应用EFOGSM调制的串行无人机中继自由空间光通信系统及方法

应用efogsm调制的串行无人机中继自由空间光通信系统及方法
技术领域
1.本技术涉及无线光通信领域，具体地涉及一种应用efogsm调制的串行无人机中继自由空间光通信系统及方法。


背景技术：

2.自由空间光(fso)通信是基于大气传输和激光调制的一种通信技术，由于其无需频谱许可、拥有更高的保密性和安全性、高速率、成本低等诸多优势被研究界广泛的关注着。fso通信的主要限制之一是发射机和接收机之间的严格视距要求。并且在对抗大气湍流的前提下如何实现稳定、灵活、大容量的长距离传输，一直以来都是fso通信发展需要解决的重要问题。
3.在空中部署无人机(uav)为建立视距连接提供了潜力，使其成为消除fso收发器严格的视距要求的理想解决方案。无人机与fso中继技术的结合，使系统具有覆盖范围广、无缝连接、高带宽等特点，是满足6g通信需求的理想选择。并且传统的中继技术由于采用固定接地继电器，继电器的位置不能根据大气信道环境自适应调整，这限制了继电器的实际应用。而fso中的无人机中继技术可以根据大气信道环境动态调整无人机的位置，提高了系统的机动性。因此，以激光为光源将无人机中继技术应用于fso的通信系统，近年来受到普遍关注。但是目前关于无人机在fso中继系统中的研究，系统的发射端和接收端都是以单输入单输出的方式传输信息，这种传输方式不容易对抗大气湍流的影响。在无人机中继fso系统中加入多输入多输出(mimo)技术则能有效抑制由大气湍流引起的码间串扰，改善飞行平台复用链路中信号的误差矢量幅度和误码率。而如何使基于无人机中继的mimo-fso系统在能够有效对抗大气湍流的同时获得灵活性和高性能增益，相关研究还未见报导。
4.目前，在fso通信系统中已有的传统光空间调制方案主要有光空间调制(osm)和光广义空间调制(ogsm)。然而系统的数据传输速率与osm的激光器数量之间呈对数比例关系，这会限制系统数据传输速率的进一步提高。光广义空间调制是mimo技术的进一步拓展，在缓解大气湍流的同时，可以有效解决mimo技术带来的信道间强干扰、天线间同步要求高等缺点。但是ogsm方案相比于光空间调制在误码率性能上没有得到较多提升，ogsm也没有考虑系统在传输速率方面所受到的限制。因此，本专利提出增强型完全光广义空间调制(efogsm)，针对传统的光空间调制系统空间利用率低、数据传输速率的提升受到限制等缺点充分利用激光器组合冗余，同时还将数字调制星座用作映射信息位的附加维度，来增加系统的数据比特率并提高系统的能量效率。增强型完全光广义空间调制打破了ogsm其传输速率与激光器数量之间呈对数比例关系的限制，降低了系统的接受机复杂度较高这一问题，是一种具备传输速率高、误码性能优良、实用性强的新型ogsm方案。目前，将efogsm应用于基于无人机的fso中继系统中的研究还未见报道。


技术实现要素：

5.本技术实施例的目的是提供一种基于增强型完全光广义空间调制的串行无人机中继自由空间光通信系统及方法，在对抗大气湍流的前提下实现更稳定、灵活、大容量的长距离传输。本发明在地面与无人机间的自由空间光通信中引入efogsm调制，在提升系统通信性能的同时，也有效提高了系统的传输速率。
6.根据本技术实施例的第一方面，提供一种应用增强型完全光广义空间调制的串行无人机中继自由空间光通信系统，包括：
7.1个源节点，用于通过1个第一组合发射机发射第一信号，所述第一信号首先经过串并转换，将信号转换为数字序列，然后输入到efogsm调制器进行调制，efogsm调制器将输入的数字序列分成数字比特和空间比特两部分，其中空间比特用于选择传输星座符号信息的激光器子集，之后将再通过efogsm映射器转换，接着将映射而来的efogsm信号经过电光转换后得到的光信号，将所述光信号使用第一组合发射机的发射天线以2到多个或所有n
t
个具有相同信息的信号通过不同路径发送出去；
8.n-1个无人机中继节点，所述n-1个无人机中继节点依次串联，每个所述无人机中继节点均具有1个第二组合发射机和1个第一接收天线阵列，所述第一接收天线阵列包括nr根第一接收天线，第一个无人机中继节点的第一个接收天线阵列中的nr根第一接收天线分别接收由所述源节点发送的n
t
个具有相同信息的不同路径的光信号，并将其进行光电转换、合并，之后对得到的efogsm信号进行解调，得到第二信号，再在第二组合发射机中将其进行efogsm调制、映射和电光转换得到光信号，使用第二组合发射机的发射天线以n
t
个具有相同信息的信号通过不同路径发送至下一个无人机中继节点，直至最后一个无人机中继节点；其中，所述无人机中继节点对接收到的信号进行译码转发，具有相同信息的处于不同路径的光信号通过大气湍流信道，受大气湍流干扰；
9.1个目的节点，用于通过1个第二接收天线阵列中的nr根第二接收天线分别接收第n-1个无人机中继节点发送的n
t
个具有相同信息的处于不同路径的光信号，首先对接收的光信号进行mrc/egc空间分集，利用ml检测算法进行最优探测，接着对信号efogsm解调，然后将信号经过efogsm映射，再进行并串转换，得到第二信号；
10.其中，所述第一信号为原始信号，第二信号为原始信号受联合衰减大气信道影响后的信号。
11.进一步地，所述电光转换是通过n
t
个马赫增德尔调制器(mzm)进行光强度调制，将efogsm电信号调制到n
t
个激光器生成的n
t
个不同路径的光载波上。
12.进一步地，所述的系统其特征在于，所述系统的数据传输速率表示为：
[0013][0014]
上式中，代表向下取整，r代表数据传输速率，pm和s
m/2
分别代表主信号星座和次信号星座，nu表示激活传输主信号星座和次信号星座符号的激光器数量，n
t
表示激光器数量。
[0015]
进一步地，所述的系统其特征在于，采用m分布模型对大气湍流信道进行建模，考虑到达角(aoa)抖动、路径损耗、瞄准误差和大气湍流的联合衰减作用，所述m分布模型的信
道衰减增益h的概率密度函数为：
[0016][0017]
其中
[0018][0019]
上式中，代表光视场角，u代表链路系数，当系统为gu链路或ug链路时系数u＝1，当系统为uu链路时系数u＝2，σo代表方向偏差标准差，α是与散射过程中有效大规模单元相关的正参数，β是衰落参数数量的自然数，k为二项式系数，为离轴涡流接收的散射分量的平均功率，为总散射分量的平均功率。0≤η≤1表示与视距分量耦合的散射功率量的因子。为相干贡献的平均功率，其中ω＝e[|u
l
|2]为los分量的平均功率。φa和φb分别为确定性视距分量和与之耦合的散射分量，a0＝[erf(v)]2表示径向距离时的接收光功率，h＝h
l
hah
phaoa
代表联合信道衰减状态，ha为大气湍流，h
l
为路径损耗，h
p
为瞄准误差，h
aoa
为到达角抖动。
[0020]
根据本技术实施例的第二方面，提供一种应用增强型完全光广义空间调制的串行无人机中继自由空间光通信方法，包括：
[0021]
在源节点上，通过1个第一组合发射机发射第一信号，对所述第一信号经过串并转换，将信号转换为数字序列，然后输入到efogsm调制器进行调制，efogsm调制器将输入的数字序列分成数字比特和空间比特两部分，其中空间比特用于选择传输星座符号信息的激光器子集，之后将再通过efogsm映射器转换，接着将映射而来的efogsm信号经过电光转换后得到的光信号，将所述光信号使用第一组合发射机的发射天线以2到多个或所有nt个具有相同信息的信号通过不同路径发送出去；
[0022]
将n-1个无人机中继节点依次串联，每个所述无人机中继节点均具有1个第二组合发射机和1个第一接收天线阵列，所述第一接收天线阵列包括nr根第一接收天线，第一个无人机中继节点的第一个接收天线阵列中的nr根第一接收天线分别接收由所述源节点发送的n
t
个具有相同信息的不同路径的光信号，并将其进行光电转换、合并，之后对得到的efogsm信号进行解调，得到第二信号，再在第二组合发射机中将其进行efogsm调制、映射和电光转换得到光信号，使用第二组合发射机的发射天线以n
t
个具有相同信息的信号通过不同路径发送至下一个无人机中继节点，直至最后一个无人机中继节点；其中，所述无人机中继节点对接收到的信号进行译码转发，具有相同信息的处于不同路径的光信号通过大气湍
流信道，受大气湍流干扰；
[0023]
在目的节点上，通过1个第二接收天线阵列中的nr根第二接收天线分别接收第n-1个无人机中继节点发送的n
t
个具有相同信息的处于不同路径的光信号，首先对接收的光信号进行mrc/egc空间分集，利用ml检测算法进行最优探测，接着对信号efogsm解调，然后将信号经过efogsm映射，再进行并串转换，得到第二信号；
[0024]
其中，所述第一信号为原始信号，第二信号为原始信号受联合衰减大气信道影响后的信号。
[0025]
进一步地，所述电光转换是通过n
t
个马赫增德尔调制器(mzm)进行光强度调制，将efogsm电信号调制到n
t
个激光器生成的n
t
个不同路径的光载波上。
[0026]
本技术的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
[0027]
将efogsm调制引入串行无人机中继的fso传输系统，有机结合了mimo、efogsm和串行无人机中继三种技术，有效改善了系统的性能。在空中部署无人机可为建立视距连接提供潜力，使其成为消除fso收发器严格的视距要求的理想解决方案。无人机与fso中继技术的结合，可以使系统具有覆盖范围广、无缝连接、高带宽等特点。系统采用的efogsm技术是ogsm技术的进一步拓展，打破了ogsm其传输速率与激光器数量之间呈对数比例关系的限制，可以有效降低系统的接受机复杂度较高的问题，在系统中结合efogsm技术可以很好地获得高传输速率和优良误码性能。因此采用efogsm调制技术的df串行无人机中继fso系统在进一步扩大链路通信范围的同时，提高通信可靠性，有效改善了由大气湍流引起的信道衰落，对未来的自由空间光通信系统具有一定的指导意义。
[0028]
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
[0029]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
[0030]
图1是本发明实施例的一种基于增强型完全光广义空间调制的串行无人机中继自由空间光通信系统的示意图；
[0031]
图2是本发明实施例中的串行uav中继mimo-fso系统模型的示意图；
[0032]
图3是本发明实施例中的串行uav中继efogsm fso系统在弱强大气湍流中在不同数据传输速率下的平均比特错误概率的数值仿真和蒙特卡罗验证图；
[0033]
图4是本发明实施例中的串行uav中继efogsm fso系统在弱强大气湍流中在不同视场角参数下的平均比特错误概率的数值仿真和蒙特卡罗验证图；
[0034]
图5是本发明实施例中的串行uav中继efogsm fso系统在弱强大气湍流中在不同空间分集接收方案下的平均比特错误概率的数值仿真和蒙特卡罗验证图；
[0035]
图6是本发明实施例中的串行uav中继efogsm fso系统在弱强大气湍流中在不同方向偏差下的平均比特错误概率的数值仿真和蒙特卡罗验证图；
[0036]
图7是本发明实施例中的串行uav中继efogsm fso系统在弱强大气湍流中在不同中继链路距离下的平均比特错误概率的数值仿真和蒙特卡罗验证图。
具体实施方式
[0037]
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
[0038]
在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
[0039]
应当理解，尽管在本技术可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本技术范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。
[0040]
图1为本发明实施例的一种基于增强型完全光广义空间调制的串行无人机中继自由空间光通信系统的示意图，该系统包括：
[0041]
1个源节点，用于通过1个第一组合发射机发射第一信号，所述第一信号首先经过串并转换，将信号转换为数字序列，然后输入到efogsm调制器进行调制，efogsm调制器将输入的数字序列分成数字比特和空间比特两部分，其中空间比特用于选择传输星座符号信息的激光器子集，之后将再通过efogsm映射器转换，接着将映射而来的efogsm信号经过电光转换后得到的光信号，将所述光信号使用第一组合发射机的发射天线以2到多个或所有n
t
个具有相同信息的信号通过不同路径发送出去；
[0042]
n-1个无人机中继节点，所述n-1个无人机中继节点依次串联，每个所述无人机中继节点均具有1个第二组合发射机和1个第一接收天线阵列，所述第一接收天线阵列包括nr根第一接收天线，第一个无人机中继节点的第一个接收天线阵列中的nr根第一接收天线分别接收由所述源节点发送的n
t
个具有相同信息的不同路径的光信号，并将其进行光电转换、合并，之后对得到的efogsm信号进行解调，得到第二信号，再在第二组合发射机中将其进行efogsm调制、映射和电光转换得到光信号，使用第二组合发射机的发射天线以n
t
个具有相同信息的信号通过不同路径发送至下一个无人机中继节点，直至最后一个无人机中继节点；其中，所述无人机中继节点对接收到的信号进行译码转发，具有相同信息的处于不同路径的光信号通过大气湍流信道，受大气湍流干扰；
[0043]
1个目的节点，用于通过1个第二接收天线阵列中的nr根第二接收天线分别接收第n-1个无人机中继节点发送的n
t
个具有相同信息的处于不同路径的光信号，首先对接收的光信号进行mrc/egc空间分集，利用ml检测算法进行最优探测，接着对信号efogsm解调，然后将信号经过efogsm映射，再进行并串转换，得到第二信号；其中，所述第一信号为原始信号，第二信号为原始信号受联合衰减大气信道影响后的信号。
[0044]
系统的映射方式为efogsm，源节点和目的节点之间使用译码转发(df)协议。其中efogsm调制器将输入的数字序列分成数字比特log2pm+log2s
m/2
和空间比特两部
分，pm和s
m/2
分别代表主信号星座和次信号星座，nu表示激活传输主信号星座和次信号星座符号的激光器数量，n
t
表示激光器数量。空间比特用于选择传输星座符号信息的激光器子集，efogsm调制过的激光器子集可以从仅激活2个激光器到激活多个或所有激光器而变化。因此，efogsm可以有效提高系统的频谱效率和能量效率，其数据传输速率可以表示为：
[0045][0046]
上式中，代表向下取整。
[0047]
光信号从源节点到目的节点的总跳数为n，中间经过n-1个串联的无人机中继节点。系统接收端采用两种空间分集接收方案，分别为最大比合并(mrc)和等增益合并(egc)。其中，大气湍流信道采用m分布模型，与固定中继之间的fso链路不同，基于无人机的fso链路引入了到达角(aoa)抖动来表示多旋翼无人机在空中的抖动对信道造成的影响，并且综合考虑大气湍流光强度辐照度、路径损耗及发射机和接收机之间未对准产生的瞄准误差四者的因素对大气湍流信道模型的联合影响。
[0048]
系统每一个单跳即为一个efogsm调制的串行uav中继mimo-fso模型装置如图2所示，每一跳均具有1个组合发射机和1个第一接收天线阵列。在第一组合发射机中，第一信号经过efogsm调制输出efogsm信号。源节点s和无人机的发射端配备第一、二组合发射机，无人机和目的节点d的接收端配备第一、二接收天线阵列。其中，组合发射机包含n
t
个光学发射天线、接收天线阵列包含nr个光学接收天线。uav中继节点是全光中继，本发明考虑以df的方式转发光信号，激光器作为光学发射天线发送光信号，光电探测器作为接收天线接受光信号并将其转换成电信号。
[0049]
本发明实施一种基于增强型完全光广义空间调制的串行无人机中继自由空间光通信方法，步骤如下：
[0050]
第1步、在源节点，对要发送的第一信号进行串并转换、efogsm调制、映射和电光转换，并通过n
t
个不同的路径发送光信号；所述电光转换是将efogsm电信号调制到n
t
个激光器生成的n
t
个不同路径的光载波上；其中，不同路径的光信号通过大气湍流信道，受大气湍流干扰；
[0051]
第2步、在n-1个串联的uav中继节点，将接收到的nr个不同路径的光信号进行光电转换、合并，之后对得到的efogsm信号进行解调、解映射，得到第二信号，再将其进行efogsm调制、映射及电光转换后得到的光信号以n
t
个不同路径发送至下一个uav中继节点，直至最后一个uav中继节点；所述光电转换是将接收到的nr个来自不同路径的光信号转换为电信号；所述电光转换是将efogsm电信号调制到n
t
个激光器生成的n
t
个不同路径的光载波上；
[0052]
第3步、在目的节点，将接收到的第n-1个uav中继节点发送的nr个不同路径的光信号进行光电转换、mrc/egc合并，之后对得到的电信号用ml检测算法进行最优探测，然后进行efogsm解调、解映射，再经过并串转换，得到第二信号；所述光电转换是将接收到的nr个来自不同路径的光信号转换为电信号；
[0053]
其中，所述第一信号为原始信号，第二信号为原始信号受联合衰减大气信道影响后的信号。
[0054]
基于以上分析，基于增强型完全光广义空间调制的串行无人机中继自由空间光通
信系统在采用df串行中继传输方案时，uav中继fso系统的总aber取决于无人机中继每一跳的aber。对于串行uav中继efogsm fso系统，应先确定m分布信道下的单跳的aber，则传输模型可以建模为：
[0055]
y＝ωp
t
hx+z
[0056]
上式中，p
t
是发射功率，ω为光电探测效率。z表示具有协方差矩阵的均值为零，方差为σ2的加性高斯白噪声，h∈r
nr
×
nt
表示信道增益矩阵，其表达式如下：
[0057][0058]
接收端利用ml译码算法检测发射端发送的信号，该算法完全了解信道和理想的时间同步，其准则为：
[0059][0060]
上式中，||
·
||f表示f范数，c是所提出的系统符号的集合。
[0061]
基于uav的fso信道链路分为三种情况，分别是地面到无人机(gu)链路、无人机到无人机(uu)链路和无人机到地面(ug)链路。无人机在大气中也会受到自然天气的影响，如风、雪、雨等，与固定中继相比uav会产生强烈的随机抖动。因此，与固定中继之间的fso链路不同，基于无人机的fso链路引入了到达角(aoa)抖动h
aoa
来表示多旋翼无人机在空中的抖动对信道造成的影响，再加上大气湍流ha、路径损耗h
l
、瞄准误差h
p
的共同影响。本发明的m分布联合信道衰减状态h可以表示为h＝h
l
hah
phaoa
。
[0062]
由于m分布提供了与实验数据的良好拟合，并在强、中、弱湍流环境下都有效，也可以将其他现有统计模型作为其特例进行表征。本发明采用m分布对fso通道进行建模。m分布的概率密度函数(pdf)的表达式为：
[0063][0064]
其中
[0065][0066]
上式中，kv(
·
)是修正贝塞尔函数。α是与散射过程中有效大规模单元相关的正参数，β是衰落参数数量的自然数，k为二项式系数，为离轴涡流接收的散射分量的平均功率，为总散射分量的平均功率。0≤η≤1表示与视距分量耦合的散射功率量的因子。为相干贡献的平均功率，其中
ω＝e[|u
l
|2]为los分量的平均功率。φa和φb分别为确定性视距分量和与之耦合的散射分量。
[0067]
路径损耗h
l
由吸收和散射效应造成的激光信号中的功率损耗而导致的，可见光和红外光在大气中的传输由比尔-兰伯特定律描述为
[0068]hl
(d)＝exp(-σd)
[0069]
上式中，将传播距离d与衰减因子σ联系起来。σ表示光的衰减，它由散射和吸收项组成。
[0070]
由径向位移的几何扩展引起的衰减可以表示为
[0071][0072]
其中，a0＝[erf(v)]2表示径向距离时的接收光功率，w
zeq
为等效波束宽度，其表达式为：
[0073][0074]
上式中，r是入射波横向平面半径，wz是光波束宽度，erf(
·
)是误差函数。瞄准误差h
p
的pdf可以表示为：
[0075][0076]
其中，γ＝w
zeq
/2δs表示接收端等效波束与瞄准误差偏移量标准差之间的比值，该变量可以表现瞄准误差的严重程度。δs是接收端处的瞄准误差位移标准偏差。不同的链路方差可表示为：
[0077][0078]
上式中，δ
p，u
为uav位置偏差标准差，δ
p，g
为地面位置偏差标准差，σo为方向偏差标准差。
[0079]
h'＝h
l
hah
p
。h'的概率密度函数可以通过计算三个独立的衰减因子ha、h
l
、h
p
的联合作用，可以计算出h'的pdf如下:
[0080][0081]
由于大气湍流，光的波前会发生随机的相位变化。如果波前的曲率半径大于探测器的接收孔径，则到达波束的波前将变成一个斜面。这可能导致衍射形成的艾里图样发生抖动。因此，不仅要考虑瞄准误差，还要考虑aoa抖动。
[0082]
根据三条不同链路可以将信号的aoa定义为：
[0083][0084]
上式中，和分别是发射机水平方向和垂直方向的方向偏差，和分别是接受机水平方向和垂直方向的方向偏差。服从瑞利分布，它的pdf可以表示为：
[0085][0086]
其中，当系统为gu链路或ug链路时系数u＝1，当系统为uu链路时系数u＝2。
[0087]
当光束的在光视场角之外时，光发射机和光接收机之间的链路就会中断，h
a0a
可以被描述如下：
[0088][0089]
因此h
a0a
的pdf可表示为：
[0090][0091]
式中δ(
·
)为狄拉克函数。
[0092]
采用m分布模型对大气湍流信道进行建模，联合信道衰减增益h的概率密度函数则可以表示为：
[0093][0094]
设串行uav中继efogogsm空间分集fso系统的发射和接收信号分别为xi和xj，则每跳的aber上界由下式得出：
[0095][0096]
上式中，表示的是xn和之间的汉明距离。表示符号xn和之间的成对错误概率pep，它定义了错误符号向量的检测。
[0097]
mrc技术可以有效地提高接收机的信号质量，特别是在衰落信道下。当接收机采用mrc方案时，将多个天线接收到的信号进行合并，基于信道质量对每个信号进行加权，以提高信噪比并降低衰落的影响。此时对于串行无人机中继efogsm fso系统，可以得到其uav单跳接收端的条件成对错误概率为：
[0098][0099]
上式中，ρ代表平均信噪比，σe为噪声标准差，σe根据uav链路的不同而变化。
[0100]
其中
[0101]
令
[0102][0103]
通过对高斯q函数的近似计算可得如下表达式：
[0104][0105]
因此，pep可以被表示为：
[0106][0107]
上式中，e(
·
)表示期望算子，令y＝|αn|2，进而pep可以被表示为：
[0108][0109]
在矩生成函数mgf的帮助下，上式可以写为：
[0110][0111]
利用上式及meijer g函数的相关积分公式，能够计算出串行uav中继efogsm-mrc fso系统的aber上界表达式为：
[0112][0113]
上式中，b＝αβ/(ξβ+ω')，由于本发明提出的串行无人机中继efogsm fso系统采用df中继协议，串行uav中继系统的整体误码
率与各跳uav链路系统的误码率密切相关。因此当系统的总跳数为n时，串行uav中继efogsm-mrc系统的总误码率可以表示为:
[0114][0115]
因此可以得出串行uav中继efogsm-mrc系统的总aber为：
[0116][0117]
其中，
[0118][0119]
为了验证本发明所提出的一种应用增强型完全光广义空间调制的串行无人机中继自由空间光通信方法，先通过数值仿真进行验证，并且使用蒙特卡罗方法验证数据仿真结果的正确性。fso系统在弱中强大气湍流条件下采用m分布模型，中继传输协议使用译码转发方式，并将最大比合并和等增益合并技术引入uav串行中继系统，映射方式采用efogsm。在m分布综合大气信道下，湍流正参数和衰落参数取值分别为α＝8.4604，β＝7(弱湍流)，α＝5.8758，β＝1(强湍流)，光的波长为λ＝1550nm，每跳链路距离为d＝1000m，路径损耗为h
l
＝0.937，波束带宽为wz/r＝25，光电转换效率ω＝0.9，抖动误差δs/r＝3，视场角方向偏差σ0＝1.2mrad，分散功率η＝0.5，平均光功率ω＝0.5，d处噪声方差为r处噪声方差为确定的los相位与los散射项耦合的差值φ
a-φb＝π/2，总散射分量的平均功率2b0＝0.5，地面位置偏差δ
p,g
＝0.1m，uav位置偏差δ
p,u
＝0.1m。
[0120]
串行无人机中继efogsm fso系统在弱、强大气湍流下随不同数据传输速率r变化的aber数值仿真和蒙特卡罗验证图如图3所示。其中，系统中继跳数n＝2，n
t
＝nr＝4，接收端采用mrc接收。从图中可以看出，数值结果与蒙特卡罗模拟拟合良好。当大气湍流逐渐增强时，系统的aber性能下降。如图3中的(a)，当系统的aber为10-10
时，r＝7bpcu、9bpcu、11bpcu、13bpcu时系统所需的snr分别为28db、31db、34db和36db。可以看出，当传输速率从7bpcu分别增加到9bpcu和13bpcu时，efogsm系统的snr分别增加了3db和8db。图3中的(b)可以得出与图3中的(a)相同的结论，即当提高系统的数据传输速率时，也会降低系统的抗干扰能力，使系统的aber增大，所以也不能一味地提高系统的数据传输速率从而损失系统的aber。
[0121]
串行无人机中继efogsm fso系统在弱、强大气湍流下随不同视场角变化的aber数值仿真和蒙特卡罗验证图如图4所示。系统的接收端采用mrc方案，n
t
＝nr＝4。mc模拟与数值曲线的吻合表示数值仿真的正确性。如表2所示，系统在弱湍流下增大时aber减小，而当固定时，由于值的不同系统的aber随着snr的增大产生不同变化。当时，系统的aber并没有随着snr的增加而降低，而是由于的不同分别趋于值0.442126、6.358
×
10-4
。当时，随着snr的增大，系统的aber先降低然后分别趋于值3.812
×
10-7
、1.421
×
10-13
。但是系统的aber需要达到10-7
以下以保证稳定的通信，这表明存在一个最优视场角使系统可以获得更好的aber性能。另外，在弱、强湍流下不同时系统的aber趋于的值保持不变。在图4中的(a)、(b)中，当系统的时，弱、强湍流下snr分别达到46db、58db时，aber的下降趋势才趋于平缓。此外，当时，随着snr的增大系统的aber逐渐减小。但这并不是无限制的，当信号snr足够大时，系统的aber逐渐趋近于一个恒定的值，这表明并不能依靠无限制地增加发射功率来提高系统的aber性能。
[0122]
表2弱湍流下串行uav中继efogsm fso系统的aber性能比较
[0123][0124]
串行无人机中继efogsm fso系统在弱、强大气湍流下随不同空间分集接收方案变化的aber数值仿真和蒙特卡罗验证图如图5所示。其中r＝9bpcu，n
t
＝nr＝4，d＝1000m接收端采用两种空间分集接收方案。从图中可得，数值结果与蒙特卡罗模拟拟合良好。从图5中的(a)可以看出随着snr的增加而降低，系统获得更好的aber性能。在信噪比为26db的弱大气湍流下，空间分集采用mrc，n值为1、3、5时系统的aber分别为1.63
×
10-9
、4.90
×
10-8
、8.17
×
10-8
。因此，误码率随着无人机个数的增加而增加，系统性能因此下降。但系统性能下降的并不严重，当n由3增加到5时，系统aber的上升趋势变得缓慢，系统性能下降的幅度降低。图5中的(b)可以得出相同的结论。这是因为串行无人机中继efogsm fso系统可以很好的抵抗大气湍流引起的衰落，抵消了由于uav数量的增多而导致的系统性能下降问题。系统需要的通信距离其实并没有理论上的限制，可以根据需要部署环境的实际情况以及成本灵活考虑。但是由于系统的成本和性能一定程度上会随着uav个数的增加而增加，因此n的取值不宜过大。此外，在弱湍流下当aber为10-9
、跳数n＝2时，mrc方案可获得高于egc方案约10db的性能增益。
[0125]
串行无人机中继efogsm fso系统在弱、强大气湍流下随不同方向偏差变化的aber数值仿真和蒙特卡罗验证图如图6所示。系统的接收端采用mrc方案。mc模拟曲线与数值模拟曲线吻合验证了数值分析的正确性。如图6中的(a)所示，弱湍流情况下当系统snr＝30，
σo参数分别设置为1.2mrad、2mrad、2.8mrad、3.6mrad时，系统的aber分别达到了4.9
×
10-10
、1.42
×
10-9
、3.3
×
10-5
、0.028。当σo＝1.2mrad时，随着snr的增大，系统的平均比特错误概率逐渐减小。而当σo＝2mrad,2.8mrad，3.6mrad时，系统的snr分别达到28db、8db、1db时，aber下降趋势先是趋于平缓然后分别接近于恒定值1.42
×
10-9
、3.39
×
10-5
、0.0286。因此，当方向偏差σo＝1.2mrad时，系统获得更好的aber性能，随着snr的增大系统的aber逐渐减小。图6中的(b)可以得出相同的结论。但这并不是无限制的，当信号snr足够大时，系统的aber也会逐渐趋近于一个恒定的值，这也表明了不能依靠无限制地增加发射功率来提高系统的aber性能，也同时验证了仿真图4结论的正确性。
[0126]
串行无人机中继efogsm fso系统在弱、强大气湍流下随不同中继链路距离变化的aber数值仿真和蒙特卡罗验证图如图7所示。系统跳数n＝2，n
t
＝nr＝4，调制阶数m＝16，数据传输速率为9bpcu。mc模拟曲线与数值模拟曲线吻合验证了数值分析的正确性。如图7中的(a)所示，为了使系统获得10-10
的aber，距离d＝1000m、1500m、2000m、2500m时，所需的snr分别为29db、31db、35db、39db。系统的aber随着无人机位置距离的增加而增加，这意味着增大无人机到系统接收端和发射端的距离时，需要更大的发射功率来使系统获得更低的aber。图7中的(b)可以得出相同的结论。但是增加无人机距离可以使得传输信号的覆盖面积增大，并且系统能够较好的抵抗大气湍流造成的影响，诸多优点也抵消了系统中无人机位置距离增加时性能下降这一问题。而且无人机可以根据当时的大气环境，灵活的改变位置距离，从而获得一个最佳系统性能。
[0127]
研究结果表明，当无人机数量越多时，aber增大，但uav中继链路覆的盖范围增大可以抵消系统性能下降问题。增加无人机位置距离可以有效地扩大fso通信系统的信号覆盖，但也因此会牺牲系统性能。并且，系统需要的通信距离其实并没有理论上的限制，因此可以根据需要部署环境的实际情况、系统的aber性能以及成本灵活考虑。另外，不能一味地提高系统的数据传输速率从而损失系统的aber。但是由于系统具有很好的抗大气湍流效应的优势，这有助于抵消系统因传输速率增高、链路距离增大等其他因素而导致的性能下降问题。此外，仿真结果表明，得到了两个最优参数值和σo＝1.2mrad，使系统可以获得更好的aber性能。但是当参数或σo固定时，随着snr的增加，系统aber的趋势为先降低后趋于一个固定的值，这表明并不能依靠无限制地增加发射功率来提高系统的aber性能。从仿真中还可以得出系统用不同的空间分集进行接收时系统的aber性能有差异。综合考虑以上因素，本发明所提出的串行无人机中继efogsm fso系统对未来的fso通信实现提供了良好的理论参考。
[0128]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本技术的真正范围和精神由权利要求指出。
[0129]
应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术的范围仅由所附的权利要求来限制。

技术特征：
1.一种应用efogsm调制的串行无人机中继自由空间光通信系统，其特征在于，包括：1个源节点，用于通过1个第一组合发射机发射第一信号，所述第一信号首先经过串并转换，将信号转换为数字序列，然后输入到efogsm调制器进行调制，efogsm调制器将输入的数字序列分成数字比特和空间比特两部分，其中空间比特用于选择传输星座符号信息的激光器子集，之后将再通过efogsm映射器转换，接着将映射而来的efogsm信号经过电光转换后得到的光信号，将所述光信号使用第一组合发射机的发射天线以2到多个或所有n
t
个具有相同信息的信号通过不同路径发送出去；n-1个无人机中继节点，所述n-1个无人机中继节点依次串联，每个所述无人机中继节点均具有1个第二组合发射机和1个第一接收天线阵列，所述第一接收天线阵列包括n
r
根第一接收天线，第一个无人机中继节点的第一个接收天线阵列中的n
r
根第一接收天线分别接收由所述源节点发送的n
t
个具有相同信息的不同路径的光信号，并将其进行光电转换、合并，之后对得到的efogsm信号进行解调，得到第二信号，再在第二组合发射机中将其进行efogsm调制、映射和电光转换得到光信号，使用第二组合发射机的发射天线以n
t
个具有相同信息的信号通过不同路径发送至下一个无人机中继节点，直至最后一个无人机中继节点；其中，所述无人机中继节点对接收到的信号进行译码转发，具有相同信息的处于不同路径的光信号通过大气湍流信道，受大气湍流干扰；1个目的节点，用于通过1个第二接收天线阵列中的n
r
根第二接收天线分别接收第n-1个无人机中继节点发送的n
t
个具有相同信息的处于不同路径的光信号，首先对接收的光信号进行mrc/egc空间分集，利用ml检测算法进行最优探测，接着对信号efogsm解调，然后将信号经过efogsm映射，再进行并串转换，得到第二信号；其中，所述第一信号为原始信号，第二信号为原始信号受联合衰减大气信道影响后的信号。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电光转换是通过n
t
个马赫增德尔调制器(mzm)进行光强度调制，将efogsm电信号调制到n
t
个激光器生成的n
t
个不同路径的光载波上。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统的数据传输速率表示为：上式中，代表向下取整，r代表数据传输速率，p
m
和s
m2
分别代表主信号星座和次信号星座，n
u
表示激活传输主信号星座和次信号星座符号的激光器数量，n
t
表示激光器数量。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，采用m分布模型对大气湍流信道进行建模，考虑到达角(aoa)抖动、路径损耗、瞄准误差和大气湍流的联合衰减作用，所述m分布模型的信道衰减增益h的概率密度函数为：
其中上式中，代表光视场角，u代表链路系数，当系统为gu链路或ug链路时系数u＝1，当系统为uu链路时系数u＝2，σ
o
代表方向偏差标准差，α是与散射过程中有效大规模单元相关的正参数，β是衰落参数数量的自然数，k为二项式系数，为离轴涡流接收的散射分量的平均功率，为总散射分量的平均功率。0≤η≤1表示与视距分量耦合的散射功率量的因子。为相干贡献的平均功率，其中ω＝e[|u
l
|2]为los分量的平均功率。φ
a
和φ
b
分别为确定性视距分量和与之耦合的散射分量，a0＝[erf(v)]2表示径向距离时的接收光功率，h＝h
l
h
a
h
p
h
aoa
代表联合信道衰减状态，h
a
为大气湍流，h
l
为路径损耗，h
p
为瞄准误差，h
aoa
为到达角抖动。5.根据权利要求1-4任一项所述的应用efogsm调制的串行无人机中继自由空间光通信方法，其特征在于，包括：在源节点上，通过1个第一组合发射机发射第一信号，对所述第一信号经过串并转换，将信号转换为数字序列，然后输入到efogsm调制器进行调制，efogsm调制器将输入的数字序列分成数字比特和空间比特两部分，其中空间比特用于选择传输星座符号信息的激光器子集，之后将再通过efogsm映射器转换，接着将映射而来的efogsm信号经过电光转换后得到的光信号，将所述光信号使用第一组合发射机的发射天线以2到多个或所有n
t
个具有相同信息的信号通过不同路径发送出去；将n-1个无人机中继节点依次串联，每个所述无人机中继节点均具有1个第二组合发射机和1个第一接收天线阵列，所述第一接收天线阵列包括n
r
根第一接收天线，第一个无人机中继节点的第一个接收天线阵列中的n
r
根第一接收天线分别接收由所述源节点发送的n
t
个具有相同信息的不同路径的光信号，并将其进行光电转换、合并，之后对得到的efogsm信号进行解调，得到第二信号，再在第二组合发射机中将其进行efogsm调制、映射和电光转换得到光信号，使用第二组合发射机的发射天线以n
t
个具有相同信息的信号通过不同路径发送至下一个无人机中继节点，直至最后一个无人机中继节点；其中，所述无人机中继节点对接收到的信号进行译码转发，具有相同信息的处于不同路径的光信号通过大气湍流信道，受大气湍流干扰；在目的节点上，通过1个第二接收天线阵列中的n
r
根第二接收天线分别接收第n-1个无人机中继节点发送的n
t
个具有相同信息的处于不同路径的光信号，首先对接收的光信号进行mrc/egc空间分集，利用ml检测算法进行最优探测，接着对信号efogsm解调，然后将信号经过efogsm映射，再进行并串转换，得到第二信号；其中，所述第一信号为原始信号，第二信号为原始信号受联合衰减大气信道影响后的
信号。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述电光转换是通过n
t
个马赫增德尔调制器(mzm)进行光强度调制，将efogsm电信号调制到n
t
个激光器生成的n
t
个不同路径的光载波上。

技术总结
本发明公开一种应用EFOGSM调制的串行无人机中继自由空间光通信系统及方法，包括：一个源节点S、N-1个中继节点R和一个目的节点D。系统的中继传输方式为译码转发(DF)，并在系统的接收端考虑了两种空间分集接收方案，分别为最大比合并(MRC)和等增益合并(EGC)。第一信号由第一组合发射机的发射天线发出，经过N-1个无人机中继节点传输时，受到到达角(AoA)抖动、路径损耗、瞄准误差和大气湍流的联合衰减作用，每个所述无人机中继节点均具有1个第二组合发射机和1个第一接收天线阵列，最后由第二接收天线阵列中的第二接收天线接收，得到第二信号。本发明为串行无人机中继EFOGSMFSO系统的工程实现提供了良好的理论基础。的工程实现提供了良好的理论基础。的工程实现提供了良好的理论基础。


技术研发人员：王怡 陆王悦 周睿
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/9/9