSO通信系统设计，为工程实践提供了实用的理论指导，尤其是在面对复杂湍流挑战时。