劉 睿

（廣州巨米智能設(shè)備有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

自由空間光學(xué)（FSO）通信是一種以激光為載體[1]，通過大氣信道傳輸數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù)。與射頻（RF）和光纖通信技術(shù)相比，F(xiàn)SO通信以其寬頻譜、易于部署和高安全性等優(yōu)點脫穎而出[2]。因此，F(xiàn)SO通信對光纖無法接入的高速和電磁敏感場景具有巨大的研究意義。然而，在空間中傳播的光信號很容易受到大氣衰減和湍流效應(yīng)的影響。多輸入多輸出（MIMO）是一種利用空間分集來減輕大氣條件對光傳輸影響的有效技術(shù)。然而FSO、 MIMO通常需要復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而由于大氣條件相似，不同的光鏈路之間存在信道相關(guān)性，因此作為多節(jié)點場景下MIMO的一種特殊范式，協(xié)作通信需要使用中繼節(jié)點來補償源節(jié)點和目的節(jié)點之間的鏈路傳輸質(zhì)量[3]?；诖?，為了減少協(xié)同系統(tǒng)中大量鏈路冗余，該文提出了一種協(xié)同系統(tǒng)的異步傳輸方案。與以往工作中的同步傳輸不同，該方案使源節(jié)點能夠在直接鏈路和中繼鏈路上傳輸不同的數(shù)據(jù)。為了從攜帶不同數(shù)據(jù)的鏈路中獲得分集增益，該文提出了一種平方信號組合方法，對從不同鏈路接收到的信號進(jìn)行組合。通過聯(lián)合決定平方操作前、后的信號來恢復(fù)每個鏈路上的數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)模型

1.1 協(xié)同F(xiàn)SO系統(tǒng)的同步傳輸

該文在不喪失一般性的前提下，引入了并行協(xié)同單群通信的系統(tǒng)模型。S直接向D發(fā)送數(shù)據(jù)的直接鏈路S→D，以及S通過轉(zhuǎn)發(fā)向D發(fā)送數(shù)據(jù)的中繼鏈路S→Ri→D，其中中繼節(jié)點索引i=1、2，...，M。如圖1所示。

在傳統(tǒng)的系統(tǒng)模型中，在每個鏈路上傳輸?shù)墓庑盘柋３植蛔?。因此將這種傳統(tǒng)的系統(tǒng)模型作為同步傳輸。圖1將同步傳輸系統(tǒng)中電組合后的接收信號如公式（1）、公式（2）所示。

式中：公式（2）為從直接鏈路（i=0）和中繼電器鏈路（i=1，...，M）接收到的電信號。Hi為Hi=Hia·Hit的復(fù)合信道效應(yīng)。Hit為湍流誘導(dǎo)的衰落。|Xi|2為Xi的平均光功率。Gi為光電轉(zhuǎn)換的增益。Ni為包括熱噪聲和背景光噪聲的加性高斯白噪聲；ρ為光電探測器的響應(yīng)率。

1.2 協(xié)同群通信系統(tǒng)的異步傳輸

與同步傳輸?shù)腇SO系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)中的源節(jié)點可以將不同的數(shù)據(jù)發(fā)送到中繼節(jié)點，然后將接收信號組合平方，在目標(biāo)節(jié)點恢復(fù)數(shù)據(jù)?？梢詫⑦@個系統(tǒng)稱為異步傳輸。為了恢復(fù)不同鏈路的數(shù)據(jù)，該文在接收機處實現(xiàn)了信號組合器和平方算符。在此過程中，可以用數(shù)學(xué)方法表示jth（j=1，...，H）組合，平方信號如公式（3）所示。

式中：Yi為雙極振幅；wj，i代表中繼選擇指標(biāo)；Zj為平方信號，Ni為高斯白噪聲。

如果中繼節(jié)點Ri被選中生成Zj，則取1，否則取0。為了降低中繼選擇的復(fù)雜性，該文提出采用成對組合的方法，即每個鏈路由另一個鏈路配對輔助進(jìn)行信號組合，相應(yīng)的系數(shù)矩陣w如公式（4）所示。

式中：w為系數(shù)矩陣。

采用最小均方乘（LMS）算法濾除Zj的信號和噪聲的乘積項。所得到的信號Yj ac1如公式（5）所示。 式中：Yj ac1為信號；wj，i代表中繼選擇指標(biāo)；Yi為雙極振幅，Ni為高斯白噪聲。

平方算子能幫助接收到的信號增益更高的信噪比，但沒有更多的振幅被誘導(dǎo)。然而，該文不能直接從平方算子Yj ac1中確定雙極電極的振幅（即正或負(fù)）。因此，在平方算子之前的組合信號仍然會帶來雙極性。將平方算子之前的組合信號定義如公式（6）所示。

式中：Yj ac2為信號；Yi為雙極振幅；Ni為高斯白噪聲。

理論上，通過聯(lián)合對信號Yj ac1和Yj ac2進(jìn)行采樣，可以以較低的比特錯誤率（BER）恢復(fù)傳輸數(shù)據(jù)。

1.3 異步傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)

該文以一個單中繼協(xié)同F(xiàn)SO系統(tǒng)（即M=1）為例，描述了異步傳輸?shù)膶崿F(xiàn)。系統(tǒng)由發(fā)射機（即源節(jié)點）、接收機（即目標(biāo)節(jié)點）和中繼三部分組成。

1.3.1 發(fā)射機

在源節(jié)點的發(fā)射機結(jié)構(gòu)中，位序列B被輸入脈沖發(fā)生器（PG）中，產(chǎn)生電二進(jìn)制脈沖，然后通過串并聯(lián)轉(zhuǎn)換器分為兩個信號B0和B1。然后，激光源的光信號通過自己的馬赫-曾德調(diào)制器（MZMs）的電信號進(jìn)行調(diào)制。兩個強度調(diào)制的光信號最終通過不同的天線傳輸?shù)娇臻g信道中，其中一個通過中繼鏈路L1，另一個通過直接鏈路L0。

1.3.2 繼電器

德州市是山東省重要的農(nóng)副產(chǎn)品生產(chǎn)基地，面對德州市農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，應(yīng)通過大力發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)、推動農(nóng)村電子商務(wù)發(fā)展、構(gòu)建現(xiàn)代農(nóng)業(yè)物流體系和建立公益性農(nóng)技推廣服務(wù)體系等發(fā)展途徑，促進(jìn)德州市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。

在中繼節(jié)點Ri處，接收到的信號被解碼和轉(zhuǎn)發(fā)。經(jīng)過APD后，按照與S時相同的調(diào)制模式進(jìn)行解碼信號的重傳。

1.3.3 接收結(jié)構(gòu)

目標(biāo)節(jié)點的接收機結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于光的視距傳輸，每個光信號都可以通過天線獨立接收，然后通過APD轉(zhuǎn)換成電信號。通過輸入偏置電流和LPF，得到雙極電信號Y0+N0和Y1+N1。

結(jié)合從L0和L1通過Adder的信號，還可以得到信號Yac2如公式（7）所示。

式中：Y0、Y1為雙極結(jié)構(gòu)；N0與N1表示不同頻率的高斯白噪聲。

Yac2的一個副本被直接發(fā)送到?jīng)Q策中進(jìn)行接下來的位恢復(fù)，而另一個副本通過Squarer生成信號Z，如公式（8）所示。

經(jīng)過LMS濾波器（LMSF）后，可以得到信號Yac1如公式（9）所示。

當(dāng)考慮均值為零時，AWGN方差為零，從L0和L1接收到的信號遵循高斯分布，其中i=為0，1。

1.3.4 系統(tǒng)復(fù)雜性分析

可以分別從硬件和算法兩方面對異步傳輸系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜度分析。

硬件復(fù)雜性：必須為發(fā)射機上的每個光鏈路配備一個單獨的MZM，以實現(xiàn)在這些鏈路上的不同數(shù)據(jù)的并發(fā)傳輸。在實際應(yīng)用中，對傳輸不同數(shù)據(jù)的光鏈路，需要額外的MZM，這是不可避免的成本。此外，還需要一些基帶電氣設(shè)備來實現(xiàn)接收機上的偏置、平方操作器和LMS濾波器。

算法復(fù)雜度：符號決策仍然在兩個振幅之間進(jìn)行，決策過程不需要任何額外的步驟。因此，符號決策的算法復(fù)雜度并沒有增加。

2 參數(shù)設(shè)置

該文對異步協(xié)同傳輸（ACT）系統(tǒng)、直接傳輸（DT）系統(tǒng)以及同步協(xié)同傳輸（SCT）的不同解決方案進(jìn)行了全面的誤碼率分析。設(shè)置了2個不同距離和衰減的鏈路，直接鏈路L0（2km，5dB/km）和繼電器鏈路L1（4km，5dB/km），包括繼電器前后2km的兩個子鏈路。每個鏈路以10Gbps的速率傳輸數(shù)據(jù)。大氣衰減范圍為1dB/km至9.5dB/km，對應(yīng)的能見度為6km（輕霧/小雨）至1km（輕霧/大雨）。將整個系統(tǒng)的附加噪聲設(shè)置為每個APD的熱噪聲和背景光噪聲。主要參數(shù)的設(shè)置見表1。

表1 主要參數(shù)設(shè)置

3 結(jié)果分析

隨著傳輸功率Pt和C2N=0.5×10-15m-2/3增加而增加的誤碼率性能如圖3所示。當(dāng)采用DT時，L1的誤碼率優(yōu)于L0。通過使用ACT，L0的誤碼率降低，而L1的誤碼率增加。當(dāng)DT和ACT中兩個鏈路的BERs平均時，可以發(fā)現(xiàn)平均ACT的誤碼率低于平均DT，這是由信號組合后信噪比的增加所致。

ACT與SCT的對比如圖4所示。該文將低速率同步協(xié)同傳輸（LRSCT）、高速率同步協(xié)同傳輸（HRSCT）和高階同步協(xié)同傳輸（HOSCT）作為不同的SCT解決方案，并在圖4中進(jìn)行比較。在數(shù)據(jù)速率方面，LRSCT為10Gbps，ACT、DT、HRSCT和HOSCT為20Gbps。雖然HRSCT和HOSCT具有相同的數(shù)據(jù)速率，但前者具有較高的符號速率，后者具有較高的調(diào)制水平。對C2N=0.5×10-15m-2/3，隨著傳輸功率的增加，LRSCT的誤碼率最低，HOSCT的誤碼率最高。ACT的誤碼率性能優(yōu)于DT和HOSCT。雖然LRSCT和HRSCT的誤碼率都低于ACT，但LRSCT的比特率更低，而HRSCT需要更大的頻譜帶寬。湍流的誤碼率如圖5所示。在圖5中，當(dāng)傳輸功率固定在20dBm時，可以通過設(shè)置不同的C2N，進(jìn)一步給出隨湍流強度變化的誤碼率結(jié)果。結(jié)果表明，所提出的ACT方案在對抗介質(zhì)到強渦輪機方面優(yōu)于DT和HOSCT。 鑒于較低的數(shù)據(jù)速率和較大的頻譜帶寬，LRSCT和HRSCT在不同的湍流強度下具有較低的誤碼率。還可以發(fā)現(xiàn)，降低數(shù)據(jù)率可以更有效地對抗大氣湍流?？傊珹CT為該文提供了數(shù)據(jù)率和誤碼率之間理想的權(quán)衡解決方案。

為了分析衰減和湍流對ACT系統(tǒng)的聯(lián)合影響，圖鏈路L1在不同衰減和湍流時的誤碼率結(jié)果如圖6所示，傳輸功率為20dBm，L0的C2N為0.5×10-15m-2/3。從結(jié)果中可觀察到，當(dāng)衰減在較低范圍時，隨著湍流強度的增加，誤碼率性能發(fā)生較大的變化。在較高的衰減范圍內(nèi)，接收到的光信號太弱，即使在弱湍流中也無法從噪聲中識別出來，但湍流對誤碼率的影響較小。

4 結(jié)論

該文提出了一種協(xié)同單群通信的異步傳輸方案，使鏈路協(xié)同傳輸不同的數(shù)據(jù)。對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可產(chǎn)生更高的信噪比，優(yōu)于直接傳輸。作為LRSCT和HOSCT系統(tǒng)之間的一種權(quán)衡，ACT可以實現(xiàn)比LRSCT更高的數(shù)據(jù)速率和比HOSCT更低的BER，而額外的系統(tǒng)復(fù)雜性是可以接受的。在今后的工作中可以為ACT系統(tǒng)提供一種合理的中繼選擇算法，以進(jìn)一步擴展其優(yōu)勢。