基于SC分集的混合FSO/RF航空通信系統性能分析

劉文亞,趙尚弘,王 翔,牟 迪

(空軍工程大學信息與導航學院,陜西 西安 710077)

1 引 言

在無線通信中,自由空間光(FSO)通信具有寬帶寬、頻譜充裕、抗干擾能力強、天線尺寸小及部署成本低的優點而備受關注,在未來航空信息組網方面有廣闊的應用前景[1-2]。然而,FSO通信易受云霧及沙塵暴等惡劣天氣影響,即使在晴朗的天氣下,也容易受大氣湍流的影響[3]。射頻通信鏈路主要受雨衰的影響,對云霧、沙塵暴及大氣湍流等因素不敏感[4]。因此,綜合考慮環境對FSO及RF信道的不同影響,通過并行傳輸的鏈路部署來減輕信道的衰落影響,從而實現高速、可靠、穩定的混合FSO/RF航空通信系統。

目前,針對混合并行FSO/RF通信系統的研究主要聚焦在硬切換及軟切換兩個方面。其中,硬切換方面大多研究基于信噪比閾值進行鏈路切換的方案[5-7]。軟切換方面大多研究信道編碼、調制及數據劃分方案[8-10]。然而,無論是基于信噪比閾值的FSO/RF硬切換方案,還是通過編碼、調制進行數據劃分的軟切換方案,系統在發射端必須要接收到可靠的信道狀態信息(CSI),這增加了一條反饋鏈路的需求,提高了系統設計及實現的復雜性。文獻[11]中提出了基于選擇合并(SC)分集的混合FSO/RF通信系統。射頻和激光鏈路上傳輸相同的數據,在接收端采用SC分集技術,利用了并行的RF鏈路來降低大氣湍流對FSO通信的影響,發射端不需要獲取CSI,也不需要考慮編碼以及鏈路切換方案,簡化了系統設計。在文獻[11]中考慮射頻鏈路信道為瑞麗信道模型,FSO大氣湍流信道為Gamma-Gamma信道模型。文獻[12]對其進行了進一步分析,其中RF鏈路服從Nakagmi-m信道模型,該模型對實測數據具有很好的擬合性,FSO大氣湍流信道仍為Gamma-Gamma信道模型。Gamma-Gamma分布可用于表征中到強湍流中的光強起伏,但不適用于孔徑平均效應下的自由空間光通信,孔徑平均效應可有效抑制大氣湍流對自由空間光通信的影響。Barrios R和Dios F提出了適用于弱到強湍流及平均孔徑條件下的Exponentiated Weibull分布模型[13-14],并通過實驗驗證了模型在平均孔徑效應及各種湍流強度下的準確性。

本文研究了基于SC分集的混合FSO/RF航空通信系統性能。FSO鏈路采用Exponentiated Weibull分布模型,RF信道衰落服從Nakagami-m分布。利用Meijer′s G函數推導出混合FSO/RF航空通信系統中斷概率及平均誤碼率閉合表達式,通過閉合表達式進行仿真,對比分析了不同湍流強度、調制方式及并行分集的通信方案對系統中斷、誤碼性能的影響。

2 系統及信道模型

基于SC分集的混合FSO/RF航空通信系統模型如圖1所示。在發射端系統采用M-PSK調制,調制信號輸入到FSO和RF兩個子系統同時傳輸,在接收端進行檢測并運用選擇合并分集技術進行處理。

圖1 基于SC分集的混合FSO/RF通信系統Fig.1 Hybrid FSO/RF system based on selection combing diversity

2.1 FSO鏈路

在FSO子系統采用強度調制/直接檢測(IM/DD),將直流偏壓加到強度調制信號上,以避免調制信號的負值。然后,激光二極管通過FSO信道傳輸光信號。在FSO子系統的接收器處,光電探測器通過直接檢測將入射信號轉換為電信號,在FSO子系統接收端yFSO可以表示為:

yFSO=RIFSOx+nFSO

(1)

式中,IFSO為由大氣湍流引起的信道衰落增益;x為M-PSK調制信號;R為光電轉換效率;nFSO為加性高斯白噪聲信號。

在FSO子系統接收端采用大孔徑接收技術,考慮孔徑平均效應,激光鏈路服從Exponentiated Weibull分布,則信噪比γFSO的概率分布函數(PDF)表示為[15]:

(2)

(3)

2.2 RF鏈路

在RF子系統發射端對信號進行上變頻處理,載波選取頻率為60 GHz的毫米波。在RF子系統接收端,RF信號通過下變頻并解調成原始信號。RF接收端信號yRF可以表示為:

yRF=hRFx+nRF

(4)

其中,hRF代表信道的衰落因子;x為M-PSK調制信號;nRF為加性高斯白噪聲信號。

RF鏈路服從Nakagami-m分布,信噪比的概率密度函數分布表達式為[16]:

(5)

(6)

其中,γ(m,x)為不完全伽馬函數。

2.3 基于SC分集的混合FSO/RF通信系統

SC分集是一種較為簡單、直接的組合方案。在接收端測量每一條鏈路的電信噪比,并選擇電信噪比最高的信號作為輸出。因而,輸出信號的信噪比為[12]:

γSC=max(γRF,γFSO)

(7)

因此,系統接受端瞬時信噪比的累積分布函數(CDF)為:

FγSC(γ)=FγRF(γ)FγFSO(γ)

(8)

將式(3)和式(6)代入式(8),可以得到接受瞬時端信噪比的CDF為:

(9)

3 系統性能分析

3.1 中斷概率

對于通信系統來說,系統中斷概率是衡量通信系統傳輸可靠性的重要指標之一,可表示為接受端信號的信噪比低于某個信噪比閾值的概率。因此,系統中斷概率的數學表達式為:

Pout(γth)=P(γ<γth)=F(γth)

(10)

3.1.1 單FSO系統

僅采用一條激光鏈路進行通信時,系統中斷概率的數學表達式為:

PFSO-out(γth)=P(γ<γth)=FγFSO(γth)

(11)

3.1.2 單RF系統

僅采用一條射頻鏈路進行通信時,系統中斷概率的數學表達式為:

PRF-out(γth)=P(γ<γth)=FγRF(γth)

(12)

3.1.3 基于SC分集的混合FSO/RF通信系統

對基于SC分集技術的并行FSO/RF通信系統來說,系統中斷概率的表達式為:

Psc-out(γth)=P(γ<γth)=FγSC(γth)

(13)

3.2 平均誤碼率

平均誤碼率亦是評價系統性能的指標之一。根據接收端的瞬時信噪比及其概率密度函數,可推導出通信系統平均誤碼率的閉合表達式。

對于M-PSK調制,瞬時誤碼率的表達式可以寫成[16]:

(14)

其中,erfc(·)為互補誤差函數。

對上式進行求導,可得到瞬時誤碼率的一階導數表達式:

(15)

系統的平均誤碼率為[16]:

(16)

3.2.1 單FSO系統

對于僅用一條激光鏈路通信的FSO子系統,將(3)及式(15)代入式(16)中,根據廣義二項式定理及Meijer′s G函數的運算性質[17-18],可得系統平均誤碼率表達式為:

(17)

3.2.2 單RF系統

同理,將式(6)及式(15)代入式(16)中,利用Meijer′s G函數的運算性質[17-18],推導得到單RF通信系統的平均誤碼率表達式為:

(18)

3.2.3 基于SC分集的混合FSO/RF通信系統

將式(9)、(15)代入式(16)中,根據廣義二項式定理及Meijer′s G函數的運算性質[17-18],推導得到SC分集下混合FSO/RF通信系統的平均誤碼率表達式為:

(19)

4 仿真結果分析

在本節中,根據上述推導得到的中斷概率的閉合表達式(11)、(12)、(13)及平均誤碼率閉合表達式(17)、(18)、(19),分析了不同情景下混合FSO/RF航空通信系統性能,表1、表2和表3中列出了仿真參數。

表1 FSO系統參數Tab.1 FSO system parameters

表2 RF系統參數Tab.2 RF system parameters

圖2為中斷概率在不同湍流強度及通信方案下隨平均信噪比變化規律圖。大氣湍流信道參數如表3所示。取RF鏈路衰落指數m=3,此時為RF鏈路為弱衰落,由圖2可以看出隨湍流強度增大,混合并行FSO/RF通信系統中斷性能降低,如當平均信噪比為24 dB,弱湍流條件下系統中斷概率為Pout=1.968×10-8,而強湍流強度條件下中斷概率增大為1.004×10-5,增加了三個數量級。混合FSO/RF通信系統要比單一的FSO和單一的RF系統更加穩定,中斷性能更好,如當強湍流情況下且鏈路平均信噪比為20dB時,混合FSO/RF通信系統的中斷概率為Pout=3.99×10-4,而單FSO鏈路及單RF鏈路中斷概率分別為1.11×10-1和3.59×10-3。

表3 信道湍流參數Tab.3 Channel turbulence parameters

圖2 不同通信系統及湍流強度條件下中斷概率變化規律Fig.2 OP performance comparison of the hybrid FSO/RF,RF-only and FSO-only systems under various turbulence conditions

混合FSO/RF通信系統采用BPSK調制,不同衰落指數和大氣湍流強度條件下系統平均誤碼率性能隨信噪比變化規律如圖3所示。數值仿真選取表1、表2及表3參數。仿真結果表明,隨著湍流強度增大及m的減小及RF信道衰減程度增強,系統平均誤碼率不斷增大,如平均信噪比為15 dB時,弱湍流及RF弱衰減(m=3)時,系統誤碼率為1.719×10-6,強湍流及RF強衰減(m=1)時,系統誤碼率增加為5.893×10-4,增加了兩個數量級。FSO及RF任一信道質量較好,都可以改善系統誤碼率,如平均信噪比為15 dB時,強湍流及弱RF衰減(m=3)時,系統誤碼率為2.013×10-5,弱湍流及強RF衰減(m=1)時,系統誤碼率為2.766×10-5,相比于強湍流及強RF衰減時的誤碼率要低一個數量級。

圖3 不同衰落指數及湍流強度條件下平均誤碼率變化規律Fig.3 Average BER of the hybrid FSO/RF system with different turbulence conditions and fading figure

圖4仿真分析了不同調制方式下及不同湍流強度下,混合并行FSO/RF通信系統平均誤碼率隨平均信噪比的變化規律。仿真在RF弱衰落,m=3條件下進行。

圖4 不同調制方式及湍流強度下平均誤碼率變化規律Fig.4 Average BER of the hybrid FSO/RF system with different modulation schemes and turbulence conditions

由圖4可知,系統性能BPSK>(優于) QPSK >8PSK,即BPSK為最佳調制方式。此外,在RF弱衰落情況下,系統誤碼性能受M-PSK調制階數的影響相對于湍流強度的影響較大。如當平均信噪比為15 dB時,強湍流下采用BPSK調制,系統誤碼率為2.013×10-5,要小于弱湍流下采用QPSK調制時的系統誤碼率3.817×10-5,強湍流下采用QPSK調制,系統誤碼率為1.705×10-4,小于弱湍流下采用8PSK時的系統平均誤碼率2.179×10-3。

不同通信系統方案及調制方式下,平均誤碼率隨平均信噪比的變化規律如圖5所示。仿真在強湍流及m=2條件下進行。

由圖5可知,在相同的調制階數下,混合FSO/RF通信系統的誤碼性能要好于單RF系統及單FSO系統,如采取BPSK調制及平均信噪比為17dB時,單RF系統誤碼率為2.797×10-4,單FSO系統誤碼率為7.947×10-3,而混合FSO/RF通信系統平均誤碼率為2.173×10-5。平均信噪比為20dB時,采用QPSK調制的混合FSO/RF通信系統平均誤碼率要低于采用BPSK的單RF通信系統及單FSO通信系統的平均誤碼率,一定程度上說明了信噪比較高時,混合FSO/RF傳輸、分集接收的通信方案對誤碼性能的改善要優于低階調制方式對誤碼性能的改善。

圖5 不同通信系統及調制方式下平均誤碼率變化規律Fig.5 Average BER of the hybrid FSO/RF,RF-only and FSO-only systems with different modulation schemes

5 結 論

本文針對基于SC分集技術的混合FSO/RF航空通信系統、鏈路性能開展研究。基于Exponentiated Weibull大氣湍流分布模型及Nakagami-m衰落信道模型,利用Meijie′s G函數性質推導得到了系統的中斷概率和平均誤碼率的閉式表達式,并進行仿真分析。仿真結果表明,與各種湍流強度下的單FSO系統及各種衰落強度下的單RF系統相比,基于SC分集的混合FSO/RF航空通信系統有效地利用了FSO及RF鏈路在不同大氣信道條件下的互補性質,具有更優的誤碼性能和中斷性能；采用低階的M-PSK調制能有效地降低大氣湍流對混合FSO/RF航空通信系統性能的影響；信噪比高時,并行傳輸、分集接收的通信方案對系統誤碼性能的改善要優于低階調制對誤碼性能的改善,航空通信系統設計中可優先考慮通信系統傳輸模型,再考慮調制方式。在實際應用中,可以利用推導的性能指標閉合表達式,估計系統性能,為混合激光/射頻航空通信系統的設計提供參考。