具有能量收集的雙向RF/FSO中繼系統性能分析

李小禹,湯 璇,林邦姜,謝宇芳,駱加彬,戴玲鳳,康 莉

(中國科學院海西研究院 泉州裝備制造研究所,福建 泉州 362000)

1 引 言

在近地無線通信系統中,自由空間光(Free Space Optical,FSO)通信技術作為一種高效,安全的新技術,在學術界引起了廣泛的關注。相比于傳統的射頻(Radio Frequency,RF)通信,FSO可以提供更高的速率和帶寬,且易于部署,傳輸安全,功耗低,抗電磁干擾和免電磁輻射等[1-4],適用于解決最后一公里問題。

在本文的應用場景中,FSO傳輸端通過中繼節點與 RF用戶進行雙向數據通信。FSO信號容易受到霧,沙塵等天氣條件的影響,即使在晴朗天氣條件下,也易受到大氣湍流的影響。RF鏈路幾乎不受湍流信道的影響[5],FSO鏈路的可靠性也受到指向誤差限制[6]。因此,本文主要考慮大氣湍流和指向誤差對RF/FSO中繼傳輸系統的性能影響。

中繼協作方式主要有放大轉發(Amplify and Forward,AF)和解碼轉發(Decode and Forward,DF)兩種[7],其中AF復雜度較低,僅在節點處對信號進行適當的放大后發送到下一個節點。DF可以消除信號中攜帶的噪聲,避免噪聲積累而引起的信號失真。在雙向中繼傳輸中,為了消除前一階段信號噪聲的影響,及降低系統整體的復雜度,系統大多采用DF解碼轉發的方式[8]。FSO湍流信道模型主要包含lognormal模型,K模型,Gamma-Gamma模型等。lognormal模型用來描述弱湍流條件下衰落信道,K模型用于模擬強湍流條件,而Gamma-Gamma模型用于模擬從弱到強的大氣湍流環境[9-10]。

本文研究基于DF技術的RF/FSO中繼傳輸系統,RF鏈路采用Nakagami-m衰落信道模型,FSO鏈路采用Gamma-Gamma湍流信道模型。同時,系統設計利用能量采集技術,用于解決由于傳輸設備尺寸和復雜度造成的能量存儲空間不足問題。能量采集技術在RF中已經得到研究和應用,而在光通信的相關研究較少[11-14]。本文推導出基于Meijei-G函數的系統中斷概率表達式,并在不同的湍流強度,信號轉換效率和能量收集效率等條件下對RF/FSO中繼系統性能進行仿真分析。

2 系統及信道模型

2.1 系統及信號模型

此系統模型中包含一個射頻RF信號收發器,一個FSO信號收發器,以及一個中繼裝置,其中RF信號收發器的信號發送和接收口分別為A,C,對應中繼處RF信號接收和發送口A,C。FSO信號收發器的發送和接收口分別為B,D,對應中繼處FSO信號接收和發送口B,D。其系統模型圖如圖1所示。

圖1 具有能量收集的混合RF/FSO中繼系統框圖Fig.1 Block diagram of a hybrid RF/FSO relay systemwith energy harvesting

該中繼系統整個傳輸過程分為兩個階段。第一階段中,在A處的RF發射信號為:

在B處FSO發射信號為:

其中,xRF為RF信號;PRF為RF信號發射功率。η1xFSO為FSO信號;PFSO為FSO信號發射功率;η1為電光轉換系數,為保證傳輸的FSO信號始終為非負值,在FSO信號中插入直流偏置,B0為插入的直流偏置信號。

在中繼處接收到的RF,FSO信號分別為:

(1)

(2)

上述表達式中的g,h分別為RF信道衰落系數和FSO信道衰落系數;n1,n2為高斯白噪聲。

則在中繼處接收到的信號為:

yr=yRF+yFSO

(3)

其中,Rpd為PD響應系數;η2為光電轉換系數;n0為高斯白噪聲。

在中繼處接收到信號的瞬時信噪比SNR為:

=γRF+γFSO

(4)

此中繼系統采用DF解碼轉發,將兩路信號xRF,xFSO通過網絡編碼,例如異或操作結合成一個新的信號并表示為xRF⊕xFSO。

第二階段中,在RF信號接收端C處,FSO信號接收端D處收到的信號分別為:

(5)

(6)

C,D兩端的瞬時信噪比為:

其中,N3、N4分別為高斯白噪聲n3、n4的功率譜密度。關于PR的介紹后續會講到。

2.2 能量收集

該過程僅指信號從RF,FSO信號產生端到中繼進行能量收集,能量收集和信號的傳輸是同步進行的。即假設信號從信號收發器經過中繼再分別回傳到兩端的信號收發裝置上一共用時為T,那么從RF,FSO信號產生到在中繼處完成能量收集一共用時T/2,為第一階段。從中繼處發射信號到RF,FSO收發器接收到信號用時也為T/2,為第二階段。

其中,光信號部分收集到的能量為[11,15]:

(7)

射頻信號中收集到的能量為:

ERF=aTθPRF|g|2/2

(8)

其中,a為能量收集效率系數。

則可得到上一節中講到的中繼處的信號傳輸功率:

PR=ψ+Popt+Pele

(9)

其中,ψ為中繼處的固有能量;Popt,Pele為收集到的光信號FSO和RF信號能量的功率。

2.3 信道模型

如上文所述,射頻RF鏈路采用Nakagami-m信道衰落模型,自由空間光FSO鏈路采用Gamma-Gamma信道衰落模型。

(10)

(11)

3 中斷概率分析

中斷概率是衡量無線通信系統性能的重要指標,當瞬時輸出信噪比SNR低于一個閾值,通信系統就會中斷。對于雙向RF/FSO中繼傳輸網絡的中斷概率表達式定義為[18]:

(12)

對于雙跳RF/FSO中繼傳輸系統,任何一條鏈路發生中斷則系統就被判定為中斷。首先我們求出第一階段的中斷概率表達式為:

(13)

根據Meijer′s G函數的定義[19],結合式(10),(11),(13)以及做適當的變量變換,可得出第一階段中斷概率的閉合解為:

(14)

在第二階段傳輸過中,中繼系統將重新編碼后的信號分別傳向RF信號接收端C和FSO信號接收端D。和第一階段的過程類似。

結合式(12),(14),則整個系統的中斷概率為:

(15)

4 仿真和數值分析結果

該部分中,基于前面推導出的中斷概率表達式,分析在不同的情境下該系統的性能,來驗證不同的系統參數對整個系統的性能的影響。在數值仿真過程中,系統參數設定如表1、表2所示。

表1 系統參數Tab.1 System parameters

表2 大氣湍流參數Tab.2 Atmospheric turbulence parameters

圖2 不同的大氣湍流情況和ζ條件下系統中斷概率性能Fig.2 System outage probability performance under differentatmospheric turbulence conditions and ζ conditions

圖3 不同大氣湍流情況和RF信道衰減參數m條件下系統中斷概率性能Fig.3 System outage probability performance underdifferent atmospheric turbulence conditions andRF channel attenuation parameter m

圖4 不同的大氣湍流情況,不同Rpd,η2條件下系統中斷概率性能Fig.4 Different atmospheric turbulence conditions,system outage probability performance underdifferent conditions Rpd and η2

圖5 不同的大氣湍流情況,不同a,θ條件下系統中斷概率性能Fig.5 Different atmospheric turbulence conditions,system outage probabilityperformance under different conditions a and θ

5 結 語

本文對帶有能量收集方案的雙向RF/FSO中繼系統性能展開了研究,基于FSO鏈路的Gamma-Gamma信道模型和RF鏈路的Nakagami-m信道模型,分析了系統的能量收集方案,并對該系統進行了中斷概率分析以及系統仿真。通過仿真可知,更大的FSO指向誤差系數和RF衰減參數會給系統帶來更好的性能。相比于傳統的RF單鏈路能量收集方案,本文中所提到的能量收集方案可以通過改變PD響應系數來獲得更高的能量收集效率,由仿真了解到,FSO中更高的PD響應系數,光電轉換效率系數,可以對系統的能量收集有很好地提升,通過提高中繼中傳輸信號的能量來提高接收端信號的信噪比,進而降低了系統的中斷概率,提升了系統性能。RF中能量收集效率以及能量分割系數的改變對系統整體性能的影響并不是很明顯。