CN110071765B - 自由光通信、射频和可见光通信三跳中继通信方法及装置 - Google Patents

自由光通信、射频和可见光通信三跳中继通信方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种自由光通信、射频和可见光通信三跳中继通信方法及装置，其中方法包括：步骤S1：构建一个三跳混合中继系统，并采集系统参数；步骤S2：分别获得FSO信道的瞬时信噪比的累积分布函数、RF通道的瞬时信噪比的累积分布函数和VLC信道瞬时信噪比的累积分布函数；步骤S3：基于得到的FSO信道的瞬时信噪比的累积分布函数、RF通道的瞬时信噪比的累积分布函数和VLC信道瞬时信噪比的累积分布函数，确定瞬时端到端信噪比的概率密度函数；步骤S4：基于得到的瞬时端到端信噪比的概率密度函数进行通信控制。与现有技术相比，本发明具有扩大了通信覆盖范围的同时，降低了通信部署成本等优点。

Description

自由光通信、射频和可见光通信三跳中继通信方法及装置
技术领域
本发明涉及一种通信技术，尤其是涉及一种自由光通信、射频和可见光通信三跳中继通信方法及装置。
背景技术
自由空间光学(FSO)通信系统是一个可视技术，其具有各种优点，例如提供便宜的安装和运营成本，易于部署，免许可证频谱，抗干扰性和高数据速率(10Gbps)，因此，FSO通信广泛用于地面和卫星通信，光纤回传，回程网络，数据恢复，高清传输。但是，对于1km或更长的距离，大气湍流会损害FSO通信的性能。为了提供更好的系统性能和扩展覆盖范围，利用RF和FSO系统的互补优势，建立基于RF结合FSO的混合中继系统。
可见光通信(VLC)系统目前得到了研究人员和科学家高度重视，试图获得超高速，高安全性，健康友好的通信系统，这使得许多应用的研究和开发需要高带宽光信号而不是RF和微波。VLC系统可以用于室内和室外照明目的，显示器，标牌，电视，计算机屏幕，用于通信目的的照相机，通过使用发光二极管(LED)。这些光源可用于提供解决现有通信技术中的许多问题的方法，例如有限的带宽，链路不可用性；干扰敏感电气设备；数据安全；暴露在高频和微波信号下对健康的负面影响。无线技术用于医疗区域网络，以增加医务人员和患者的灵活性和便利性。但众所周知，许多频率的无线电波都会产生强烈的电场强度，干扰电子设备，导致数据不准确，在很多情况下可能会严重，可见光通信(VLC)已经成为室内射频(RF)通信的有吸引力的替代方案，并且可以满足对大量数据服务的不断增长的需求。除了提供巨大且未经许可的带宽以应对拥挤的无线电频谱之外，VLC技术还具有各种其他优点，例如易于获得，无辐射且无电磁干扰。
而室内VLC系统必须连接到基站才能实现通信目的。为了提供更高的数据速率和提高系统性能，VLC系统可以配备传统的RF链路，并且将RF通道和FSO通道采用中继连接，以实现高数据速率的室内多媒体服务，但是目前尚没有较好的转发协议。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种自由光通信、射频和可见光通信三跳中继通信方法及装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种自由光通信、射频和可见光通信三跳中继通信方法，包括：
步骤S1：构建一个三跳混合中继系统，并采集系统参数；
步骤S2：分别获得FSO信道的瞬时信噪比的累积分布函数、RF通道的瞬时信噪比的累积分布函数和VLC信道瞬时信噪比的累积分布函数；
步骤S3：基于得到的FSO信道的瞬时信噪比的累积分布函数、RF通道的瞬时信噪比的累积分布函数和VLC信道瞬时信噪比的累积分布函数，确定瞬时端到端信噪比的概率密度函数；
步骤S4：基于得到的瞬时端到端信噪比的概率密度函数进行通信控制。
所述FSO信道的瞬时信噪比的累积分布函数的数学表达式为：
Figure BDA0002044694760000021
其中：
Figure BDA0002044694760000027
为FSO信道的瞬时信噪比的累积分布函数，α为与离散散射体的有效数量相关的FSO通道的参数，A1为M分布的参数，π为圆周率，β为与大气湍流相关的衰落参数，αk为M分布的相关参数，
Figure BDA0002044694760000022
为Meijer-G函数，
Figure BDA0002044694760000023
为Meijer-G函数的参数，T为M分布的相关参数，γth为阈值信噪比，
Figure BDA0002044694760000028
为FSO信道的相对信噪比。
所述RF通道的瞬时信噪比的累积分布函数为：
Figure BDA0002044694760000024
其中：
Figure BDA0002044694760000025
为RF通道的瞬时信噪比的累积分布函数，γ2为RF信道瞬时信噪比，
Figure BDA0002044694760000026
为RF信道相对信噪比。
所述VLC信道瞬时信噪比的累积分布函数为：
Figure BDA0002044694760000031
其中：
Figure BDA0002044694760000032
为VLC信道瞬时信噪比的累积分布函数，re为LED半径，B为VLC通道的相关参数，m为朗伯辐射的顺序，L为接收终端距离LED的高度，
Figure BDA0002044694760000033
为VLC信道的相对信噪比，γ3为VLC信道的瞬时信噪比，λmin为相对信噪比的下限，λmax为相对信噪比的上限。
所述瞬时端到端信噪比的概率密度函数为：
Figure BDA0002044694760000034
其中：Fγ(γ)为瞬时端到端信噪比的概率密度函数。
一种自由光通信、射频和可见光通信三跳中继通信控制装置，包括存储器、处理器，以及存储于存储器中并由所述处理器执行的程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
步骤S1：构建一个三跳混合中继系统，并采集系统参数；
步骤S2：分别获得FSO信道的瞬时信噪比的累积分布函数、RF通道的瞬时信噪比的累积分布函数和VLC信道瞬时信噪比的累积分布函数；
步骤S3：基于得到的FSO信道的瞬时信噪比的累积分布函数、RF通道的瞬时信噪比的累积分布函数和VLC信道瞬时信噪比的累积分布函数，确定瞬时端到端信噪比的概率密度函数；
步骤S4：基于得到的瞬时端到端信噪比的概率密度函数进行通信控制。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)将FSO链路，RF链路，VLC链路分别通过中继连接，构建了一个新型通信传输系统，并提供了一种获取整体瞬时端到端信噪比的概率密度函数的方式，可以有效控制整个通信过程。
2)扩大了通信覆盖范围的同时，降低了通信部署成本。
附图说明
图1为本发明方法的主要步骤流程示意图；
图2为本发明构建得到的系统框图；
图3为本发明实施例的系统在不同场景下系统误码率的曲线图；
图4为本发明实施例的系统在不同场景下系统中断概率的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种自由光通信、射频和可见光通信三跳中继通信方法，其以计算机程序的形式，由中继通信控制装置实现，该中继通信控制装置包括存储器、处理器，以及存储于存储器中并由处理器执行的程序，如图1所示，处理器执行程序时实现以下步骤：
步骤S1：构建一个三跳混合中继系统，如图2所示，并采集系统参数；
设定发送端(S)到中继(R1)为FSO信道，其遵循M分布模型，设定中继(R1)到目的端(D)为RF信道遵循Rayleigh分布；
信号从发送端发送，设定I为FSO信道增益，n1为FSO信道的高斯白噪声，中继处接到的信号为
Figure BDA0002044694760000041
设定h1为RF信道增益，n2为RF信道的高斯白噪声，η为光电转换频率，
Figure BDA0002044694760000042
为中继R1处解码转发信号，目的端接收到的信号为
Figure BDA0002044694760000043
设定h2为VLC信道增益，n3为VLC信道的高斯白噪声，ρ为光电转换频率，
Figure BDA0002044694760000044
为中继R2处解码转发信号，目的端接收到的信号为
Figure BDA0002044694760000045
步骤S2：分别获得FSO信道的瞬时信噪比的累积分布函数、RF通道的瞬时信噪比的累积分布函数和VLC信道瞬时信噪比的累积分布函数；
1)对于FSO信道，设定FSO信道增益I的概率密度函数，其信道增益I遵循M分布：
Figure BDA0002044694760000046
其中
Figure BDA0002044694760000047
α是与离散散射体的有效数量相关的FSO通道的参数，β表示与大气湍流相关的衰落参数，ξ＝2b0(1-ρ)b表示经典散射分量的平均功率，b0是散射分量的平均功率，ρ表示耦合到LoS分量的散射功率因子，Ω'是LoS分量的平均光功率和与之耦合的散射分量，Γ(.)是伽马函数，Kν(.)是具有阶ν的第二类修正贝塞尔函数。
通过变量变换，FSO信道的瞬时信噪比的概率密度函数：
Figure BDA0002044694760000051
其中γ1为FSO信道的瞬时信噪比，
Figure BDA0002044694760000052
为FSO信道的相对信噪比，G(.)是Meijer-G函数。
最后得到FSO信道的瞬时信噪比的累积分布函数的数学表达式为：
Figure BDA0002044694760000053
其中：
Figure BDA00020446947600000515
为FSO信道的瞬时信噪比的累积分布函数，α为与离散散射体的有效数量相关的FSO通道的参数，A1为M分布的参数，π为圆周率，β为与大气湍流相关的衰落参数，αk为M分布的相关参数，
Figure BDA0002044694760000054
为Meijer-G函数，
Figure BDA0002044694760000055
为Meijer-G函数的参数，T为M分布的相关参数，γth为阈值信噪比，
Figure BDA0002044694760000056
为FSO信道的相对信噪比。
2)对于RF通道，设定RF通道增益h1的概率密度函数为：
Figure BDA0002044694760000057
通过变量变换，RF通道的瞬时信噪比的概率密度函数：
Figure BDA0002044694760000058
其中γ2为RF信道瞬时信噪比，
Figure BDA0002044694760000059
为RF信道相对信噪比；
通过变量变换，得到RF通道的瞬时信噪比的累积分布函数为：
Figure BDA00020446947600000510
其中：
Figure BDA00020446947600000511
为RF通道的瞬时信噪比的累积分布函数，γ2为RF信道瞬时信噪比，
Figure BDA00020446947600000512
为RF信道相对信噪比。
3)对于VLC通道，设定VLC通道增益h2为：
Figure BDA00020446947600000513
令
Figure BDA00020446947600000514
则h2可以表示为
Figure BDA0002044694760000061
其中rt遵循均匀分布，其概率密度函数为
Figure BDA0002044694760000062
通过变量变换，VLC信道增益h2的概率密度函数：
Figure BDA0002044694760000063
VLC通道的瞬时信噪比的概率密度函数：
Figure BDA0002044694760000064
通过变量变换，得到VLC信道瞬时信噪比的累积分布函数为：
Figure BDA0002044694760000065
其中：
Figure BDA0002044694760000066
为VLC信道瞬时信噪比的累积分布函数re为LED半径，B为VLC通道的相关参数，m为朗伯辐射的顺序，L为接收终端距离LED的高度，
Figure BDA0002044694760000067
为VLC信道的相对信噪比，γ3为VLC信道的瞬时信噪比，λmin为相对信噪比的下限，λmax为相对信噪比的上限。
步骤S3：基于得到的FSO信道的瞬时信噪比的累积分布函数、RF通道的瞬时信噪比的累积分布函数和VLC信道瞬时信噪比的累积分布函数，确定瞬时端到端信噪比的概率密度函数；
对于中继(R1),中继(R2)处选择放大转发协议(DF)；
设定FSO/RF/VLC三跳混合中继系统的瞬时端到端信噪比γ：
γ＝min{γ1,γ2,γ3}
则瞬时端到端信噪比γ的概率密度函数为
Figure BDA0002044694760000068
其中：Fγ(γ)为瞬时端到端信噪比的概率密度函数。
步骤S4：基于得到的瞬时端到端信噪比的概率密度函数进行通信控制。
最后，对上述通信方法的结果进行终端概率计算和误码率计算，其中中断概率计算如下：
设定端到端信噪比γ低于设定的阈值γth，则本专利提出的系统中断概率：
Figure BDA0002044694760000071
误码率计算如下：
根据通信系统的二进制调制技术的误码率公式得到本专利提出的系统误码率：
Figure BDA0002044694760000072
本申请的工作原理为信号从发送端发送，首先经过FSO链路到达第一个中继点，在中继点处对信号进行解码转发，通过RF链路到达第二个中继点，在第二个中继点处对接收道德信号解码转发，最终通过VLC链路传送到接收端。
下面例举具体示例。
采用本发明的方法，其中b0＝0.25,ρ＝0.5,L＝2.15,FOV＝60°,m＝1,p＝0.5,q＝1。
采用本发明的提出的新型通信传输系统，观察了FSO信道中的大气湍流对整体系统性能的影响，结果如图3和图4所示。
图3展示了大气湍流对系统中断概率性能的影响。其中我们假设γth＝5dB。横坐标表示相对信噪比的变化，纵坐标表示中断概率。
图3中，每条曲线代表的含义分别为：红色正方形表示本发明提出系统的中断概率在不同场景下的蒙特卡洛仿真值，直线表示系统中断概率在弱大气湍流α＝10.5，β＝5下理论值，虚线表示系统中断概率在温和大气湍流α＝4.2，β＝2下的理论值，点线表示系统中断概率在强大气湍流为α＝2.1，β＝1下的理论值。星号表示了该系统中断概率在高信噪比情况下的近似值。从图3可以观察到，随着大气湍流的增加，系统的中断性能更差。
图4展示了大气湍流对系统误码率性能的影响。图4中，横坐标表示相对信噪比的变化，纵坐标表示系统误码率。
图4中，每条曲线代表的含义分别为：红色正方形表示本发明提出系统的误码率在不同场景下的蒙特卡洛仿真值，直线表示系统误码率在弱大气湍流α＝5.3，β＝3下的理论值，虚线表示系统误码率在温和大气湍流α＝4.2，β＝2下的理论值，点线表示系统误码率在强大气湍流为α＝2.1，β＝1下的理论值。从图3可以观察到，当大气湍流从弱湍流场强变为强湍流场景时，系统的误码率性能变差。

Claims (2)

1.一种自由光通信、射频和可见光通信三跳中继通信方法，其特征在于，包括：
步骤S1：构建一个三跳混合中继系统，并采集系统参数，
步骤S2：分别获得FSO信道的瞬时信噪比的累积分布函数、RF通道的瞬时信噪比的累积分布函数和VLC信道瞬时信噪比的累积分布函数，
步骤S3：基于得到的FSO信道的瞬时信噪比的累积分布函数、RF通道的瞬时信噪比的累积分布函数和VLC信道瞬时信噪比的累积分布函数，确定瞬时端到端信噪比的概率密度函数，
步骤S4：基于得到的瞬时端到端信噪比的概率密度函数进行通信控制；
所述FSO信道的瞬时信噪比的累积分布函数的数学表达式为：
Figure FDA0002658666050000011
其中：
Figure FDA0002658666050000012
为FSO信道的瞬时信噪比的累积分布函数，α为与离散散射体的有效数量相关的FSO通道的参数，A1为M分布相关的参数，π为圆周率，β为与大气湍流相关的衰落参数，αk为M分布相关的参数，
Figure FDA0002658666050000013
为Meijer-G函数，
Figure FDA0002658666050000014
为Meijer-G函数的参数，T为M分布相关的参数，γth为阈值信噪比，
Figure FDA0002658666050000015
为FSO信道的相对信噪比；
所述RF通道的瞬时信噪比的累积分布函数为：
Figure FDA0002658666050000016
其中：
Figure FDA0002658666050000017
为RF通道的瞬时信噪比的累积分布函数，γ2为RF信道瞬时信噪比，
Figure FDA0002658666050000018
为RF信道相对信噪比；
所述VLC信道瞬时信噪比的累积分布函数为：
Figure FDA0002658666050000019
其中：
Figure FDA00026586660500000110
为VLC信道瞬时信噪比的累积分布函数，re为LED的半径，B为VLC信道的参数，m为朗伯辐射的顺序，
Figure FDA00026586660500000111
为VLC信道的相对信噪比，γ3为VLC信道的瞬时信噪比，λmin为瞬时信噪比的下限，λmax为瞬时信噪比的上限，L为接收端和LED之间的高度；
所述瞬时端到端信噪比的概率密度函数为：
Figure FDA0002658666050000021
其中：Fγ(γ)为瞬时端到端信噪比的概率密度函数。
2.一种自由光通信、射频和可见光通信三跳中继通信控制装置，其特征在于，包括存储器、处理器，以及存储于存储器中并由所述处理器执行的程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
步骤S1：构建一个三跳混合中继系统，并采集系统参数，
步骤S2：分别获得FSO信道的瞬时信噪比的累积分布函数、RF通道的瞬时信噪比的累积分布函数和VLC信道瞬时信噪比的累积分布函数，
步骤S3：基于得到的FSO信道的瞬时信噪比的累积分布函数、RF通道的瞬时信噪比的累积分布函数和VLC信道瞬时信噪比的累积分布函数，确定瞬时端到端信噪比的概率密度函数，
步骤S4：基于得到的瞬时端到端信噪比的概率密度函数进行通信控制；
所述FSO信道的瞬时信噪比的累积分布函数的数学表达式为：
Figure FDA0002658666050000022
其中：
Figure FDA0002658666050000023
为FSO信道的瞬时信噪比的累积分布函数，α为与离散散射体的有效数量相关的FSO通道的参数，A1为M分布相关的参数，π为圆周率，β为与大气湍流相关的衰落参数，αk为M分布相关的参数，
Figure FDA0002658666050000024
为Meijer-G函数，
Figure FDA0002658666050000025
为Meijer-G函数的参数，T为M分布相关的参数，γth为阈值信噪比，
Figure FDA0002658666050000026
为FSO信道的相对信噪比；
所述RF通道的瞬时信噪比的累积分布函数为：
Figure FDA0002658666050000027
其中：
Figure FDA0002658666050000028
为RF通道的瞬时信噪比的累积分布函数，γ2为RF信道瞬时信噪比，
Figure FDA0002658666050000029
为RF信道相对信噪比；
所述VLC信道瞬时信噪比的累积分布函数为：
Figure FDA0002658666050000031
其中：
Figure FDA0002658666050000032
为VLC信道瞬时信噪比的累积分布函数，re为LED的半径，B为VLC信道的参数，m为朗伯辐射的顺序，
Figure FDA0002658666050000033
为VLC信道的相对信噪比，γ3为VLC信道的瞬时信噪比，λmin为瞬时信噪比的下限，λmax为瞬时信噪比的上限，L为接收端和LED之间的高度；
所述瞬时端到端信噪比的概率密度函数为：
Figure FDA0002658666050000034
其中：Fγ(γ)为瞬时端到端信噪比的概率密度函数。
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