通信系統(tǒng)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(shù)據(jù)的無(wú)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(diǎn)而脫穎而出^[2]。因此，F(xiàn)SO 通信對(duì)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(hào)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(lái)減輕大氣條件對(duì)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。作為多節(jié)點(diǎn)場(chǎng)景下MIMO 的一種特殊范式，協(xié)作通信使用中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)補(bǔ)償源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)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，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(diǎn)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，提出了一種平方信號(hào)組合方法，對(duì)從不同鏈路接收到的信號(hào)進(jìn)行組合。通過(guò)聯(lián)合決定平方操作前后的信號(hào)，來(lái)恢復(fù)每個(gè)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

在傳統(tǒng)的系統(tǒng)模型中，在每個(gè)鏈路上傳輸?shù)墓庑盘?hào)保持不變。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(hào)表示為，

1 .2 協(xié)同群通信系統(tǒng)的異步傳輸

1.3 異步傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

圖2 異步傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

3）接收結(jié)構(gòu)

圖4 接收機(jī)結(jié)構(gòu)

注：BerAI為比特誤碼率；DR為日期恢復(fù)；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(jié)合從L₀和L₁通過(guò)Adder 的信號(hào)，還可以得到信號(hào)Y_ac2為：

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。

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(fù)，而另一個(gè)副本通過(guò)Squarer 生成如下信號(hào)Z。

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

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

4）系統(tǒng)復(fù)雜性分析

可以分別從硬件和算法兩方面對(duì)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(jī)上的每個(gè)光鏈路配備1個(gè)單獨(dú)的MZM，以實(shí)現(xiàn)在這些鏈路上的不同數(shù)據(jù)的并發(fā)傳輸。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于傳輸不同數(shù)據(jù)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(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)接收機(jī)上的偏置、平方操作器和LMS 濾波器。

算法復(fù)雜度：符號(hào)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(hào)決策的算法復(fù)雜度并沒(méi)有增加。

2   參數(shù)設(shè)置

對(duì)異步協(xié)同傳輸（ACT）系統(tǒng)與直接傳輸（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。本文設(shè)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(shù)據(jù)。大氣衰減范圍為（1 ~ 9.5）dB/km，對(duì)應(yīng)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(tǒng)的附加噪聲設(shè)置為每個(gè)APD 的熱噪聲和背景光噪聲。主要參數(shù)的設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 主要參數(shù)設(shè)置

3   結(jié)果分析

圖5 顯示了隨著傳輸功率Pt和=0.5×10^-15m^-2/3增加而增加的誤碼率性能。當(dāng)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(dāng)DT和ACT中兩個(gè)鏈路的BERs平均時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)平均（ACT）的誤碼率低于平均（DT），這是由于信號(hào)組合后信噪比的增加所致。

圖5 ACT與DT對(duì)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)速率，但前者具有較高的符號(hào)速率，后者具有較高的調(diào)制水平。對(duì)于=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。在圖7 中，當(dāng)傳輸功率固定在20dBm 時(shí)，可以通過(guò)設(shè)置不同的，進(jìn)一步給出隨湍流強(qiáng)度變化的誤碼率結(jié)果。結(jié)果表明，所提出的ACT 方案在對(duì)抗介質(zhì)到強(qiáng)渦輪機(jī)方面優(yōu)于DT和HOSCT。由于較低的數(shù)據(jù)速率和較大的頻譜帶寬，LRSCT 和HRSCT 在不同的湍流強(qiáng)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(duì)抗大氣湍流。總之，ACT 為本文提供了數(shù)據(jù)率和誤碼率之間理想的權(quán)衡解決方案。

圖6 ACT與SCT對(duì)比

圖7 湍流的誤碼率

為了分析衰減和湍流對(duì)ACT 系統(tǒng)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(jié)果，傳輸功率為20dBm，L₀的為0.5×10^-15m^-2/3。從結(jié)果中觀察到，當(dāng)衰減在較低范圍時(shí)，由于湍流強(qiáng)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(hào)太弱，即使在弱湍流中也無(wú)法從噪聲中識(shí)別出來(lái)，但湍流對(duì)誤碼率的影響較小。

圖8 聯(lián)合大氣效應(yīng)

4   結(jié)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(shù)據(jù)。對(duì)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)通過(guò)產(chǎn)生更高的信噪比，優(yōu)于直接傳輸。作為L(zhǎng)RSCT 和HOSCT 系統(tǒng)之間的一種權(quán)衡，ACT可以實(shí)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，將為ACT 系統(tǒng)提供一種合理的中繼選擇算法，以進(jìn)一步擴(kuò)展其優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年1月期）