通信系統(tǒng)的異步傳輸

劉睿

摘要：自由空間光學(xué)（FSO）通信旨在通過(guò)沿不同路徑發(fā)送和接收多個(gè)信號(hào)副本來(lái)對(duì)抗大氣衰減和湍流，因此它依賴于傳輸冗余?；诖耍岢隽艘环N協(xié)同單群優(yōu)化系統(tǒng)的異步傳輸方案。與傳統(tǒng)的同步傳輸?shù)膮f(xié)同群通信系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)中的源節(jié)點(diǎn)可以向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送不同的數(shù)據(jù)。為了恢復(fù)不同鏈路的數(shù)據(jù)，提出了一種平方信號(hào)組合方法，并在目的地接收端處實(shí)現(xiàn)。因此，與同步傳輸相比，異步傳輸不僅給協(xié)同單群通信系統(tǒng)帶來(lái)了分集增益，而且提高了信道利用率，從而提高了有效數(shù)據(jù)速率。結(jié)果表明，異步傳輸?shù)谋忍卣`碼率（BER）低于直接傳輸和同步傳輸。

關(guān)鍵詞：自由空間光學(xué)；通信系統(tǒng)；異步傳輸；

0引言

自由空間光學(xué)通信（FSO）通信是一種以激光為載體[1]，通過(guò)大氣信道傳輸數(shù)據(jù)的無(wú)線通信技術(shù)。與射頻（RF）和光纖通信技術(shù)相比，F(xiàn)SO 通信以其寬頻譜、易于部署和高安全性等優(yōu)點(diǎn)而脫穎而出[2]。因此，F(xiàn)SO 通信對(duì)于光纖無(wú)法接入的高速和電磁敏感場(chǎng)景具有巨大的研究意義。然而，在空間中傳播的光信號(hào)很容易受到大氣衰減和湍流效應(yīng)的影響。多輸入多輸出（MIMO）是一種利用空間分集來(lái)減輕大氣條件對(duì)光傳輸影響的有效技術(shù)。然而 FSO、MIMO 通常需要復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而由于大氣條件相似，不同的光鏈路之間存在信道相關(guān)性。作為多節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景下 MIMO 的一種特殊范式，協(xié)作通信使用中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)補(bǔ)償源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的鏈路傳輸質(zhì)量[3]。基于此，為了減少協(xié)同系統(tǒng)中大量鏈路冗余，提出了一種協(xié)同系統(tǒng)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(jié)點(diǎn)能夠在直接鏈路和中繼鏈路上傳輸不同的數(shù)據(jù)。為了從攜帶不同數(shù)據(jù)的鏈路中獲得分集增益，提出了一種平方信號(hào)組合方法，對(duì)從不同鏈路接收到的信號(hào)進(jìn)行組合。通過(guò)聯(lián)合決定平方操作前后的信號(hào)，來(lái)恢復(fù)每個(gè)鏈路上的數(shù)據(jù)。

1系統(tǒng)模型

1.1協(xié)同F(xiàn)SO系統(tǒng)的同步傳輸

在不喪失一般性的前提下，引入了并行協(xié)同單群通信的系統(tǒng)模型[4-5]。S 直接向 D 發(fā)送數(shù)據(jù)的直接鏈路 S → D，以及 S 通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)向 D 發(fā)送數(shù)據(jù)的中繼鏈路S → Ri → D，其中中繼節(jié)點(diǎn)索引i=1、2，...，M。如圖1所示，

注： S 為源節(jié)點(diǎn)，R1和 RM 為中繼節(jié)點(diǎn)，D 為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。X0、Xi、XM 分別表示直接從 S 到 D 傳輸?shù)恼{(diào)制光信號(hào)和從 S 到 D 通過(guò) Ri 傳輸?shù)恼{(diào)制光信號(hào)。

在傳統(tǒng)的系統(tǒng)模型中，在每個(gè)鏈路上傳輸?shù)墓庑盘?hào)保持不變。因此將這種傳統(tǒng)的系統(tǒng)模型作為同步傳輸。圖1將同步傳輸系統(tǒng)中電組合后的接收信號(hào)表示為，

式中 Yi=ρ|Xi |2Hi Gi，表示從直接鏈路（i=0） 和中繼電器鏈路（i=1，...，M）接收到的電信號(hào)。Hi 是定義為 Hi=Hia*Hit 的復(fù)合信道效應(yīng)。Hit 為湍流誘導(dǎo)的衰落。|Xi |2是 Xi 的平均光功率。Gi 是光電轉(zhuǎn)換的增益。Ni 表示包含熱噪聲和背景光噪聲的加性高斯白噪聲。ρ是光電探測(cè)器的響應(yīng)率。且Hia是鏈路 Li 的大氣衰減，其強(qiáng)度取決于大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù) Cn2，并遵循伽馬-伽馬模型。

1.2協(xié)同群通信系統(tǒng)的異步傳輸

與同步傳輸?shù)?FSO 系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)中的源節(jié)點(diǎn)可以將不同的數(shù)據(jù)發(fā)送到中繼節(jié)點(diǎn)，然后將接收信號(hào)組合平方，在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)恢復(fù)數(shù)據(jù)。可以將這個(gè)系統(tǒng)稱為異步傳輸。為了恢復(fù)不同鏈路的數(shù)據(jù)，在接收機(jī)處實(shí)現(xiàn)了信號(hào)組合器和平方算符。在此過(guò)程中，可以用數(shù)學(xué)方法表示jth（j=1，...，H）組合，平方信號(hào)為

式中 Yi 為雙極振幅；wj，i代表中繼選擇指標(biāo)；? j（Z）為平方信號(hào)； Ni 為高斯白噪聲。

如果中繼節(jié)點(diǎn) Ri 被選中生成? j（Z），則取1，否則取0。為了降低中繼選擇的復(fù)雜性，本文提出采用成對(duì)組合的方法，即每個(gè)鏈路由另一個(gè)鏈路配對(duì)輔助進(jìn)行信號(hào)組合，相應(yīng)的系數(shù)矩陣（w）如下所示。

式中 w 為系數(shù)矩陣。

采用最小均方乘（LMS）算法濾除? j（Z）的信號(hào)和噪聲的乘積項(xiàng)。所得到的信號(hào) Yac1j表示為：

式中，Yac1j為信號(hào)；wj，i代表中繼選擇指標(biāo)； 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(hào)增益更高的信噪比，但沒(méi)有更多的振幅被誘導(dǎo)。然而，本文不能直接從平方算子 Yac1j中確定雙極電極的振幅（即正或負(fù)）。因此，在平方算子之前的組合信號(hào)仍然會(huì)帶來(lái)雙極性。將平方算子之前的組合信號(hào)定義為：

式中 Yac2j為信號(hào)，Yi 為雙極振幅，Ni 為高斯白噪聲。

理論上，通過(guò)聯(lián)合對(duì)信號(hào) Yac1j和 Yac2j進(jìn)行采樣，可以以較低的比特錯(cuò)誤率（BER）恢復(fù)傳輸數(shù)據(jù)。

1.3異步傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

以1個(gè)單中繼協(xié)同 FSO 系統(tǒng)（即 M=1）為例，描述了異步傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)。系統(tǒng)由發(fā)射機(jī)（即源節(jié)點(diǎn)）、接收機(jī)（即目標(biāo)節(jié)點(diǎn)）和中繼3部分組成。

1）發(fā)射機(jī)

源節(jié)點(diǎn)的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，位序列 B 被輸入到脈沖發(fā)生器（PG）中，產(chǎn)生電二進(jìn)制脈沖，然后通過(guò)串并聯(lián)轉(zhuǎn)換器分為兩個(gè)信號(hào) B0和 B1。然后，激光源的光信號(hào)通過(guò)自己的馬赫-曾德調(diào)制器（MZMs）的電信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。兩個(gè)強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)最終通過(guò)不同的天線傳輸?shù)娇臻g信道中，其中一個(gè)通過(guò)中繼鏈路 L1，另一個(gè)通過(guò)直接鏈路 L0。

注： B0和 B1為不同信號(hào)； SRC 為信息來(lái)源； PG 為脈沖發(fā)生器。MZM 為馬赫-曾德調(diào)制器。

2）繼電器

在中繼節(jié)點(diǎn) Ri 處，接收到的信號(hào)被解碼和轉(zhuǎn)發(fā)。經(jīng)過(guò) APD 后，按照與 S 時(shí)相同的調(diào)制模式進(jìn)行解碼信號(hào)的重傳，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

注： APD 為二極管； LPF 為低通濾波器； DR 為日期恢復(fù)； PG 為脈沖發(fā)生器； MZM 為馬赫-曾德調(diào)制器，Laster 為重復(fù)上述步驟。

3）接收結(jié)構(gòu)

圖4顯示了目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)結(jié)構(gòu)。由于光的視距傳輸，每個(gè)光信號(hào)都可以通過(guò)天線獨(dú)立接收，然后通過(guò)APD 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。通過(guò)輸入偏置電流和 LPF，得到雙極電信號(hào) Y0+ N0和 Y1+ N1。

注：BerAI為比特誤碼率；DR 為日期恢復(fù)；Decision為決策；LMSF 為濾波器；Squarer 為平方器；LPF 為低通濾波器；Bias 為偏置電流；APD 為二極管。

結(jié)合從 L0 和 L1 通過(guò) Adder 的信號(hào)，還可以得到信號(hào) Yac2 為：

式中 Y0、Y1 為雙極結(jié)構(gòu)，N0 與 N1 表示不同頻率的高斯白噪聲。

Yac2 的一個(gè)副本被直接發(fā)送到?jīng)Q策中進(jìn)行接下來(lái)的位恢復(fù)，而另一個(gè)副本通過(guò) Squarer 生成如下信號(hào) Z。

經(jīng)過(guò) LMS 濾波器（LMSF）后，可以得到信號(hào)Yac1 為

當(dāng)考慮均值為零時(shí)，AWGN 方差為零，從 L0 和 L1接收到的信號(hào)遵循高斯分布，其中i=0，1。

4）系統(tǒng)復(fù)雜性分析

可以分別從硬件和算法兩方面對(duì)異步傳輸系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜度分析。

硬件復(fù)雜性：必須為發(fā)射機(jī)上的每個(gè)光鏈路配備 1個(gè)單獨(dú)的 MZM，以實(shí)現(xiàn)在這些鏈路上的不同數(shù)據(jù)的并發(fā)傳輸。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于傳輸不同數(shù)據(jù)的光鏈路，需要要求額外的 MZM，這是不可避免的成本。此外，還需要一些基帶電氣設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)接收機(jī)上的偏置、平方操作器和 LMS 濾波器。

算法復(fù)雜度：符號(hào)決策仍然在兩個(gè)振幅之間進(jìn)行，決策過(guò)程不需要任何額外的步驟。因此，符號(hào)決策的算法復(fù)雜度并沒(méi)有增加。

2參數(shù)設(shè)置

對(duì)異步協(xié)同傳輸（ACT）系統(tǒng)與直接傳輸（DT）系統(tǒng)以及同步協(xié)同傳輸（SCT）的不同解決方案進(jìn)行了全面的誤碼率分析。本文設(shè)置了兩個(gè)不同距離和衰減的鏈路，直接鏈路 L0（2 km，5 dB/km）和繼電器鏈路 L1（4 km，5 dB/km），包括繼電器前后 2 km 的兩個(gè)子鏈路。每個(gè)鏈路以 10 Gbit/s 的速率傳輸數(shù)據(jù)。大氣衰減范圍為（1 ～ 9.5）dB/km，對(duì)應(yīng)的能見(jiàn)度為6 km（輕霧 / 小雨）至 1 km（輕霧 / 大雨）。將整個(gè)系統(tǒng)的附加噪聲設(shè)置為每個(gè) APD 的熱噪聲和背景光噪聲。主要參數(shù)的設(shè)置見(jiàn)表 1。

3結(jié)果分析

圖5顯示了隨著傳輸功率 Pt 和 CN（2）=0.5×10-15m-2/3增加而增加的誤碼率性能。當(dāng)采用 DT 時(shí)，L1的誤碼率優(yōu)于 L0。通過(guò)使用 ACT，L0的誤碼率降低，而 L1的誤碼率增加。當(dāng) DT 和 ACT 中兩個(gè)鏈路的 BERs 平均時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)平均（ACT）的誤碼率低于平均（DT），這是由于信號(hào)組合后信噪比的增加所致。

本文將低速率同步協(xié)同傳輸（LRSCT）、高速率同步協(xié)同傳輸（HRSCT）和高階同步協(xié)同傳輸（HOSCT）作為不同的 SCT 解決方案，并在圖6中進(jìn)行比較。在數(shù)據(jù)速率方面，LRSCT 為10 Gbit/s，ACT、DT、HRSCT和 HOSCT 為20 Gbit/s 。雖然 HRSCT 和 HOSCT 具有相同的數(shù)據(jù)速率，但前者具有較高的符號(hào)速率，后者具有較高的調(diào)制水平。對(duì)于 CN（2）=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(yōu)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。在圖7中，當(dāng)傳輸功率固定在20 dBm 時(shí)，可以通過(guò)設(shè)置不同的 CN（2），進(jìn)一步給出隨湍流強(qiáng)度變化的誤碼率結(jié)果。結(jié)果表明，所提出的 ACT 方案在對(duì)抗介質(zhì)到強(qiáng)渦輪機(jī)方面優(yōu)于 DT和 HOSCT 。由于較低的數(shù)據(jù)速率和較大的頻譜帶寬，LRSCT 和 HRSCT 在不同的湍流強(qiáng)度下具有較低的誤碼率。還可以發(fā)現(xiàn)，降低數(shù)據(jù)率可以更有效地對(duì)抗大氣湍流?？傊?，ACT 為本文提供了數(shù)據(jù)率和誤碼率之間理想的權(quán)衡解決方案。

為了分析衰減和湍流對(duì) ACT 系統(tǒng)的聯(lián)合影響，圖8顯示了鏈路 L1在不同衰減和湍流時(shí)的誤碼率結(jié)果，傳輸功率為20 dBm，L0的 CN（2）為0.5×10-15m-2/3。從結(jié)果中觀察到，當(dāng)衰減在較低范圍時(shí)，由于湍流強(qiáng)度的增加，誤碼率性能發(fā)生較大的變化。在較高的衰減范圍內(nèi)，接收到的光信號(hào)太弱，即使在弱湍流中也無(wú)法從噪聲中識(shí)別出來(lái)，但湍流對(duì)誤碼率的影響較小。

4結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種協(xié)同單群通信的異步傳輸方案，使鏈路協(xié)同傳輸不同的數(shù)據(jù)。對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析。結(jié)果表明，該系統(tǒng)通過(guò)產(chǎn)生更高的信噪比，優(yōu)于直接傳輸。作為 LRSCT 和 HOSCT 系統(tǒng)之間的一種權(quán)衡，ACT 可以實(shí)現(xiàn)比 LRSCT 更高的數(shù)據(jù)速率和比 HOSCT 更低的 BER，而額外的系統(tǒng)復(fù)雜性是可以接受的。在今后的工作中，將為 ACT 系統(tǒng)提供一種合理的中繼選擇算法，以進(jìn)一步擴(kuò)展其優(yōu)勢(shì)。

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