CN113507347A - 一种用于激光与微波混合通信的软切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光与微波混合通信的软切换方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、计算FSO/RF混合链路软切换阈值与模型参数；步骤2、根据阈值的区间的划分可分别求得FSO链路和RF链路的平均丢包率，然后根据两条链路分别的平均丢包率求得混合链路的平均丢包率，进而对混合链路进行编码调制并确定FSO链路和RF链路传输的比例；步骤3、求得第一次传输时的混合丢包率后，调整FSO链路和RF链路的传输比例

求得带重传时的平均丢包率和平均传输次数，运用凸优化的方法对平均传输次数进行优化，求得最优时的相互协作重传比例ψ₁和ψ₂，完成激光与微波混合通信的软切换。具有系统可用率高和传输性能稳定的特点。

Description

一种用于激光与微波混合通信的软切换方法

技术领域

本发明属于无线光技术领域，涉及一种用于激光与微波混合通信的软切换方法。

背景技术

将自由空间光(FSO)通信与传统微波射频(RF)通信进行优势互补结合，FSO/RF混合链路组网技术有着广阔的应用前景。目前FSO/RF混合系统的传输方式主要有硬切换与软切换两类。硬切换FSO/RF系统通常以FSO作为主链路，RF链路作为备份，依据FSO主链路的阈值检测信息进行自动切换选择单链路进行传输，其方案简洁但系统资源利用率较低。软切换FSO/RF混合通信系统，采用双链路匹配传输的方式，可充分利用双链路资源互补与信道分集的优势，从而具有更好的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于激光与微波混合通信的软切换方法，具有系统可用率高和传输性能稳定的特点

本发明所采用的技术方案是，一种用于激光与微波混合通信的软切换方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、计算FSO/RF混合链路软切换阈值与模型参数；

步骤2、根据阈值的区间的划分可分别求得FSO链路和RF链路的平均丢包率，然后根据两条链路分别的平均丢包率求得混合链路的平均丢包率，进而对混合链路进行编码调制并确定FSO链路和RF链路传输的比例；

步骤3、求得第一次传输时的混合丢包率后，调整FSO链路和RF链路的传输比例

由于反馈链路引入的差异性，根据两条链路不同的信道质量，需要将新传输序列与缓存器中的重传序列标识合并为数据x，根据反馈信息调整双链路在ARQ重传决策时的互相协作传输比例ψ₁和ψ₂，进而求得带重传时的平均丢包率和平均传输次数，然后运用凸优化的方法对平均传输次数进行优化，求得最优时的相互协作重传比例ψ₁和ψ₂，完成激光与微波混合通信的软切换。

本发明的特点还在于：

步骤1具体按照以下实施：FSO/RF混合系统双链路不同速率传输所需要的信道状态阈值的划分，初始化过程主要完成系统设定的默认参数读取，以及新输入参量的正确性核验；状态阈值的划分，主要根据系统物理层选用的前向纠错码码率以及BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、32QAM、64QAM类调制阶数，更新FSO链路和RF链路的速率匹配切换阈值信息。

步骤1中FSO与RF链路的软切换阈值计算具体按照以下实施：

FSO链路的软切换阈值为：

其中，K表示重传次数，K＝1，L表示帧的大小，L＝1080比特，FER_FSO为FSO链路的丢包率，FER_FSO＝10^-2，i为调制方式；

RF链路采用模型，其概率密度函数为：

其中

为平均接收信噪比，

是Gamma函数，m为Nakagami的衰落参数；

RF链路的切换阈值为：

γ₀＝0，

γ_k+1＝+∞ (5)

其中，

FER_RF为RF链路的丢包率；由RF链路的瞬时丢包率求得RF链路的切换阈值；j为调制方式；α_j、g_j、γ_pn是与RF链路的模式选择有关的参数。

FSO链路采用Gamma模型，RF链路采用Nakagami-m模型。

步骤2具体按照以下实施：

得到FSO链路和RF链路的切换阈值后，根据阈值区间划分确定自适应调制方式下的分别的平均丢包率，从而判断两条链路的性能质量，进一步求得两条链路混合的平均丢包率，FSO/RF混合系统的接收端将FSO信道和RF信道的输出信号y_FSO和y_RF分别解调后得到每个比特对应的软信息z，并将其存放在接收端的缓存器中；缓存器根据HARQ协议的规则将软信息z进行联合处理，再将合并后的信息z’送至信道译码器进行纠错译码，以及后续的CRC校验解码；然后根据求得的混合丢包率调整FSO链路和RF链路的传输比例；根据反馈的CSI信息，在物理层调整前向纠错编码码率、调制阶数；调制方式采用BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、32QAM、64QAM等调制方式，根据公式(3)和公式(5)分别计算得出FSO链路和RF链路的切换阈值后，则FSO链路信息传输率为：

R_i，FSO＝φR_clog₂(M_i，FSO) (6)

其中，R_c为传输速率，M_i，FSO＝2ⁿ，n＝1，...，N，RF链路信息传输率为R_j，RF＝(1-φ)R_clog₂(M_j，RF)，M_i，RF＝2ⁿ，n＝1，...，N；

根据公式(6)求得信息传输率后，在自适应情况下根据求得的信息传输速率和两条链路分别的丢包率求得混合链路第一次传输时的平均丢包率；根据求得的混合链路的平均丢包率确定FSO链路的传输比例为

RF链路的传输比例为

且

根据反馈的CSI信息，在物理层调整前向纠错编码码率、调制阶数，FSO链路的传输比例为

RF链路的传输比例为

步骤3具体按照以下实施：在DLC层，由于反馈链路引入的差异性，根据两条链路不同的信道质量，再求得第一次传输时的混合丢包率后，调整了FSO链路和RF链路的传输比例

然后根据反馈信息调整双链路在ARQ重传决策时的互相协作传输比例ψ₁和ψ₂；求得混合链路在传输比例影响下的平均丢包率，当平均丢包率最小时，FSO、RF的传输比例最优，计算混合链路的第一次传输时的混合丢包率后，调整了FSO链路和RF链路的传输比例

然后调整双链路在ARQ重传时的互相协作传输比例ψ₁和ψ₂，当在高速FSO链路质量良好、RF链路由于反馈延迟最大时，选择对ψ₁比例的RF重传分组进行协助传输，从而提高RF链路的传输效率；在FSO链路质量较差或者其反馈链路中断情形下，RF链路可以对FSO链路需要重传的ψ₂数据分组进行协助传输；当FSO、RF链路均在状况良好的情形下时，则分别传输各自出错的包；进而求得在ARQ重传时的平均丢包率和平均传输次数；然后运用凸优化的方法对平均传输次数进行优化，求得最优时的相互协作重传比例ψ₁和ψ₂，完成激光与微波混合通信的软切换。

本发明的有益效果是：本发明一种用于激光与微波混合通信的软切换方法，具有性能稳定的特点。利用双链路的协作优势，建立了FSO/RF混合链路的跨层HARQ协议优化问题的数学模型，调整了混合链路的传输比例，在首次传输完成后，根据链路的反馈信息，由于反馈链路引入的差异性，根据两条链路不同的信道质量，通过调整双链路在ARQ重传决策时的互相协作传输比例，从而提高混合系统整体的链路利用率。

附图说明

图1是本发明一种用于激光与微波混合通信的软切换方法的流程图；

图2是本发明一种用于激光与微波混合通信的软切换方法的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种用于激光与微波混合通信的软切换方法中，对于FSO通信链路，假定x_FSO，y_FSO分别为输入已调信号和接收信号，则其信道模型可表示为

y_FSO＝A₁h₁ηx_FSO+n₁ (1)

其中，A₁表示信道衰减；h₁表示大气湍流引起的衰落；η表示光电探测效率；n₁表示激光大气信道的加性高斯白噪声。

对于微波RF链路，x_RF表示发端的发送信号，则接收信号y_RF可表示为

y_RF＝A₂h₂x_RF+n₂ (2)

其中，A₂表示信道衰减；n₂表示微波无线信道的加性高斯白噪声；h₂表示RF信道的衰落系数。由于FSO链路的激光视距传输要求，FSO/RF混合组网通信场景下，h₁采用Gamma-Gamma(双伽马)分布的模型，h₂为服从有直视路径的莱斯分布。

本发明一种用于激光与微波混合通信的软切换方法，如1所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1、计算FSO/RF混合链路软切换阈值与模型参数；FSO/RF混合系统双链路不同速率传输所需要的信道状态(信噪比或有效接收功率)阈值的划分，初始化过程主要完成系统设定的默认参数读取，以及新输入参量的正确性核验；状态阈值的划分，主要根据系统物理层选用的前向纠错码码率以及BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、32QAM、64QAM类调制阶数，更新FSO链路和RF链路的速率匹配切换阈值信息。

步骤1具体按照以下实施：

FSO链路的软切换阈值为：

其中，K表示重传次数，K＝1，L表示帧的大小，L＝1080比特，FER_FSO为FSO链路的丢包率，FER_FSO＝10^-2，i为调制方式；

RF链路采用模型，其概率密度函数为：

其中

为平均接收信噪比，

是Gamma函数，m为Nakagami的衰落参数；

RF链路的切换阈值为：

γ₀＝0，

γ_k+1＝+∞ (5)

其中，

FER_RF为RF链路的丢包率；由RF链路的瞬时丢包率求得RF链路的切换阈值；j为调制方式；α_j、g_j、γ_pn是与RF链路的模式选择有关的参数。

步骤2、根据阈值的区间的划分可分别求得FSO链路和RF链路的平均丢包率，然后根据两条链路分别的平均丢包率求得混合链路的平均丢包率，进而对混合链路进行编码调制并确定FSO链路和RF链路传输的比例；

步骤2具体按照以下实施：得到FSO链路和RF链路的切换阈值后，根据阈值区间划分确定自适应调制方式下的分别的平均丢包率，从而判断两条链路的性能质量，进一步求得两条链路混合的平均丢包率，FSO/RF混合系统的接收端将FSO信道和RF信道的输出信号y_FSO和y_RF分别解调后得到每个比特对应的软信息z，并将其存放在接收端的缓存器中；缓存器根据HARQ协议的规则将软信息z进行联合处理，再将合并后的信息z’送至信道译码器进行纠错译码，以及后续的CRC校验解码；然后根据求得的混合丢包率调整FSO链路和RF链路的传输比例；根据反馈的CSI信息，在物理层调整前向纠错编码码率、调制阶数；调制方式采用BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、32QAM、64QAM等调制方式，根据公式(3)和公式(5)分别计算得出FSO链路和RF链路的切换阈值后，则FSO链路信息传输率为：

R_i，FSO＝φR_clog₂(M_i，FSO) (6)

其中，R_c为传输速率，M_i，FSO＝2ⁿ，n＝1，...，N，RF链路信息传输率为R_j，RF＝(1-φ)R_clog₂(M_j，RF)，M_i，RF＝2ⁿ，n＝1，...，N；

根据公式(6)求得信息传输率后，在自适应情况下根据求得的信息传输速率和两条链路分别的丢包率求得混合链路第一次传输时的平均丢包率；根据求得的混合链路的平均丢包率确定FSO链路的传输比例为

RF链路的传输比例为

且

步骤3、求得第一次传输时的混合丢包率后，调整FSO链路和RF链路的传输比例

由于反馈链路引入的差异性，根据两条链路不同的信道质量，需要将新传输序列与缓存器中的重传序列标识合并为数据x，根据反馈信息调整双链路在ARQ重传决策时的互相协作传输比例ψ₁和ψ₂，进而求得带重传时的平均丢包率和平均传输次数，然后运用凸优化的方法对平均传输次数进行优化，求得最优时的相互协作重传比例ψ₁和ψ₂，完成激光与微波混合通信的软切换，提高混合链路的利用率。

步骤3具体按照以下步骤实施：在DLC层，由于反馈链路引入的差异性，根据两条链路不同的信道质量，再求得第一次传输时的混合丢包率后，调整了FSO链路和RF链路的传输比例

然后根据反馈信息调整双链路在ARQ重传决策时的互相协作传输比例ψ₁和ψ₂；求得混合链路在传输比例影响下的平均丢包率，当平均丢包率最小时，FSO、RF的传输比例最优，计算混合链路的第一次传输时的混合丢包率后，调整了FSO链路和RF链路的传输比例

然后调整双链路在ARQ重传时的互相协作传输比例ψ₁和ψ₂，当在高速FSO链路质量良好、RF链路由于反馈延迟最大时，选择对ψ₁比例的RF重传分组进行协助传输，从而提高RF链路的传输效率；在FSO链路质量较差或者其反馈链路中断情形下，RF链路可以对FSO链路需要重传的ψ₂数据分组进行协助传输；当FSO、RF链路均在状况良好的情形下时，则分别传输各自出错的包；进而求得在ARQ重传时的平均丢包率和平均传输次数；然后运用凸优化的方法对平均传输次数进行优化，求得最优时的相互协作重传比例ψ₁和ψ₂，完成激光与微波混合通信的软切换，提高混合链路的利用率。

本发明一种用于激光与微波混合通信的软切换方法的原理为，如图2所示，针对FSO/RF混合系统采用跨层HARQ的差错控制方案，根据反馈的CSI信息，在物理层调整前向纠错编码码率、调制阶数并调整FSO链路和RF链路传输的比例；同时在数据链路层，根据反馈信息调整双链路在ARQ重传决策时的互相协作传输比例，从而提高混合系统整体的链路利用率。

软切换FSO/RF混合链路的数据传输总体方案为：FSO和RF两条链路采用同时传输的并行工作方式，高速FSO链路作为主链路，RF链路作为辅链路。发端根据接收端反馈的信道状态信息(CSI)将码元序列m首先送入CRC(cyclic redundancy check，循环冗余校验)检错编码器，添加CRC校验序列后得到有一定检错能力的序列m’。接着将m’进行信道编码，根据反馈的CSI信息，在物理层调整前向纠错编码码率、调制阶数等，使编码后的序列c具备一定的前向纠错能力，并将编码后的序列c存储在发送端的缓存器中，按一定比例分成

和

分别经FSO链路的调制器和RF链路的调制器调制后发送。由于反馈链路引入的差异性，根据两条链路不同的信道质量，需要将新传输序列与缓存器中的重传序列标识合并为数据x，调整双链路在ARQ重传决策时的互相协作传输比例ψ₁和ψ₂。分别通过FSO和RF信道进行调制后发送。FSO/RF混合系统双链路不同速率传输所需要的信道状态(信噪比或有效接收功率)阈值的划分，初始化过程主要完成系统设定的默认参数读取，以及新输入参量的正确性核验；状态阈值的划分，主要根据系统物理层选用的前向纠错码码率以及OOK、PSK、QAM类调制阶数，更新FSO链路和RF链路的速率匹配切换阈值信息。对系统CSI信息定时进行更新，当检测到最新反馈的FSO/RF链路质量跨域阈值后，则寻找新区间适配的数据传输比例与协作深度；当检测到最新的CSI未跨越阈值，则跳过比例和协作适配，执行现有的参数配置。FSO/RF混合系统多阈值自适应切换时，包含FSO链路传输和RF链路传输两部分，每条链路又划分为n、m个传输速率模式，不同信噪比的阈值区间对应不同的数据速率，且数据速率从左至右依次增加。系统启动时默认工作在FSO/RF链路的最高数据速率模式下，当链路的信道质量不能满足最高数据速率的要求时，根据当前信道状况自适应切换调整数据速率，直到调整到适合当前信道状况的数据速率，并在信道条件基本不变的情况下维持此数据速率；若信道质量提高，则混合系统向高速率模式进行切换。如果FSO链路和RF链路的信道质量均非常恶劣，通信性能已无法达到速率和误码率指标要求，即混合系统将产生中断，即不可用概率。在系统误码率(可以是误比特率、误帧率、丢包率)满足目标指标p_target的条件下，对应所需信噪比的最小值。通常阈值的选择，需留有适当的余量，系统在不同配置参数下的误码率计算，通常使用指数函数近似法或Mone Carlo仿真方法来得到。

假定发端ARQ缓存区数据分组(帧)的存储大小为Q，包含码元比特组帧后按照比例系数

分别经由FSO和RF传输的新到分组，以及NAK否定应答后需要重传的数据分组。在高速FSO链路质量良好、RF链路由于反馈延迟较大时，可选择对ψ₁比例的RF重传分组进行协助传输，从而提高RF链路的传输效率。在FSO链路质量较差或者其反馈链路中断情形下，RF链路可以对FSO链路需要重传的ψ₂数据分组进行协助传输。根据FSO信道和RF信道各自的衰落特性与相干时间等参量，可将信道状态分别离散化为K(取值可不同)个有限状态，信道质量变化便是这K个状态之间的转移。将第i个信道信噪比阈值区间内第k次传输出错的概率记为p_i(k)，则传输成功概率为1-p_i(k)。FSO/RF混合系统的接收端将FSO信道和RF信道的输出信号y_FSO和y_RF分别解调后得到每个比特对应的软信息z，并将其存放在接收端的缓存器中。缓存器根据HARQ协议的规则将软信息z进行联合处理，再将合并后的信息z’送至信道译码器进行纠错译码，以及后续的CRC校验解码。如果信道译码后的序列

通过CRC校验，则判定此次传输成功，并通过反馈信道向发送端反馈含有链路和帧号标识的ACK(Acknowledgement)信号，提交高层后继续下一组数据传输。相反的，若

未通过CRC校验，则判定此次传输失败，向发送端反馈含有链路和帧号标识的NACK(NegativeAcknowledgement)信号，请求发送端重传该部分数据。根据系统采用的HARQ协议不同，发送端将会根据重传规则重新传输原始数据序列的数据及冗余信息，直到发送端收到该数据反馈的ACK信号，输出译码数据序列

若ARQ系统设定的最大重传次数为L，那么数据要么在L+1次之内传输成功，或者重传L次后未通过校验宣布传输失败，丢弃该组数据。等待高层差错控制协议的再次下发传送。

本发明一种用于激光与微波混合通信的软切换方法，具有性能稳定的特点。利用双链路的协作优势，建立了FSO/RF混合链路的跨层HARQ协议优化问题的数学模型，调整了混合链路的传输比例，在首次传输完成后，根据链路的反馈信息，由于反馈链路引入的差异性，根据两条链路不同的信道质量，通过调整双链路在ARQ重传决策时的互相协作传输比例，从而提高混合系统整体的链路利用率。

Claims (4)

1.一种用于激光与微波混合通信的软切换方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、计算FSO/RF混合链路软切换阈值与模型参数；

步骤2、根据阈值的区间的划分可分别求得FSO链路和RF链路的平均丢包率，然后根据两条链路分别的平均丢包率求得混合链路的平均丢包率，进而对混合链路进行编码调制并确定FSO链路和RF链路传输的比例；

步骤3、求得第一次传输时的混合丢包率后，调整FSO链路和RF链路的传输比例

由于反馈链路引入的差异性，根据两条链路不同的信道质量，需要将新传输序列与缓存器中的重传序列标识合并为数据x，根据反馈信息调整双链路在ARQ重传决策时的互相协作传输比例ψ₁和ψ₂，进而求得带重传时的平均丢包率和平均传输次数，然后运用凸优化的方法对平均传输次数进行优化，求得最优时的相互协作重传比例ψ₁和ψ₂，完成激光与微波混合通信的软切换。

2.根据权利要求1所述的一种用于激光与微波混合通信的软切换方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下实施：FSO/RF混合系统双链路不同速率传输所需要的信道状态阈值的划分，初始化过程主要完成系统设定的默认参数读取，以及新输入参量的正确性核验；状态阈值的划分，主要根据系统物理层选用的前向纠错码码率以及BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、32QAM、64QAM类调制阶数，更新FSO链路和RF链路的速率匹配切换阈值信息。

3.根据权利要求2所述的一种用于激光与微波混合通信的软切换方法，其特征在于，所述步骤1中FSO与RF链路的软切换阈值计算具体按照以下实施：

FSO链路的软切换阈值为：

其中，K表示重传次数，K＝1，L表示帧的大小，L＝1080比特，FER_FSO为FSO链路的丢包率，FER_FSO＝10^-2，i为调制方式；

RF链路采用模型，其概率密度函数为：

其中

为平均接收信噪比，

是Gamma函数，m为Nakagami的衰落参数；

RF链路的切换阈值为：

其中，

FER_RF为RF链路的丢包率；由RF链路的瞬时丢包率求得RF链路的切换阈值；j为调制方式；α_j、g_j、γ_pn是与RF链路的模式选择有关的参数。

FSO链路采用Gamma模型，RF链路采用Nakagami-m模型。

4.根据权利要求1所述的一种用于激光与微波混合通信的软切换方法，其特征在于，所述步骤2具体按照以下实施：

得到FSO链路和RF链路的切换阈值后，根据阈值区间划分确定自适应调制方式下的分别的平均丢包率，从而判断两条链路的性能质量，进一步求得两条链路混合的平均丢包率，FSO/RF混合系统的接收端将FSO信道和RF信道的输出信号y_FSO和y_RF分别解调后得到每个比特对应的软信息z，并将其存放在接收端的缓存器中；缓存器根据HARQ协议的规则将软信息z进行联合处理，再将合并后的信息z’送至信道译码器进行纠错译码，以及后续的CRC校验解码；然后根据求得的混合丢包率调整FSO链路和RF链路的传输比例；根据反馈的CSI信息，在物理层调整前向纠错编码码率、调制阶数；调制方式采用BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、32QAM、64QAM等调制方式，根据公式(3)和公式(5)分别计算得出FSO链路和RF链路的切换阈值后，则FSO链路信息传输率为：

R_i，FSO＝φR_clog₂(M_i，FSO) (6)

其中，R_c为传输速率，M_i，FSO＝2ⁿ，n＝1，...，N，RF链路信息传输率为R_j，RF＝(1-φ)R_clog₂(M_j，RF)，M_i，RF＝2ⁿ，n＝1，...，N；

根据公式(6)求得信息传输率后，在自适应情况下根据求得的信息传输速率和两条链路分别的丢包率求得混合链路第一次传输时的平均丢包率；根据求得的混合链路的平均丢包率确定FSO链路的传输比例为

RF链路的传输比例为

且

根据反馈的CSI信息，在物理层调整前向纠错编码码率、调制阶数，FSO链路的传输比例为

RF链路的传输比例为

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