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自由空间光通信(Free Space Optical,FSO)是指以激光作为信息载体,在自由空间中将信息由源节点传输到目的节点的光传输技术,具有高带宽、容量大、传输速率快、保密性好、部署便捷、成本低、不需要任何频谱许可等优点,近年来受到人们的广泛关注。然而激光在大气中传输时会受到大气损耗和大气湍流效应的影响,导致了通信系统性能下降,并限制了通信距离。为了降低大气效应和信道衰落的影响,本文结合传统射频(Radio Frequency,RF)通信技术和多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)FSO技术的优点,通过放大转发中继将RF链路和MIMO FSO链路有机地结合在一起,构建了基于固定增益和可变增益的放大转发中继的混合RF/MIMO FSO系统。为了进一步提高RF频谱的利用率和通信容量,将衬底认知无线电网络(Cognitive Radio Network,CRN)引入混合RF/MIMO FSO系统,搭建了基于固定增益中继的混合衬底CRN/MIMO FSO系统,分析了三种混合系统的系统性能。本文的主要研究内容如下:首先,介绍双跳中继传输系统原理,根据RF链路和FSO链路在无线系统中的传输特性,分别给出了RF链路为非认知网络和认知网络下的统计模型,及FSO链路在大气损耗和大气湍流效应下的统计模型,并推导了在大气效应的影响下,采用空间分集技术的MIMO FSO系统的信道模型。其次,通过双跳中继传输技术实现RF链路和MIMO FSO链路的无缝对接,分别搭建了基于固定增益和可变增益的放大转发中继的混合RF/MIMO FSO系统,推导了混合系统的统计特征和各项性能指标,并仿真分析了在大气湍流效应下混合系统的各项参数对混合系统的影响,结果表明在相干二进制相移键控调制方式下混合RF/MIMO FSO系统误码性能最优,并且空间分集技术能有效提高混合系统性能。最后,为了进一步提高RF频谱的利用率和通信容量,在混合RF/MIMO FSO系统中引入衬底CRN,搭建了基于固定增益中继的混合衬底CRN/MIMO FSO系统,推导了混合系统的中断概率,仿真分析了在大气衰减和大气湍流效应下,系统各项参数对混合系统的影响,得出衬底CRN通过主用户与次级用户共享频谱方案和MIMO FSO链路通过增加发射器和接收器的数量,显著降低了大气湍流效应和大气衰减效应对混合系统通信性能的影响,而且选择2个发射孔径和2个接收孔径时符合经济效益最大化和系统性能最优的考量。