通信系统的异步传输

刘睿

摘要：自由空间光学（FSO）通信旨在通过沿不同路径发送和接收多个信号副本来对抗大气衰减和湍流，因此它依赖于传输冗余。基于此，提出了一种协同单群优化系统的异步传输方案。与传统的同步传输的协同群通信系统不同，该系统中的源节点可以向目标节点发送不同的数据。为了恢复不同链路的数据，提出了一种平方信号组合方法，并在目的地接收端处实现。因此，与同步传输相比，异步传输不仅给协同单群通信系统带来了分集增益，而且提高了信道利用率，从而提高了有效数据速率。结果表明，异步传输的比特误码率（BER）低于直接传输和同步传输。

关键词：自由空间光学；通信系统；异步传输；

0引言

自由空间光学通信（FSO）通信是一种以激光为载体[1]，通过大气信道传输数据的无线通信技术。与射频（RF）和光纤通信技术相比，FSO 通信以其宽频谱、易于部署和高安全性等优点而脱颖而出[2]。因此，FSO 通信对于光纤无法接入的高速和电磁敏感场景具有巨大的研究意义。然而，在空间中传播的光信号很容易受到大气衰减和湍流效应的影响。多输入多输出（MIMO）是一种利用空间分集来减轻大气条件对光传输影响的有效技术。然而 FSO、MIMO 通常需要复杂的系统结构，而由于大气条件相似，不同的光链路之间存在信道相关性。作为多节点场景下 MIMO 的一种特殊范式，协作通信使用中继节点来补偿源节点和目的节点之间的链路传输质量[3]。基于此，为了减少协同系统中大量链路冗余，提出了一种协同系统的异步传输方案。与以往工作中的同步传输不同，该方案使源节点能够在直接链路和中继链路上传输不同的数据。为了从携带不同数据的链路中获得分集增益，提出了一种平方信号组合方法，对从不同链路接收到的信号进行组合。通过联合决定平方操作前后的信号，来恢复每个链路上的数据。

1系统模型

1.1协同FSO系统的同步传输

在不丧失一般性的前提下，引入了并行协同单群通信的系统模型[4-5]。S 直接向 D 发送数据的直接链路 S → D，以及 S 通过转发向 D 发送数据的中继链路S → Ri → D，其中中继节点索引i=1、2，...，M。如图1所示，

注： S 为源节点，R1和 RM 为中继节点，D 为目标节点。X0、Xi、XM 分别表示直接从 S 到 D 传输的调制光信号和从 S 到 D 通过 Ri 传输的调制光信号。

在传统的系统模型中，在每个链路上传输的光信号保持不变。因此将这种传统的系统模型作为同步传输。图1将同步传输系统中电组合后的接收信号表示为，

式中 Yi=ρ|Xi |2Hi Gi，表示从直接链路（i=0） 和中继电器链路（i=1，...，M）接收到的电信号。Hi 是定义为 Hi=Hia*Hit 的复合信道效应。Hit 为湍流诱导的衰落。|Xi |2是 Xi 的平均光功率。Gi 是光电转换的增益。Ni 表示包含热噪声和背景光噪声的加性高斯白噪声。ρ是光电探测器的响应率。且Hia是链路 Li 的大气衰减，其强度取决于大气折射率结构常数 Cn2，并遵循伽马-伽马模型。

1.2协同群通信系统的异步传输

与同步传输的 FSO 系统不同，该系统中的源节点可以将不同的数据发送到中继节点，然后將接收信号组合平方，在目标节点恢复数据。可以将这个系统称为异步传输。为了恢复不同链路的数据，在接收机处实现了信号组合器和平方算符。在此过程中，可以用数学方法表示jth（j=1，...，H）组合，平方信号为

式中 Yi 为双极振幅；wj，i代表中继选择指标；  j（Z）为平方信号； Ni 为高斯白噪声。

如果中继节点 Ri 被选中生成  j（Z），则取1，否则取0。为了降低中继选择的复杂性，本文提出采用成对组合的方法，即每个链路由另一个链路配对辅助进行信号组合，相应的系数矩阵（w）如下所示。

式中 w 为系数矩阵。

采用最小均方乘（LMS）算法滤除  j（Z）的信号和噪声的乘积项。所得到的信号 Yac1j表示为：

式中，Yac1j为信号；wj，i代表中继选择指标； Yi 为双极振幅； Ni 为高斯白噪声。

平方算子能帮助接收到的信号增益更高的信噪比，但没有更多的振幅被诱导。然而，本文不能直接从平方算子 Yac1j中确定双极电极的振幅（即正或负）。因此，在平方算子之前的组合信号仍然会带来双极性。将平方算子之前的组合信号定义为：

式中 Yac2j为信号，Yi 为双极振幅，Ni 为高斯白噪声。

理论上，通过联合对信号 Yac1j和 Yac2j进行采样，可以以较低的比特错误率（BER）恢复传输数据。

1.3异步传输系统的实现

以1个单中继协同 FSO 系统（即 M=1）为例，描述了异步传输的实现。系统由发射机（即源节点）、接收机（即目标节点）和中继3部分组成。

1）发射机

源节点的发射机结构如图2所示，位序列 B 被输入到脉冲发生器（PG）中，产生电二进制脉冲，然后通过串并联转换器分为两个信号 B0和 B1。然后，激光源的光信号通过自己的马赫-曾德调制器（MZMs）的电信号进行调制。两个强度调制的光信号最终通过不同的天线传输到空间信道中，其中一个通过中继链路 L1，另一个通过直接链路 L0。

注： B0和 B1为不同信号； SRC 为信息来源； PG 为脉冲发生器。MZM 为马赫-曾德调制器。

2）继电器

在中继节点 Ri 处，接收到的信号被解码和转发。经过 APD 后，按照与 S 时相同的调制模式进行解码信号的重传，系统结构如图3所示。

注： APD 为二极管； LPF 为低通滤波器； DR 为日期恢复； PG 为脉冲发生器； MZM 为马赫-曾德调制器，Laster 为重复上述步骤。

3）接收结构

图4显示了目标节点的接收机结构。由于光的视距传输，每个光信号都可以通过天线独立接收，然后通过APD 转换成电信号。通过输入偏置电流和 LPF，得到双极电信号 Y0+ N0和 Y1+ N1。

注：BerAI为比特误码率；DR 为日期恢复；Decision为决策；LMSF 为滤波器；Squarer 为平方器；LPF 为低通滤波器；Bias 为偏置电流；APD 为二极管。

结合从 L0 和 L1 通过 Adder 的信号，还可以得到信号 Yac2 为：

式中 Y0、Y1 为双极结构，N0 与 N1 表示不同频率的高斯白噪声。

Yac2 的一个副本被直接发送到决策中进行接下来的位恢复，而另一个副本通过 Squarer 生成如下信号 Z。

经过 LMS 滤波器（LMSF）后，可以得到信号Yac1 为

当考虑均值为零时，AWGN 方差为零，从 L0 和 L1接收到的信号遵循高斯分布，其中i=0，1。

4）系统复杂性分析

可以分别从硬件和算法两方面对异步传输系统进行复杂度分析。

硬件复杂性：必须为发射机上的每个光链路配备 1个单独的 MZM，以实现在这些链路上的不同数据的并发传输。在实际应用中，对于传输不同数据的光链路，需要要求额外的 MZM，这是不可避免的成本。此外，还需要一些基带电气设备来实现接收机上的偏置、平方操作器和 LMS 滤波器。

算法复杂度：符号决策仍然在两个振幅之间进行，决策过程不需要任何额外的步骤。因此，符号决策的算法复杂度并没有增加。

2参数设置

对异步协同传输（ACT）系统与直接传输（DT）系统以及同步协同传输（SCT）的不同解决方案进行了全面的误码率分析。本文设置了两个不同距离和衰减的链路，直接链路 L0（2 km，5 dB/km）和继电器链路 L1（4 km，5 dB/km），包括继电器前后 2 km 的两个子链路。每个链路以 10 Gbit/s 的速率传输数据。大气衰减范围为（1 ～ 9.5）dB/km，对应的能见度为6 km（轻雾 / 小雨）至 1 km（轻雾 / 大雨）。将整个系统的附加噪声设置为每个 APD 的热噪声和背景光噪声。主要参数的设置见表 1。

3结果分析

图5显示了随着传输功率 Pt 和 CN（2）=0.5×10-15m-2/3增加而增加的误码率性能。当采用 DT 时，L1的误码率优于 L0。通过使用 ACT，L0的误码率降低，而 L1的误码率增加。当 DT 和 ACT 中两个链路的 BERs 平均时，可以发现平均（ACT）的误码率低于平均（DT），这是由于信号组合后信噪比的增加所致。

本文将低速率同步协同传输（LRSCT）、高速率同步协同传输（HRSCT）和高阶同步协同传输（HOSCT）作为不同的 SCT 解决方案，并在图6中进行比较。在数据速率方面，LRSCT 为10 Gbit/s，ACT、DT、HRSCT和 HOSCT 为20 Gbit/s 。虽然 HRSCT 和 HOSCT 具有相同的数据速率，但前者具有较高的符号速率，后者具有较高的調制水平。对于 CN（2）=0.5×10-15m-2/3，随着传输功率的增加，LRSCT 的误码率最低，HOSCT 的误码率最高。ACT 的误码率性能优于 DT 和 HOSCT 。虽然 LRSCT 和HRSCT 的误码率都低于 ACT，但 LRSCT 的比特率更低，而 HRSCT 需要更大的频谱带宽。在图7中，当传输功率固定在20 dBm 时，可以通过设置不同的 CN（2），进一步给出随湍流强度变化的误码率结果。结果表明，所提出的 ACT 方案在对抗介质到强涡轮机方面优于 DT和 HOSCT 。由于较低的数据速率和较大的频谱带宽，LRSCT 和 HRSCT 在不同的湍流强度下具有较低的误码率。还可以发现，降低数据率可以更有效地对抗大气湍流。总之，ACT 为本文提供了数据率和误码率之间理想的权衡解决方案。

为了分析衰减和湍流对 ACT 系统的联合影响，图8显示了链路 L1在不同衰减和湍流时的误码率结果，传输功率为20 dBm，L0的 CN（2）为0.5×10-15m-2/3。从结果中观察到，当衰减在较低范围时，由于湍流强度的增加，误码率性能发生较大的变化。在较高的衰减范围内，接收到的光信号太弱，即使在弱湍流中也无法从噪声中识别出来，但湍流对误码率的影响较小。

4结束语

本文提出了一种协同单群通信的异步传输方案，使链路协同传输不同的数据。对系统结构进行了数学分析。结果表明，该系统通过产生更高的信噪比，优于直接传输。作为 LRSCT 和 HOSCT 系统之间的一种权衡，ACT 可以实现比 LRSCT 更高的数据速率和比 HOSCT 更低的 BER，而额外的系统复杂性是可以接受的。在今后的工作中，将为 ACT 系统提供一种合理的中继选择算法，以进一步扩展其优势。

参考文献：

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