一种移动感知的混合FSO/RF 下行链路方案*

朱志伟

（长沙民政职业技术学院电子信息工程学院，长沙 410004）

0 引言

将无人机（unmanned aerial vehicle，UAV）作为移动基站（movable base stations，MBS）可有效增强对地面用户的覆盖，其已在灾难救援、紧急通信场景中广泛使用。

尽管利用UAV 作为MBS 存在较多优势，但其仍存在一些技术挑战，如路径规划、干扰管理、能量效率以及建立与地面基站的稳定下行链路。UAV 的移动对下行链路性能有重要影响，设计稳定的下行链路是UAV-MBS 网络的关键。

目前，针对UAV-MBS 网络的下行链路有射频（radio frequency，RF）和自由空间光（free space optical，FSO）两种传输方式。然而，为了减少大气环境对面FSO 通信系统性能的影响，并提高无线光通信系统的可靠性和可用性，将FSO 链路和毫米波射频链路相结合，形成混合FSO/RF 通信系统受到广泛关注。

目前多数研究工作只是针对固定蜂窝网络讨论了混合FSO/RF 通信系统，只有部分研究工作关注了基于混合FSO/RF 的UAV-MBS 网络下行链路。例如，文献［7］面向UAV-MBS 网络，讨论了混合FSO/RF 链路的吞吐量。该系统利用UAV 作为转发节点。源节点至转发节点间采用FSO 链路；转发节点至目的节点采用RF 链路。该系统通过优化UAV的轨迹最大化系统吞吐量。然而，该系统是两条不同链路分别采用了FSO 链路和RF 链路，并不是真正意义上的混合FSO/RF 链路。此外，文献［8］讨论了混合FSO/RF 链路的资源分配问题。

然而，上述研究工作并没有关注了MBS 的移动。为此，本文针对UAV-MBS 网络，提出移动感知的混合FSO/RF 下行链路方案（MAHB）。MAHB 方案先推导了MBS 处于移动和停止状态的概率；再考虑3 个场景：1）只采用RF 链路（RF-Only）；2）只采用FSO 链路（FSO-Only）；3）混合RF/FSO 链路（Hybrid）。并结合移动模型，推导这3 个场景下的误码率。仿真结果表明，相比于RF-Only 和FSO-Only，Hybrid 链路提升了BER 性能。

1 系统模型

考虑由一个中心基站（base station，BS）覆盖的蜂窝区域网络，其为该区域内的多个用户服务。为了提高对用户服务的质量，额外部署由无人机扮演一个移动式基站（MBS）。通过MBS 提高网络的总体性能。此外，MBS 配备RF 天线和单束激光。RF 传输天线用于接收/发射RF 信号；单束激光用于接收光信号。

UAV 采用系留无人机是多旋翼无人机的一种特殊形式，其通过系留线缆传输的地面电源作为动力来源，代替传统的锂电池。因此，相比于其他类型的无人机，系留无人机的续航时间长。

2 RF 和FSO 链路模型

MAHB 方案引用混合的FSO/RF 链路。当MBS停止时，就采用FSO。若MBS 是移动的，就启用RF链路。

2.1 FSO 链路

FSO 链路采用开/关键控调制数据。因此，光检测器端所接收的信号为：

式中，x表示已调信号；p表示传输的光功率；g表示FSO 链路的平均增益因子；η 表示光-电转换效率；w 表示加性高斯噪声，其均值为零、方差为σ；I表示湍流强度衰减因子：

式中，I表示归一化光照强度；I表示误差率。

依据文献［10］，用式（10）计算I 的概率密度函数（probability density function，PDF）：

式中，D 表示接收端的口径的半径；θ 表示传输波束的散度；α表示与天气相关的参数；L 表示传输距离。

2.2 RF 链路

RF 链路采用二值相移键控调制（binary phase shift keying，BPSK）。接收天线所接收的信号为：

式中，x表示已调信号；p表示传输信号功率；g表示路径损耗；z 表示高斯白噪声，且均值为零、方差为σ；h 表示信道衰落系数。信道服从Nakagami 衰落模型。h 的PDF 为：

式中，m 表示Nakagami 参数。

RF 链路引用mmWave 波段，其带宽为g。在波段上产生的平均路径衰耗，单位为：

3 下行链路的误码率

本节讨论了基于RF 下行链路、基于FSO 链路和混合RF/FSO 链路的误码率。

在MBS 停止阶段的误码率：

类似地，MBS 在飞行阶段的误码率为：

3.1 RF 下行链路的BER

3.2 FSO 下行链路的BER

3.3 混合RF/FSO 链路的BER

混合RF/FSO 链路的原则：当MBS 是静止的时，就启用FSO 链路；当MBS 是飞行状态，就启用RF 链路。因此，混合RF/FSO 链路的BER 就是基于RF 链路和FSO 链路的BER 融合。即在飞行阶段，启用RF 链路。在静止阶段，启用FSO 链路。

4 性能仿真

4.1 仿真环境

考虑如图1 所示的仿真场景，蜂窝半径为L。在该蜂窝边沿上部署N 个位置点。每个位置间的距离固定。每个MBS 从一个位置点移动至另一个位置点，或者呆在同一个位置的概率均为1/N。

图1 仿真场景

RF/FSO 链路的仿真参数如表1 所示。

表1 仿真参数

4.2 误码率性能

为了更好地分析混合RF/FSO 链路的性能优势，选择仅用RF 链路和仅用FSO 链路作为参照，并同步分析它们的BER 性能。在以下仿真图中，用“Hybrid”表示混合RF/FSO 链路场景；用“RF-Only”表示仅FSO 链路场景；用“FSO-Only”表示仅FSO链路场景。此外，“RF-Only”。

从图2 可知，相比于RF 链路和FSO 链路，混合RF/FSO 链路的BER 得到有效降低。例如，当BER为10时，混合RF/FSO 链路的所需功率相比于RF链路和FSO 链路分别下降了仅3 dB 和13 dB。此外，图2 还给出了理论的BER 分析曲线。从图可知，理论曲线与仿真曲线走势相近，说明文中推导的BER 公式是正确的。

图2 BER 随Pt 的变化情况（L=1km，N=4）

从图3 可知，相比于RF-Only 和FSO-Only，混合RF/FSO 链路有效地控制了BER，提高了功率增益。例如，当BER=10，混合RF/FSO 链路下的所需功率比RF-Only 和FSO-Only 分别下降了近37 dB 和2 dB。此外，对比图2（L=1 km，N=4）和图4（L=2 km，N=6）曲线不难发现，图3 增加了误码率。这说明，蜂窝区域的扩大不利于降低误码率。

图3 BER 随Pt 的变化情况（L=2km，N=6）

图4 混合RF/FSO 链路的BER

5 结论

针对UAV-MBS 的蜂窝网络，提出一个混合下行链路方案MAHB。MAHB 方案充分考虑了MBS 的移动性。在混合的RF/FSO 链路阶段，当MBS 静止在某固定位置时，就选择FSO 链路；当MBS 从一个位置移动至另一个位置时就切换至RF 链路。

仿真结果表明，相比于RF-Only 和FSO-Only链路，混合RF/FSO 链路降低了链路的误码率。例如，当BER=10，L=1 km 时，相比于RF-Only 和FSO-Only 链路，混合RF/FSO 下行链路所需的功率有效地降低。此外，本文只考虑了单UAV 场景，后期将考虑多个UAV 的协作场景，这将是下一步的研究工作。