Gamma-Gamma信道下紫外光近直視分集接收技術(shù)研究

李曉毅， 馮克濤， 吳樂(lè)華， 王申濤， 陳 謀，李昆侖， 劉 博

(1.陸軍工程大學(xué) 通信士官學(xué)校，重慶 400035；2.78092部隊(duì)，四川 成都 610036)

直升機(jī)作為20世紀(jì)航空技術(shù)極具特色的創(chuàng)造之一，具有軍民兩用的廣闊用途，在武裝攻擊、機(jī)動(dòng)運(yùn)輸、應(yīng)急救援、護(hù)林防火等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[1]。隨著直升機(jī)的廣泛應(yīng)用，如何在陌生地域、惡劣天氣及復(fù)雜電磁環(huán)境下安全降落，成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2]。文獻(xiàn)[3]對(duì)直升機(jī)在無(wú)準(zhǔn)備地面降落的安全性，提出現(xiàn)場(chǎng)合成視覺(jué)技術(shù)。文獻(xiàn)[4]提出一種基于數(shù)字圖像處理算法，并設(shè)計(jì)成近直升機(jī)坪的自動(dòng)引導(dǎo)系統(tǒng)，輔助飛行員起降操縱。文獻(xiàn)[5]提出了一種觸覺(jué)避障系統(tǒng)，用于降低直升機(jī)在無(wú)準(zhǔn)備著陸場(chǎng)起降時(shí)與障礙物碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。但以上技術(shù)大多基于圖像處理、毫米波雷達(dá)等技術(shù)，受天氣影響較大。

無(wú)線紫外光通信具備非直視(Non-line-of-sight, NLOS)傳輸、背景噪聲小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、低竊聽(tīng)率等優(yōu)點(diǎn)[6-7]，文獻(xiàn)[8～10]將紫外光應(yīng)用于直升機(jī)輔助起降，提高了應(yīng)急起降的安全性，使其成為在復(fù)雜環(huán)境下引導(dǎo)助降直升機(jī)的有效通信方式。紫外光在大氣中傳輸時(shí)，光信號(hào)受湍流影響歷經(jīng)散射、折射、反射等一系列過(guò)程，產(chǎn)生了多徑效應(yīng)，從而使信號(hào)波形產(chǎn)生失真、時(shí)延、重疊，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。同時(shí)，大氣湍流渦旋引起的閃爍衰減(Scintillation attenuation,SA)，也會(huì)降低系統(tǒng)信噪比，增大誤碼率[11]。因此，如何有效緩解湍流導(dǎo)致的紫外光非直視傳輸性能退化問(wèn)題引起廣泛關(guān)注。

針對(duì)弱湍流環(huán)境，文獻(xiàn)[12]提出了基于Gamma-Gamma衰落信道的紫外光非直視通信系統(tǒng)最佳跳數(shù)精確求解方法，能夠有效抑制信道衰落。文獻(xiàn)[13]采用分集技術(shù)提高分集增益，減弱衰落影響。文獻(xiàn)[14]引入MIMO技術(shù)，有效提升了通信質(zhì)量。文獻(xiàn)[15]提出協(xié)同中繼方案，能夠提升系統(tǒng)的中斷性能。針對(duì)直升機(jī)降落時(shí)尾流引起的強(qiáng)湍流效應(yīng)，文獻(xiàn)[16]引入分集接收技術(shù)，提升了通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 引導(dǎo)助降情景中的紫外光通信模型

1.1 直升機(jī)助降引導(dǎo)模型

直升機(jī)助降引導(dǎo)模型如圖1所示。在備降區(qū)域內(nèi)設(shè)置A1～A44個(gè)定位點(diǎn)，同時(shí)放置4種“日盲區(qū)”不同波段的紫外發(fā)光二極管作為發(fā)射端，P為直升機(jī)接收端位置。當(dāng)直升機(jī)飛臨備降區(qū)域后，開(kāi)始啟動(dòng)引導(dǎo)通信，發(fā)射端向接收端實(shí)時(shí)傳遞位置信息及環(huán)境信息(包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等)，飛行員根據(jù)引導(dǎo)信息，操縱直升機(jī)降落，確保全程安全、精準(zhǔn)、迅速[16]。

圖1 直升機(jī)助降引導(dǎo)模型

1.2 近直視通信模型

由于直升機(jī)降落時(shí)通信系統(tǒng)收發(fā)端相對(duì)位置是動(dòng)態(tài)變化的，無(wú)法使用傳統(tǒng)紫外光直視和非直視通信模型準(zhǔn)確描述，文獻(xiàn)[14]提出了近直視通信模型，如圖2所示。

圖2 紫外光近直視通信模型

1.3 大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)

圖隨垂直高度的變化曲線

1.4 基于Gamma-Gamma信道的近直視通信模型

(2)

(3)

(4)

閃爍指數(shù)為

(5)

圖4 3種強(qiáng)度的Gamma-Gamma分布概率密度

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著湍流強(qiáng)度由弱逐漸增強(qiáng)，分布曲線峰值逐漸向0靠攏，且拖尾歸零收斂速率變緩。

在湍流影響下的近直視通信鏈路中，從T到達(dá)V的信號(hào)概率密度函數(shù)為

式中：Ir1為從T到達(dá)V的平均信號(hào)強(qiáng)度，αr1、βr1分別為在r1路徑上的參數(shù)值。

從V到達(dá)R的信號(hào)概率密度函數(shù)為

式中：Ir2為從V到達(dá)R的平均信號(hào)強(qiáng)度，αr2、βr2分別為在r2路徑上的參數(shù)值。結(jié)合式(6，7)可得R接收到的信號(hào)強(qiáng)度的邊緣分布概率密度函數(shù)為[21]

(8)

2 通信系統(tǒng)誤碼率推導(dǎo)

紫外通信系統(tǒng)的誤碼率取決于調(diào)制形式、探測(cè)器類型、發(fā)射功率、路徑損耗、閃爍和數(shù)據(jù)速率等。紫外光近直視通信系統(tǒng)采用OOK調(diào)制方式，在湍流情況下基于量子極限的平均信噪比為[22]

(9)

式中：Pr0為無(wú)湍流時(shí)的平均接收功率，〈Pr〉為在湍流條件下的平均接收功率，SNRNLOS為無(wú)湍流時(shí)的信噪比。其計(jì)算式為[22]

(10)

式中：λ為光波長(zhǎng)，Rb為數(shù)據(jù)速率，h為普朗克常數(shù)，c為光速，Pr,NLOS為無(wú)湍流時(shí)的接收功率。其計(jì)算式為[23]

式中：Pt為發(fā)射功率；Ar為接收端的孔徑面積；Ke=Ks+Ka為大氣信道衰減系數(shù)，Ks為散射系數(shù)，Ka為吸收系數(shù)。Ps為θs的相函數(shù)，表達(dá)式為

(12)

式中：KR為瑞利散射系數(shù)，KM為米氏散射系數(shù)，且有Ks=KR+KM。

瑞利散射相函數(shù)表達(dá)式為[24]

(13)

式中γ為模型參數(shù)。

米氏散射相函數(shù)表達(dá)式為[24]

式中：g為可調(diào)的不對(duì)稱因子，f為散射因子。

在實(shí)際大氣信道中，湍流引起的閃爍衰減會(huì)使功率比(Pr0/〈Pr〉)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致平均信噪比〈SNRNLOS〉惡化。不考慮SA時(shí)，在文獻(xiàn)[25]中假定Pr0/〈Pr〉=1;當(dāng)考慮SA時(shí)，可以得到[26]

Pr0/〈Pr〉=10αt/10

(15)

其中計(jì)算SA的表達(dá)式為[27]

(16)

(17)

(18)

則整條非直視鏈路上的SA為

對(duì)于在大氣湍流中斜程傳輸?shù)钠矫娌ǎ?條直視鏈路上的對(duì)數(shù)光強(qiáng)起伏方差分別為

(20)

(21)

傳輸?shù)淖贤夤庑盘?hào)在整條近直視鏈路上的對(duì)數(shù)光強(qiáng)起伏方差為[28]

(22)

在大氣湍流環(huán)境下，采用OOK調(diào)制的紫外光非直視通信系統(tǒng)的誤碼率BER可表示為[13]

(23)

3 分集接收通信系統(tǒng)誤碼率推導(dǎo)

廣泛研究表明，空間分集接收技術(shù)已經(jīng)成為有效抑制大氣湍流引起的信號(hào)衰落、性能劣化的有效技術(shù)[13]。

3.1 MRC合并

MRC合并首先對(duì)接收到的各條支路信號(hào)調(diào)整為同相信號(hào)，然后再對(duì)各條支路信號(hào)的電壓fi進(jìn)行權(quán)重迭加，實(shí)現(xiàn)信噪比最大。各條支路的加權(quán)系數(shù)Gi由該支路信號(hào)fi與噪聲功率Pi的比值所決定，合并后的輸出信噪比為各支路信噪比總和。假定通信系統(tǒng)采用N條分集支路，且各支路平均信噪比〈SNRNLOS〉相同，則合并后輸出的平均信噪比為[13]

〈SNRMRC,NLOS〉=N·〈SNRNLOS〉

(24)

因此，在Gamma-Gamma湍流信道中采用MRC合并方式的系統(tǒng)誤碼率為

(25)

3.2 EGC合并

EGC合并首先將接收到的各條支路信號(hào)進(jìn)行同相調(diào)整，再對(duì)各支路信號(hào)的電壓fi進(jìn)行等權(quán)重(即Gi均為1)迭加。假定通信系統(tǒng)采用N條分集支路，且各支路平均信噪比〈SNRNLOS〉相同，則合并后輸出的平均信噪比為[13]

(26)

因此，在Gamma-Gamma湍流信道中采用EGC合并方式的系統(tǒng)誤碼率為

3.3 SC合并

SC合并相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，其原理是選擇所有支路中信噪比最大的支路信號(hào)作為輸出信號(hào)，因此，加權(quán)系數(shù)Gi中僅有一個(gè)為1，其余均為0。假定通信系統(tǒng)采用N條分集支路，且各支路平均信噪比〈SNRNLOS〉相同，則合并后輸出的平均信噪比為[13]

(28)

因此，在Gamma-Gamma湍流信道中采用SC合并方式的系統(tǒng)誤碼率為

(29)

4 性能仿真

根據(jù)上述公式推導(dǎo)及理論分析，本節(jié)設(shè)計(jì)了仿真實(shí)驗(yàn)，基于Gamma-Gamma分布，分析了在中等強(qiáng)度湍流條件下，使用OOK調(diào)制，采用3種分集接收技術(shù)和不同接收天線數(shù)量對(duì)紫外光近直視通信的性能影響進(jìn)行研究。部分仿真參數(shù)取值如表1所示。

表1 部分仿真參數(shù)

圖5 閃爍衰減對(duì)近直視通信平均信噪比和誤碼率的影響

圖6 閃爍指數(shù)對(duì)誤碼率的影響

圖7 不同接收天線數(shù)對(duì)MRC誤碼率的影響

圖8 不同接收天線數(shù)對(duì)EGC誤碼率的影響

圖9 不同接收天線數(shù)對(duì)SC誤碼率的影響

以3分集為例(N=3)，采用MRC、EGC、SC 3種合并方式的誤碼率性能如圖10所示。觀察可知，隨著r增大，誤碼率都逐漸增加，變化趨勢(shì)一致；當(dāng)r相同時(shí)，MRC的性能最佳，EGC次之，SC最差。

圖10 3種合并方式誤碼率對(duì)比(N=3)

5 結(jié)論

本文針對(duì)直升機(jī)降落過(guò)程中受到的中等強(qiáng)度湍流及閃爍衰減影響，提出了基于Gamma-Gamma信道的紫外光近直視通信模型，并研究分析了分集接收技術(shù)對(duì)湍流效應(yīng)的抑制作用。仿真結(jié)果表明，在中等強(qiáng)度湍流條件下，閃爍衰減對(duì)系統(tǒng)性能的惡化影響不能忽略；隨著湍流強(qiáng)度增強(qiáng)，通信系統(tǒng)的誤碼率提升；對(duì)比3種分集接收技術(shù)，在相同條件下，均對(duì)湍流效應(yīng)有一定抑制作用，且MRC性能最佳，EGC次之，SC最差，增加接收天線數(shù)量，能有效提升通信系統(tǒng)效能。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)實(shí)際需求合理選擇分集接收方式，提高系統(tǒng)抗衰落能力。