一種新型的FSO/RF切換算法研究

趙柏山，莊曉燕，王爭(zhēng)艷

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽(yáng)110870）

1 引 言

自由空間光通信（Free-Space Optical communication,FSO）是信號(hào)傳輸?shù)某Ｒ?jiàn)形式，是一種快捷、有效、經(jīng)濟(jì)的無(wú)線通信方法,具有很強(qiáng)的靈活性[1]，但也容易受到天氣限制，嚴(yán)重影響傳輸?shù)目煽啃?。射頻（Radio Frequency,RF）信道能夠在一定程度上抵抗惡劣天氣的影響[2]，但其存在較多的同頻干擾項(xiàng)，且傳輸速率較低，不適合長(zhǎng)期使用。故此，將兩種信道結(jié)合起來(lái)使用，在一定條件下使射頻信道作為自由光通信信道的輔助信道，既可保持在非霧天氣條件下自由光通信的低誤碼率優(yōu)勢(shì)，又融合了射頻通信抗天氣干擾的能力。二者合理有效的融合與共同作用，一個(gè)主要目的是為了提高傳輸系統(tǒng)抗干擾性，充分發(fā)揮并結(jié)合二者各自的優(yōu)勢(shì)[3-4]。切換算法既改善了射頻信道單獨(dú)使用時(shí)的信號(hào)擁堵情況，又降低了自由光通信信道受大氣干擾引發(fā)的高誤碼率，盡可能地保障了有擾信道上的可靠數(shù)據(jù)傳輸，確保了在不同傳輸損耗下的服務(wù)質(zhì)量，達(dá)到了提高通信傳輸系統(tǒng)可靠性和靈活性的目的[5-7]。

2 FSO及RF信道性能研究

將FSO 與RF 相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。兩種信道各自的衰減模型特點(diǎn)詳細(xì)分析如下。

圖1 FSO/RF 切換算法設(shè)計(jì)框圖

2.1 FSO通信系統(tǒng)的衰減模型分析

FSO 信道接收端可接收到的功率表示為：

其中Pt是發(fā)射功率，Latm表示雨霧天氣在通信過(guò)程中造成的大氣衰減，Lback表示背景光造成的衰減。

在陰霾和有霧的天氣下會(huì)產(chǎn)生米氏散射。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，用Kim 模型預(yù)測(cè)霧的衰減：

其中，V 表示能見(jiàn)度，單位為 km；λ 表示波長(zhǎng)，單位為nm；q 是與能見(jiàn)度有關(guān)的常數(shù)。

由文獻(xiàn)[9]可知，因?yàn)橛甑纬叽缫h(yuǎn)大于光的波長(zhǎng)，雨的衰減可以表示為：

其中，R 為降雨的強(qiáng)度。

此外還存在背景光功率衰減。背景光噪聲主要是由太陽(yáng)光、月光、星光、生物光等背景輻射光所產(chǎn)生的[10]。背景光噪聲功率表示為：

其中，θ 為接收機(jī)視場(chǎng)角，λ 表示波長(zhǎng)，d 表示接收機(jī)接收孔徑。

綜上，F(xiàn)SO 通信的信噪比為：

2.2 RF無(wú)線通信系統(tǒng)衰減模型分析

RF 信道主要受平坦衰落和突發(fā)衰落的影響。RF 信道通信模型為：

平坦衰落主要為熱噪聲引起的信號(hào)衰減.噪聲信號(hào)n(t)為高斯白噪聲，即噪聲的功率譜密度函數(shù)為常數(shù)且概率分布服從高斯分布[11]。

突發(fā)衰落h(t)主要由傳輸衰落的相關(guān)性所導(dǎo)致的，形似有限長(zhǎng)度的沖激信號(hào)。用基于有限長(zhǎng)度的馬爾可夫鏈模型 ｛Xn,n=1,2,...,N ｝作為突發(fā)衰落模型，并分析突發(fā)衰落的性能。信道被設(shè)定為兩種狀態(tài)：一個(gè)“0”狀態(tài)，錯(cuò)誤以較低的概率Pe(0)發(fā)生；一個(gè)“1”狀態(tài)，錯(cuò)誤以較高的概率Pe(1)發(fā)生。

3 改進(jìn)的FSO/RF切換算法

針對(duì)無(wú)線傳輸過(guò)程中無(wú)線信道受雨霧天氣引發(fā)衰落，以及傳輸路徑擁擠等因素，所造成的傳輸有效性和可靠性得不到保障的問(wèn)題，提出一種基于FSO/RF 信道自適應(yīng)算法，記錄傳輸過(guò)程中下一個(gè)時(shí)刻的誤碼率，根據(jù)不同時(shí)刻誤碼率狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

算法通過(guò)測(cè)試計(jì)算和比較誤碼率來(lái)對(duì)FSO/RF信道的切換選擇進(jìn)行優(yōu)化，其做出選擇的判決過(guò)程如圖2所示。

圖2 FSO/RF 選取優(yōu)化判決流程圖

圖2所述的優(yōu)化過(guò)程可詳述如下：

一、通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)當(dāng)前天氣情況，反映出FSO通信信道當(dāng)前的通信情況；

二、根據(jù)射頻信道衰減模型及估計(jì)方法，獲得平均信噪比SNRrf，具體步驟為：

1）先對(duì)突發(fā)衰落進(jìn)行估計(jì)，假設(shè)通信信道不受平坦衰落影響，應(yīng)用FFT 頻偏估計(jì)方法，突發(fā)衰落可看成是沖擊信號(hào)，此時(shí)通信模型為：

FFT 變換后，對(duì)其進(jìn)行頻譜分析[12]，獲得頻譜能量估計(jì)值：

2）將頻譜能量估計(jì)值代入公式(6)，對(duì)其進(jìn)行平方信噪方差估計(jì)，此時(shí)噪聲為高斯白噪聲，可得信道通信模型：

三、比較SNRfso 和SNRrf，針對(duì)當(dāng)前通信條件及傳輸情況，選擇最優(yōu)路徑傳輸，獲得誤碼率：

系統(tǒng)參數(shù)及配置如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)配置

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 FSO通信仿真結(jié)果及分析

自由光通信信道傳輸過(guò)程中的信號(hào)衰減主要是由于天氣影響，根據(jù)信道模型及衰減模型，得到誤碼率仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 FSO 信道誤碼率曲線

根據(jù)文獻(xiàn)[13]將霧天能見(jiàn)度情況和降雨強(qiáng)度的等級(jí)進(jìn)行劃分。以降雨強(qiáng)度分別為1mm/h、10mm/h、20mm/h，能見(jiàn)度分別為 15m，10m，5m 時(shí)為節(jié)點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)FSO 信道衰減模型進(jìn)行仿真和分析，可獲得誤碼情況如表2所示。

表2 FSO 誤碼率仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果圖可以看出，自由光通信信道的誤碼率隨天氣惡劣程度增大而增大，同時(shí)，自由光通信在能見(jiàn)度高于5m 時(shí)，可長(zhǎng)期保持低誤碼率穩(wěn)定通信；在嚴(yán)重雨霧天氣下誤碼率急速增加，可靠性急速降低，嚴(yán)重影響信道的傳輸正確率。

4.2 RF通信估計(jì)結(jié)果及分析

射頻通信信道主要受平衰落和突發(fā)衰落影響，根據(jù)設(shè)計(jì)的估計(jì)方案，先對(duì)原信號(hào)加突發(fā)噪聲信號(hào)。突發(fā)噪聲信號(hào)為與δ(t)相關(guān)的沖擊信號(hào)。應(yīng)用FFT估計(jì)法，得到估計(jì)信號(hào)幅度，再加入高斯白噪聲，應(yīng)用平方信噪方差估計(jì)法，得到最終的誤碼率估計(jì)值，并與理論值對(duì)比。

輸入信號(hào)為：

突發(fā)噪聲信噪比SNR=50dBm，傅里葉變換數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)N=500，進(jìn)行FFT 估計(jì)[14]后得到信號(hào)幅值的估計(jì)值為30dBm。

高斯白噪聲的均值為0，方差25，經(jīng)過(guò)估計(jì)[15]后，分別得到誤碼率的理論值和估計(jì)值，即：

理論值：1.9982×10-6； 估計(jì)值：1.9894×10-6。

由此可以看出，射頻通信信道抗干擾能力較強(qiáng)，通信穩(wěn)定，但長(zhǎng)期誤碼率高于自由光通信信道。

4.3 改進(jìn)FSO/RF系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)自由光通信信道和射頻通信信道的傳輸特性做判斷并進(jìn)行信道轉(zhuǎn)換，形成新改進(jìn)的無(wú)線通信系統(tǒng)，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后系統(tǒng)仿真結(jié)果

可見(jiàn)，自由光通信信道在沒(méi)有大氣散射情況下具有很低的誤碼率，但在雨霧天，誤碼率迅速增大。相反，射頻通信信道傳輸穩(wěn)定，其誤碼率在1.9×10-6附近分布，但是長(zhǎng)期誤碼率低于FSO 系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)，當(dāng)天氣情況較惡劣時(shí)，誤碼率相比于FSO 系統(tǒng)更低；正常天氣通信時(shí)，誤碼率較原RF 系統(tǒng)更低，從而提高了系統(tǒng)的傳輸穩(wěn)定性。由此可以判定，F(xiàn)SO/RF 切換系統(tǒng)能夠有效優(yōu)化原系統(tǒng)，明顯提高其抗干擾能力，提高通信傳輸效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為一種針對(duì)FSO 系統(tǒng)易受天氣變化而降低傳輸效率的問(wèn)題的解決方案，所設(shè)計(jì)的使FSO /RF相互切換的通信系統(tǒng)是非常有效的。在天氣狀況惡劣時(shí)，通過(guò)判斷誤碼率來(lái)決定信道狀態(tài)，如果誤碼率高于預(yù)設(shè)門(mén)限值，才需進(jìn)行信道切換，使無(wú)線通信傳輸時(shí)能夠充分的利用FSO 及RF 進(jìn)行合理的運(yùn)用和轉(zhuǎn)換，不僅能提高系統(tǒng)可靠性，又能降低信道的相互轉(zhuǎn)換次數(shù)，是一種解決無(wú)線通信系統(tǒng)傳輸?shù)奶鞖飧蓴_問(wèn)題的良好方案。