CN111641453A - 基于串行中继自由空间光通信系统的自适应协议选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于串行中继自由空间光通信系统的自适应协议选择方法，包括：构建基于放大转发协议的串行中继自由空间光通信系统的模型，分别得到基于放大转发协议的接收端信噪比、功率限制条件下接收端信噪比、基于信道信息放大转发协议的接收端信噪比、固定增益条件下的接收端信噪比和基于信道信息放大转发协议的系统平均误码率ABER；构建自适应协议选择方法。与现有的基于串行中继的自由空间光通信系统性能相比，本方法能在保证系统平均误码率性能要求的同时降低系统的复杂度。

Description

基于串行中继自由空间光通信系统的自适应协议选择方法

技术领域

本发明属于无线光通信技术领域，具体为系统中的发射端发送信号，经二进制相移键控(BPSK)调制后，通过串行中继节点的转发到达接收端，其中在每一个中继节点处利用自适应协议选择方法来确定下一跳的转发协议。

背景技术

近年来，我国无线光通信技术飞速发展，对进一步提高通信安全和稳定性具有重要意义。相比有线通信来讲，虽然无线光通信优势更为明显，但是其受到阻挡物、距离以及天气等因素的影响也更为严重，导致通信信道状态不良，接收信号质量降低，无法达到预期的高质量通信效果。针对此提出了中继协作通信模型，通过在长距离的收发两端之间布置多个节点作为“接力站”来传输信号。这些若干个节点将长距离分解成多条短距离来减缓光信号的衰落，减小对功率的依赖，从而更为实际有效得提高了自由空间光通信(FSO)系统的可靠性。

此外，在提高FSO系统可靠性的同时，如何尽量降低系统复杂度也是一个值得研究的问题。在通常的中继协议中，一般分为两种，一种是直接放大转发(AF)，其利用信道信息进行可调增益放大或者对信号直接进行等增益放大，再将放大后的信号转发给下一跳的节点；二是译码转发(DF)，在DF协议中，中继节点不是单纯地对收到的信号进行转发，而是先对收到的信号进行解码操作，再将解码得到的信号重新编码后发送给下个节点。据报道，已有许多工作研究了基于串行中继的FSO系统的转发协议。然而目前的问题在于：

1)采用AF协议时，系统复杂度低，实现起来相对容易，但带来的问题是放大过程中将噪声也同等放大了，如果系统链路跳数比较多的话，端到端累积的噪声将会产生很大的干扰。

2)采用DF协议时，可以有效地消除累积噪声，但每个节点都要译码处理，带来的复杂度和系统延迟比较大。

考虑到现有的这两种转发协议有各自的优缺点以及信道环境的随机变化，为了较好地折中复杂性和可靠性，经济有效地提高FSO系统的整体性能，研究具有高可靠性和低复杂度的自适应协议选择方法实属当前十分重要的研究方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于串行中继自由空间光通信系统的自适应协议选择方法，该方法能够在保证系统平均误码率性能要求的同时降低系统的复杂度。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种基于串行中继自由空间光通信系统的自适应协议选择方法，包括下述步骤：

1)构建基于放大转发协议的串行中继自由空间光通信系统模型，分别得到基于放大转发协议的接收端信噪比、功率限制条件下的接收端信噪比、基于信道信息放大转发协议的接收端信噪比和固定增益条件下的接收端信噪比以及基于信道信息的放大转发协议下系统的平均误码率；

2)利用自适应协议选择方法选择基于串行中继的自由空间光通信系统中最优转发协议，实现在保证系统平均误码率性能要求的同时降低系统的复杂度；具体的：

2a)初始化和定义源节点发送信号和与系统相关的所有参数；

2b)从源节点向下一跳节点发送预调制信号x；

2c)选取系统可接受平均误码率大小所对应的信噪比阈值γ_th；

2d)计算第k个节点的接收信噪比γ；若γ＜γ_th，第k个节点选择译码转发协议向下一个跳转发；若γ≥γ_th，第k个节点选择基于信道信息的放大转发协议向下一个跳转发；

2e)到达目的节点后计算系统的平均误码率。

进一步，步骤1)中，构建基于放大转发协议的串行中继自由空间光通信系统模型，系统模型中包括基于弱大气湍流条件的信道模型：当大气湍流的强度较弱的时候，通常用对数正态分布(Lognormal，LN)来对湍流进行建模。LN模型是基于一阶Rytov近似得到的，给出它的概率密度函数

和和累积分布函数

形式。

进一步，所述步骤1)中，得到基于放大转发协议的接收端信噪比、功率限制条件下的接收端信噪比、基于信道信息放大转发协议的接收端信噪比和固定增益条件下的接收端信噪比，过程如下：

1a)设光电响应系数和调制系数均归一化，则得到第k个节点收到的电信号y_k；

1b)设调制格式为BPSK且假定发射端功率归一化，则得到目的节点收到的信号y_N；

1c)得到基于放大转发协议的接收端信噪比γ_ee；

1d)满足中继器功率约束的条件下，设中继器处的放大增益为，

则得到功率限制条件下接收端的信噪比γ_ee1；

1e)令中继节点的放大增益为前一跳的信道衰落系数的倒数，即g_i＝1/I_i,则得到基于信道信息放大转发协议的接收端信噪比γ_ee2；

1f)设每个节点处的放大增益为固定值，则目的节点在固定增益条件下的接收端信噪比γ_ee3可以表示为N个独立的对数正态随机变量的平方的乘积。

进一步，所述步骤1)中，得到的基于信道信息的放大转发协议下系统的平均误码率p_e是利用基于信道信息的放大转发协议接收端信噪比上界γ_b的累积分布函数

和系统条件误码率得到的。

进一步，所述步骤2a)中，与系统相关的所有参数包括中继系统的每一跳链路长度L、发送端发送信号的个数Numb、源节点发送的预调制信号x、系统中链路的跳数N、接收孔径尺寸D、光强的对数方差

信噪比阈值γ_th和高斯拉盖尔函数的阶数n。

进一步，所述步骤2d)按如下过程进行：

计算第k个节点的接收信噪比γ，若γ＜γ_th，节点k通过译码转发协议向节点k+1转发信号，则节点k+1收到信号；若γ≥γ_th，节点k通过基于信道信息的放大转发协议向节点k+1转发信号，则节点k+1收到的信号。

进一步，所述步骤2e)中，接收端可得系统平均误码率P_e为:

本发明具有以下优点：

本发明提出了一种基于串行中继自由空间光通信系统的自适应协议选择方法，与现有的串行中继系统采用的转发协议相比，本发明通过初始化和定义源节点发送信号和与系统相关的所有参数，从源节点向下一跳节点发送预调制信号，选取系统可接受平均误码率大小所对应的信噪比阈值γ_th，计算第k个节点的接收信噪比γ；并判断信噪比阈值与接收信噪比的大小，确定是否选择译码转发协议向下一个跳转发；从而到达目的节点后计算系统的平均误码率。本发明不仅控制累积噪声的影响，而且在保证系统平均误码率性能要求的同时降低了系统的复杂度，这样较好的折中了复杂性和可靠性，经济有效的提高系统的实际应用能力。仿真结果表明本发明性能表现良好。

附图说明

图1是包含N跳的串行中继自由空间光通信系统的模型；

图2是基于串行中继自由空间光通信系统的自适应协议选择方法流程图；

图3是基于不同转发协议下FSO系统ABER性能曲线；

图4是基于AF协议系统的ABER性能曲线以及ABER理论下界；

图5a)-图5b)分别是接收孔径尺寸为3mm和25mm时自适应协议选择方法和基于DF协议、基于信道信息AF协议的系统ABER性能的对比；

图6是不同系统链路跳数下自适应协议选择方法和基于DF协议、基于信道信息AF协议的系统ABER性能对比。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明。本实施例仅表示对本发明的原理性说明，不代表对本发明的任何限制。

本发明提出的一种基于串行中继自由空间光通信系统的自适应协议选择方法，包括下述步骤：

步骤1)，构建一种基于放大转发协议的串行中继自由空间光通信系统模型，分别得到基于放大转发协议的接收端信噪比、功率限制条件下的接收端信噪比、基于信道信息放大转发协议的接收端信噪比和固定增益条件下的接收端信噪比以及基于信道信息的放大转发协议下系统的平均误码率。

系统模型中包括基于弱大气湍流条件的信道模型：

当大气湍流的强度较弱的时候，通常用对数正态分布(Lognormal，LN)来对湍流进行建模。LN模型是基于一阶Rytov近似得到的，它的概率密度函数

和和累积分布函数

形式如下：

其中，I是发射端功率归一化后的接收信号的功率强度,

为光强的对数方差，

为光强闪烁指数，erf(·)为误差函数。

得到基于放大转发协议的接收端信噪比、功率限制条件下的接收端信噪比、基于信道信息放大转发协议的接收端信噪比、固定增益条件下的接收端信噪比的过程如下：

1a)如果假设光电响应系数和调制系数都归一化，则第k个节点收到的电信号可表示为：

y_k＝g_k-1I_ky_k-1+n_k (3)

其中k＝1...N，N表示系统链路的数目，y_k表示第k个节点接收信号；g_k-1表示节点k-1对转发信号的放大增益；I_k表示节点k-1到节点k之间的信道衰落系数，且

y_k-1是节点k-1向节点k转发的信号；n_k是均值为零、方差为

的高斯白噪声。

对(3)式进行递推求解，过程如下：

式中，y₀＝x是源节点发送的信号；

1b)设调制方式为BPSK且假定发射端功率归一化，则目的节点收到的信号y_N表达式为：

式中，i＝1...N,j＝1...N,N表示中继节点的个数，x为源节点发送的BPSK信号，g_i-1表示节点i-1对转发信号的放大增益，其中g₀表示源节点对发送信号的放大增益；I_i表示节点i-1到节点i之间的信道衰落系数，且

n_j是均值为零、方差为

的高斯白噪声。

1c)于是，在中继节点采用AF协议时，接收端信噪比γ_ee为：

其中每个节点的放大增益不能是任意的，因为实际系统中功放电路是必须工作在放大状态的，因此如果放大增益过大，那么实际电路将无法产生满足功率要求的信号。当节点以归一化的发射功率向下个节点发送BPSK调制信号x，则下个节点收到的信号为：

y＝Ix+n (7)

其功率为

P＝I²+n² (8)

故放大增益应该满足如下约束条件：

g²P≤1 (9)

所以放大增益的上界为

1d)设中继器处的放大增益为

则得到功率限制条件下接收端的信噪比γ_ee1为：

1e)令节点的放大增益为前一跳的信道衰落系数的倒数，即g_i＝1/I_i，以均衡第i跳链路，通过放大增益来补偿信道的衰落，保证在前一跳通道增益较小的情况下，第i跳中继有足够的瞬时输出功率，同时忽略了噪声的干扰，在(6)式的基础上重新定义接收端的信噪比表达式，即基于信道信息放大转发协议的接收端信噪比γ_ee2为：

式中，

其中

为了用数学上更易于处理的形式来表示接收端信噪比γ_ee2，利用已知的几何平均值和调和平均值之间的不等式：

当且仅当x₁＝...＝x_N时，不等式中的等号成立，则可以得到基于信道信息的放大转发协议下接收端信噪比的上界γ_b为：

由LN分布的性质可知，

是一个期望

和方差

的对数正态随机变量，其中μ_j和

分别为信道衰落系数I_j的期望和方差，则γ_b的概率密度函数

和累积分布函数

为：

式中，γ为基于信道信息放大转发协议系统的接收端信噪比，

为接收端的平均信噪比，N为系统链路的数目。

在确定各个节点处的放大增益的时候，需要利用信道估计技术来估计前一跳的信道衰落系数，这也会带来一些多余的复杂度，且在快衰落信道下难以进行有效估计。为进一步减少额外开销，把每个节点处的放大增益设置为固定值，分析放大增益的上界，这个固定值应该为：

在目的节点处的总的衰落增益为：

1f)假设目的节点可以很好地估计N个信道系数的乘积的幅度值，但无法或者没有资源用来估计每一跳的信道系数。在这种情形下，整个端到端通信系统可以看作是N个子系统级联而成的一个整体，因此目的节点在固定增益条件下接收端信噪比γ_ee3可以表示为N个独立的对数正态随机变量的平方的乘积：

式中，N_T是目的节点处的累积噪声功率。

采用BPSK调制时，系统的条件误码率如下：

式中erfc(·)为互补误差函数，γ为接收端的信噪比，则串行中继的FSO通信系统的ABER下界表达式如下：

其中，

表示γ_b的概率密度函数，

表示γ_b的累计分布函数，a_m是Laguerre多项式

的第m重根，H_m是a_m对应的权重系数。

步骤2)，利用自适应协议选择方法得到每一个中继节点处最佳转发协议，实现在保证系统平均误码率性能要求的同时降低系统的复杂度。

其中，利用自适应协议选择方法选择每一个中继节点处最佳转发协议是通过如下步骤得到的：

2a)初始化和定义源节点发送信号和与系统相关的所有参数。这些参数是中继系统的每一跳链路长度L、发送端发送信号的个数Numb、源节点发送预调制信号x、系统包含链路的跳数N、接收孔径尺寸D、光强的对数方差

信噪比阈值γ_th和高斯拉盖尔函数的阶数n。

2b)从源节点向下一跳节点发送预调制信号x；

2c)选取系统可接受平均误码率大小所对应的信噪比阈值γ_th；

2d)计算第k个节点的接收信噪比γ，若γ＜γ_th，节点k通过译码转发协议向节点k+1转发信号，则节点k+1收到信号表示为

y_k+1＝I_k+1x+n_k+1 (22)

其中，x是节点k译码后得到的信号，且x∈X；X是源节点处发送信号的星座点的集合。

若γ＞γ_th，节点k通过基于信道信息的放大转发协议向节点k+1转发信号，则节点k+1收到的信号表示为

2e)：判断算法是否达到终止条件。如果满足终止条件，则计算系统平均误码率；否则，返回步骤2d)。

接收端可得系统平均误码率P_e为：

本发明的正确性和优点可通过以下理论结果对比进一步说明：

本发明方法中，通过MATLAB进行模拟仿真验证。

首先，准确描述所述串行中继自由空间光通信系统的工作原理；然后，对所提出的基于DF协议的中继系统和基于AF协议的系统进行仿真研究其ABER性能；再者，对提出的自适应协议选择方法进行仿真，分析并比较其和现有方法的系统ABER性能；最后，分析实际传输距离和接收孔径大小对采用该自适应协议选择方法系统性能的影响。

理论和仿真结果

图1给出了包含N跳的基于串行中继自由空间光通信系统模型；图2是基于串行中继自由空间光通信系统的自适应协议选择方法流程图。表1给出了系统仿真的参数。

表1系统仿真参数表

图3给出了采用BPSK调制时基于不同转发协议的FSO系统的ABER性能，包含五跳(即N＝5)的基于LN衰落信道模型的串行中继FSO通信系统的ABER和SNR的关系曲线。该仿真中，接收孔径尺寸的大小分别设为D＝3mm和D＝25mm，对应的信道参数分别为

和

源节点发送功率归一化。从图3中可以看出，在接收信噪比相同的条件下，基于DF协议的中继系统ABER性能最好，ABER最低；基于固定增益AF协议的中继系统ABER性能最差，ABER最高；而基于信道信息的AF协议系统ABER性能介于两者之间。此外，信道条件越好，那么基于固定增益AF协议的系统和基于信道信息AF协议的系统之间的ABER性能差距越小，但基于DF协议的系统和基于信道信息AF协议的系统之间的性能差距越大。这是因为信道条件越好，意味着湍流引起的衰落和误差就小，而且DF协议没有累积噪声，因此在这种情况下性能优势会更明显；另一方面，信道条件好也意味着各跳链路的波动就小，那么基于固定增益AF协议的系统的ABER曲线就会越接近基于信道信息AF协议的系统的ABER曲线。图4给出了受功率约束的AF协议和基于信道信息的AF协议下系统的仿真ABER曲线及理论ABER的下界。系统链路跳数N＝5，信道参数分别为

和

从图4中可以看出，接收孔径越大，那么基于信道信息AF协议系统的ABER曲线就越贴近它的理论下界ABER曲线。这是因为孔径越大，意味着信道衰落系数的期望E<I>越大，方差

越小，那么采用固定增益AF协议系统和基于信道信息AF协议系统之间的ABER性能差距就越小。图5a)和图5b)给出了不同信道参数下，采用自适应协议选择方法、基于DF协议转发和基于信道信息AF协议转发系统ABER性能对比。其中，系统链路的跳数N＝5，图5a)中，接收孔径D＝25mm，信道参数

图5b)中，接收孔径D＝3mm，信道参数

从图5a)和图5b)可知，在低信噪比的时候，基于自适应协议选择的FSO系统ABER性能和基于DF协议系统的ABER性能一致；在高信噪比的时候，基于自适应协议选择的FSO系统ABER性能和基于信道信息AF协议的系统ABER性能一致。而在中间信噪比下，自适应协议选择的系统ABER性能介于基于信道信息AF协议的系统和基于DF协议的系统两者之间。此外可以观察到，自适应协议选择的系统ABER并不是平滑的，即不是随着信噪比的提高而下降，而是在一段信噪比区间内存在波动情况。这是因为在临界的信噪比阈值γ_th附近，如果接收信噪比小于γ_th，则节点采用DF协议以获取更好ABER性能；如果接收信噪比大于γ_th，则节点会采用AF协议来降低系统的复杂度，因此虽然接收信噪比高了点，但系统的ABER性能反而会降低一些。然而不管怎样波动，自适应协议的ABER性能始终会高于基于信道信息AF协议的系统ABER性能。图6中给出了不同中继链路跳数的串行中继系统基于不同转发协议时的ABER性能对比。系统链路跳数分别设N＝3和N＝10，接收孔径尺寸设为D＝25mm，阈值信噪比γ_th＝10dB。从图6中可以看出，随着链路跳数的增加，AF和DF协议之间的性能差距变大，此时自适应协议算法能有效地在保证低复杂度的同时提升系统的ABER性能。

Claims (9)

1.一种基于串行中继自由空间光通信系统的自适应协议选择方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)构建基于放大转发协议的串行中继自由空间光通信系统模型，分别得到基于放大转发协议的接收端信噪比、功率限制条件下的接收端信噪比、基于信道信息放大转发协议的接收端信噪比和固定增益条件下的接收端信噪比以及基于信道信息的放大转发协议下系统的平均误码率；

2)利用自适应协议选择方法选择基于串行中继的自由空间光通信系统中最优转发协议，实现在保证系统平均误码率性能要求的同时降低系统的复杂度；具体的：

2a)初始化和定义源节点发送信号和与系统相关的所有参数；

2b)从源节点向下一跳节点发送预调制信号x；

2c)选取系统可接受平均误码率大小所对应的信噪比阈值γ_th；

2d)计算第k个节点的接收信噪比γ；若γ＜γ_th，第k个节点选择译码转发协议向下一个跳转发；若γ≥γ_th，第k个节点选择基于信道信息的放大转发协议，向下一个跳转发；

2e)到达目的节点后计算系统的平均误码率。

2.根据权利要求1所述的一种基于串行中继自由空间光通信系统的自适应协议选择方法，其特征在于，所述步骤1)中，构建基于放大转发协议的串行中继自由空间光通信系统模型，系统模型中包括基于弱大气湍流条件的信道模型：

当大气湍流的强度较弱的时候，通常用对数正态分布来对湍流进行建模，它的概率密度函数

和累积分布函数

形式如下：

式中，I为发射端功率归一化后的接收信号强度，

为光强的对数方差，

为光强闪烁指数，erf(·)为误差函数。

3.根据权利要求1所述的一种基于串行中继自由空间光通信系统的自适应协议选择方法，其特征在于，所述步骤1)中，得到基于放大转发协议的接收端信噪比、功率限制条件下的接收端信噪比、基于信道信息放大转发协议的接收端信噪比和固定增益条件下的接收端信噪比的过程如下：

1a)设光电响应系数和调制系数均归一化，则得到第k个节点收到的电信号y_k；

1b)设调制格式为BPSK且假定发射端功率归一化，则得到目的节点收到的信号y_N；

1c)得到基于放大转发协议的接收端信噪比γ_ee；

1d)满足中继器功率约束的条件下，设中继器处的放大增益为，

则得到功率限制条件下接收端的信噪比γ_ee1；

1e)令中继节点的放大增益为前一跳的信道衰落系数的倒数，即g_i＝1/I_i,则得到基于信道信息放大转发协议的接收端信噪比γ_ee2；

1f)设每个节点处的放大增益为固定值，则目的节点在固定增益条件下的接收端信噪比γ_ee3可以表示为N个独立的对数正态随机变量平方的乘积。

4.根据权利要求3所述的一种基于串行中继自由空间光通信系统的自适应协议选择方法，其特征在于，所述步骤1a)中，第k个节点接收到的电信号y_k为：

y_k＝g_k-1I_ky_k-1+n_k (3)

式中，k＝1...N，N表示中继节点的个数，y_k表示第k个节点接收信号；g_k-1表示节点k-1对转发信号的放大增益；I_k表示节点k-1到节点k之间的信道衰落系数，且

y_k-1是节点k-1向节点k转发的信号；n_k是均值为零、方差为

的高斯白噪声。

5.根据权利要求3所述的一种基于串行中继自由空间光通信系统的自适应协议选择方法，其特征在于，所述步骤1b)中，目的节点收到的信号y_N表示为：

式中，i＝1...N,j＝1...N,N表示中继节点的个数，x为源节点发送的BPSK信号，g_i-1表示节点i-1对转发信号的放大增益，其中g₀表示源节点对发送信号的放大增益；I_i表示节点i-1到节点i之间的信道衰落系数，且

n_j是均值为零、方差为

的高斯白噪声；

所述步骤1c)中，基于放大转发协议的接收端信噪比γ_ee为：

所述步骤1d)中，功率限制条件下接收端的信噪比γ_ee1为：

所述步骤1e)中，基于信道信息放大转发协议的接收端信噪比γ_ee2为：

式中，

其中

所述步骤1f)中，目的节点在固定增益条件下的接收端信噪比γ_ee3为：

式中，N_T是目的节点处的累积噪声功率。

6.根据权利要求1所述的一种基于串行中继自由空间光通信系统的自适应协议选择方法，其特征在于，所述步骤1)中，得到基于信道信息的放大转发协议下系统的平均误码率p_e，步骤如下：

基于信道信息的放大转发协议接收端信噪比的上界γ_b的累积分布函数

为：

式中，j＝1...N,N为链路中中继节点的个数，I_j为第j跳的信道衰落系数，

其中

为高斯白噪声的方差，

为X的对数方差；

采用BPSK调制时，系统的条件误码率p_ec(γ)为：

式中erfc(·)为互补误差函数，γ为接收端的信噪比；

则基于信道信息的放大转发协议下系统的平均误码率如下：

式中，

表示γ_b的概率密度函数，

表示γ_b的累积分布函数，a_m是Laguerre多项式

的第m重根，H_m是a_m对应的权重系数。

7.根据权利要求1所述的一种基于串行中继自由空间光通信系统的自适应协议选择方法，其特征在于，所述步骤2a)中，与系统相关的所有参数包括中继系统的每一跳链路长度L、发送端发送信号的个数Numb、源节点发送的预调制信号x、系统中链路的跳数N、接收孔径尺寸D、光强的对数方差

信噪比阈值γ_th和高斯拉盖尔函数的阶数n。

8.根据权利要求1所述的一种基于串行中继自由空间光通信系统的自适应协议选择方法，其特征在于，所述步骤2d)按如下过程进行：

计算第k个节点的接收信噪比γ，若γ＜γ_th，节点k通过译码转发协议向节点k+1转发信号，则节点k+1收到信号表示为：

y_k+1＝I_k+1x+n_k+1 (22)

其中，x是节点k译码后得到的信号，且x∈X，X是源节点处发送信号的星座点的集合；

若γ≥γ_th，节点k通过基于信道信息的放大转发协议向节点k+1转发信号，则节点k+1收到的信号表示为：

9.根据权利要求1所述的一种基于串行中继自由空间光通信系统的自适应协议选择方法，其特征在于，所述步骤2e)中，接收端可得系统平均误码率P_e为:

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