本發(fā)明涉及自由空間光通信技術(shù)、自由空間量子通信，特別涉及大氣湍流光強(qiáng)閃爍模型參數(shù)估計(jì)方法、系統(tǒng)、設(shè)備和介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和科技的飛速進(jìn)步，傳統(tǒng)的地面通信技術(shù)在廣域覆蓋、低延時(shí)和高帶寬傳輸中存在不足，進(jìn)而催生了空天地一體化通信的發(fā)展。近些年來，基于光載波的通信系統(tǒng)在自由空間信道上得到了迅猛地發(fā)展。在星地激光或者光量子通信中，存在著20多公里厚度的大氣層，空間中溫度、壓強(qiáng)的隨機(jī)變化會(huì)產(chǎn)生大氣湍流，進(jìn)而引起的折射率的隨機(jī)變化，最終會(huì)使得光經(jīng)過大氣信道時(shí)，傳播到達(dá)接收端上的功率發(fā)生隨機(jī)變化，這種衰落效應(yīng)稱為閃爍。由于光的波粒二象性，量子信號(hào)與大氣湍流的作用與經(jīng)典光一致，因此接收端量子光效率隨時(shí)變化模型與經(jīng)典光一致。

2、為有效評(píng)估實(shí)際的自由空間信道和光量子通信系統(tǒng)性能，研究人員提出了許多光強(qiáng)閃爍模型，并對(duì)光強(qiáng)閃爍模型的適應(yīng)范圍進(jìn)行了詳細(xì)比對(duì)和討論。根據(jù)確定模型的參數(shù)數(shù)量不同，現(xiàn)有的光強(qiáng)閃爍模型可分為單參數(shù)模型，雙參數(shù)模型以及多參數(shù)模型。其中單參數(shù)湍流模型中，常用的是對(duì)數(shù)正態(tài)模型和負(fù)指數(shù)模型，它們的適用范圍局限于弱湍流和強(qiáng)湍流極限區(qū)。雙參數(shù)湍流模型中，常用的是光強(qiáng)閃爍gamma-gamma模型和無線信道lognormal-rician模型，它們具有適應(yīng)從弱湍流到強(qiáng)湍流的變化范圍的能力，在一些信道場(chǎng)景下，例如大孔徑接收或者激光傳輸方式為球面波傳播時(shí)，lognormal-rician模型比gamma-gamma模型更精確。多參數(shù)湍流模型有málaga模型（五參數(shù)模型）。一般而言，光強(qiáng)閃爍模型越復(fù)雜，適應(yīng)范圍和信道條件越廣，由于評(píng)估實(shí)際系統(tǒng)性能時(shí)還需要對(duì)光強(qiáng)閃爍模型參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，因此從復(fù)雜度和模型精度上進(jìn)行權(quán)衡考慮，研究最多的還是雙參數(shù)湍流模型。

3、所述雙參數(shù)湍流模型中，gamma-gamma信道的參數(shù)估計(jì)有矩估計(jì)、期望最大算法、分?jǐn)?shù)階矩估計(jì)等，lognormal-rician的估計(jì)方法有廣義階矩估計(jì)法、期望最大算法以及鞍點(diǎn)逼近算法?？墒乾F(xiàn)有雙參數(shù)湍流模型所使用的參數(shù)估計(jì)方法在獲取高精度模型時(shí)，涉及到復(fù)雜函數(shù)或者積分運(yùn)算，會(huì)導(dǎo)致估計(jì)過程變復(fù)雜的情況發(fā)生，不利于通過模型進(jìn)行不同信道模型的參數(shù)估計(jì)，乃至于無法精確有效的進(jìn)行自由空間信道和光量子通信系統(tǒng)性能評(píng)估。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供大氣湍流光強(qiáng)閃爍模型參數(shù)估計(jì)方法、系統(tǒng)、設(shè)備和介質(zhì)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中現(xiàn)有估計(jì)方法涉及到復(fù)雜函數(shù)或者積分運(yùn)算，會(huì)導(dǎo)致估計(jì)過程變復(fù)雜的情況發(fā)生，不利于通過模型進(jìn)行不同信道模型的參數(shù)估計(jì)，乃至于無法精確有效的進(jìn)行自由空間信道和光量子通信系統(tǒng)性能評(píng)估的問題。

2、本發(fā)明具體提供如下技術(shù)方案：一種大氣湍流光強(qiáng)閃爍模型參數(shù)估計(jì)方法，包括如下步驟：

3、獲取大氣湍流的多個(gè)信道采樣值，并獲取多個(gè)信道采樣值的初始信道參數(shù)；

4、根據(jù)初始信道參數(shù)和樣本數(shù) k值生成多組光強(qiáng)閃爍樣本，并利用最近鄰密度估計(jì)方法獲取每組光強(qiáng)閃爍樣本的光強(qiáng)閃爍估計(jì)模型；

5、剔除信道采樣值中不在每組光強(qiáng)閃爍樣本最小值到最大值范圍的數(shù)據(jù)，將其余的信道采樣值輸入光強(qiáng)閃爍估計(jì)模型中，獲取每組光強(qiáng)閃爍樣本的對(duì)數(shù)似然函數(shù)值，并將多個(gè)對(duì)數(shù)似然函數(shù)值取平均；

6、將獲取對(duì)數(shù)似然函數(shù)值取平均的步驟進(jìn)行迭代，獲取最大的平均對(duì)數(shù)似然函數(shù)值，通過最大的平均對(duì)數(shù)似然函數(shù)值表征光強(qiáng)閃爍估計(jì)模型的信道參數(shù)值。

7、優(yōu)選的，所述獲取大氣湍流的多個(gè)信道采樣值，并獲取多個(gè)信道采樣值的初始信道參數(shù)，具體為：

8、獲取信道采樣值中參數(shù)的初始估計(jì)表達(dá)式，，具體為：

9、；

10、其中，表示光電探測(cè)器獲取的第個(gè)大氣湍流信道采樣值，滿足，表示總共采樣樣本量大小，1和2表示第1個(gè)和第2個(gè)采樣樣本。

11、優(yōu)選的，所述根據(jù)初始信道參數(shù)和樣本數(shù) k值生成多組光強(qiáng)閃爍樣本，包括：

12、多組光強(qiáng)閃爍樣本的具體表達(dá)式為：

13、；

14、其中下標(biāo)表示第組光強(qiáng)閃爍樣本，，表示第組光強(qiáng)閃爍樣本，表示第個(gè)樣本，，每個(gè)光強(qiáng)閃爍樣本服從參數(shù)為的無線信道lognormal-rician模型分布，表示每組光強(qiáng)閃爍樣本的數(shù)量大小。

15、優(yōu)選的，所述利用最近鄰密度估計(jì)方法獲取每組光強(qiáng)閃爍樣本的光強(qiáng)閃爍估計(jì)模型，包括：

16、對(duì)于任意一組光強(qiáng)閃爍樣本數(shù)據(jù)，以第組為例，利用最近鄰密度估計(jì)方法和當(dāng)前值得到樣本點(diǎn)密度估計(jì)為：

17、；

18、其中變量，為伽馬函數(shù)，表示每個(gè)數(shù)據(jù)樣本的維度，對(duì)于無線信道lognormal-rician模型中的信道，，表示序列中與距離最近的第個(gè)距離值；

19、對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性插值得到光強(qiáng)閃爍估計(jì)模型，及獲得光強(qiáng)閃爍估計(jì)模型的對(duì)數(shù)似然函數(shù)值。

20、優(yōu)選的，所述剔除信道采樣值中不在每組光強(qiáng)閃爍樣本最小值到最大值范圍的數(shù)據(jù)，將其余的信道采樣值輸入光強(qiáng)閃爍估計(jì)模型中，獲取每組光強(qiáng)閃爍樣本的對(duì)數(shù)似然函數(shù)值，并將多個(gè)對(duì)數(shù)似然函數(shù)值取平均，具體為：

21、對(duì)于第組為例，信道采樣序列經(jīng)過剔除后得到，所述滿足：

22、；

23、其中， m為總共采樣樣本量大小；對(duì)于任意一組光強(qiáng)閃爍樣本，滿足，表示剔除后最大數(shù)量的光強(qiáng)閃爍樣本， n為采樣數(shù)；

24、將代入到中并求每組平均的對(duì)數(shù)似然函數(shù)值，具體表達(dá)式為：

25、；

26、其中，為歸一化因子，具體表達(dá)式為：

27、。

28、若光強(qiáng)閃爍樣本為組，則平均對(duì)數(shù)似然函數(shù)值為：

29、。

30、優(yōu)選的，將獲取對(duì)數(shù)似然函數(shù)值取平均的步驟進(jìn)行迭代，獲取最大的平均對(duì)數(shù)似然函數(shù)值，通過最大的平均對(duì)數(shù)似然函數(shù)值表征光強(qiáng)閃爍估計(jì)模型的信道參數(shù)值，包括：

31、通過梯度下降法迭代值和信道參數(shù)，獲取最大的平均對(duì)數(shù)似然函數(shù)值，具體表達(dá)式為：

32、。

33、通過對(duì)最大的平均對(duì)數(shù)似然函數(shù)值進(jìn)行差分，近似獲得各個(gè)參數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)，具體為：

34、；

35、式中，表示第次估計(jì)結(jié)果。

36、本發(fā)明還包括一種大氣湍流光強(qiáng)閃爍模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)，包括：

37、采集模塊，用于獲取大氣湍流的多個(gè)信道采樣值，并獲取多個(gè)信道采樣值的初始信道參數(shù)；

38、模型獲取模塊，用于根據(jù)初始信道參數(shù)和樣本數(shù) k值生成多組光強(qiáng)閃爍樣本，并利用最近鄰密度估計(jì)方法獲取每組光強(qiáng)閃爍樣本的光強(qiáng)閃爍估計(jì)模型；

39、平均處理模塊，用于剔除信道采樣值中不在每組光強(qiáng)閃爍樣本最小值到最大值范圍的數(shù)據(jù)，將其余的信道采樣值輸入光強(qiáng)閃爍估計(jì)模型中，獲取每組光強(qiáng)閃爍樣本的對(duì)數(shù)似然函數(shù)值，并將多個(gè)對(duì)數(shù)似然函數(shù)值取平均；

40、估計(jì)模塊，用于將獲取對(duì)數(shù)似然函數(shù)值取平均的步驟進(jìn)行迭代，獲取最大的平均對(duì)數(shù)似然函數(shù)值，通過最大的平均對(duì)數(shù)似然函數(shù)值表征光強(qiáng)閃爍估計(jì)模型的信道參數(shù)值。

41、本發(fā)明提供一種存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述一種大氣湍流光強(qiáng)閃爍模型參數(shù)估計(jì)方法的步驟。

42、本發(fā)明提供一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括存儲(chǔ)器及處理器，所述存儲(chǔ)器中儲(chǔ)存有程序，所述程序被所述處理器執(zhí)行時(shí)，使得所述處理器執(zhí)行上述一種大氣湍流光強(qiáng)閃爍模型參數(shù)估計(jì)方法的步驟。

43、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)：

44、本發(fā)明基于光強(qiáng)閃爍樣本的思想來估計(jì)光強(qiáng)閃爍模型參數(shù)，在運(yùn)行時(shí)沒有直接根據(jù)概率密度具體表達(dá)式進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，而是根據(jù)初始信道參數(shù)和樣本數(shù)k值生成多組光強(qiáng)閃爍樣本，并剔除信道采樣值中不在光強(qiáng)閃爍樣本范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，從而獲取高質(zhì)量的信道采樣值，提高用于估計(jì)數(shù)據(jù)的精度，并將高質(zhì)量信道采樣值輸入各自選取的光強(qiáng)閃爍估計(jì)模型中，輸出每組光強(qiáng)閃爍樣本的對(duì)數(shù)似然函數(shù)值，并通過迭代獲取最大的平均對(duì)數(shù)似然函數(shù)值及信道參數(shù)值，做到了直接基于每組光強(qiáng)閃爍樣本數(shù)據(jù)來估計(jì)每個(gè)點(diǎn)的對(duì)數(shù)似然函數(shù)值的效果，避免了參數(shù)估計(jì)中涉及到的復(fù)雜函數(shù)或者積分運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了估計(jì)精度和計(jì)算復(fù)雜度的權(quán)衡，提高了大氣湍流光強(qiáng)閃爍模型參數(shù)估計(jì)的效率，進(jìn)而提高自由空間信道和光量子通信系統(tǒng)性能評(píng)估的精確度和效果。