具有能量收集的双向RF/FSO中继系统性能分析

李小禹,汤 璇,林邦姜,谢宇芳,骆加彬,戴玲凤,康 莉

(中国科学院海西研究院 泉州装备制造研究所,福建 泉州 362000)

1 引 言

在近地无线通信系统中,自由空间光(Free Space Optical,FSO)通信技术作为一种高效,安全的新技术,在学术界引起了广泛的关注。相比于传统的射频(Radio Frequency,RF)通信,FSO可以提供更高的速率和带宽,且易于部署,传输安全,功耗低,抗电磁干扰和免电磁辐射等[1-4],适用于解决最后一公里问题。

在本文的应用场景中,FSO传输端通过中继节点与 RF用户进行双向数据通信。FSO信号容易受到雾,沙尘等天气条件的影响,即使在晴朗天气条件下,也易受到大气湍流的影响。RF链路几乎不受湍流信道的影响[5],FSO链路的可靠性也受到指向误差限制[6]。因此,本文主要考虑大气湍流和指向误差对RF/FSO中继传输系统的性能影响。

中继协作方式主要有放大转发(Amplify and Forward,AF)和解码转发(Decode and Forward,DF)两种[7],其中AF复杂度较低,仅在节点处对信号进行适当的放大后发送到下一个节点。DF可以消除信号中携带的噪声,避免噪声积累而引起的信号失真。在双向中继传输中,为了消除前一阶段信号噪声的影响,及降低系统整体的复杂度,系统大多采用DF解码转发的方式[8]。FSO湍流信道模型主要包含lognormal模型,K模型,Gamma-Gamma模型等。lognormal模型用来描述弱湍流条件下衰落信道,K模型用于模拟强湍流条件,而Gamma-Gamma模型用于模拟从弱到强的大气湍流环境[9-10]。

本文研究基于DF技术的RF/FSO中继传输系统,RF链路采用Nakagami-m衰落信道模型,FSO链路采用Gamma-Gamma湍流信道模型。同时,系统设计利用能量采集技术,用于解决由于传输设备尺寸和复杂度造成的能量存储空间不足问题。能量采集技术在RF中已经得到研究和应用,而在光通信的相关研究较少[11-14]。本文推导出基于Meijei-G函数的系统中断概率表达式,并在不同的湍流强度,信号转换效率和能量收集效率等条件下对RF/FSO中继系统性能进行仿真分析。

2 系统及信道模型

2.1 系统及信号模型

此系统模型中包含一个射频RF信号收发器,一个FSO信号收发器,以及一个中继装置,其中RF信号收发器的信号发送和接收口分别为A,C,对应中继处RF信号接收和发送口A,C。FSO信号收发器的发送和接收口分别为B,D,对应中继处FSO信号接收和发送口B,D。其系统模型图如图1所示。

图1 具有能量收集的混合RF/FSO中继系统框图Fig.1 Block diagram of a hybrid RF/FSO relay systemwith energy harvesting

该中继系统整个传输过程分为两个阶段。第一阶段中,在A处的RF发射信号为:

在B处FSO发射信号为:

其中,xRF为RF信号;PRF为RF信号发射功率。η1xFSO为FSO信号;PFSO为FSO信号发射功率;η1为电光转换系数,为保证传输的FSO信号始终为非负值,在FSO信号中插入直流偏置,B0为插入的直流偏置信号。

在中继处接收到的RF,FSO信号分别为:

(1)

(2)

上述表达式中的g,h分别为RF信道衰落系数和FSO信道衰落系数;n1,n2为高斯白噪声。

则在中继处接收到的信号为:

yr=yRF+yFSO

(3)

其中,Rpd为PD响应系数;η2为光电转换系数;n0为高斯白噪声。

在中继处接收到信号的瞬时信噪比SNR为:

=γRF+γFSO

(4)

此中继系统采用DF解码转发,将两路信号xRF,xFSO通过网络编码,例如异或操作结合成一个新的信号并表示为xRF⊕xFSO。

第二阶段中,在RF信号接收端C处,FSO信号接收端D处收到的信号分别为:

(5)

(6)

C,D两端的瞬时信噪比为:

其中,N3、N4分别为高斯白噪声n3、n4的功率谱密度。关于PR的介绍后续会讲到。

2.2 能量收集

该过程仅指信号从RF,FSO信号产生端到中继进行能量收集,能量收集和信号的传输是同步进行的。即假设信号从信号收发器经过中继再分别回传到两端的信号收发装置上一共用时为T,那么从RF,FSO信号产生到在中继处完成能量收集一共用时T/2,为第一阶段。从中继处发射信号到RF,FSO收发器接收到信号用时也为T/2,为第二阶段。

其中,光信号部分收集到的能量为[11,15]:

(7)

射频信号中收集到的能量为:

ERF=aTθPRF|g|2/2

(8)

其中,a为能量收集效率系数。

则可得到上一节中讲到的中继处的信号传输功率:

PR=ψ+Popt+Pele

(9)

其中,ψ为中继处的固有能量;Popt,Pele为收集到的光信号FSO和RF信号能量的功率。

2.3 信道模型

如上文所述,射频RF链路采用Nakagami-m信道衰落模型,自由空间光FSO链路采用Gamma-Gamma信道衰落模型。

(10)

(11)

3 中断概率分析

中断概率是衡量无线通信系统性能的重要指标,当瞬时输出信噪比SNR低于一个阈值,通信系统就会中断。对于双向RF/FSO中继传输网络的中断概率表达式定义为[18]:

(12)

对于双跳RF/FSO中继传输系统,任何一条链路发生中断则系统就被判定为中断。首先我们求出第一阶段的中断概率表达式为:

(13)

根据Meijer′s G函数的定义[19],结合式(10),(11),(13)以及做适当的变量变换,可得出第一阶段中断概率的闭合解为:

(14)

在第二阶段传输过中,中继系统将重新编码后的信号分别传向RF信号接收端C和FSO信号接收端D。和第一阶段的过程类似。

结合式(12),(14),则整个系统的中断概率为:

(15)

4 仿真和数值分析结果

该部分中,基于前面推导出的中断概率表达式,分析在不同的情境下该系统的性能,来验证不同的系统参数对整个系统的性能的影响。在数值仿真过程中,系统参数设定如表1、表2所示。

表1 系统参数Tab.1 System parameters

表2 大气湍流参数Tab.2 Atmospheric turbulence parameters

图2 不同的大气湍流情况和ζ条件下系统中断概率性能Fig.2 System outage probability performance under differentatmospheric turbulence conditions and ζ conditions

图3 不同大气湍流情况和RF信道衰减参数m条件下系统中断概率性能Fig.3 System outage probability performance underdifferent atmospheric turbulence conditions andRF channel attenuation parameter m

图4 不同的大气湍流情况,不同Rpd,η2条件下系统中断概率性能Fig.4 Different atmospheric turbulence conditions,system outage probability performance underdifferent conditions Rpd and η2

图5 不同的大气湍流情况,不同a,θ条件下系统中断概率性能Fig.5 Different atmospheric turbulence conditions,system outage probabilityperformance under different conditions a and θ

5 结 语

本文对带有能量收集方案的双向RF/FSO中继系统性能展开了研究,基于FSO链路的Gamma-Gamma信道模型和RF链路的Nakagami-m信道模型,分析了系统的能量收集方案,并对该系统进行了中断概率分析以及系统仿真。通过仿真可知,更大的FSO指向误差系数和RF衰减参数会给系统带来更好的性能。相比于传统的RF单链路能量收集方案,本文中所提到的能量收集方案可以通过改变PD响应系数来获得更高的能量收集效率,由仿真了解到,FSO中更高的PD响应系数,光电转换效率系数,可以对系统的能量收集有很好地提升,通过提高中继中传输信号的能量来提高接收端信号的信噪比,进而降低了系统的中断概率,提升了系统性能。RF中能量收集效率以及能量分割系数的改变对系统整体性能的影响并不是很明显。