本發(fā)明涉及一種基于增量混合式譯碼放大前傳(ihdaf)協(xié)議的自由空間光(fso)通信系統(tǒng)的工作方法，屬于無線光通信傳輸技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著我國通信事業(yè)飛速發(fā)展，無線通信用戶數(shù)量驟然增多，對數(shù)據(jù)的無線傳輸速率與質(zhì)量也有了更高的要求，但在傳統(tǒng)射頻無線通信領(lǐng)域，由于信息傳輸需求的日益激增，使得該領(lǐng)域的頻譜資源變得日益緊缺。無線光通信作為傳統(tǒng)射頻通信的補(bǔ)充，具有傳輸帶寬大、通信容量大、傳輸速率快、抗電磁干擾能力強(qiáng)及保密性好等優(yōu)點(diǎn)。我國電信產(chǎn)業(yè)管理部門、政府、各大電信運(yùn)營商及科研院所等對無線光通信技術(shù)也給與了廣大關(guān)注。盡管無線光通信有其獨(dú)特的優(yōu)勢，但現(xiàn)實(shí)中它受到許多因素的限制與制約，尤其對室外自由空間光(fso)通信中，光通信鏈路容易受路徑損耗、大氣湍流及瞄準(zhǔn)誤差的影響，將協(xié)議中繼技術(shù)引入到fso通信中，能有效抑制上述情況引起的系統(tǒng)性能下降，提高系統(tǒng)傳輸可靠性，增大傳輸距離，這已成為fso通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

經(jīng)典無線光協(xié)議通信技術(shù)主要是將放大前傳(amplifyandforward,af)或譯碼前傳(decodeandforward,df)兩種方式與無線光通信相結(jié)合。l.yang等(參見l.yang,x.gaoandm.alouini,“performanceanalysisofrelay-assistedall-opticalfsonetworksoverstrongatmosphericturbulencechannelswithpointingerrors,”ieeejournalsoflightwavetechnology,vol.32,no.23,pp.4613-4620,2014)提出了基于af協(xié)議的fso通信系統(tǒng)，并分析了系統(tǒng)中斷概率、誤碼率等性能，分析得出af協(xié)議能有效提高系統(tǒng)性能與傳輸可靠性，增大傳輸距離。m.r.bhatnagar(參見m.r.bhatnagar,“performanceanalysisofdecode-and-forwardrelayingingamma-gammafadingchannels,”ieeephotonicstechnologyletters,vol.24,no.7,pp.545-547,2012)提出了基于df協(xié)議的fso通信系統(tǒng)，并分析了在gamma-gamma分布的大氣擾動(dòng)模型下系統(tǒng)中斷概率、誤碼率等性能。以上方案在協(xié)議中繼節(jié)點(diǎn)的選擇方式及工作方式上比較單一，對信道適應(yīng)不夠靈活，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的限制。s.m.aghajanzadeh等(參見s.m.aghajanzadehandm.uysal,“performanceanalysisofparallelrelayinginfree-spaceopticalsystems,”ieeetransactionsoncommunications,vol.63,no.11,pp.4314-4326,2015)提出了采用并行中繼傳輸方式，發(fā)送信息可以同時(shí)通過直傳、af中繼及df中繼進(jìn)行傳輸，該方案可使系統(tǒng)獲得一定的分集增益，但系統(tǒng)復(fù)雜度大大提升，而且系統(tǒng)無法視信道情況選擇合適的傳輸方式，難以發(fā)揮理想性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和解決方案的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明提供了一種適用性強(qiáng)、性能更好的基于增量混合式譯碼放大前傳(ihdaf)協(xié)議的自由空間光通信(fso)系統(tǒng)的工作方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于增量混合式譯碼放大前傳(ihdaf)協(xié)議的自由空間光(fso)通信系統(tǒng)的工作方法，通過以下通信系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)包括1個(gè)信源節(jié)點(diǎn)、1個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和1個(gè)目的節(jié)點(diǎn)，信源節(jié)點(diǎn)配備兩個(gè)激光發(fā)射器，用于產(chǎn)生和發(fā)射高斯激光束；中繼節(jié)點(diǎn)配備一個(gè)激光發(fā)射器和一個(gè)光檢測器，分別實(shí)現(xiàn)高斯激光的轉(zhuǎn)發(fā)和檢測；目的節(jié)點(diǎn)配備兩個(gè)光檢測器，系統(tǒng)采用半雙工工作模式，其數(shù)據(jù)傳輸過程包括三個(gè)步驟，先將信源信息映射成m階脈沖幅度調(diào)制(pam)星座符號xs，是m階脈沖幅度調(diào)制(pam)的星座集合，其中第m個(gè)星座符號可以表示為其中pt為光信號的平均發(fā)射功率，然后將調(diào)制后的星座符號xs通過高斯激光束發(fā)送到中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)，并通過將信源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)鏈路瞬時(shí)信噪比γsd及信源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)鏈路瞬時(shí)信噪比γsr與對應(yīng)鏈路設(shè)定的信噪比門限值snrsd及snrsr比較，以確定選擇相應(yīng)的協(xié)議傳輸方案，即直接傳輸、譯碼前傳和放大前傳；最后，目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)不同傳輸方案解調(diào)恢復(fù)得到原始信號，該方法的具體步驟如下：

1)信源節(jié)點(diǎn)對信息進(jìn)行光調(diào)制，將其映射成m階pam星座符號xs；

2)第一通信時(shí)隙，信源節(jié)點(diǎn)同時(shí)向中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送調(diào)制后的星座符號xs，目的節(jié)點(diǎn)接收到的信號可以表示為ysd＝rhsdxs+nsd，其中r為光檢測器的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)；nsd為信源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的信道噪聲；hsd為信源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的信道系數(shù)，主要由對應(yīng)信道路徑損耗大氣擾動(dòng)衰落瞄準(zhǔn)誤差來確定，可表示為中繼節(jié)點(diǎn)接收到的信號可以表示為ysr＝rhsrxs+nsr，其中hsr為信源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)之間的信道系數(shù)，主要由對應(yīng)信道路徑損耗大氣擾動(dòng)衰落瞄準(zhǔn)誤差決定，可以表示為nsr為信源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)之間的信道噪聲，轉(zhuǎn)入下一步；

3)目的節(jié)點(diǎn)比較信源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)鏈路的瞬時(shí)信噪比γsd與該鏈路設(shè)定的信噪比門限值snrsd的大小，如果γsd≥snrsd，則轉(zhuǎn)入下一步，否則轉(zhuǎn)入步驟5)；其中表示均值為零的高斯隨機(jī)噪聲的方差，γsr和γrd分別表示信源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)鏈路和中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)鏈路上的瞬時(shí)信噪比，分別記為和其中hrd為中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的信道系數(shù)，其主要由對應(yīng)信道的路徑損耗大氣擾動(dòng)衰落瞄準(zhǔn)誤差決定，可以表示為psd＝δ1p、psr＝δ2p和pr＝(1-δ1-δ2)p分別表示信源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率、信源節(jié)點(diǎn)向中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率及中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，p為系統(tǒng)總功率，δ1和δ2為功率分配因子；

4)當(dāng)γsd≥snrsd時(shí)，此時(shí)直傳鏈路信道狀態(tài)質(zhì)量較好，目的節(jié)點(diǎn)能夠正確譯碼，則在下一個(gè)通信時(shí)隙中繼節(jié)點(diǎn)不工作，信源節(jié)點(diǎn)采用直接傳輸?shù)姆绞絺鬏斝碌男畔?，目的?jié)點(diǎn)對接收到的信號進(jìn)行解調(diào)；

5)當(dāng)γsd＜snrsd時(shí)，此時(shí)直傳鏈路信道狀態(tài)質(zhì)量較差，目的節(jié)點(diǎn)不能正確譯碼，則在下一個(gè)通信時(shí)隙需要中繼節(jié)點(diǎn)參與協(xié)議，中繼節(jié)點(diǎn)繼續(xù)比較信源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)鏈路的瞬時(shí)信噪比γsr與對應(yīng)鏈路上設(shè)定信噪比門限值snrsr的大小，如果γsr≥snrsr，則轉(zhuǎn)入下一步，否則轉(zhuǎn)入步驟7)；

6)當(dāng)γsr≥snrsr時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)在第二個(gè)通信時(shí)隙采用df(譯碼前傳)工作方式，將第一個(gè)通信時(shí)隙接收到的信號進(jìn)行譯碼，再將譯碼后的信號發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)，具體過程如下:

(1)中繼節(jié)點(diǎn)將接收到的光信號轉(zhuǎn)化成電信號，其光電轉(zhuǎn)化系數(shù)為r；

(2)第二個(gè)通信時(shí)隙，將譯碼后的信息轉(zhuǎn)化成光信號并發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)，接收到的信號表示為yrd＝rhrdxr+nrd，其中xr為xs經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、譯碼和pam光調(diào)制后的信息也是中繼節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息，nrd為中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的信道噪聲；

(3)轉(zhuǎn)入步驟8)；

7)當(dāng)γsr＜snrsr時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)在第二個(gè)通信時(shí)隙采用af(放大前傳)工作方式，將第一個(gè)通信時(shí)隙接收到的光信號進(jìn)行放大，再將放大后的信號轉(zhuǎn)化成光信號xr發(fā)射到目的節(jié)點(diǎn)，具體過程如下：

(1)中繼節(jié)點(diǎn)將接收到的光信號轉(zhuǎn)化成電信號，其光電轉(zhuǎn)化系數(shù)為r；

(2)第二個(gè)通信時(shí)隙，中繼節(jié)點(diǎn)將電信號放大后轉(zhuǎn)化成光信號并發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)接收到的信號可以表示為yrd＝βrhrdysr+nrd，其中表示放大因子；nrd為中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的信道噪聲；

(3)轉(zhuǎn)入步驟8)；

8)目的節(jié)點(diǎn)將信源發(fā)送的信號ysd和中繼發(fā)送的信號yrd進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，其光電轉(zhuǎn)化系數(shù)為r1，然后進(jìn)行最大比合并，最終合成信號可以表示為ymrc＝r1(hsdysd+hrdyrd)，將合并后的信號ymrc進(jìn)行解調(diào)。

所述的ihdaf為英文incrementalhybriddecode-amplify-forward的縮寫，意思為增量混合式譯碼放大前傳。

所述的fso為英文freespaceoptical的縮寫，意思為自由空間光。

所述的pam為英文pulseamplitudemodulation的縮寫，意思為脈沖幅度調(diào)制。

本發(fā)明方法基于自由空間無線光通信的基礎(chǔ)上，結(jié)合一種基于中繼協(xié)議切換的增量混合譯碼放大前傳方案，提出了一種更符合實(shí)際情況的協(xié)作自由空間無線光通信系統(tǒng)模型，根據(jù)反饋的信道狀態(tài)信息選擇相應(yīng)的協(xié)議方案，可有效抑制因路徑損耗、大氣擾動(dòng)和瞄準(zhǔn)誤差所引起的系統(tǒng)性能下降，提高系統(tǒng)傳輸可靠性。與基于固定協(xié)議的協(xié)作自由空間無線光通信系統(tǒng)相比，具有更強(qiáng)的適用性以及更明顯的性能提升。

附圖說明

圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明方法的流程框圖；其中1)-8)為其各個(gè)步驟。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不限于此。

實(shí)施例：

一種基于增量混合式譯碼放大前傳(ihdaf)協(xié)議的自由空間光(fso)通信系統(tǒng)的工作方法，通過以下通信系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，如圖1所示，該系統(tǒng)包括1個(gè)信源節(jié)點(diǎn)、1個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和1個(gè)目的節(jié)點(diǎn)，信源節(jié)點(diǎn)配備兩個(gè)激光發(fā)射器，用于產(chǎn)生和發(fā)射高斯激光束；中繼節(jié)點(diǎn)配備一個(gè)激光發(fā)射器和一個(gè)光檢測器，分別實(shí)現(xiàn)高斯激光的轉(zhuǎn)發(fā)和檢測；目的節(jié)點(diǎn)配備兩個(gè)光檢測器，系統(tǒng)采用半雙工工作模式，其數(shù)據(jù)傳輸過程包括三個(gè)步驟，先將信源信息映射成m階脈沖幅度調(diào)制(pam)星座符號xs，是m階pam的星座集合，其中第m個(gè)星座符號可以表示為其中pt為光信號的平均發(fā)射功率，然后將調(diào)制后的星座符號xs通過高斯激光束發(fā)送到中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)，并通過將信源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)鏈路瞬時(shí)信噪比γsd及信源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)鏈路瞬時(shí)信噪比γsr與對應(yīng)鏈路設(shè)定的信噪比門限值snrsd及snrsr比較，以確定選擇相應(yīng)的協(xié)議傳輸方案，即直接傳輸、譯碼前傳和放大前傳；最后，目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)不同傳輸方案解調(diào)恢復(fù)得到原始信號，該方法的具體步驟如下：

1)信源節(jié)點(diǎn)對信息進(jìn)行光調(diào)制，將其映射成m階pam星座符號xs；

2)第一通信時(shí)隙，信源節(jié)點(diǎn)同時(shí)向中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送調(diào)制后的星座符號xs，目的節(jié)點(diǎn)接收到的信號可以表示為ysd＝rhsdxs+nsd，其中r為光檢測器的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)；nsd為信源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的信道噪聲；hsd為信源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的信道系數(shù)，主要由對應(yīng)信道路徑損耗大氣擾動(dòng)衰落瞄準(zhǔn)誤差來確定，可表示為中繼節(jié)點(diǎn)接收到的信號可以表示為ysr＝rhsrxs+nsr，其中hsr為信源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)之間的信道系數(shù)，主要由對應(yīng)信道路徑損耗大氣擾動(dòng)衰落瞄準(zhǔn)誤差決定，可以表示為nsr為信源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)之間的信道噪聲，轉(zhuǎn)入下一步；

3)目的節(jié)點(diǎn)比較信源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)鏈路的瞬時(shí)信噪比γsd與該鏈路設(shè)定的信噪比門限值snrsd的大小，如果γsd≥snrsd，則轉(zhuǎn)入下一步，否則轉(zhuǎn)入步驟5)；其中表示均值為零的高斯隨機(jī)噪聲的方差，γsr和γrd分別表示信源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)鏈路和中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)鏈路上的瞬時(shí)信噪比，分別記為和其中hrd為中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的信道系數(shù)，其主要由對應(yīng)信道的路徑損耗大氣擾動(dòng)衰落瞄準(zhǔn)誤差決定，可以表示為psd＝δ1p、psr＝δ2p和pr＝(1-δ1-δ2)p分別表示信源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率、信源節(jié)點(diǎn)向中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率及中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，p為系統(tǒng)總功率，δ1和δ2為功率分配因子；

4)當(dāng)γsd≥snrsd時(shí)，此時(shí)直傳鏈路信道狀態(tài)質(zhì)量較好，目的節(jié)點(diǎn)能夠正確譯碼，則在下一個(gè)通信時(shí)隙中繼節(jié)點(diǎn)不工作，信源節(jié)點(diǎn)采用直接傳輸?shù)姆绞絺鬏斝碌男畔ⅲ康墓?jié)點(diǎn)對接收到的信號進(jìn)行解調(diào)；

5)當(dāng)γsd＜snrsd時(shí)，此時(shí)直傳鏈路信道狀態(tài)質(zhì)量較差，目的節(jié)點(diǎn)不能正確譯碼，則在下一個(gè)通信時(shí)隙需要中繼節(jié)點(diǎn)參與協(xié)議，中繼節(jié)點(diǎn)繼續(xù)比較信源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)鏈路的瞬時(shí)信噪比γsr與對應(yīng)鏈路上設(shè)定信噪比門限值snrsr的大小，如果γsr≥snrsr，則轉(zhuǎn)入下一步，否則轉(zhuǎn)入步驟7)；

6)當(dāng)γsr≥snrsr時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)在第二個(gè)通信時(shí)隙采用df(譯碼前傳)工作方式，將第一個(gè)通信時(shí)隙接收到的信號進(jìn)行譯碼，再將譯碼后的信號發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)，具體過程如下:

(1)中繼節(jié)點(diǎn)將接收到的光信號轉(zhuǎn)化成電信號，其光電轉(zhuǎn)化系數(shù)為r；

(2)第二個(gè)通信時(shí)隙，將譯碼后的信息轉(zhuǎn)化成光信號并發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)，接收到的信號表示為yrd＝rhrdxr+nrd，其中xr為xs經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、譯碼和pam光調(diào)制后的信息也是中繼節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息，nrd為中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的信道噪聲；

(3)轉(zhuǎn)入步驟8)；

7)當(dāng)γsr＜snrsr時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)在第二個(gè)通信時(shí)隙采用af(放大前傳)工作方式，將第一個(gè)通信時(shí)隙接收到的信號進(jìn)行放大，再將放大后的信號轉(zhuǎn)化成光信號xr發(fā)射到目的節(jié)點(diǎn)，具體過程如下：

(1)中繼節(jié)點(diǎn)將接收到的光信號轉(zhuǎn)化成電信號，其光電轉(zhuǎn)化系數(shù)為r；

(2)第二個(gè)通信時(shí)隙，中繼節(jié)點(diǎn)將電信號放大后轉(zhuǎn)化成光信號并發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)接收到的信號可以表示為yrd＝βrhrdysr+nrd，其中表示放大因子；nrd為中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的信道噪聲；

(3)轉(zhuǎn)入步驟8)；

8)目的節(jié)點(diǎn)將信源發(fā)送的信號ysd和中繼發(fā)送的信號yrd進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，其光電轉(zhuǎn)化系數(shù)為r1，然后進(jìn)行最大比合并，最終合成信號可以表示為ymrc＝r1(hsdysd+hrdyrd)，將合并后的信號ymrc進(jìn)行解調(diào)。