一种新型的FSO/RF切换算法研究

赵柏山，庄晓燕，王争艳

（沈阳工业大学信息科学与工程学院,沈阳110870）

1 引 言

自由空间光通信（Free-Space Optical communication,FSO）是信号传输的常见形式，是一种快捷、有效、经济的无线通信方法,具有很强的灵活性[1]，但也容易受到天气限制，严重影响传输的可靠性。射频（Radio Frequency,RF）信道能够在一定程度上抵抗恶劣天气的影响[2]，但其存在较多的同频干扰项，且传输速率较低，不适合长期使用。故此，将两种信道结合起来使用，在一定条件下使射频信道作为自由光通信信道的辅助信道，既可保持在非雾天气条件下自由光通信的低误码率优势，又融合了射频通信抗天气干扰的能力。二者合理有效的融合与共同作用，一个主要目的是为了提高传输系统抗干扰性，充分发挥并结合二者各自的优势[3-4]。切换算法既改善了射频信道单独使用时的信号拥堵情况，又降低了自由光通信信道受大气干扰引发的高误码率，尽可能地保障了有扰信道上的可靠数据传输，确保了在不同传输损耗下的服务质量，达到了提高通信传输系统可靠性和灵活性的目的[5-7]。

2 FSO及RF信道性能研究

将FSO 与RF 相结合的设计方案如图1所示。两种信道各自的衰减模型特点详细分析如下。

图1 FSO/RF 切换算法设计框图

2.1 FSO通信系统的衰减模型分析

FSO 信道接收端可接收到的功率表示为：

其中Pt是发射功率，Latm表示雨雾天气在通信过程中造成的大气衰减，Lback表示背景光造成的衰减。

在阴霾和有雾的天气下会产生米氏散射。根据文献[8]，用Kim 模型预测雾的衰减：

其中，V 表示能见度，单位为 km；λ 表示波长，单位为nm；q 是与能见度有关的常数。

由文献[9]可知，因为雨滴尺寸要远大于光的波长，雨的衰减可以表示为：

其中，R 为降雨的强度。

此外还存在背景光功率衰减。背景光噪声主要是由太阳光、月光、星光、生物光等背景辐射光所产生的[10]。背景光噪声功率表示为：

其中，θ 为接收机视场角，λ 表示波长，d 表示接收机接收孔径。

综上，FSO 通信的信噪比为：

2.2 RF无线通信系统衰减模型分析

RF 信道主要受平坦衰落和突发衰落的影响。RF 信道通信模型为：

平坦衰落主要为热噪声引起的信号衰减.噪声信号n(t)为高斯白噪声，即噪声的功率谱密度函数为常数且概率分布服从高斯分布[11]。

突发衰落h(t)主要由传输衰落的相关性所导致的，形似有限长度的冲激信号。用基于有限长度的马尔可夫链模型 ｛Xn,n=1,2,...,N ｝作为突发衰落模型，并分析突发衰落的性能。信道被设定为两种状态：一个“0”状态，错误以较低的概率Pe(0)发生；一个“1”状态，错误以较高的概率Pe(1)发生。

3 改进的FSO/RF切换算法

针对无线传输过程中无线信道受雨雾天气引发衰落，以及传输路径拥挤等因素，所造成的传输有效性和可靠性得不到保障的问题，提出一种基于FSO/RF 信道自适应算法，记录传输过程中下一个时刻的误码率，根据不同时刻误码率状态进行调节。

算法通过测试计算和比较误码率来对FSO/RF信道的切换选择进行优化，其做出选择的判决过程如图2所示。

图2 FSO/RF 选取优化判决流程图

图2所述的优化过程可详述如下：

一、通过传感器监测当前天气情况，反映出FSO通信信道当前的通信情况；

二、根据射频信道衰减模型及估计方法，获得平均信噪比SNRrf，具体步骤为：

1）先对突发衰落进行估计，假设通信信道不受平坦衰落影响，应用FFT 频偏估计方法，突发衰落可看成是冲击信号，此时通信模型为：

FFT 变换后，对其进行频谱分析[12]，获得频谱能量估计值：

2）将频谱能量估计值代入公式(6)，对其进行平方信噪方差估计，此时噪声为高斯白噪声，可得信道通信模型：

三、比较SNRfso 和SNRrf，针对当前通信条件及传输情况，选择最优路径传输，获得误码率：

系统参数及配置如表1所示。

表1 系统参数配置

4 仿真结果及分析

4.1 FSO通信仿真结果及分析

自由光通信信道传输过程中的信号衰减主要是由于天气影响，根据信道模型及衰减模型，得到误码率仿真结果如图3所示。

图3 FSO 信道误码率曲线

根据文献[13]将雾天能见度情况和降雨强度的等级进行划分。以降雨强度分别为1mm/h、10mm/h、20mm/h，能见度分别为 15m，10m，5m 时为节点记录数据，根据FSO 信道衰减模型进行仿真和分析，可获得误码情况如表2所示。

表2 FSO 误码率仿真结果

由仿真结果图可以看出，自由光通信信道的误码率随天气恶劣程度增大而增大，同时，自由光通信在能见度高于5m 时，可长期保持低误码率稳定通信；在严重雨雾天气下误码率急速增加，可靠性急速降低，严重影响信道的传输正确率。

4.2 RF通信估计结果及分析

射频通信信道主要受平衰落和突发衰落影响，根据设计的估计方案，先对原信号加突发噪声信号。突发噪声信号为与δ(t)相关的冲击信号。应用FFT估计法，得到估计信号幅度，再加入高斯白噪声，应用平方信噪方差估计法，得到最终的误码率估计值，并与理论值对比。

输入信号为：

突发噪声信噪比SNR=50dBm，傅里叶变换数据点数N=500，进行FFT 估计[14]后得到信号幅值的估计值为30dBm。

高斯白噪声的均值为0，方差25，经过估计[15]后，分别得到误码率的理论值和估计值，即：

理论值：1.9982×10-6； 估计值：1.9894×10-6。

由此可以看出，射频通信信道抗干扰能力较强，通信稳定，但长期误码率高于自由光通信信道。

4.3 改进FSO/RF系统仿真分析

根据自由光通信信道和射频通信信道的传输特性做判断并进行信道转换，形成新改进的无线通信系统，仿真结果如图4所示。

图4 改进后系统仿真结果

可见，自由光通信信道在没有大气散射情况下具有很低的误码率，但在雨雾天，误码率迅速增大。相反，射频通信信道传输稳定，其误码率在1.9×10-6附近分布，但是长期误码率低于FSO 系统。经过优化设计的通信系统，当天气情况较恶劣时，误码率相比于FSO 系统更低；正常天气通信时，误码率较原RF 系统更低，从而提高了系统的传输稳定性。由此可以判定，FSO/RF 切换系统能够有效优化原系统，明显提高其抗干扰能力，提高通信传输效率。

5 结束语

作为一种针对FSO 系统易受天气变化而降低传输效率的问题的解决方案，所设计的使FSO /RF相互切换的通信系统是非常有效的。在天气状况恶劣时，通过判断误码率来决定信道状态，如果误码率高于预设门限值，才需进行信道切换，使无线通信传输时能够充分的利用FSO 及RF 进行合理的运用和转换，不仅能提高系统可靠性，又能降低信道的相互转换次数，是一种解决无线通信系统传输的天气干扰问题的良好方案。