趙柏山，莊曉燕，王爭艷

（沈陽工業(yè)大學信息科學與工程學院,沈陽110870）

1 引 言

自由空間光通信（Free-Space Optical communication,FSO）是信號傳輸?shù)某Ｒ娦问?，是一種快捷、有效、經(jīng)濟的無線通信方法,具有很強的靈活性[1]，但也容易受到天氣限制，嚴重影響傳輸?shù)目煽啃?。射頻（Radio Frequency,RF）信道能夠在一定程度上抵抗惡劣天氣的影響[2]，但其存在較多的同頻干擾項，且傳輸速率較低，不適合長期使用。故此，將兩種信道結(jié)合起來使用，在一定條件下使射頻信道作為自由光通信信道的輔助信道，既可保持在非霧天氣條件下自由光通信的低誤碼率優(yōu)勢，又融合了射頻通信抗天氣干擾的能力。二者合理有效的融合與共同作用，一個主要目的是為了提高傳輸系統(tǒng)抗干擾性，充分發(fā)揮并結(jié)合二者各自的優(yōu)勢[3-4]。切換算法既改善了射頻信道單獨使用時的信號擁堵情況，又降低了自由光通信信道受大氣干擾引發(fā)的高誤碼率，盡可能地保障了有擾信道上的可靠數(shù)據(jù)傳輸，確保了在不同傳輸損耗下的服務質(zhì)量，達到了提高通信傳輸系統(tǒng)可靠性和靈活性的目的[5-7]。

2 FSO及RF信道性能研究

將FSO 與RF 相結(jié)合的設計方案如圖1所示。兩種信道各自的衰減模型特點詳細分析如下。

圖1 FSO/RF 切換算法設計框圖

2.1 FSO通信系統(tǒng)的衰減模型分析

FSO 信道接收端可接收到的功率表示為：

其中Pt是發(fā)射功率，Latm表示雨霧天氣在通信過程中造成的大氣衰減，Lback表示背景光造成的衰減。

在陰霾和有霧的天氣下會產(chǎn)生米氏散射。根據(jù)文獻[8]，用Kim 模型預測霧的衰減：

其中，V 表示能見度，單位為 km；λ 表示波長，單位為nm；q 是與能見度有關(guān)的常數(shù)。

由文獻[9]可知，因為雨滴尺寸要遠大于光的波長，雨的衰減可以表示為：

其中，R 為降雨的強度。

此外還存在背景光功率衰減。背景光噪聲主要是由太陽光、月光、星光、生物光等背景輻射光所產(chǎn)生的[10]。背景光噪聲功率表示為：

其中，θ 為接收機視場角，λ 表示波長，d 表示接收機接收孔徑。

綜上，F(xiàn)SO 通信的信噪比為：

2.2 RF無線通信系統(tǒng)衰減模型分析

RF 信道主要受平坦衰落和突發(fā)衰落的影響。RF 信道通信模型為：

平坦衰落主要為熱噪聲引起的信號衰減.噪聲信號n(t)為高斯白噪聲，即噪聲的功率譜密度函數(shù)為常數(shù)且概率分布服從高斯分布[11]。

突發(fā)衰落h(t)主要由傳輸衰落的相關(guān)性所導致的，形似有限長度的沖激信號。用基于有限長度的馬爾可夫鏈模型 ｛Xn,n=1,2,...,N ｝作為突發(fā)衰落模型，并分析突發(fā)衰落的性能。信道被設定為兩種狀態(tài)：一個“0”狀態(tài)，錯誤以較低的概率Pe(0)發(fā)生；一個“1”狀態(tài)，錯誤以較高的概率Pe(1)發(fā)生。

3 改進的FSO/RF切換算法

針對無線傳輸過程中無線信道受雨霧天氣引發(fā)衰落，以及傳輸路徑擁擠等因素，所造成的傳輸有效性和可靠性得不到保障的問題，提出一種基于FSO/RF 信道自適應算法，記錄傳輸過程中下一個時刻的誤碼率，根據(jù)不同時刻誤碼率狀態(tài)進行調(diào)節(jié)。

算法通過測試計算和比較誤碼率來對FSO/RF信道的切換選擇進行優(yōu)化，其做出選擇的判決過程如圖2所示。

圖2 FSO/RF 選取優(yōu)化判決流程圖

圖2所述的優(yōu)化過程可詳述如下：

一、通過傳感器監(jiān)測當前天氣情況，反映出FSO通信信道當前的通信情況；

二、根據(jù)射頻信道衰減模型及估計方法，獲得平均信噪比SNRrf，具體步驟為：

1）先對突發(fā)衰落進行估計，假設通信信道不受平坦衰落影響，應用FFT 頻偏估計方法，突發(fā)衰落可看成是沖擊信號，此時通信模型為：

FFT 變換后，對其進行頻譜分析[12]，獲得頻譜能量估計值：

2）將頻譜能量估計值代入公式(6)，對其進行平方信噪方差估計，此時噪聲為高斯白噪聲，可得信道通信模型：

三、比較SNRfso 和SNRrf，針對當前通信條件及傳輸情況，選擇最優(yōu)路徑傳輸，獲得誤碼率：

系統(tǒng)參數(shù)及配置如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)配置

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 FSO通信仿真結(jié)果及分析

自由光通信信道傳輸過程中的信號衰減主要是由于天氣影響，根據(jù)信道模型及衰減模型，得到誤碼率仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 FSO 信道誤碼率曲線

根據(jù)文獻[13]將霧天能見度情況和降雨強度的等級進行劃分。以降雨強度分別為1mm/h、10mm/h、20mm/h，能見度分別為 15m，10m，5m 時為節(jié)點記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)FSO 信道衰減模型進行仿真和分析，可獲得誤碼情況如表2所示。

表2 FSO 誤碼率仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果圖可以看出，自由光通信信道的誤碼率隨天氣惡劣程度增大而增大，同時，自由光通信在能見度高于5m 時，可長期保持低誤碼率穩(wěn)定通信；在嚴重雨霧天氣下誤碼率急速增加，可靠性急速降低，嚴重影響信道的傳輸正確率。

4.2 RF通信估計結(jié)果及分析

射頻通信信道主要受平衰落和突發(fā)衰落影響，根據(jù)設計的估計方案，先對原信號加突發(fā)噪聲信號。突發(fā)噪聲信號為與δ(t)相關(guān)的沖擊信號。應用FFT估計法，得到估計信號幅度，再加入高斯白噪聲，應用平方信噪方差估計法，得到最終的誤碼率估計值，并與理論值對比。

輸入信號為：

突發(fā)噪聲信噪比SNR=50dBm，傅里葉變換數(shù)據(jù)點數(shù)N=500，進行FFT 估計[14]后得到信號幅值的估計值為30dBm。

高斯白噪聲的均值為0，方差25，經(jīng)過估計[15]后，分別得到誤碼率的理論值和估計值，即：

理論值：1.9982×10-6； 估計值：1.9894×10-6。

由此可以看出，射頻通信信道抗干擾能力較強，通信穩(wěn)定，但長期誤碼率高于自由光通信信道。

4.3 改進FSO/RF系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)自由光通信信道和射頻通信信道的傳輸特性做判斷并進行信道轉(zhuǎn)換，形成新改進的無線通信系統(tǒng)，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 改進后系統(tǒng)仿真結(jié)果

可見，自由光通信信道在沒有大氣散射情況下具有很低的誤碼率，但在雨霧天，誤碼率迅速增大。相反，射頻通信信道傳輸穩(wěn)定，其誤碼率在1.9×10-6附近分布，但是長期誤碼率低于FSO 系統(tǒng)。經(jīng)過優(yōu)化設計的通信系統(tǒng)，當天氣情況較惡劣時，誤碼率相比于FSO 系統(tǒng)更低；正常天氣通信時，誤碼率較原RF 系統(tǒng)更低，從而提高了系統(tǒng)的傳輸穩(wěn)定性。由此可以判定，F(xiàn)SO/RF 切換系統(tǒng)能夠有效優(yōu)化原系統(tǒng)，明顯提高其抗干擾能力，提高通信傳輸效率。

5 結(jié)束語

作為一種針對FSO 系統(tǒng)易受天氣變化而降低傳輸效率的問題的解決方案，所設計的使FSO /RF相互切換的通信系統(tǒng)是非常有效的。在天氣狀況惡劣時，通過判斷誤碼率來決定信道狀態(tài)，如果誤碼率高于預設門限值，才需進行信道切換，使無線通信傳輸時能夠充分的利用FSO 及RF 進行合理的運用和轉(zhuǎn)換，不僅能提高系統(tǒng)可靠性，又能降低信道的相互轉(zhuǎn)換次數(shù)，是一種解決無線通信系統(tǒng)傳輸?shù)奶鞖飧蓴_問題的良好方案。