Gamma-Gamma信道下紫外光近直视分集接收技术研究

李晓毅， 冯克涛， 吴乐华， 王申涛， 陈 谋，李昆仑， 刘 博

(1.陆军工程大学 通信士官学校，重庆 400035；2.78092部队，四川 成都 610036)

直升机作为20世纪航空技术极具特色的创造之一，具有军民两用的广阔用途，在武装攻击、机动运输、应急救援、护林防火等多个领域发挥着重要作用[1]。随着直升机的广泛应用，如何在陌生地域、恶劣天气及复杂电磁环境下安全降落，成为相关领域的研究热点[2]。文献[3]对直升机在无准备地面降落的安全性，提出现场合成视觉技术。文献[4]提出一种基于数字图像处理算法，并设计成近直升机坪的自动引导系统，辅助飞行员起降操纵。文献[5]提出了一种触觉避障系统，用于降低直升机在无准备着陆场起降时与障碍物碰撞的风险。但以上技术大多基于图像处理、毫米波雷达等技术，受天气影响较大。

无线紫外光通信具备非直视(Non-line-of-sight, NLOS)传输、背景噪声小、抗电磁干扰能力强、低窃听率等优点[6-7]，文献[8～10]将紫外光应用于直升机辅助起降，提高了应急起降的安全性，使其成为在复杂环境下引导助降直升机的有效通信方式。紫外光在大气中传输时，光信号受湍流影响历经散射、折射、反射等一系列过程，产生了多径效应，从而使信号波形产生失真、时延、重叠，严重影响通信质量。同时，大气湍流涡旋引起的闪烁衰减(Scintillation attenuation,SA)，也会降低系统信噪比，增大误码率[11]。因此，如何有效缓解湍流导致的紫外光非直视传输性能退化问题引起广泛关注。

针对弱湍流环境，文献[12]提出了基于Gamma-Gamma衰落信道的紫外光非直视通信系统最佳跳数精确求解方法，能够有效抑制信道衰落。文献[13]采用分集技术提高分集增益，减弱衰落影响。文献[14]引入MIMO技术，有效提升了通信质量。文献[15]提出协同中继方案，能够提升系统的中断性能。针对直升机降落时尾流引起的强湍流效应，文献[16]引入分集接收技术，提升了通信系统的稳定性。

1 引导助降情景中的紫外光通信模型

1.1 直升机助降引导模型

直升机助降引导模型如图1所示。在备降区域内设置A1～A44个定位点，同时放置4种“日盲区”不同波段的紫外发光二极管作为发射端，P为直升机接收端位置。当直升机飞临备降区域后，开始启动引导通信，发射端向接收端实时传递位置信息及环境信息(包括风速、风向、温度等)，飞行员根据引导信息，操纵直升机降落，确保全程安全、精准、迅速[16]。

图1 直升机助降引导模型

1.2 近直视通信模型

由于直升机降落时通信系统收发端相对位置是动态变化的，无法使用传统紫外光直视和非直视通信模型准确描述，文献[14]提出了近直视通信模型，如图2所示。

图2 紫外光近直视通信模型

1.3 大气折射率结构常数

图随垂直高度的变化曲线

1.4 基于Gamma-Gamma信道的近直视通信模型

(2)

(3)

(4)

闪烁指数为

(5)

图4 3种强度的Gamma-Gamma分布概率密度

从图4可以发现，随着湍流强度由弱逐渐增强，分布曲线峰值逐渐向0靠拢，且拖尾归零收敛速率变缓。

在湍流影响下的近直视通信链路中，从T到达V的信号概率密度函数为

式中：Ir1为从T到达V的平均信号强度，αr1、βr1分别为在r1路径上的参数值。

从V到达R的信号概率密度函数为

式中：Ir2为从V到达R的平均信号强度，αr2、βr2分别为在r2路径上的参数值。结合式(6，7)可得R接收到的信号强度的边缘分布概率密度函数为[21]

(8)

2 通信系统误码率推导

紫外通信系统的误码率取决于调制形式、探测器类型、发射功率、路径损耗、闪烁和数据速率等。紫外光近直视通信系统采用OOK调制方式，在湍流情况下基于量子极限的平均信噪比为[22]

(9)

式中：Pr0为无湍流时的平均接收功率，〈Pr〉为在湍流条件下的平均接收功率，SNRNLOS为无湍流时的信噪比。其计算式为[22]

(10)

式中：λ为光波长，Rb为数据速率，h为普朗克常数，c为光速，Pr,NLOS为无湍流时的接收功率。其计算式为[23]

式中：Pt为发射功率；Ar为接收端的孔径面积；Ke=Ks+Ka为大气信道衰减系数，Ks为散射系数，Ka为吸收系数。Ps为θs的相函数，表达式为

(12)

式中：KR为瑞利散射系数，KM为米氏散射系数，且有Ks=KR+KM。

瑞利散射相函数表达式为[24]

(13)

式中γ为模型参数。

米氏散射相函数表达式为[24]

式中：g为可调的不对称因子，f为散射因子。

在实际大气信道中，湍流引起的闪烁衰减会使功率比(Pr0/〈Pr〉)发生变化，进而导致平均信噪比〈SNRNLOS〉恶化。不考虑SA时，在文献[25]中假定Pr0/〈Pr〉=1;当考虑SA时，可以得到[26]

Pr0/〈Pr〉=10αt/10

(15)

其中计算SA的表达式为[27]

(16)

(17)

(18)

则整条非直视链路上的SA为

对于在大气湍流中斜程传输的平面波，2条直视链路上的对数光强起伏方差分别为

(20)

(21)

传输的紫外光信号在整条近直视链路上的对数光强起伏方差为[28]

(22)

在大气湍流环境下，采用OOK调制的紫外光非直视通信系统的误码率BER可表示为[13]

(23)

3 分集接收通信系统误码率推导

广泛研究表明，空间分集接收技术已经成为有效抑制大气湍流引起的信号衰落、性能劣化的有效技术[13]。

3.1 MRC合并

MRC合并首先对接收到的各条支路信号调整为同相信号，然后再对各条支路信号的电压fi进行权重迭加，实现信噪比最大。各条支路的加权系数Gi由该支路信号fi与噪声功率Pi的比值所决定，合并后的输出信噪比为各支路信噪比总和。假定通信系统采用N条分集支路，且各支路平均信噪比〈SNRNLOS〉相同，则合并后输出的平均信噪比为[13]

〈SNRMRC,NLOS〉=N·〈SNRNLOS〉

(24)

因此，在Gamma-Gamma湍流信道中采用MRC合并方式的系统误码率为

(25)

3.2 EGC合并

EGC合并首先将接收到的各条支路信号进行同相调整，再对各支路信号的电压fi进行等权重(即Gi均为1)迭加。假定通信系统采用N条分集支路，且各支路平均信噪比〈SNRNLOS〉相同，则合并后输出的平均信噪比为[13]

(26)

因此，在Gamma-Gamma湍流信道中采用EGC合并方式的系统误码率为

3.3 SC合并

SC合并相对简单，易于实现，其原理是选择所有支路中信噪比最大的支路信号作为输出信号，因此，加权系数Gi中仅有一个为1，其余均为0。假定通信系统采用N条分集支路，且各支路平均信噪比〈SNRNLOS〉相同，则合并后输出的平均信噪比为[13]

(28)

因此，在Gamma-Gamma湍流信道中采用SC合并方式的系统误码率为

(29)

4 性能仿真

根据上述公式推导及理论分析，本节设计了仿真实验，基于Gamma-Gamma分布，分析了在中等强度湍流条件下，使用OOK调制，采用3种分集接收技术和不同接收天线数量对紫外光近直视通信的性能影响进行研究。部分仿真参数取值如表1所示。

表1 部分仿真参数

图5 闪烁衰减对近直视通信平均信噪比和误码率的影响

图6 闪烁指数对误码率的影响

图7 不同接收天线数对MRC误码率的影响

图8 不同接收天线数对EGC误码率的影响

图9 不同接收天线数对SC误码率的影响

以3分集为例(N=3)，采用MRC、EGC、SC 3种合并方式的误码率性能如图10所示。观察可知，随着r增大，误码率都逐渐增加，变化趋势一致；当r相同时，MRC的性能最佳，EGC次之，SC最差。

图10 3种合并方式误码率对比(N=3)

5 结论

本文针对直升机降落过程中受到的中等强度湍流及闪烁衰减影响，提出了基于Gamma-Gamma信道的紫外光近直视通信模型，并研究分析了分集接收技术对湍流效应的抑制作用。仿真结果表明，在中等强度湍流条件下，闪烁衰减对系统性能的恶化影响不能忽略；随着湍流强度增强，通信系统的误码率提升；对比3种分集接收技术，在相同条件下，均对湍流效应有一定抑制作用，且MRC性能最佳，EGC次之，SC最差，增加接收天线数量，能有效提升通信系统效能。在实际应用中，可根据实际需求合理选择分集接收方式，提高系统抗衰落能力。