協同自由空間光學通信系統的異步傳輸

劉 睿

（廣州巨米智能設備有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

自由空間光學（FSO）通信是一種以激光為載體[1]，通過大氣信道傳輸數據的無線通信技術。與射頻（RF）和光纖通信技術相比，FSO通信以其寬頻譜、易于部署和高安全性等優點脫穎而出[2]。因此，FSO通信對光纖無法接入的高速和電磁敏感場景具有巨大的研究意義。然而，在空間中傳播的光信號很容易受到大氣衰減和湍流效應的影響。多輸入多輸出（MIMO）是一種利用空間分集來減輕大氣條件對光傳輸影響的有效技術。然而FSO、 MIMO通常需要復雜的系統結構，而由于大氣條件相似，不同的光鏈路之間存在信道相關性，因此作為多節點場景下MIMO的一種特殊范式，協作通信需要使用中繼節點來補償源節點和目的節點之間的鏈路傳輸質量[3]。基于此，為了減少協同系統中大量鏈路冗余，該文提出了一種協同系統的異步傳輸方案。與以往工作中的同步傳輸不同，該方案使源節點能夠在直接鏈路和中繼鏈路上傳輸不同的數據。為了從攜帶不同數據的鏈路中獲得分集增益，該文提出了一種平方信號組合方法，對從不同鏈路接收到的信號進行組合。通過聯合決定平方操作前、后的信號來恢復每個鏈路上的數據。

1 系統模型

1.1 協同FSO系統的同步傳輸

該文在不喪失一般性的前提下，引入了并行協同單群通信的系統模型。S直接向D發送數據的直接鏈路S→D，以及S通過轉發向D發送數據的中繼鏈路S→Ri→D，其中中繼節點索引i=1、2，...，M。如圖1所示。

在傳統的系統模型中，在每個鏈路上傳輸的光信號保持不變。因此將這種傳統的系統模型作為同步傳輸。圖1將同步傳輸系統中電組合后的接收信號如公式（1）、公式（2）所示。

式中：公式（2）為從直接鏈路（i=0）和中繼電器鏈路（i=1，...，M）接收到的電信號。Hi為Hi=Hia·Hit的復合信道效應。Hit為湍流誘導的衰落。|Xi|2為Xi的平均光功率。Gi為光電轉換的增益。Ni為包括熱噪聲和背景光噪聲的加性高斯白噪聲；ρ為光電探測器的響應率。

1.2 協同群通信系統的異步傳輸

與同步傳輸的FSO系統不同，該系統中的源節點可以將不同的數據發送到中繼節點，然后將接收信號組合平方，在目標節點恢復數據。可以將這個系統稱為異步傳輸。為了恢復不同鏈路的數據，該文在接收機處實現了信號組合器和平方算符。在此過程中，可以用數學方法表示jth（j=1，...，H）組合，平方信號如公式（3）所示。

式中：Yi為雙極振幅；wj，i代表中繼選擇指標；Zj為平方信號，Ni為高斯白噪聲。

如果中繼節點Ri被選中生成Zj，則取1，否則取0。為了降低中繼選擇的復雜性，該文提出采用成對組合的方法，即每個鏈路由另一個鏈路配對輔助進行信號組合，相應的系數矩陣w如公式（4）所示。

式中：w為系數矩陣。

采用最小均方乘（LMS）算法濾除Zj的信號和噪聲的乘積項。所得到的信號Yj ac1如公式（5）所示。 式中：Yj ac1為信號；wj，i代表中繼選擇指標；Yi為雙極振幅，Ni為高斯白噪聲。

平方算子能幫助接收到的信號增益更高的信噪比，但沒有更多的振幅被誘導。然而，該文不能直接從平方算子Yj ac1中確定雙極電極的振幅（即正或負）。因此，在平方算子之前的組合信號仍然會帶來雙極性。將平方算子之前的組合信號定義如公式（6）所示。

式中：Yj ac2為信號；Yi為雙極振幅；Ni為高斯白噪聲。

理論上，通過聯合對信號Yj ac1和Yj ac2進行采樣，可以以較低的比特錯誤率（BER）恢復傳輸數據。

1.3 異步傳輸系統的實現

該文以一個單中繼協同FSO系統（即M=1）為例，描述了異步傳輸的實現。系統由發射機（即源節點）、接收機（即目標節點）和中繼三部分組成。

1.3.1 發射機

在源節點的發射機結構中，位序列B被輸入脈沖發生器（PG）中，產生電二進制脈沖，然后通過串并聯轉換器分為兩個信號B0和B1。然后，激光源的光信號通過自己的馬赫-曾德調制器（MZMs）的電信號進行調制。兩個強度調制的光信號最終通過不同的天線傳輸到空間信道中，其中一個通過中繼鏈路L1，另一個通過直接鏈路L0。

1.3.2 繼電器

德州市是山東省重要的農副產品生產基地，面對德州市農業發展現狀，應通過大力發展智慧農業、推動農村電子商務發展、構建現代農業物流體系和建立公益性農技推廣服務體系等發展途徑，促進德州市現代農業發展。

在中繼節點Ri處，接收到的信號被解碼和轉發。經過APD后，按照與S時相同的調制模式進行解碼信號的重傳。

1.3.3 接收結構

目標節點的接收機結構如圖2所示。由于光的視距傳輸，每個光信號都可以通過天線獨立接收，然后通過APD轉換成電信號。通過輸入偏置電流和LPF，得到雙極電信號Y0+N0和Y1+N1。

結合從L0和L1通過Adder的信號，還可以得到信號Yac2如公式（7）所示。

式中：Y0、Y1為雙極結構；N0與N1表示不同頻率的高斯白噪聲。

Yac2的一個副本被直接發送到決策中進行接下來的位恢復，而另一個副本通過Squarer生成信號Z，如公式（8）所示。

經過LMS濾波器（LMSF）后，可以得到信號Yac1如公式（9）所示。

當考慮均值為零時，AWGN方差為零，從L0和L1接收到的信號遵循高斯分布，其中i=為0，1。

1.3.4 系統復雜性分析

可以分別從硬件和算法兩方面對異步傳輸系統進行復雜度分析。

硬件復雜性：必須為發射機上的每個光鏈路配備一個單獨的MZM，以實現在這些鏈路上的不同數據的并發傳輸。在實際應用中，對傳輸不同數據的光鏈路，需要額外的MZM，這是不可避免的成本。此外，還需要一些基帶電氣設備來實現接收機上的偏置、平方操作器和LMS濾波器。

算法復雜度：符號決策仍然在兩個振幅之間進行，決策過程不需要任何額外的步驟。因此，符號決策的算法復雜度并沒有增加。

2 參數設置

該文對異步協同傳輸（ACT）系統、直接傳輸（DT）系統以及同步協同傳輸（SCT）的不同解決方案進行了全面的誤碼率分析。設置了2個不同距離和衰減的鏈路，直接鏈路L0（2km，5dB/km）和繼電器鏈路L1（4km，5dB/km），包括繼電器前后2km的兩個子鏈路。每個鏈路以10Gbps的速率傳輸數據。大氣衰減范圍為1dB/km至9.5dB/km，對應的能見度為6km（輕霧/小雨）至1km（輕霧/大雨）。將整個系統的附加噪聲設置為每個APD的熱噪聲和背景光噪聲。主要參數的設置見表1。

表1 主要參數設置

3 結果分析

隨著傳輸功率Pt和C2N=0.5×10-15m-2/3增加而增加的誤碼率性能如圖3所示。當采用DT時，L1的誤碼率優于L0。通過使用ACT，L0的誤碼率降低，而L1的誤碼率增加。當DT和ACT中兩個鏈路的BERs平均時，可以發現平均ACT的誤碼率低于平均DT，這是由信號組合后信噪比的增加所致。

ACT與SCT的對比如圖4所示。該文將低速率同步協同傳輸（LRSCT）、高速率同步協同傳輸（HRSCT）和高階同步協同傳輸（HOSCT）作為不同的SCT解決方案，并在圖4中進行比較。在數據速率方面，LRSCT為10Gbps，ACT、DT、HRSCT和HOSCT為20Gbps。雖然HRSCT和HOSCT具有相同的數據速率，但前者具有較高的符號速率，后者具有較高的調制水平。對C2N=0.5×10-15m-2/3，隨著傳輸功率的增加，LRSCT的誤碼率最低，HOSCT的誤碼率最高。ACT的誤碼率性能優于DT和HOSCT。雖然LRSCT和HRSCT的誤碼率都低于ACT，但LRSCT的比特率更低，而HRSCT需要更大的頻譜帶寬。湍流的誤碼率如圖5所示。在圖5中，當傳輸功率固定在20dBm時，可以通過設置不同的C2N，進一步給出隨湍流強度變化的誤碼率結果。結果表明，所提出的ACT方案在對抗介質到強渦輪機方面優于DT和HOSCT。 鑒于較低的數據速率和較大的頻譜帶寬，LRSCT和HRSCT在不同的湍流強度下具有較低的誤碼率。還可以發現，降低數據率可以更有效地對抗大氣湍流。總之，ACT為該文提供了數據率和誤碼率之間理想的權衡解決方案。

為了分析衰減和湍流對ACT系統的聯合影響，圖鏈路L1在不同衰減和湍流時的誤碼率結果如圖6所示，傳輸功率為20dBm，L0的C2N為0.5×10-15m-2/3。從結果中可觀察到，當衰減在較低范圍時，隨著湍流強度的增加，誤碼率性能發生較大的變化。在較高的衰減范圍內，接收到的光信號太弱，即使在弱湍流中也無法從噪聲中識別出來，但湍流對誤碼率的影響較小。

4 結論

該文提出了一種協同單群通信的異步傳輸方案，使鏈路協同傳輸不同的數據。對系統結構進行了數學分析。結果表明，該系統可產生更高的信噪比，優于直接傳輸。作為LRSCT和HOSCT系統之間的一種權衡，ACT可以實現比LRSCT更高的數據速率和比HOSCT更低的BER，而額外的系統復雜性是可以接受的。在今后的工作中可以為ACT系統提供一種合理的中繼選擇算法，以進一步擴展其優勢。