通信系統的異步傳輸

0   引言

自由空間光學(xué)通信（FSO）通信是一種以激光為載體^[1]，通過(guò)大氣信道傳輸數據的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。與射頻(RF) 和光纖通信技術(shù)相比，FSO 通信以其寬頻譜、易于部署和高安全性等優(yōu)點(diǎn)而脫穎而出^[2]。因此，FSO 通信對于光纖無(wú)法接入的高速和電磁敏感場(chǎng)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的影響。多輸入多輸出（MIMO）是一種利用空間分集來(lái)減輕大氣條件對光傳輸影響的有效技術(shù)。然而FSO、MIMO 通常需要復雜的系統結構，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。作為多節點(diǎn)場(chǎng)景下MIMO 的一種特殊范式，協(xié)作通信使用中繼節點(diǎn)來(lái)補償源節點(diǎn)和目的節點(diǎn)之間的鏈路傳輸質(zhì)量^[3]?；诖?，為了減少協(xié)同系統中大量鏈路冗余，提出了一種協(xié)同系統的異步傳輸方案。與以往工作中的同步傳輸不同，該方案使源節點(diǎn)能夠在直接鏈路和中繼鏈路上傳輸不同的數據。為了從攜帶不同數據的鏈路中獲得分集增益，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(guò)聯(lián)合決定平方操作前后的信號，來(lái)恢復每個(gè)鏈路上的數據。

1   系統模型

1.1 協(xié)同FSO系統的同步傳輸

在傳統的系統模型中，在每個(gè)鏈路上傳輸的光信號保持不變。因此將這種傳統的系統模型作為同步傳輸。圖1 將同步傳輸系統中電組合后的接收信號表示為，

1 .2 協(xié)同群通信系統的異步傳輸

1.3 異步傳輸系統的實(shí)現

圖2 異步傳輸系統結構

注：APD 為二極管；LPF 為低通濾波器；DR 為日期恢復；PG 為脈沖發(fā)生器；MZM為馬赫- 曾德調制器，Laster為重復上述步驟。

3）接收結構

圖4 接收機結構

注：BerAI為比特誤碼率；DR為日期恢復；Decision為決策；LMSF為濾波器；Squarer為平方器；LPF為低通濾波器；Bias 為偏置電流；APD 為二極管。

結合從L₀和L₁通過(guò)Adder 的信號，還可以得到信號Y_ac2為：

式中Y₀、Y₁為雙極結構，N₀與N₁表示不同頻率的高斯白噪聲。

Y_ac2的一個(gè)副本被直接發(fā)送到?jīng)Q策中進(jìn)行接下來(lái)的位恢復，而另一個(gè)副本通過(guò)Squarer 生成如下信號Z。

經(jīng)過(guò)LMS 濾波器（LMSF） 后， 可以得到信號Y_ac1為

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

4）系統復雜性分析

可以分別從硬件和算法兩方面對異步傳輸系統進(jìn)行復雜度分析。

硬件復雜性：必須為發(fā)射機上的每個(gè)光鏈路配備1個(gè)單獨的MZM，以實(shí)現在這些鏈路上的不同數據的并發(fā)傳輸。在實(shí)際應用中，對于傳輸不同數據的光鏈路，需要要求額外的MZM，這是不可避免的成本。此外，還需要一些基帶電氣設備來(lái)實(shí)現接收機上的偏置、平方操作器和LMS 濾波器。

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

2   參數設置

對異步協(xié)同傳輸（ACT）系統與直接傳輸（DT）系統以及同步協(xié)同傳輸（SCT）的不同解決方案進(jìn)行了全面的誤碼率分析。本文設置了兩個(gè)不同距離和衰減的鏈路，直接鏈路L₀（2 km，5 dB/km）和繼電器鏈路L₁（4 km，5 dB/km），包括繼電器前后2 km 的兩個(gè)子鏈路。每個(gè)鏈路以10 Gbit/s 的速率傳輸數據。大氣衰減范圍為（1 ~ 9.5）dB/km，對應的能見(jiàn)度為6 km（輕霧/ 小雨）至1 km（輕霧/ 大雨）。將整個(gè)系統的附加噪聲設置為每個(gè)APD 的熱噪聲和背景光噪聲。主要參數的設置見(jiàn)表1。

表1 主要參數設置

3   結果分析

圖5 顯示了隨著(zhù)傳輸功率Pt和=0.5×10^-15m^-2/3增加而增加的誤碼率性能。當采用DT時(shí)，L₁的誤碼率優(yōu)于L₀。通過(guò)使用ACT，L₀的誤碼率降低，而L₁的誤碼率增加。當DT和ACT中兩個(gè)鏈路的BERs平均時(shí)，可以發(fā)現平均（ACT）的誤碼率低于平均（DT），這是由于信號組合后信噪比的增加所致。

圖5 ACT與DT對比

本文將低速率同步協(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6 中進(jìn)行比較。在數據速率方面，LRSCT 為10 Gbit/s，ACT、DT、HRSCT和HOSCT 為20 Gbit/s。雖然HRSCT 和HOSCT 具有相同的數據速率，但前者具有較高的符號速率，后者具有較高的調制水平。對于=0.5×10^-15m^-2/3，隨著(zhù)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A(yíng)CT，但LRSCT 的比特率更低，而HRSCT 需要更大的頻譜帶寬。在圖7 中，當傳輸功率固定在20dBm 時(shí)，可以通過(guò)設置不同的，進(jìn)一步給出隨湍流強度變化的誤碼率結果。結果表明，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。由于較低的數據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，降低數據率可以更有效地對抗大氣湍流?？傊?，ACT 為本文提供了數據率和誤碼率之間理想的權衡解決方案。

圖6 ACT與SCT對比

圖7 湍流的誤碼率

為了分析衰減和湍流對ACT 系統的聯(lián)合影響，圖8顯示了鏈路L₁在不同衰減和湍流時(shí)的誤碼率結果，傳輸功率為20dBm，L₀的為0.5×10^-15m^-2/3。從結果中觀(guān)察到，當衰減在較低范圍時(shí)，由于湍流強度的增加，誤碼率性能發(fā)生較大的變化。在較高的衰減范圍內，接收到的光信號太弱，即使在弱湍流中也無(wú)法從噪聲中識別出來(lái)，但湍流對誤碼率的影響較小。

圖8 聯(lián)合大氣效應

4   結束語(yǔ)

本文提出了一種協(xié)同單群通信的異步傳輸方案，使鏈路協(xié)同傳輸不同的數據。對系統結構進(jìn)行了數學(xué)分析。結果表明，該系統通過(guò)產(chǎn)生更高的信噪比，優(yōu)于直接傳輸。作為L(cháng)RSCT 和HOSCT 系統之間的一種權衡，ACT可以實(shí)現比LRSCT 更高的數據速率和比HOSCT更低的BER，而額外的系統復雜性是可以接受的。在今后的工作中，將為ACT 系統提供一種合理的中繼選擇算法，以進(jìn)一步擴展其優(yōu)勢。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年1月期）