通信系統(tǒng)的異步傳輸

0   引言

自由空間光學通信（FSO）通信是一種以激光為載體^[1]，通過大氣信道傳輸數據的無線通信技術。與射頻(RF) 和光纖通信技術相比，FSO 通信以其寬頻譜、易于部署和高安全性等優(yōu)點而脫穎而出^[2]。因此，FSO 通信對于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。然而FSO、MIMO 通常需要復雜的系統(tǒng)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性。作為多節(jié)點場景下MIMO 的一種特殊范式，協(xié)作通信使用中繼節(jié)點來補償源節(jié)點和目的節(jié)點之間的鏈路傳輸質量^[3]?；诖耍瑸榱藴p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行組合。通過聯合決定平方操作前后的信號，來恢復每個鏈路上的數據。

1   系統(tǒng)模型

1.1 協(xié)同FSO系統(tǒng)的同步傳輸

在傳統(tǒng)的系統(tǒng)模型中，在每個鏈路上傳輸的光信號保持不變。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)的實現

圖2 異步傳輸系統(tǒng)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的一個副本被直接發(fā)送到決策中進行接下來的位恢復，而另一個副本通過Squarer 生成如下信號Z。

經過LMS 濾波器（LMSF） 后， 可以得到信號Y_ac1為

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

4）系統(tǒng)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(tǒng)進行復雜度分析。

硬件復雜性：必須為發(fā)射機上的每個光鏈路配備1個單獨的MZM，以實現在這些鏈路上的不同數據的并發(fā)傳輸。在實際應用中，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實現接收機上的偏置、平方操作器和LMS 濾波器。

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

2   參數設置

對異步協(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）的不同解決方案進行了全面的誤碼率分析。本文設置了兩個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 的兩個子鏈路。每個鏈路以10 Gbit/s 的速率傳輸數據。大氣衰減范圍為（1 ~ 9.5）dB/km，對應的能見度為6 km（輕霧/ 小雨）至1 km（輕霧/ 大雨）。將整個系統(tǒng)的附加噪聲設置為每個APD 的熱噪聲和背景光噪聲。主要參數的設置見表1。

表1 主要參數設置

3   結果分析

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DT和ACT中兩個鏈路的BERs平均時，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，當傳輸功率固定在20dBm 時，可以通過設置不同的，進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珹CT 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(tǒng)的聯合影響，圖8顯示了鏈路L₁在不同衰減和湍流時的誤碼率結果，傳輸功率為20dBm，L₀的為0.5×10^-15m^-2/3。從結果中觀察到，當衰減在較低范圍時，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法從噪聲中識別出來，但湍流對誤碼率的影響較小。

圖8 聯合大氣效應

4   結束語

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(tǒng)結構進行了數學分析。結果表明，該系統(tǒng)通過產生更高的信噪比，優(yōu)于直接傳輸。作為LRSCT 和HOSCT 系統(tǒng)之間的一種權衡，ACT可以實現比LRSCT 更高的數據速率和比HOSCT更低的BER，而額外的系統(tǒng)復雜性是可以接受的。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，以進一步擴展其優(yōu)勢。

參考文獻：

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年1月期）