0   引言

自由空間光學通信（FSO）通信是一種以激光為載體^[1]，通過大氣信道傳輸數據的無線通信技術。與射頻(RF) 和光纖通信技術相比，FSO 通信以其寬頻譜、易于部署和高安全性等優點而脫穎而出^[2]。因此，FSO 通信對于光纖無法接入的高速和電磁敏感場景具有巨大的研究意義。然而，在空間中傳播的光信號很容易受到大氣衰減和湍流效應的影響。多輸入多輸出（MIMO）是一種利用空間分集來減輕大氣條件對光傳輸影響的有效技術。然而FSO、MIMO 通常需要復雜的系統結構，而由于大氣條件相似，不同的光鏈路之間存在信道相關性。作為多節點場景下MIMO 的一種特殊范式，協作通信使用中繼節點來補償源節點和目的節點之間的鏈路傳輸質量^[3]。基于此，為了減少協同系統中大量鏈路冗余，提出了一種協同系統的異步傳輸方案。與以往工作中的同步傳輸不同，該方案使源節點能夠在直接鏈路和中繼鏈路上傳輸不同的數據。為了從攜帶不同數據的鏈路中獲得分集增益，提出了一種平方信號組合方法，對從不同鏈路接收到的信號進行組合。通過聯合決定平方操作前后的信號，來恢復每個鏈路上的數據。

1   系統模型

1.1 協同FSO系統的同步傳輸

在傳統的系統模型中，在每個鏈路上傳輸的光信號保持不變。因此將這種傳統的系統模型作為同步傳輸。圖1 將同步傳輸系統中電組合后的接收信號表示為，

1 .2 協同群通信系統的異步傳輸

1.3 異步傳輸系統的實現

圖2 異步傳輸系統結構

注：APD 為二極管；LPF 為低通濾波器；DR 為日期恢復；PG 為脈沖發生器；MZM為馬赫- 曾德調制器，Laster為重復上述步驟。

3）接收結構

圖4 接收機結構

注：BerAI為比特誤碼率；DR為日期恢復；Decision為決策；LMSF為濾波器；Squarer為平方器；LPF為低通濾波器；Bias 為偏置電流；APD 為二極管。

結合從L₀和L₁通過Adder 的信號，還可以得到信號Y_ac2為：

式中Y₀、Y₁為雙極結構，N₀與N₁表示不同頻率的高斯白噪聲。

Y_ac2的一個副本被直接發送到決策中進行接下來的位恢復，而另一個副本通過Squarer 生成如下信號Z。

經過LMS 濾波器（LMSF） 后， 可以得到信號Y_ac1為

當考慮均值為零時，AWGN 方差為零，從L₀和L₁接收到的信號遵循高斯分布，其中i=0,1。

4）系統復雜性分析

可以分別從硬件和算法兩方面對異步傳輸系統進行復雜度分析。

硬件復雜性：必須為發射機上的每個光鏈路配備1個單獨的MZM，以實現在這些鏈路上的不同數據的并發傳輸。在實際應用中，對于傳輸不同數據的光鏈路，需要要求額外的MZM，這是不可避免的成本。此外，還需要一些基帶電氣設備來實現接收機上的偏置、平方操作器和LMS 濾波器。

算法復雜度：符號決策仍然在兩個振幅之間進行，決策過程不需要任何額外的步驟。因此，符號決策的算法復雜度并沒有增加。

2   參數設置

對異步協同傳輸（ACT）系統與直接傳輸（DT）系統以及同步協同傳輸（SCT）的不同解決方案進行了全面的誤碼率分析。本文設置了兩個不同距離和衰減的鏈路，直接鏈路L₀（2 km，5 dB/km）和繼電器鏈路L₁（4 km，5 dB/km），包括繼電器前后2 km 的兩個子鏈路。每個鏈路以10 Gbit/s 的速率傳輸數據。大氣衰減范圍為（1 ~ 9.5）dB/km，對應的能見度為6 km（輕霧/ 小雨）至1 km（輕霧/ 大雨）。將整個系統的附加噪聲設置為每個APD 的熱噪聲和背景光噪聲。主要參數的設置見表1。

表1 主要參數設置

3   結果分析

圖5 顯示了隨著傳輸功率Pt和=0.5×10^-15m^-2/3增加而增加的誤碼率性能。當采用DT時，L₁的誤碼率優于L₀。通過使用ACT，L₀的誤碼率降低，而L₁的誤碼率增加。當DT和ACT中兩個鏈路的BERs平均時，可以發現平均（ACT）的誤碼率低于平均（DT），這是由于信號組合后信噪比的增加所致。

圖5 ACT與DT對比

本文將低速率同步協同傳輸（LRSCT）、高速率同步協同傳輸（HRSCT）和高階同步協同傳輸（HOSCT）作為不同的SCT 解決方案，并在圖6 中進行比較。在數據速率方面，LRSCT 為10 Gbit/s，ACT、DT、HRSCT和HOSCT 為20 Gbit/s。雖然HRSCT 和HOSCT 具有相同的數據速率，但前者具有較高的符號速率，后者具有較高的調制水平。對于=0.5×10^-15m^-2/3，隨著傳輸功率的增加，LRSCT 的誤碼率最低，HOSCT 的誤碼率最高。ACT 的誤碼率性能優于DT 和HOSCT。雖然LRSCT 和HRSCT 的誤碼率都低于ACT，但LRSCT 的比特率更低，而HRSCT 需要更大的頻譜帶寬。在圖7 中，當傳輸功率固定在20dBm 時，可以通過設置不同的，進一步給出隨湍流強度變化的誤碼率結果。結果表明，所提出的ACT 方案在對抗介質到強渦輪機方面優于DT和HOSCT。由于較低的數據速率和較大的頻譜帶寬，LRSCT 和HRSCT 在不同的湍流強度下具有較低的誤碼率。還可以發現，降低數據率可以更有效地對抗大氣湍流。總之，ACT 為本文提供了數據率和誤碼率之間理想的權衡解決方案。

圖6 ACT與SCT對比

圖7 湍流的誤碼率

為了分析衰減和湍流對ACT 系統的聯合影響，圖8顯示了鏈路L₁在不同衰減和湍流時的誤碼率結果，傳輸功率為20dBm，L₀的為0.5×10^-15m^-2/3。從結果中觀察到，當衰減在較低范圍時，由于湍流強度的增加，誤碼率性能發生較大的變化。在較高的衰減范圍內，接收到的光信號太弱，即使在弱湍流中也無法從噪聲中識別出來，但湍流對誤碼率的影響較小。

圖8 聯合大氣效應

4   結束語

本文提出了一種協同單群通信的異步傳輸方案，使鏈路協同傳輸不同的數據。對系統結構進行了數學分析。結果表明，該系統通過產生更高的信噪比，優于直接傳輸。作為LRSCT 和HOSCT 系統之間的一種權衡，ACT可以實現比LRSCT 更高的數據速率和比HOSCT更低的BER，而額外的系統復雜性是可以接受的。在今后的工作中，將為ACT 系統提供一種合理的中繼選擇算法，以進一步擴展其優勢。

參考文獻：

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[2] 李家寧,田永鴻.神經形態視覺傳感器的研究進展及應用綜述[J].計算機學報,2021,44(6):1258-1286.

[3] 秦勇,惠蕾放,劉曉旭,等.分布式空間系統星間通信組網技術研究綜述[J].空間電子技術,2015,12(4):1-10.

[4] 王勇獻,張理論,車永剛,等.高階精度CFD應用在天河2系統上的異構并行模擬與性能優化[J].計算機研究與發展,2015,52(4):833-842.

[5] 李宣華.通信傳輸系統在軌道交通中的應用[J].中國新技術新產品,2012(19):42.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年1月期）