无线激光通信在空基平台条件下的通信性能分析

武文周，李少波,杨乾远

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.河北省光子信息技术与应用重点实验室，河北 石家庄 050081；3.中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西 桂林 541004)

0 引言

由于空间激光通信具有大容量、抗电磁干扰、难以截获和通信距离远的技术特点，基于各种平台的无线激光通信近年来受到重视，得到了深入研究，目前已实现了基于卫星平台的星间、星地激光通信试验[1]。作为激光通信的一个重要发展方向，随着空基平台大容量、抗干扰数据通信需求的发展，空基激光通信同样受到充分重视，国内部分研究单位开展了高空搭乘和旋翼机挂载无线光通信试验[2]。

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空基激光通信链路经过大气信道。在中低空范围内，激光链路受致密大气层等信道状况影响，会产生严重的光束畸变和传输损耗[3]，导致接收端激光信号产生剧烈的功率抖动，影响激光链路通信稳定性，严重时可能导致通信中断。为减少致密大气层对无线激光通信的影响，目前的空基激光通信研究主要集中在高空长距离激光通信试验研究[4]。空-地激光通信受致密大气层影响，因此产生的光束畸变更为严重，限制其通信距离[5]。

国内针对空基平台的大气信道误码率性能研究较少，且较少考虑机载平台振动等因素对激光通信质量的影响。需要结合激光链路条件和机载平台振动条件，分析研究空基激光链路通信误码率特性，为空基平台激光通信链路的设计和研制工作提供技术支持。

1 大气信道模型分析

大气层内激光传输链路经过大气介质，受大气信道的影响。典型的影响主要体现在大气湍流和云雾、雨雪等影响，其中云雾、雨雪等气象条件受限于天气状况，对激光产生的影响并不持续存在，而大气湍流主要由于气流的不规则运动产生，所产生的信道影响持续存在，需要激光链路进行克服[6-7]。此外，空基平台保持运动状态，会产生平台振动，对激光束产生随机扰动，影响接收端的接收功率。空-地激光通信属于斜程传输，空基下行链路和地面上行链路经过的信道状态并不相同，因此需要分别进行研究。

受不同平台的载荷条件限制，小型飞机与大型机、飞艇的光学稳定载荷选择不同，需要轻量化载荷，因此对激光发射功率和接收性能，以及光机载荷稳定跟踪性能的要求都有差距。考虑到平台载荷能力和激光发射接收情况，结合已有的试验资料，针对各型空中平台，几种典型的激光通信工作场景如表1所示。针对低空、中空、高空的典型激光通信应用场景，表1列出了几种典型的飞行平台，其中小型无人机飞行高度最低，且受限于质量、功耗条件，镜头尺寸和发射功率都较小[8]，能够实现的通信距离也最短。对于中高空和高空飞行平台，由于飞行高度和平台的载荷能力增加，能够实现的通信距离也相应增加。为保持空-地链路的可比性，表1中采用相同的空-地链路仰角设计。下面针对各种典型工作场景的链路参数展开分析[4,9]。

表1 各型平台激光链路特性

1.1 空-空大气湍流影响

大气湍流的主要形成原因是地球表面的大气对流。受太阳辐照和地表辐射的影响，地表大气的温度和速度场不均匀存在，进而产生大气湍流。大气湍流的存在造成了大气折射率的随机起伏，而折射率的变化将对光的传播产生影响。在无线激光通信过程中，当光束在地球大气层传输时，大气湍流会影响传输光场波前相位，导致激光波束漂移、光束扩展、到达角起伏和相位起伏等效应，导致系统接收光强的随机起伏或闪烁，从而对系统的通信性能产生影响。

(1)

式中，k为载波波数；R为链路距离。

(2)

根据文献[11]，在中高海拔和大气静稳条件下，大气湍流影响导致的光强闪烁服从对数正态概率分布，光强闪烁概率密度函数的表达式为：

(3)

1.2 空-地大气湍流影响

在空-地大气信道中，激光链路保持斜程穿过不同致密程度的大气层，大气湍流对上行和下行激光光路的影响不同。

(4)

式中，δ为链路天顶角；k=2π/k；Hhigh，Hlow分别为链路海拔最高点和最低点。对于上行链路：

(5)

对于下行链路：

(6)

将式(4)带入式(3)，可以得到斜程通信情况下的光强闪烁系数。进一步，将计算结果带入式(2)，可以得到斜程通信情况下的光强闪烁概率分布。

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观察组在对照组的基础上应用清热化痰法,阿奇霉素与对照组保持一致性,清热化痰法药物组成为:石膏20g、玄参10g、桑白皮10g、生地黄10g、百部8g、蜜麻黄6g、苦杏仁6g、蝉蜕6g、枇杷叶6g、甘草3g;依方抓好药物后,清水煎煮,取药剂200ml,分早晚两次服用,每天一剂,连续治疗2周。

1.3 平台振动影响

空基平台处于飞行或悬浮状态，飞行位置、姿态及运动状态无法固定，因此会引入宽频谱振动[13]。由于远距离激光通信波束较窄，微弱的振动即可能引起接收光功率下降，严重的可能引起视轴偏离。根据文献[14]，在随机振动影响下，接收光强概率密度函数分布服从beta分布，即：

pv(I)=γIγ-1，

(7)

式中，γ表征振动对光轴准直性的影响，表达式为:

(8)

Research on Indoor Design of DC Switch Yard for 1 100 kV Converter Substation YUE Yunfeng,JIAN Xianghao,KONG Zhida,GUO Jinchuan,TAN Wei(92)

受飞行平台载荷能力的影响，各平台的光学天线能实现的稳定跟踪能力也有所不同[4,9,15]。对于低空系留无人机等小型旋翼机，由于其载重能力较弱，因此通常可搭载的载荷质量约5 kg，且滞空时间较短，因此光电载荷的稳定精度也较差。中高空的大型飞机和飞艇都能搭载结构更为复杂的光电载荷，但比较飞艇平台和中高空大型飞机平台，2种平台的振动条件是不同的。由于飞艇平台飞行速度慢，其振动主要体现为低频振动，可以被光电载荷有效抑制。而运输机、大型无人机等大型飞机平台，其振动主要体现为宽谱振动，相同减振性能的光电载荷能够实现的稳定精度也略差于飞艇平台。根据文献资料，不同光学天线的稳定跟踪能力和各型平台振动对光轴准直性的影响如表2所示。

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2 信道状态分析

根据Tylor信道凝固假设，大气湍流信道可以假设为短时间静稳状态[11]，考虑到大气信道和平台振动影响，激光通信链路信道影响激光能量分布总概率密度函数为[16]:

(9)

带入式(2)和式(7)，经过化简可以得到激光链路的通信总概率密度函数表达式为：

(10)

非相干激光通信系统采用非归零OOK强度调制直接检测(Intensity Modulation/Direct Detection，IM/DD)调制体制[17]，其误码率可表示为：

BER=p(0)p(e/0)+p(1)p(e/1)，

(11)

式中，p(0)和p(1)为系统分别发射“0”和“1”符号的平均概率；p(e/0)和p(e/1)分别为系统发射“0”和“1”符号而在接收机得到误比特的条件概率。在理想信道环境下，OOK调制体制解调得到的误比特条件概率如下：

本文的仿真主要针对各型平台在空-空、空-地链路条件下的大气信道与平台振动等平台和信道环境对传输误码率进行数值仿真，仿真模型采用log-normal模型。仿真系统信号光采用1 550 nm波段，传输速率为1 Gb/s，发散角为0.1 mrad，传输距离参考表1，平台振动情况参考表2。

(12)

(13)

对比图1和图2可以得到引入机载平台振动后的影响，具体解调灵敏度数据如表3所示。当同样采用小型无人机光轴稳定条件进行仿真时，对比小型无人机近距离仿真条件、小型无人机远距离仿真条件和大型机仿真条件3种链路条件，由于平台振动产生的灵敏度恶化分别是7.06，2.96，6.08 dB。而3种链路条件中湍流影响最强的是小型无人机远距离通信条件，最弱的是小型无人机近距离条件。比较可以发现，振动影响强度排序与湍流影响强度排序相反。因此，对于同样的振动条件，当大气湍流影响变弱时，振动影响加剧。这主要是因为当湍流影响加剧时，光强分布更加弥散化，振动引起的接收端功率衰减现象减弱。

(14)

参考文献[13]，OOK，BPSK，QPSK体制激光链路大气信道误码率可表示为：

(15)

(16)

相干无线激光通信可以有效提高激光通信性能[18]。相干无线激光通信主要的调制方式是BPSK和QPSK，对应的理想情况下的误码率如下：

(17)

式中，PI(ε)为大气湍流闪烁分布概率；BER为理想条件下的误码率分布。带入大气信道模型概率密度函数后，可得到大气湍流信道条件下的误码率分布曲线。

她，金枝立刻觉得自己发羞，看一看自己的衣裳也不和别人同样，她立刻讨厌从乡下带来的破罐子，用脚踢了罐子一下。

3 仿真分析

刘富来等[54]报道，仙草根、茎、叶及全草的水和醇提取液对禽大肠杆菌有良好的抑菌作用；仙草全草煎液对鸭群的大肠杆菌和沙门氏菌也有较好的抑制效果[55]。

3.1 空-空链路误码率特性

本文研究了小型无人机、大型飞机和飞艇各自与自身相同平台的空-空传输链路特性。研究了大气信道和飞行平台振动特性对各型平台的传输能力影响，其中图1为仅考虑大气信道影响条件下的各平台激光链路误码率状况，图2为综合考虑大气信道和平台振动影响时的激光链路误码率状况。

图1 大气信道对空-空链路影响

图2 大气信道和振动对空-空链路影响

由图1可以看出，当低空小型无人机的传输距离与大型飞机相同时(链路距离100 km，即小型无人机远距离条件)，在相同误码率条件下，小型无人机的信噪比要显著低于大型飞机，大气湍流引起的功率损耗增加了12.36 dB。而当小型飞机实际通信时，其通信状况会得到显著提高，相比小型飞机远距离情况改善了14.29 dB。这说明中低空飞行平台空-空激光通信链路受链路距离和飞行高度影响，较低的飞行高度和较远的通信距离会导致大气湍流引起的传输损耗增加。当链路高度达到飞艇飞行高度时，空-空链路的平均高度较高，受大气影响较小，因此空-空激光通信传输能力得到显著提高。

在图1中同样对比了不同调制体制对无振动影响下空-空激光通信的影响。大气湍流引起的光强闪烁对于相干光通信体制影响较小，通过采用相干光通信可以有效提高无线光链路接收端的解调灵敏度。对比大型飞机条件下非归零OOK与BPSK，QPSK的解调灵敏度，BPSK，QPSK的解调灵敏度分别提高4.52，1.51 dB。

数学知识的编排既要符合知识本身的发展规律，又要符合学生的认知规律。在小学数学教材中，知识编排常常散布于不同年段，学生习得的知识点往往以“碎片化”的方式贮存。唯有及时地梳理和盘点，才能将“碎片化”的知识点穿成线、集成块、连成网，[2]使学生的经历由知识结构走向认知结构的过程。

结合表3和表2可知，平台振动对光轴准直性的影响将显著影响接收光功率损耗情况，当保证γ≥6.25时，即可认为平台振动对接收光功率影响可控，提高光轴稳定性是减少振动对光通信影响的最好解决办法。对于不同调制体制的空-空激光通信，振动的影响基本保持不变。

表3 湍流和平台振动对空-空链路影响

因此，对于空-空链路，当需要传输更远距离时，需要更高的解调门限或者提高飞行平台的飞行高度，并保证激光通信终端具有很好的伺服稳定能力。

3.2 空-地链路误码率特性

本文研究了小型无人机、大型机和飞艇各自与地面通信终端的空-地下行和上行传输链路特性；研究了大气信道和飞行平台振动特性对各型平台的传输能力影响，其中图3为仅考虑大气信道影响下的空-地上行和下行激光链路的误码率状况，图4为综合考虑大气信道和振动影响下的空-地上行和下行激光链路的误码率状况，图5为在大型飞机链路条件下不同调制体制对空-地下行激光链路误码率影响。

图3 大气信道对空-地链路影响

图4 大气信道和平台振动对空-地下行链路影响

空-地下行链路可能受到飞行平台振动影响，导致接收性能下降，而空-地上行链路从地面发射，可以采用固定发射平台等方式提高减振性能，故本文中没有考虑空-地上行链路中平台振动影响。

由图3可知，空-地下行链路中各平台受大气信道状况影响。各平台空-地链路与水平地面仰角如表1所示。对于各种链路形式，空-地下行链路受湍流影响都显著小于空-地上行链路，这是因为空-地上行链路首先经过大气致密层，传输过程中光斑的弥散现象更为剧烈。在相同仰角情况下，小型无人机通信能力显著高于大型机和飞艇情况，而以飞艇受到湍流影响更为剧烈。对于飞艇和大型机等空-地上行穿过链路，二者受信道影响仅差0.14 dB。2种链路的差别主要体现链路上行穿过大气致密区后链路传输的距离。因此对于空-地激光链路，穿过大气致密区的链路距离是决定大气信道影响的关键因素。

比较图3和图4可知，不同平台振动条件对空-地下行链路影响如表4所示。与空-空链路规律相似，当振动对光轴准直性影响降低时，可以明显观察到振动引起的功率损耗降低。通常认为当γ≥6.25时，平台振动影响可控。对于小型无人机平台，当γ=3.52时，振动导致的功率损耗约为6.68 dB，振动影响显著增加。同样，类似空-空链路，在相同光轴稳定精度下，当空-地下行链路受大气信道影响加剧时，振动对链路接收性能影响减弱。

表4 湍流和平台振动对空-地链路影响

由图5及表4可知，对于大型飞机链路条件，在不考虑振动影响时，对于下行链路，BPSK和QPSK可分别相对于非归零OOK调制体制改善4.51，1.5 dB解调灵敏度。对于上行链路，分别改善4.52，1.51 dB解调灵敏度。对于不同的调制体制，在相同链路条件下，空-地下行链路受振动影响导致的信噪比恶化基本相同。

4 结束语

本文分析了空-空链路、空-地下行链路和空-地上行链路中各型空基平台的激光链路受大气信道和平台振动特性的影响，在log-normal模型的基础上，理论推导了各型平台在不同链路条件下的传输误码率情况。经过理论分析可知，对于空-空激光传输链路，采用更高的飞行高度、通过更加有效的信号处理体制来提高链路功率余量或进一步优化平台振动抑制能力,都可以有效保证激光传输质量。对于空-地链路，在相同条件下，下行链路比上行链路传输质量更高，在相同仰角条件下，大气致密区的链路穿过距离是影响传输质量的决定因素，通过提高飞行高度并不能有效提高传输质量，需要通过优化信号处理体制提高链路功率余量以及进一步提高平台振动抑制能力提高空-地链路传输质量。

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