基于FSO 的星地協(xié)作系統(tǒng)中斷概率的性能分析*

李春若，苑俊英

（1.江西財(cái)經(jīng)職業(yè)學(xué)院南昌校區(qū)信息中心，南昌 331700；2.廣州南方學(xué)院電氣與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，廣州 510970）

0 引言

相比于移動(dòng)通信，衛(wèi)星通信覆蓋范圍更寬［1］，其已成為為偏遠(yuǎn)用戶(hù)和災(zāi)難區(qū)域用戶(hù)提供通信的有效技術(shù)。衛(wèi)星通信系統(tǒng)實(shí)際上也是一種微波通信，它以衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)微波信號(hào)，在多個(gè)地面站之間通信，衛(wèi)星通信的主要目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)地面的“無(wú)縫隙”覆蓋。

由于能夠在更寬的覆蓋范圍內(nèi)通信，衛(wèi)星通信系統(tǒng)常用于廣播、導(dǎo)航以及災(zāi)難救援應(yīng)用場(chǎng)景［2-4］。然而，衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有強(qiáng)大的覆蓋范圍，但是它與陸地用戶(hù)間的通信受障礙物阻攔，縮小了它對(duì)地面用戶(hù)的覆蓋范圍。

為此，文獻(xiàn)［5-6］提出多衛(wèi)星分集技術(shù)克服覆蓋范圍受阻問(wèn)題。但是，多衛(wèi)星分集技術(shù)也存在一些不足，如成本以及如何使多衛(wèi)星間有序地工作。文獻(xiàn)［7-8］提出另一個(gè)解決方案：混合/集成星地協(xié)作系統(tǒng)（Satellite-Terrestrial Cooperative System，STCS）。即利用地面鏈路將衛(wèi)星信號(hào)傳輸至地面用戶(hù)（目的節(jié)點(diǎn)）。

在集成STCS 中，衛(wèi)星和地面通信使用了共同網(wǎng)絡(luò)和頻譜。換而言之，在混合STCS 中，衛(wèi)星和地面通信采用不同的頻帶帶寬。

此外，空間光通信（Free-Space Optical，F(xiàn)SO）技術(shù)被多個(gè)通信系統(tǒng)采用［9-10］。FSO 通信是指利用光在自由空間傳播去傳輸遠(yuǎn)程通訊或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的光通訊技術(shù)。換而言之，F(xiàn)SO 通信利用空氣信道傳輸光信號(hào)，其具有易部署、低成本和高帶寬等優(yōu)勢(shì)。

由于FSO 通信存在較多優(yōu)勢(shì)，文獻(xiàn)［11］提出將基于FSO 的衛(wèi)星系統(tǒng)與無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，并分析它們的性能。在此混合衛(wèi)星-地面的FSO 協(xié)作系統(tǒng)中，地面基站接收衛(wèi)星信號(hào)，然后再利用FSO 鏈路轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)。這類(lèi)系統(tǒng)具有成本低、通信效率高，部署方便等特點(diǎn)。此外，文獻(xiàn)［12］也分析了混合衛(wèi)星-地面的FSO 協(xié)作系統(tǒng)的性能。該系統(tǒng)針對(duì)衛(wèi)星-轉(zhuǎn)發(fā)鏈路，其采用了放大-轉(zhuǎn)發(fā)（Amplify-and-Forward，AF）［13］、陰影-Rician 衰落的陸地衛(wèi)星移動(dòng)通信（Land Mobile Satellite，LMS）模型［14］。同時(shí)，該系統(tǒng)針對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)-目的節(jié)點(diǎn)間的FSO 鏈路，考慮了Gamma-Gamma 分布［15］的大氣湍流環(huán)境特點(diǎn)。

受上述工作的啟發(fā)，分析了基于解碼- 轉(zhuǎn)發(fā)（Decode-and-Forward，DF）策略的混合星地協(xié)作系統(tǒng)的性能。本文的研究工作與文獻(xiàn)［12］的不同之處在于：文獻(xiàn)［12］考慮了基于陰影-Rician 衰落的衛(wèi)星-地面鏈路模型；而本文采用更通用更復(fù)雜的Lutz 模型，同時(shí)，還分析了基于無(wú)陰影和有陰影的雙狀態(tài)Markov 模型的LMS 信道性能，并對(duì)中斷概率閉合表達(dá)式進(jìn)行了推導(dǎo)。

1 系統(tǒng)及信道模型

考慮如圖1 所示的混合衛(wèi)星- 地面的FSO 協(xié)作系統(tǒng)。衛(wèi)星通過(guò)長(zhǎng)距離的RF 衛(wèi)星-轉(zhuǎn)發(fā)鏈路向轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)傳輸信號(hào)。為了提高通信覆蓋范圍，采用無(wú)人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)采用DF 策略。

圖1 網(wǎng)絡(luò)模型

UAV 接收了來(lái)自衛(wèi)星信號(hào)后，就對(duì)其進(jìn)行解碼，再通過(guò)副載波調(diào)制（Subcarrier Intensity Modulation，SIM）技術(shù)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)：

2 中斷概率分析

2.1 衛(wèi)星與UAV 間的鏈路模型

利用Lutz 模型描述衛(wèi)星與UAV 間LMS 間信道。Lutz 模型為雙狀態(tài)Markov 模型，其考慮了無(wú)陰影和有陰影兩個(gè)狀態(tài)。

首先，考慮無(wú)陰影狀態(tài)。接收的信號(hào)服從Rician概率密度函數(shù)（Probability Density Function，PDF）。在無(wú)陰影狀態(tài)時(shí)，瞬時(shí)SNR 的PDF［16］：

依據(jù)Lutz 模型，考慮到慢陰影衰落，可利用對(duì)數(shù)-正態(tài)分布fLN（γ0）描述γ0。因此，在有陰影狀態(tài)下的瞬時(shí)SNR 的PDF［17］：

式中，Γ（·）表示Gamma 函數(shù)［19］，Kx（·）表示二類(lèi)的第x 階的修正Bessel 函數(shù)。因此，它的CDF 函數(shù)可表示為：

2.2 UAV 與用戶(hù)間鏈路模型

由于大氣氣壓和溫濕度的波動(dòng)，折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)也隨之變化，這就會(huì)形成大氣湍流。因此，光信號(hào)強(qiáng)度的波動(dòng)也服從Gamma-Gamma 分布。為此，利用式（17）表述在FSO 鏈路上瞬時(shí)SNR 的PDF：

2.3 中斷概率的推導(dǎo)

3 性能仿真

3.1 仿真環(huán)境

為了更好地分析所推導(dǎo)的中斷概率的準(zhǔn)確性，利用MATLAB 2016 a 軟件建立仿真平臺(tái)，分析中斷概率的準(zhǔn)確性。UAV（轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)）的海拔高度為1km，其在地面的覆蓋范圍為半徑為500 m 的圓形區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)用戶(hù)數(shù)為15 個(gè)。其他的仿真參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真參數(shù)

3.2 性能分析

先分析了μS，UAV和μUAV，USE對(duì)中斷概率Pout的影響。其中大氣湍流強(qiáng)度由Rytov 標(biāo)準(zhǔn)方差σR決定；陰影狀態(tài)持續(xù)時(shí)間由參數(shù)A 決定，而參數(shù)A 的值參照文獻(xiàn)［17］的決定。K 值決定Rice 因子，將其值設(shè)定為10.2 dB；κ=1.5；γth=-10 dB。

本次仿真考慮兩類(lèi)情況：A=0.24；A=0.89，圖2先給出μS，UAV=μUAV，USE條件下中斷概率。從圖可知，A值越大，中斷概率越高，性能越差。原因在于：A 值越小，衛(wèi)星-轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)鏈路處于無(wú)陰影狀態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng)，這必然會(huì)降低中斷概率。

圖2 參數(shù)A 對(duì)中斷概率的影響

此外，圖2 也顯示了σR=1.2、σR=0.5 和σR=3，3 種情況下的中斷概率。σR反映了大氣湍流，其值越大，湍流越強(qiáng)。反之，σR值越小，湍流越弱。因此，σR值越小中斷概率越低。值得注意的是：在σR值很小時(shí)，A 值對(duì)中斷概率有很大影響，但當(dāng)σR值增加后，A 值對(duì)中斷概率的影響隨之降低。例如，在σR=3時(shí)，A=0.24 和A=0.89 兩種情況下的中斷概率相差很小。原因在于：當(dāng)光信號(hào)傳輸遭受強(qiáng)的大流湍流時(shí)，陰影狀態(tài)對(duì)總體性能的影響越小。

接下來(lái)，分析在FSO 鏈路上的電信號(hào)的SNR對(duì)中斷概率的影響，其中μS，UAV=30 dB、A=0.24、K=2.1 dB。并在仿真中設(shè)置κ=0.5 和κ=10.5 兩類(lèi)情況，分析κ 對(duì)中斷概率的影響，如圖3 所示。

圖3 μUAV，USE 對(duì)中斷概率的影響

從圖3 可知，中斷概率隨μUAV，USE值增加而下降。原因在于：μUAV，USE值越大，F(xiàn)SO 鏈路性能越好。此外，在μS，UAV固定的時(shí)候（即RF 鏈路的SNR 值不變），κ 值越大，中斷概率越低。原因在于：κ 值反映了陰影狀態(tài)下的平均功率。κ 值越大，平均功率越大，必然降低了中斷概率。

4 結(jié)論

衛(wèi)星通信的覆蓋區(qū)域會(huì)受到星地鏈路間障礙物引起的陰影效應(yīng)影響，這種影響提升了鏈路中斷概率。為此，本文分析了基于FSO 和DF 轉(zhuǎn)發(fā)的星地協(xié)作系統(tǒng)的中斷概率性能。在考慮陰影和無(wú)陰影狀態(tài)下，利用Lutz 模型表述LMS 信道。同時(shí)，利用Gamma-Gamma 統(tǒng)計(jì)模型描述光信號(hào)強(qiáng)度的波動(dòng)。最后，推導(dǎo)了中斷概率的閉合表達(dá)式。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)性能受陰影狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間影響。分析得到的中斷概率的表示方法將對(duì)星地協(xié)作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供有力的理論支撐。