具有能量收集的雙向RF/FSO中繼系統(tǒng)性能分析

李小禹,湯 璇,林邦姜,謝宇芳,駱加彬,戴玲鳳,康 莉

(中國科學(xué)院海西研究院 泉州裝備制造研究所,福建 泉州 362000)

1 引 言

在近地?zé)o線通信系統(tǒng)中,自由空間光(Free Space Optical,FSO)通信技術(shù)作為一種高效,安全的新技術(shù),在學(xué)術(shù)界引起了廣泛的關(guān)注。相比于傳統(tǒng)的射頻(Radio Frequency,RF)通信,FSO可以提供更高的速率和帶寬,且易于部署,傳輸安全,功耗低,抗電磁干擾和免電磁輻射等[1-4],適用于解決最后一公里問題。

在本文的應(yīng)用場景中,FSO傳輸端通過中繼節(jié)點(diǎn)與 RF用戶進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。FSO信號容易受到霧,沙塵等天氣條件的影響,即使在晴朗天氣條件下,也易受到大氣湍流的影響。RF鏈路幾乎不受湍流信道的影響[5],FSO鏈路的可靠性也受到指向誤差限制[6]。因此,本文主要考慮大氣湍流和指向誤差對RF/FSO中繼傳輸系統(tǒng)的性能影響。

中繼協(xié)作方式主要有放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify and Forward,AF)和解碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode and Forward,DF)兩種[7],其中AF復(fù)雜度較低,僅在節(jié)點(diǎn)處對信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠛蟀l(fā)送到下一個節(jié)點(diǎn)。DF可以消除信號中攜帶的噪聲,避免噪聲積累而引起的信號失真。在雙向中繼傳輸中,為了消除前一階段信號噪聲的影響,及降低系統(tǒng)整體的復(fù)雜度,系統(tǒng)大多采用DF解碼轉(zhuǎn)發(fā)的方式[8]。FSO湍流信道模型主要包含lognormal模型,K模型,Gamma-Gamma模型等。lognormal模型用來描述弱湍流條件下衰落信道,K模型用于模擬強(qiáng)湍流條件,而Gamma-Gamma模型用于模擬從弱到強(qiáng)的大氣湍流環(huán)境[9-10]。

本文研究基于DF技術(shù)的RF/FSO中繼傳輸系統(tǒng),RF鏈路采用Nakagami-m衰落信道模型,FSO鏈路采用Gamma-Gamma湍流信道模型。同時,系統(tǒng)設(shè)計利用能量采集技術(shù),用于解決由于傳輸設(shè)備尺寸和復(fù)雜度造成的能量存儲空間不足問題。能量采集技術(shù)在RF中已經(jīng)得到研究和應(yīng)用,而在光通信的相關(guān)研究較少[11-14]。本文推導(dǎo)出基于Meijei-G函數(shù)的系統(tǒng)中斷概率表達(dá)式,并在不同的湍流強(qiáng)度,信號轉(zhuǎn)換效率和能量收集效率等條件下對RF/FSO中繼系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真分析。

2 系統(tǒng)及信道模型

2.1 系統(tǒng)及信號模型

此系統(tǒng)模型中包含一個射頻RF信號收發(fā)器,一個FSO信號收發(fā)器,以及一個中繼裝置,其中RF信號收發(fā)器的信號發(fā)送和接收口分別為A,C,對應(yīng)中繼處RF信號接收和發(fā)送口A,C。FSO信號收發(fā)器的發(fā)送和接收口分別為B,D,對應(yīng)中繼處FSO信號接收和發(fā)送口B,D。其系統(tǒng)模型圖如圖1所示。

圖1 具有能量收集的混合RF/FSO中繼系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of a hybrid RF/FSO relay systemwith energy harvesting

該中繼系統(tǒng)整個傳輸過程分為兩個階段。第一階段中,在A處的RF發(fā)射信號為:

在B處FSO發(fā)射信號為:

其中,xRF為RF信號;PRF為RF信號發(fā)射功率。η1xFSO為FSO信號;PFSO為FSO信號發(fā)射功率;η1為電光轉(zhuǎn)換系數(shù),為保證傳輸?shù)腇SO信號始終為非負(fù)值,在FSO信號中插入直流偏置,B0為插入的直流偏置信號。

在中繼處接收到的RF,FSO信號分別為:

(1)

(2)

上述表達(dá)式中的g,h分別為RF信道衰落系數(shù)和FSO信道衰落系數(shù);n1,n2為高斯白噪聲。

則在中繼處接收到的信號為:

yr=yRF+yFSO

(3)

其中,Rpd為PD響應(yīng)系數(shù);η2為光電轉(zhuǎn)換系數(shù);n0為高斯白噪聲。

在中繼處接收到信號的瞬時信噪比SNR為:

=γRF+γFSO

(4)

此中繼系統(tǒng)采用DF解碼轉(zhuǎn)發(fā),將兩路信號xRF,xFSO通過網(wǎng)絡(luò)編碼,例如異或操作結(jié)合成一個新的信號并表示為xRF⊕xFSO。

第二階段中,在RF信號接收端C處,FSO信號接收端D處收到的信號分別為:

(5)

(6)

C,D兩端的瞬時信噪比為:

其中,N3、N4分別為高斯白噪聲n3、n4的功率譜密度。關(guān)于PR的介紹后續(xù)會講到。

2.2 能量收集

該過程僅指信號從RF,FSO信號產(chǎn)生端到中繼進(jìn)行能量收集,能量收集和信號的傳輸是同步進(jìn)行的。即假設(shè)信號從信號收發(fā)器經(jīng)過中繼再分別回傳到兩端的信號收發(fā)裝置上一共用時為T,那么從RF,FSO信號產(chǎn)生到在中繼處完成能量收集一共用時T/2,為第一階段。從中繼處發(fā)射信號到RF,FSO收發(fā)器接收到信號用時也為T/2,為第二階段。

其中,光信號部分收集到的能量為[11,15]:

(7)

射頻信號中收集到的能量為:

ERF=aTθPRF|g|2/2

(8)

其中,a為能量收集效率系數(shù)。

則可得到上一節(jié)中講到的中繼處的信號傳輸功率:

PR=ψ+Popt+Pele

(9)

其中,ψ為中繼處的固有能量;Popt,Pele為收集到的光信號FSO和RF信號能量的功率。

2.3 信道模型

如上文所述,射頻RF鏈路采用Nakagami-m信道衰落模型,自由空間光FSO鏈路采用Gamma-Gamma信道衰落模型。

(10)

(11)

3 中斷概率分析

中斷概率是衡量無線通信系統(tǒng)性能的重要指標(biāo),當(dāng)瞬時輸出信噪比SNR低于一個閾值,通信系統(tǒng)就會中斷。對于雙向RF/FSO中繼傳輸網(wǎng)絡(luò)的中斷概率表達(dá)式定義為[18]:

(12)

對于雙跳RF/FSO中繼傳輸系統(tǒng),任何一條鏈路發(fā)生中斷則系統(tǒng)就被判定為中斷。首先我們求出第一階段的中斷概率表達(dá)式為:

(13)

根據(jù)Meijer′s G函數(shù)的定義[19],結(jié)合式(10),(11),(13)以及做適當(dāng)?shù)淖兞孔儞Q,可得出第一階段中斷概率的閉合解為:

(14)

在第二階段傳輸過中,中繼系統(tǒng)將重新編碼后的信號分別傳向RF信號接收端C和FSO信號接收端D。和第一階段的過程類似。

結(jié)合式(12),(14),則整個系統(tǒng)的中斷概率為:

(15)

4 仿真和數(shù)值分析結(jié)果

該部分中,基于前面推導(dǎo)出的中斷概率表達(dá)式,分析在不同的情境下該系統(tǒng)的性能,來驗(yàn)證不同的系統(tǒng)參數(shù)對整個系統(tǒng)的性能的影響。在數(shù)值仿真過程中,系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定如表1、表2所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 System parameters

表2 大氣湍流參數(shù)Tab.2 Atmospheric turbulence parameters

圖2 不同的大氣湍流情況和ζ條件下系統(tǒng)中斷概率性能Fig.2 System outage probability performance under differentatmospheric turbulence conditions and ζ conditions

圖3 不同大氣湍流情況和RF信道衰減參數(shù)m條件下系統(tǒng)中斷概率性能Fig.3 System outage probability performance underdifferent atmospheric turbulence conditions andRF channel attenuation parameter m

圖4 不同的大氣湍流情況,不同Rpd,η2條件下系統(tǒng)中斷概率性能Fig.4 Different atmospheric turbulence conditions,system outage probability performance underdifferent conditions Rpd and η2

圖5 不同的大氣湍流情況,不同a,θ條件下系統(tǒng)中斷概率性能Fig.5 Different atmospheric turbulence conditions,system outage probabilityperformance under different conditions a and θ

5 結(jié) 語

本文對帶有能量收集方案的雙向RF/FSO中繼系統(tǒng)性能展開了研究,基于FSO鏈路的Gamma-Gamma信道模型和RF鏈路的Nakagami-m信道模型,分析了系統(tǒng)的能量收集方案,并對該系統(tǒng)進(jìn)行了中斷概率分析以及系統(tǒng)仿真。通過仿真可知,更大的FSO指向誤差系數(shù)和RF衰減參數(shù)會給系統(tǒng)帶來更好的性能。相比于傳統(tǒng)的RF單鏈路能量收集方案,本文中所提到的能量收集方案可以通過改變PD響應(yīng)系數(shù)來獲得更高的能量收集效率,由仿真了解到,FSO中更高的PD響應(yīng)系數(shù),光電轉(zhuǎn)換效率系數(shù),可以對系統(tǒng)的能量收集有很好地提升,通過提高中繼中傳輸信號的能量來提高接收端信號的信噪比,進(jìn)而降低了系統(tǒng)的中斷概率,提升了系統(tǒng)性能。RF中能量收集效率以及能量分割系數(shù)的改變對系統(tǒng)整體性能的影響并不是很明顯。