CN115085792B - 一种无人机辅助卫星-车辆的中继传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机辅助卫星‑车辆的中继传输方法，应用于卫星、中继无人机及地面车载用户，其中卫星通过射频即RF链路向中继无人机发射RF信号，该RF链路采用阴影莱斯衰落信道；中继无人机接收到RF信号并转换为自由空间光即FSO信号，再通过FSO链路解码转发FSO信号到地面车载用户，其中FSO链路采用推导出的新型FSO信道模型，该信道模型研究了衰减损失，大气湍流，指向误差和车辆运行造成的到达角波动的衰落，并适用于所有湍流环境。本发明适用于无人机辅助的卫星与地面车载用户之间的双跳通信链路，研究了中继无人机和地面车载用户之间的衰减损失，大气湍流，指向误差和到达角波动造成的衰落，提高了通信性能，扩大了FSO链路的适用范围。

Description

一种无人机辅助卫星-车辆的中继传输方法

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及一种无人机辅助卫星-车辆的中继传输方法。

背景技术

随着自动驾驶、安全监控、和工业物联网的快速发展，现有的射频(RF)通信在容量和频谱资源已经遇到了瓶颈，无法满足通信带宽高，频带资源广，范围覆盖大和灵活性高的需求。得益于高安全性、高带宽、频带不受监管、覆盖范围广和部署快捷等优势，近年来，无人机辅助的自由空间光(FSO)通信受到了诸多关注，并广泛应用于灾害救援、军事任务和智能交通系统等领域。然而，无人机辅助的FSO通信系统性能受到无线信道衰落的影响，例如，大气湍流会改变大气折射率，导致FSO信号的强度波动；强风和弱地震引起的光接收器振动导致指向误差；传输距离和天气条件造成的衰减损失；以及无人机悬浮或者车辆运行震动造成的到达角波动。

现有针对无人机辅助的FSO系统考虑衰减损失，大气湍流衰落，指向误差衰落和到达角波动衰落的研究只考虑了Gamma-Gamma分布和Log-normal分布条件下的情况，而Gamma-Gamma分布适用于中到强湍流条件，Log-normal分布只适用于弱湍流条件。因此，FSO通信中同时存在衰减损失，大气湍流衰落，指向误差衰落和到达角波动衰落时，现有的FSO信道模型无法适用于所有三种湍流条件(弱湍流，中等湍流和强湍流)。此时，无人机辅助的FSO系统的使用范围和实用性将大幅降低。

发明内容

本发明的目的是构建一种无人机辅助卫星-车辆的中继传输方法。本发明涉及无线通信领域，根据不同传输环境的相关特点，在卫星与有高移动性的中继无人机之间采用传统的RF传输方式，以无人机作为中继节点转发RF信号，地面车载用户与中继无人机之间的链路采用能提供更高速率和光学带宽的FSO传输方式，从而充分利用RF和FSO传输的优点，实现高带宽和低频谱资源占用的信息传输。FSO链路采用了推导出的新型FSO信道模型，该模型同时研究了衰减损失，大气湍流衰落，指向误差衰落和到达角波动衰落对通信系统的影响，该模型在大气湍流衰落方面采用Málaga衰落分布模型，适用于所有三种湍流情况。本发明有效提高了车载通信系统的数据速率，传输安全性与灵活性，缓解了频谱资源紧缺的情况，建立了相对可靠的信号传输机制，扩大了存在到达角波动时FSO链路的适用范围。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种无人机辅助卫星-车辆的中继传输方法，特点是应用于卫星、中继无人机和地面车载用户，所述方法包括：

卫星与中继无人机建立连接，卫星通过射频(radio frequency，RF)链路发送RF信号给中继无人机，RF链路服从阴影莱斯衰落分布。无人机作为中继节点接收卫星发送的RF信号，并将RF信号转换为自由空间光(free-space optical，FSO)信号后通过FSO链路解码转发给地面车载用户，最后，地面车载用户接收中继无人机转发的FSO信号；其中，所述FSO链路采用推导出的新型FSO信道模型传输中继无人机转发的FSO信号。

推导出的新型FSO信道模型的概率分布表达式为：

其中

其中，h_FSO为FSO链路的衰落，h_l是FSO链路的衰减损耗，α和β是表示大气湍流强度的参量，q是散射分量的平均功率，Λ是相干信号平均功率；ω_L是传输距离L处的光束宽度，圆形接收器处的孔径半径设置为r_a，θ_FOV为视场角，σ₀是传输光束的瞬时方向标准差，σ_d是传输光束质心的瞬时位置标准差，σ_t是车辆的随机瞬时标准差；∑是求和符号，w是求和的下界，()！是阶乘符号，Γ()是Gamma函数，exp()是指数函数。

地面车载用户接收中继无人机转发的FSO信号时，采用强度调制-直接检测的方式接收中继无人机转发的FSO信号。

本发明提供一种考虑到达角波动的无人机辅助的混合RF/FSO链路中继传输方法，应用于卫星、无人机中继节点及地面车载用户。其中卫星通过RF链路向无人机中继发射RF信号，该RF链路采用阴影莱斯衰落信道。无人机中继接收到RF信号并转换为光信号，再通过FSO链路解码转发光信号到地面车载用户，其中FSO链路采用本发明推导出的新型FSO信道模型，该信道模型同时考虑了衰减损失，大气湍流衰落，指向误差衰落和车辆运行震动导致的到达角波动衰落的影响。本方法适用于无人机辅助的卫星与车载用户的双跳中继通信链路，描述了无人机中继节点和地面车载用户之间的衰减损失，大气湍流衰落，指向误差衰落和到达角波动衰落的影响，扩大了FSO链路的湍流适用范围。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为实施本发明的系统结构图；

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的一种无人机辅助卫星-车辆的中继传输方法，具体如下：

考虑一个适用于无人机辅助的混合RF/FSO链路的解码转发中继协议的双跳中继通信系统，该系统由陆地移动卫星S、中继无人机R和地面车载用户D组成。假设所有的发射机和接收机都配备了单天线。卫星S将射频信号通过阴影莱斯衰落信道传输到中继无人机R，该信道模型对陆地移动卫星系统的性能提供了十分精确的分析。卫星S到中继无人机R的信噪比γ_RF的概率密度函数(PDF)由下式给出

其中，₁F₁(·，·，·)是第一类合流超几何函数，exp()是指数函数，m是代表衰落严重程度的参数，2b₀代表散射分量的平均功率，Ξ表示直射径分量的平均功率，是RF链路的平均信噪比。对PDF表达式进行积分，得到对应的累积分布函数(CDF)为

其中，是不完全Gamma函数，而/>是Gamma函数。

中继无人机接收到RF信号后将该RF信号转换为FSO信号，再将所述FSO信号通过FSO信道解码转发至地面车载用户D。中继无人机发射的FSO信号可以表示为：

r_FSO(t)＝ηh_RDs(t)+n_RD(t)，

其中，h_RD代表中继无人机R与地面车载用户D之间的信道系数，s(t)为发射的FSO信号，n_RD(t)是中继无人机与地面车载用户之间的加性高斯白噪声，噪声均值为零，方差为2εB_eηP_b，其中，ε是电子电荷，P_b代表背景光功率，η和B_e分别是光电转换率和光检测器的带宽。中继无人机R到地面车载用户D链路的瞬时电信噪比可以表示为

在FSO链路的传输中，本发明研究了到达角波动对地面车载设备上光接收机的影响。地面车载设备的随机瞬时位置为B_T＝(Tx，Ty，Tz)并且平均位置为Br＝(0，0，0)。其中Tx和Ty服从的高斯分布，同时传输波束质心的瞬时位置偏差为dx和dy，它们服从的高斯分布。因此，传输光束中心偏离光接收器的瞬时位置服从瑞利分布，PDF为

其中，

此外，本发明还研究了光接收器孔径处的瞬时方向偏差，在x-z平面和y-z平面上，光接收器孔径处的瞬时方向偏差可以分别表示为和/>它们都近似服从/>的高斯分布。

中继无人机R到地面车载用户D的链路为FSO链路，在推导的新型FSO信道模型中研究了大气湍流衰落，衰减损失，指向误差衰落和到达角波动引起的链路中断，FSO链路的信道系数可以表示为

h_FSO＝h_lh_th_peh_Af，

其中，h_l代表衰减损失，h_t代表大气湍流衰落，h_pe代表指向误差衰落，h_Af代表到达角波动造成的链路中断。

对于传输距离为L的FSO链路，衰减损失根据Beers-Lambert定律可以表示为

h_l＝exp(-Lξ)，

其中ξ是特定波长下针对不同天气条件的衰减系数。

考虑到中继无人机R到地面车载用户D链路中多变的湍流环境，FSO链路采用在大气湍流中适用范围更广的Málaga分布，该模型适用于弱、中度和强湍流三种情况。Málaga分布的PDF为

其中，α和β是表示大气湍流强度的参量，q是散射分量的平均功率，Λ是相干信号平均功率。K_v()是第二类v阶修正贝塞尔函数。

本发明还研究了由建筑物晃动和光探测器未对准引起的指向误差衰落，在发射端发射高斯光束的情况下，传输距离为L处的归一化光强分布可表示为

这里r表示从传输中心传输到光束中心的距离，ω_L是距离L处的光束宽度，圆形接收器处的孔径半径设置为r_a。此外，指向误差衰落系数的PDF可以表示为

其中，A₀＝[erf(J)]²，并且/>是误差函数。

到达角波动会导致传输信噪比波动，这会严重降低系统性能。在本发明中，假设传输光束在光探测器的入射角为θ_d，它可以被表示为此外，假设θ_d服从瑞利分布，其PDF为

值得注意的是，能被光探测器接收的最大的光束入射角被称为视场角(field ofview，FOV)。当入射角θ_d大于视场角θ_FOV时，链路中断；当入射角θ_d小于视场角θ_FOV时，链路保持通畅。

此关系可以被表示为

为了便于推导，设h_c＝h_lh_th_pe，无人机到车载用户链路的衰落系数PDF可以被表示为

此外，基于θ_d条件下的到达角波动衰落系数的PDF可以表示为

其中，r_a表示圆形光探测器孔径的半径，对应的探测区域面积为πr_a。此外，因为h_c＝h_lh_th_pe，基于θ_d条件下的h_c的PDF可以表示为

代入基于θ_d条件下的到达角波动衰落系数的PDF和Málaga分布的PDF，可以得到基于θ_d条件下的h_c的PDF为

经过一些积分变换，可以得到

由于到达角波动造成的链路中断，h_FSO的PDF表示可以改写为

其中，δ(·)是狄拉克函数。将θ_d服从的瑞利分布的PDF和基于θ_d条件下的h_c的PDF代入到h_FSO的PDF中，并经过一些积分化简过程，可以得到

其中，σ₀是传输光束的瞬时方向标准差。

将瞬时电信噪比γ_FSO的表达式代入上式中，最终得到在衰减损失，大气湍流衰落，指向误差衰落和到达角波动衰落影响下，FSO链路的γ_FSO的CDF表达式为

根据上述CDF表达式，可以进一步计算出中继无人机R到地面车载用户D链路的中断概率和平均误码率分别为

本发明所构建的解码转发双跳中继系统的端到端中断概率和平均误码率可以分别表示为

由卫星S到中继无人机R关于平均信噪比的PDF和CDF，可以进一步计算出卫星S到中继无人机R的中断概率和平均误码率为

其中ψ和φ的取值决定链路的调制方式。

根据上述卫星S到中继无人机R的中断概率和平均误码率，以及中继无人机R到地面车载用户D链路的中断概率和平均误码率，可以进一步得到解码转发双跳中继方法下的系统端到端中断概率和平均误码率为

本发明的核心是提供一种无人机辅助卫星-车辆的中继传输方法，以求通过推导出的FSO信道和构建的解码转发中继系统来提升RF/FSO链路的性能，并扩大FSO链路的湍流适用范围。

实施例

参阅图2，本实施例应用于卫星、中继无人机和地面车载用户。

参阅图1，本实施例具体包括：

步骤S101：卫星通过RF信道向中继无人机发送RF调制信号，RF链路采用阴影莱斯衰落分布。

其中作为信号源的卫星可以是低轨、中轨和静止轨道三类，具备实现射频信号发射所必须的硬件及软件。本实施例中，RF信道采用阴影莱斯衰落信道，可以描述RF链路受到的阴影衰落。

步骤S102：中继无人机接收卫星发送的RF信号，对RF信号进行解码，再通过光电转换器将RF信号转换为FSO信号发送给地面车载用户。

其中作为中继的无人机具备实现RF信号接收、光电信号转换、FSO信号发射所必须的硬件及软件。中继无人机接收到RF信号后对其进行解调，即可得到卫星发射的信号，再通过光电转换器使用强度调制，将其转换为FSO信号，发送给地面车载用户。本实施例中，中继无人机到地面车载用户采用推导出的新型FSO信道模型，该模型考虑了衰减损失，大气湍流衰落，指向误差衰落和车辆运行时震动导致的到达角波动衰落的影响，并且大气湍流衰落采用Málaga分布，适用于所有湍流环境。

步骤S103：地面车载用户接收到中继无人机发送的FSO信号。

地面车载用户通过强度调制/直接检测(IM/DD)的方式接收FSO信号。

Claims (2)

1.一种无人机辅助卫星-车辆的中继传输方法，其特征在于，应用于卫星、中继无人机和地面车载用户，所述方法具体包括：

卫星与中继无人机建立连接，卫星通过射频即RF链路发送RF信号给中继无人机，RF链路服从阴影莱斯衰落分布；无人机作为中继节点接收卫星发送的RF信号，并将RF信号转换为自由空间光即FSO信号后通过FSO链路解码转发给地面车载用户，最后，地面车载用户接收中继无人机转发的FSO信号；其中，所述FSO链路采用新型FSO信道模型传输中继无人机转发的FSO信号；所述FSO信道模型同时考虑衰减损失、大气湍流衰落、指向误差衰落和车辆运行震动导致的到达角波动衰落的影响；到达角波动会导致传输信噪比波动，会严重降低系统性能；能被光探测器接收的最大的光束入射角被称为视场角；当入射角θ_d大于视场角θ_FOV时，链路中断；当入射角θ_d小于视场角θ_FOV时，链路保持通畅；

所述大气湍流衰落采用Málaga分布，适用所有湍流环境；

所述新型FSO信道模型的概率分布表达式为：

其中

其中，h_FSO为FSO链路的衰落，h_l是FSO链路的衰减损耗，α和β是表示大气湍流强度的参量，q是散射分量的平均功率，Λ是相干信号平均功率；ω_L是传输距离L处的光束宽度，圆形接收器处的孔径半径设置为r_a，θ_FOV为视场角，σ₀是传输光束的瞬时方向标准差，σ_d是传输光束质心的瞬时位置标准差，σ_t是车辆的随机瞬时标准差；Σ是求和符号，w是求和的下界，()！是阶乘符号，Γ()是Gamma函数，exp()是指数函数。

2.如权利要求1所述的无人机辅助卫星-车辆的中继传输方法，其特征在于，所述地面车载用户接收中继无人机转发的FSO信号时，采用强度调制-直接检测的方式接收中继无人机转发的FSO信号。