CN107040310A - 基于ihdaf协议的fso通信系统的工作方法 - Google Patents

基于ihdaf协议的fso通信系统的工作方法 Download PDF

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Abstract

基于IHDAF协议的FSO通信系统的工作方法，属无线光通信技术领域。该系统包括信源节点、中继节点和目的节点，采用半双工工作方式，该方法分为三个步骤。先对信源信息进行M阶脉冲幅度调制；后将调制后的信息通过高斯激光束传送到中继节点和目的节点，并通过将信源节点到目的节点链路瞬时信噪比γsd及信源节点到中继节点链路瞬时信噪比γsr与对应链路设定的信噪比门限值SNRsd及SNRsr比较，以确定选择相应传输方案，即直接传输、译码前传和放大前传；最后目的节点对接收信号进行恢复与解调。本发明通过将协议中继技术与自由空间光通信技术相结合，可有效抑制因路径损耗、大气扰动和瞄准误差所引起的系统性能下降，提高系统传输可靠性。

Description

基于IHDAF协议的FSO通信系统的工作方法
技术领域
本发明涉及一种基于增量混合式译码放大前传(IHDAF)协议的自由空间光(FSO)通信系统的工作方法，属于无线光通信传输技术领域。
背景技术
随着我国通信事业飞速发展，无线通信用户数量骤然增多，对数据的无线传输速率与质量也有了更高的要求，但在传统射频无线通信领域，由于信息传输需求的日益激增，使得该领域的频谱资源变得日益紧缺。无线光通信作为传统射频通信的补充，具有传输带宽大、通信容量大、传输速率快、抗电磁干扰能力强及保密性好等优点。我国电信产业管理部门、政府、各大电信运营商及科研院所等对无线光通信技术也给与了广大关注。尽管无线光通信有其独特的优势，但现实中它受到许多因素的限制与制约，尤其对室外自由空间光(FSO)通信中，光通信链路容易受路径损耗、大气湍流及瞄准误差的影响，将协议中继技术引入到FSO通信中，能有效抑制上述情况引起的系统性能下降，提高系统传输可靠性，增大传输距离，这已成为FSO通信领域的一个研究热点。
经典无线光协议通信技术主要是将放大前传(Amplify and Forward,AF)或译码前传(Decode and Forward,DF)两种方式与无线光通信相结合。L.Yang等(参见L.Yang,X.Gao and M.Alouini,“Performance Analysis of Relay-Assisted All-Optical FSONetworks Over Strong Atmospheric Turbulence Channels With Pointing Errors,”IEEE Journals of Lightwave Technology,vol.32,no.23,pp.4613-4620,2014)提出了基于AF协议的FSO通信系统，并分析了系统中断概率、误码率等性能，分析得出AF协议能有效提高系统性能与传输可靠性，增大传输距离。M.R.Bhatnagar(参见M.R.Bhatnagar,“Performance Analysis of Decode-and-Forward Relaying in Gamma-Gamma FadingChannels,”IEEE Photonics Technology Letters,vol.24,no.7,pp.545-547,2012)提出了基于DF协议的FSO通信系统，并分析了在Gamma-Gamma分布的大气扰动模型下系统中断概率、误码率等性能。以上方案在协议中继节点的选择方式及工作方式上比较单一，对信道适应不够灵活，在实际应用中具有一定的限制。S.M.Aghajanzadeh等(参见S.M.Aghajanzadehand M.Uysal,“Performance Analysis of Parallel Relaying in Free-Space OpticalSystems,”IEEE Transactions on Communications,vol.63,no.11,pp.4314-4326,2015)提出了采用并行中继传输方式，发送信息可以同时通过直传、AF中继及DF中继进行传输，该方案可使系统获得一定的分集增益，但系统复杂度大大提升，而且系统无法视信道情况选择合适的传输方式，难以发挥理想性能。
发明内容
根据现有技术和解决方案的缺点和不足，本发明提供了一种适用性强、性能更好的基于增量混合式译码放大前传(IHDAF)协议的自由空间光通信(FSO)系统的工作方法。
本发明的技术方案如下：
一种基于增量混合式译码放大前传(IHDAF)协议的自由空间光(FSO)通信系统的工作方法，通过以下通信系统来实现，该系统包括1个信源节点、1个中继节点和1个目的节点，信源节点配备两个激光发射器，用于产生和发射高斯激光束；中继节点配备一个激光发射器和一个光检测器，分别实现高斯激光的转发和检测；目的节点配备两个光检测器，系统采用半双工工作模式，其数据传输过程包括三个步骤，先将信源信息映射成M阶脉冲幅度调制(PAM)星座符号xs， 是M阶脉冲幅度调制(PAM)的星座集合，其中第m个星座符号可以表示为其中Pt为光信号的平均发射功率，然后将调制后的星座符号xs通过高斯激光束发送到中继节点和目的节点，并通过将信源节点到目的节点链路瞬时信噪比γsd及信源节点到中继节点链路瞬时信噪比γsr与对应链路设定的信噪比门限值SNRsd及SNRsr比较，以确定选择相应的协议传输方案，即直接传输、译码前传和放大前传；最后，目的节点根据不同传输方案解调恢复得到原始信号，该方法的具体步骤如下：
1)信源节点对信息进行光调制，将其映射成M阶PAM星座符号xs；
2)第一通信时隙，信源节点同时向中继节点和目的节点发送调制后的星座符号xs，目的节点接收到的信号可以表示为ysd＝Rhsdxs+nsd，其中R为光检测器的光电转换系数；nsd为信源节点和目的节点之间的信道噪声；hsd为信源节点到目的节点之间的信道系数，主要由对应信道路径损耗大气扰动衰落瞄准误差来确定，可表示为中继节点接收到的信号可以表示为ysr＝Rhsrxs+nsr，其中hsr为信源节点到中继节点之间的信道系数，主要由对应信道路径损耗大气扰动衰落瞄准误差决定，可以表示为nsr为信源节点和中继节点之间的信道噪声，转入下一步；
3)目的节点比较信源节点到目的节点链路的瞬时信噪比γsd与该链路设定的信噪比门限值SNRsd的大小，如果γsd≥SNRsd，则转入下一步，否则转入步骤5)；其中 表示均值为零的高斯随机噪声的方差，γsr和γrd分别表示信源节点到中继节点链路和中继节点到目的节点链路上的瞬时信噪比，分别记为和其中hrd为中继节点到目的节点之间的信道系数，其主要由对应信道的路径损耗大气扰动衰落瞄准误差决定，可以表示为Psd＝δ1P、Psr＝δ2P和Pr＝(1-δ1-δ2)P分别表示信源节点向目的节点发射功率、信源节点向中继节点的发射功率及中继节点的发射功率，P为系统总功率，δ1和δ2为功率分配因子；
4)当γsd≥SNRsd时，此时直传链路信道状态质量较好，目的节点能够正确译码，则在下一个通信时隙中继节点不工作，信源节点采用直接传输的方式传输新的信息，目的节点对接收到的信号进行解调；
5)当γsd＜SNRsd时，此时直传链路信道状态质量较差，目的节点不能正确译码，则在下一个通信时隙需要中继节点参与协议，中继节点继续比较信源节点到中继节点链路的瞬时信噪比γsr与对应链路上设定信噪比门限值SNRsr的大小，如果γsr≥SNRsr，则转入下一步，否则转入步骤7)；
6)当γsr≥SNRsr时，中继节点在第二个通信时隙采用DF(译码前传)工作方式，将第一个通信时隙接收到的信号进行译码，再将译码后的信号发送到目的节点，具体过程如下:
(1)中继节点将接收到的光信号转化成电信号，其光电转化系数为R；
(2)第二个通信时隙，将译码后的信息转化成光信号并发送到目的节点，接收到的信号表示为yrd＝Rhrdxr+nrd，其中xr为xs经光电转换、译码和PAM光调制后的信息也是中继节点向目的节点发送的信息，nrd为中继节点和目的节点之间的信道噪声；
(3)转入步骤8)；
7)当γsr＜SNRsr时，中继节点在第二个通信时隙采用AF(放大前传)工作方式，将第一个通信时隙接收到的光信号进行放大，再将放大后的信号转化成光信号xr发射到目的节点，具体过程如下：
(1)中继节点将接收到的光信号转化成电信号，其光电转化系数为R；
(2)第二个通信时隙，中继节点将电信号放大后转化成光信号并发送到目的节点，目的节点接收到的信号可以表示为yrd＝βRhrdysr+nrd，其中表示放大因子；nrd为中继节点和目的节点之间的信道噪声；
(3)转入步骤8)；
8)目的节点将信源发送的信号ysd和中继发送的信号yrd进行光电转换，其光电转化系数为R1，然后进行最大比合并，最终合成信号可以表示为yMRC＝R1(hsdysd+hrdyrd)，将合并后的信号yMRC进行解调。
所述的IHDAF为英文Incremental Hybrid Decode-Amplify-Forward的缩写，意思为增量混合式译码放大前传。
所述的FSO为英文Free Space Optical的缩写，意思为自由空间光。
所述的PAM为英文Pulse Amplitude Modulation的缩写，意思为脉冲幅度调制。
本发明方法基于自由空间无线光通信的基础上，结合一种基于中继协议切换的增量混合译码放大前传方案，提出了一种更符合实际情况的协作自由空间无线光通信系统模型，根据反馈的信道状态信息选择相应的协议方案，可有效抑制因路径损耗、大气扰动和瞄准误差所引起的系统性能下降，提高系统传输可靠性。与基于固定协议的协作自由空间无线光通信系统相比，具有更强的适用性以及更明显的性能提升。
附图说明
图1是本发明系统的结构示意图。
图2是本发明方法的流程框图；其中1)-8)为其各个步骤。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例：
一种基于增量混合式译码放大前传(IHDAF)协议的自由空间光(FSO)通信系统的工作方法，通过以下通信系统来实现，如图1所示，该系统包括1个信源节点、1个中继节点和1个目的节点，信源节点配备两个激光发射器，用于产生和发射高斯激光束；中继节点配备一个激光发射器和一个光检测器，分别实现高斯激光的转发和检测；目的节点配备两个光检测器，系统采用半双工工作模式，其数据传输过程包括三个步骤，先将信源信息映射成M阶脉冲幅度调制(PAM)星座符号xs， 是M阶PAM的星座集合，其中第m个星座符号可以表示为其中Pt为光信号的平均发射功率，然后将调制后的星座符号xs通过高斯激光束发送到中继节点和目的节点，并通过将信源节点到目的节点链路瞬时信噪比γsd及信源节点到中继节点链路瞬时信噪比γsr与对应链路设定的信噪比门限值SNRsd及SNRsr比较，以确定选择相应的协议传输方案，即直接传输、译码前传和放大前传；最后，目的节点根据不同传输方案解调恢复得到原始信号，该方法的具体步骤如下：
1)信源节点对信息进行光调制，将其映射成M阶PAM星座符号xs；
2)第一通信时隙，信源节点同时向中继节点和目的节点发送调制后的星座符号xs，目的节点接收到的信号可以表示为ysd＝Rhsdxs+nsd，其中R为光检测器的光电转换系数；nsd为信源节点和目的节点之间的信道噪声；hsd为信源节点到目的节点之间的信道系数，主要由对应信道路径损耗大气扰动衰落瞄准误差来确定，可表示为中继节点接收到的信号可以表示为ysr＝Rhsrxs+nsr，其中hsr为信源节点到中继节点之间的信道系数，主要由对应信道路径损耗大气扰动衰落瞄准误差决定，可以表示为nsr为信源节点和中继节点之间的信道噪声，转入下一步；
3)目的节点比较信源节点到目的节点链路的瞬时信噪比γsd与该链路设定的信噪比门限值SNRsd的大小，如果γsd≥SNRsd，则转入下一步，否则转入步骤5)；其中 表示均值为零的高斯随机噪声的方差，γsr和γrd分别表示信源节点到中继节点链路和中继节点到目的节点链路上的瞬时信噪比，分别记为和其中hrd为中继节点到目的节点之间的信道系数，其主要由对应信道的路径损耗大气扰动衰落瞄准误差决定，可以表示为Psd＝δ1P、Psr＝δ2P和Pr＝(1-δ1-δ2)P分别表示信源节点向目的节点发射功率、信源节点向中继节点的发射功率及中继节点的发射功率，P为系统总功率，δ1和δ2为功率分配因子；
4)当γsd≥SNRsd时，此时直传链路信道状态质量较好，目的节点能够正确译码，则在下一个通信时隙中继节点不工作，信源节点采用直接传输的方式传输新的信息，目的节点对接收到的信号进行解调；
5)当γsd＜SNRsd时，此时直传链路信道状态质量较差，目的节点不能正确译码，则在下一个通信时隙需要中继节点参与协议，中继节点继续比较信源节点到中继节点链路的瞬时信噪比γsr与对应链路上设定信噪比门限值SNRsr的大小，如果γsr≥SNRsr，则转入下一步，否则转入步骤7)；
6)当γsr≥SNRsr时，中继节点在第二个通信时隙采用DF(译码前传)工作方式，将第一个通信时隙接收到的信号进行译码，再将译码后的信号发送到目的节点，具体过程如下:
(1)中继节点将接收到的光信号转化成电信号，其光电转化系数为R；
(2)第二个通信时隙，将译码后的信息转化成光信号并发送到目的节点，接收到的信号表示为yrd＝Rhrdxr+nrd，其中xr为xs经光电转换、译码和PAM光调制后的信息也是中继节点向目的节点发送的信息，nrd为中继节点和目的节点之间的信道噪声；
(3)转入步骤8)；
7)当γsr＜SNRsr时，中继节点在第二个通信时隙采用AF(放大前传)工作方式，将第一个通信时隙接收到的信号进行放大，再将放大后的信号转化成光信号xr发射到目的节点，具体过程如下：
(1)中继节点将接收到的光信号转化成电信号，其光电转化系数为R；
(2)第二个通信时隙，中继节点将电信号放大后转化成光信号并发送到目的节点，目的节点接收到的信号可以表示为yrd＝βRhrdysr+nrd，其中表示放大因子；nrd为中继节点和目的节点之间的信道噪声；
(3)转入步骤8)；
8)目的节点将信源发送的信号ysd和中继发送的信号yrd进行光电转换，其光电转化系数为R1，然后进行最大比合并，最终合成信号可以表示为yMRC＝R1(hsdysd+hrdyrd)，将合并后的信号yMRC进行解调。

Claims (1)

1.一种基于IHDAF协议的FSO通信系统的工作方法，通过以下通信系统来实现，该系统包括1个信源节点、1个中继节点和1个目的节点，信源节点配备两个激光发射器，用于产生和发射高斯激光束；中继节点配备一个激光发射器和一个光检测器，分别实现对高斯激光的转发和检测；目的节点配备两个光检测器，系统采用半双工工作模式，其数据传输过程包括三个步骤，先将信源信息映射成M阶脉冲幅度调制星座符号xs， 是M阶脉冲幅度调制的星座集合，其中第m个星座符号可以表示为其中Pt为光信号的平均发射功率，然后将调制后的星座符号xs通过高斯激光束发送到中继节点和目的节点，并通过将信源节点到目的节点链路瞬时信噪比γsd及信源节点到中继节点链路瞬时信噪比γsr与对应链路设定的信噪比门限值SNRsd及SNRsr比较，以确定选择相应的协议传输方案，即直接传输、译码前传和放大前传；最后，目的节点根据不同传输方案解调恢复得到原始信号，该方法的具体步骤如下：
1)信源节点对信息进行光调制，将其映射成M阶脉冲幅度调制星座符号xs；
2)第一通信时隙，信源节点同时向中继节点和目的节点发送调制后的星座符号xs，目的节点接收到的信号可以表示为ysd＝Rhsdxs+nsd，其中R为光检测器的光电转换系数；nsd为信源节点和目的节点之间的信道噪声；hsd为信源节点到目的节点之间的信道系数，主要由对应信道路径损耗大气扰动衰落瞄准误差来确定，可表示为中继节点接收到的信号可以表示为ysr＝Rhsrxs+nsr，其中hsr为信源节点到中继节点之间的信道系数，主要由对应信道路径损耗大气扰动衰落瞄准误差决定，可以表示为nsr为信源节点和中继节点之间的信道噪声，转入下一步；
3)目的节点比较信源节点到目的节点链路的瞬时信噪比γsd与该链路设定的信噪比门限值SNRsd的大小，如果γsd≥SNRsd，则转入下一步，否则转入步骤5)；其中 表示均值为零的高斯随机噪声的方差，γsr和γrd分别表示信源节点到中继节点链路和中继节点到目的节点链路上的瞬时信噪比，分别记为和其中hrd为中继节点到目的节点之间的信道系数，其主要由对应信道的路径损耗大气扰动衰落瞄准误差决定，可以表示为Psd＝δ1P、Psr＝δ2P和Pr＝(1-δ1-δ2)P分别表示信源节点向目的节点发射功率、信源节点向中继节点的发射功率及中继节点的发射功率，P为系统总功率，δ1和δ2为功率分配因子；
4)当γsd≥SNRsd时，此时直传链路信道状态质量较好，目的节点能够正确译码，则在下一个通信时隙中继节点不工作，信源节点采用直接传输的方式传输新的信息，目的节点对接收到的信号进行解调；
5)当γsd＜SNRsd时，此时直传链路信道状态质量较差，目的节点不能正确译码，则在下一个通信时隙需要中继节点参与协议，中继节点继续比较信源节点到中继节点链路的瞬时信噪比γsr与对应链路上设定信噪比门限值SNRsr的大小，如果γsr≥SNRsr，则转入下一步，否则转入步骤7)；
6)当γsr≥SNRsr时，中继节点在第二个通信时隙采用译码前传工作方式，将第一个通信时隙接收到的信号进行译码，再将译码后的信号发送到目的节点，具体过程如下:
(1)中继节点将接收到的光信号转化成电信号，其光电转化系数为R；
(2)第二个通信时隙，将译码后的信息转化成光信号并发送到目的节点，接收到的信号表示为yrd＝Rhrdxr+nrd，其中xr为xs经光电转换、译码和PAM光调制后的信息也是中继节点向目的节点发送的信息，nrd为中继节点和目的节点之间的信道噪声；
(3)转入步骤8)；
7)当γsr＜SNRsr时，中继节点在第二个通信时隙采用放大前传工作方式，将第一个通信时隙接收到的光信号进行放大，再将放大后的信号转化成光信号xr发射到目的节点，具体过程如下：
(1)中继节点将接收到的光信号转化成电信号，其光电转化系数为R；
(2)第二个通信时隙，中继节点将电信号放大后转化成光信号并发送到目的节点，目的节点接收到的信号可以表示为yrd＝βRhrdysr+nrd，其中表示放大因子；nrd为中继节点和目的节点之间的信道噪声；
(3)转入步骤8)；
8)目的节点将信源发送信号ysd和中继发送的信号yrd进行光电转换，其光电转化系数为R1，然后进行最大比合并，最终合成信号可以表示为yMRC＝R1(hsdysd+hrdyrd)，将合并后的信号yMRC进行解调。
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