一種基于鏈路狀態的艙內環境自適應干擾消除算法

梁薇,黎軍,李靜玲,崔濤,魏佳圓,張怡

中國空間技術研究院西安分院,西安 710100,中國

1 引言

航天器艙內無線光通信主要是采用光作為通信媒介將電子設備互聯,實現內部信息共享和綜合利用的信息傳輸系統,它是航天器自主運行的核心。在對質量、體積及電磁兼容等要求十分苛刻的艙內環境下,無線光通信能夠代替繁重的有線電纜,在保證高可靠性的前提下降低質量,在航天領域中具有十分重要的作用[1-2]。

近年來,國外關于航天器內無線光通信開展了大量的研究工作[3-7]。2004年,INTA發射了首顆采用星內光無線通信鏈路(optical wireless link for intra-satellite communication,OWLS)技術的NANOSAT-01在軌試驗星,證實了OWLS技術太空應用的可行性。2007—2008年,ESA發射了FONTON-03試驗衛星,在太空進行了首次OWLS飛行器驗證的研究和實驗,2010年INTA發射的OPTOS全光試驗衛星,使用光無線通信鏈路搭建了整個星內的數據傳輸系統。NASA 和日本信州大學正在探索航天無線光技術在航天領域的應用。2015 年,NASA Space Act Agreement 開始經費支持肯尼迪航天中心與LVX 公司進行艙內光通信研究。

艙內通信的傳輸安全與傳輸質量保障是航天器長時間穩定運行的前提與基礎。航天器特別是大型航天器(如大型通信衛星、空間站),內部空間小且密閉、設備密集,無線信號反射/折射多徑復雜,密閉空間和單向伸展特性形成了特殊的空間傳輸環境,較地面其它室內環境更復雜,易受多徑干擾、背景光噪聲干擾,以及環境有限變化引起的傳輸質量波動等多源干擾影響。

目前針對艙內無線光通信的干擾問題,OFDM技術因其良好的抗多徑干擾性能,成為了本領域的研究熱點之一,圍繞它開展了許多深入的研究。

文獻[8]針對室內無線光系統,提出了OFDM使用自適應技術可以減小多徑效應和提高通信系統性能的方法。

文獻[9]在艙內環境對無線光ACO-OFDM和DCO-OFDM兩種模式完成了多性能的仿真對比。

對于保證無線光通信傳輸質量的干擾消除技術集中在:遞歸最小二乘(recursive least squares,RLS)、最小均方(least mean square,LMS)及變步長RLS/LMS算法,文獻[10]采用修正函數在算法迭代中完成值的修正,增強算法的自適應能力的同時在每次迭代中增加了計算量,文獻[11]提出了迭代變步長最小均方算法,利用該算法實現了快速收斂的高對消比數字域干擾對消。

以上算法均針對地面無線光通信環境,算法復雜度高,對于空間封閉、設備密集、鏈路有限變化、資源受限的艙內環境,沒有綜合考慮艙內環境的有限變化以及算法復雜度對資源受限系統的影響,難以直接應用于艙內無線光傳輸環境。

本文采用ACO_OFDM(asymmetrically clipping optical OFDM,非對稱限幅光OFDM)技術,通過分析艙內鏈路狀態,針對復雜多徑干擾、信道動態變化等環境特點,提出一種基于鏈路狀態的環境自適應干擾消除算法(link-state-based adaptive IC,LSBA-IC),通過估計無線鏈路狀態變化的持續性,生成艙內鏈路的穩態信息,采用變遺忘因子RLS算法,建立不同鏈路狀態與算法參數的映射關系,以提高艙內通信質量,減少算法復雜性,靈活適應艙內多種干擾情況。

2 艙內無線光傳輸系統分析

ACO-OFDM是一種單極性OFDM調制技術,采用了快速傅里葉變換(fast fourier transform,FFT)算法來進行調制和解調,能夠提供高頻譜效率,還對信道隨機性產生的突發性錯誤具有很好的免疫性,并且以其平均光功率低和功率效率高的優點被廣泛應用。

圖1是ACO_OFDM的發射接收系統實現原理,在ACO_OFDM通信系統中,發送的數據承載在不同頻率的N個子載波上進行傳輸,使用QAM對每個子載波進行調制,在滿足共軛對稱性的基礎上,僅在奇載波上傳輸發送數據,在偶載波上傳輸零,則在IFFT的輸入端信號可表示為[12-13]:

X=[0,X0,0,X1,…,0,XN-1,0,

(1)

即X=[X0,X1,X2,…,0,X4N-2,X4N-1]

(2)

經過IFFT變換,得到時域的實信號為:

x=[x0,x1,x2,…,0,x4N-2,x4N-1]

(3)

經過IFFT之后需要對信號進行限幅,并將負數信號削掉,從而保證信號的非負性。對IFFT模塊產生的雙極性實數抽樣值進行非對稱限幅,通過在零值處限幅將其變為單極性的正信號,即

(4)

ACO_OFDM通過犧牲頻帶利用率換取了功率效率的提升。

ACO_OFDM系統的信號易受到艙內多源干擾的影響,鏈路狀態隨機變化,造成了鏈路質量的差異化波動,影響艙內通信性能。為了保障艙內多種數據的傳輸安全,擬采用基于鏈路狀態的自適應干擾消除算法,保證鏈路質量。

圖1 ACO-OFDM系統發射接收端原理Fig.1 Schematic of the transmitting and receiving end of the ACO-OFDM system

3 基于鏈路狀態信息的環境自適應干擾消除算法

3.1 艙內鏈路狀態信息分析

在艙內無線光通信系統中,環境對系統性能的影響主要表現在鏈路中障礙物對光束反射、折射、繞射以及自然界背景光等因素,引起的傳輸光信號幅度和相位的強烈波動。

艙內的多源干擾按其成因可分為[14-18]:

(1)路徑損耗

在艙內無線光通信系統中,根據發射器和接收器之間的方向角度分為定向型、混合型和非定向型三種,根據發射器和接收器之間是否存在不間斷的視覺線路,將通信鏈路分為視距鏈路(LOS)和非視距鏈路(NLOS)。視距鏈路是指光從發射端出發,直接到達接收端,中間不經過任何障礙物的反射。非視距鏈路指光不直接到達接收端,而是經墻壁、地面和相關障礙物反射后,被接收端接收。非視距鏈路對指向要求低,但存在多徑效應。

圖2 航天器內光通信鏈路分類Fig.2 Classification of optical communication links in spacecraft

根據航天器內的結構布局特點,將航天器內無線光鏈路劃分為:短距離視距傳輸、長距離視距傳輸、短距離非視距傳輸和長距離非視距傳輸,具體定義如表1。其中遠距離非視距傳輸鏈路信號極易被反射,所受多徑干擾的影響最大。

表1 鏈路分類

表中C1、C2、C3、C4均為鏈路模型名稱,l1、l2為艙內路徑長度,單位為m。

(2)背景光干擾

艙內人造光源或外部環境的干擾光,共同組成了背景光噪聲,背景光噪聲的變化會引起鏈路質量的擾動,載人艙內背景光噪聲的強度變化受人員活動時間的影響。

(3)突發干擾

受外部攻擊或艙內環境突然改變(如艙內人員走動、設備相對位置改變造成的鏈路變化)的影響,艙內無線光鏈路呈現突發動態變化,引起誤碼率變化。

本文主要研究視距鏈路下的鏈路狀態突發變化引起的通信質量下降問題。

3.2 LSBA-IC算法原理

(1)變遺忘因子RLS算法

RLS算法是考慮一種指數加權的最小二乘法,使用加權的誤差平方和作為代價函數,得到下面有約束的最優化問題[19-20]:

(5)

式中:e(i)表示期望響應di與i時刻濾波輸出xT(i)w(i-1)之間的誤差;w(i)為i時刻的權矢量,滿足0<λ<1,遺忘因子對算法的收斂速度和跟蹤性能有很大的影響。λ值的大小可以由誤差值e(i)來決定,為了達到更好的干擾消除性能,λ值的變化應遵循以下條件:

1)在初始收斂階段或未知系統的參數剛剛發生變化時,遺忘因子應該快速變小,來得到較快的收斂速度和跟蹤速度;

2)在算法收斂后,系統平穩,應該調整遺忘因子保持較大值,使穩態失調較小。

因此,采用變遺忘因子的思想對λ值進行修正,以克服固定遺忘因子所帶來的矛盾,使它既能獲得較快的收斂速度、跟蹤速度,又能使系統收斂時的估計誤差小。本文采用高斯(Gauss)函數作為可變遺忘因子函數。

(6)

式中:a表示高斯函數圖形的擴展常數,a值越大,高斯函數圖形越寬,a值越小,高斯函數圖形越窄。圖3為不同a值下的高斯函數圖形。

圖3 不同a值的高斯函數圖形Fig.3 Gaussian function graphs with different values of a

可以看到a值較低時,在趨近于0處的自適應穩態階段,函數仍有較大變化,適用于干擾較大的環境以進一步加快算法的收斂速度,在干擾相對較小的環境中,可以適當增大a的值,在e(i)趨近于0處時保持較高的遺忘因子值,以保證得到更精確的干擾消除結果。

(2)鏈路狀態估計

利用艙內環境的有限變化的特點,將艙內鏈路狀態區分為穩定、較不穩定和不穩定。

制定針對鏈路狀態而動態變化的干擾消除策略,具體體現在建立鏈路狀態與變遺忘因子函數的映射關系:

(7)

式中:a1

(3)LSBA-IC算法流程

整理得到基于鏈路狀態信息的環境自適應干擾消除算法具體步驟為:

步驟1:根據艙內通信鏈路質量參數的歷史狀態信息,對鏈路狀態進行估計,將其劃分為穩定和不穩定。

步驟2:根據艙內背景光噪聲信息,設置光硬限幅參數。

(8)

更新權向量:

W(n)=W(n-1)+g(n)·

[d(n)-UT(n)W(n-1)]

(9)

更新相關矩陣的逆矩陣:

C(n)=λ-1[C(n-1)-g(n)UT(n)C(n-1)]

(10)

4 仿真分析

設定艙內為采用C1/C2的視距方式、多徑衰落信道下的ACO_OFDM系統,信噪比為20dB,多徑信道時延參數Delay1=[0 2 2 4 3],歸一化的信道沖激響應為:H1=[0.55 0.50 1.01 0.03 0.35]?？紤]64點IFFT和16-QAM調制方案,保護間隔GI的長度為16。采用強度調制直接檢測(IM-DD)的光調制方式,設定背景噪聲功率為1.6dBm,鏈路狀態判斷閾值d1取值為0.1,d2取值為0.3,a1=5且a2=10。對采用固定遺忘因子的RLS干擾消除算法和LSBA-IC算法進行了仿真。

圖4為鏈路為平穩狀態下的固定遺忘因子的干擾消除算法與本文提出的LSBA-IC算法誤碼率性能對比,可以看出兩種算法均有效地抑制了艙內多源干擾,但本文的算法具有更好的性能。這是由于在鏈路平穩狀態下,LSBA-IC算法的遺忘因子取值會趨近于1,這時算法具有更好的誤碼率性能。

圖4 算法的誤碼率性能曲線Fig.4 Curve of algorithm error rate performance

為了研究艙內無線光通信鏈路受到外部干擾或振動時,鏈路狀態突變的情況下算法的收斂性能,在算法迭代到250次時強制改變信道參數,將多徑信道時延參數由Delay1變為Delay2,Delay2=[1 2 3 5 8],將歸一化的信道沖激響應由H1變為H2,H2=[0.15 0.50 1.01 0.03 0.25]。圖5為λ=0.97的固定遺忘因子的干擾消除算法與本文提出的LSBA-IC算法的收斂性能對比。從圖中可以看出,基于固定遺忘因子的干擾消除算法收斂速度相對較慢,在迭代次數為500次左右時才達到收斂,收斂曲線波動范圍也較大,而本文提出的算法在迭代次數為350左右時即已達到收斂,這充分說明本文算法的收斂效率高于固定遺忘因子的干擾消除算法。在鏈路質量動態波動的情況下能夠快速調整,迅速收斂,在非平穩狀態下具有良好的跟蹤性。

圖5 算法的收斂性能曲線Fig.5 The convergence performance curves of the algorithms

5 結論

傳統利用有線電纜傳輸信息的方式受到航天艙體積、質量等條件的限制,如何有效降低制造及運行成本、替換傳統數據電纜發展新的艙內通信技術、提高載荷比是航天領域需要解決的難題。無線光通信技術因其傳播定向性高、傳輸容量大、抗干擾能力突出等優點成為當前的研究熱點之一。

針對航天艙內各點之間的無線信道環境復雜、多徑傳輸效應顯著的問題,本文提出一種基于鏈路狀態的環境自適應干擾消除技術,該方法對艙內鏈路的狀態進行估計,有效感知鏈路的持續變化,在平穩狀態下優先保證傳輸的誤碼性能,在鏈路狀態變化時具有更好的收斂性能,靈活滿足艙內多種傳輸情況,可提升艙內無線光通信的抗干擾能力和穩定性。