利用混合RF-FSO 系統(tǒng)改善深空通信的研究

劉宏展，姜婷，郝源

（1.華南師范大學(xué)信息光電子科技學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣東省微納光子功能材料與器件重點實驗室，廣東 廣州 510006）

1 引言

隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，世界各國對宇宙的探索愈發(fā)深入，深空通信也成了各國關(guān)注的科研熱點。深空通信包括太陽系內(nèi)的星間通信、空間站與星球間通信和超出太陽系的長遠(yuǎn)距離通信。由于通信距離較遠(yuǎn)、信號衰減大、鏈路情況復(fù)雜、對探測接收設(shè)備要求較高等，深空通信目前存在衰落嚴(yán)重、時延大、接收困難等一系列問題。

深空通信與常見的地面通信和低軌衛(wèi)星通信最大的不同點在于，常見的地面通信和低軌衛(wèi)星通信受地球表面的大氣環(huán)境以及建筑物影響較大，而深空通信的信號受太陽活動影響較大，因此，研究太陽閃爍成為研究深空通信的重要理論基礎(chǔ)。通過太陽閃爍研究信號的衰落，進(jìn)而分析深空通信性能是當(dāng)前研究的具體方向之一。

20 世紀(jì)50 年代，研究者開始利用閃爍對太陽風(fēng)情況進(jìn)行觀測。20 世紀(jì)70 年代發(fā)展為利用無線電信號來探測太陽風(fēng)中的電子密度[1]，以及利用多普勒閃爍探測行星之間的光波等[2]。20 世紀(jì)以來，隨著深空通信的發(fā)展，太陽閃爍對深空通信的重要影響被越來越多的研究者關(guān)注[3]。2017 年，徐冠軍等[4]基于Rytov 近似推導(dǎo)了行星上合期間深空閃爍模型，隨后利用該模型對比分析了不同調(diào)制在深空通信中的誤碼率[5-6]，并將混合調(diào)制方式應(yīng)用于深空通信中[7]，通過仿真模擬了深空中混合調(diào)制方式的誤碼率特性，并研究了深空通信參數(shù)與調(diào)制方式之間的關(guān)系。迄今為止，深空通信中相關(guān)研究都是以自由空間光（FSO,free space optics）通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)，但是深空通信受到不規(guī)則的太陽風(fēng)、長遠(yuǎn)距離的衰落，以及地球周圍大氣層的影響，因此單一的FSO 信道模型已經(jīng)不足以充分描述深空通信的特征。Xu 等[8]在最新的研究中提出可以采用混合RF-FSO 系統(tǒng)來改善深空通信性能，而現(xiàn)階段還沒有相關(guān)研究。

Lee 等[9]首次提出將射頻通信（RF,radio frequency）和FSO 通信結(jié)合形成混合RF-FSO 系統(tǒng)的方案，并將2 種通信系統(tǒng)通過中繼技術(shù)結(jié)合起來，推導(dǎo)了RF 信道服從瑞利分布、FSO 信道服從Gamma-Gamma 分布時系統(tǒng)的中斷概率的理論表達(dá)式，并利用仿真驗證了理論推導(dǎo)，該項研究也受到了眾多研究者的關(guān)注。張韻等[10]研究了RF-FSO 系統(tǒng)服從Nakagami-m/指數(shù)韋伯分布的情況，推導(dǎo)了混合RF-FSO 系統(tǒng)端到端的概率密度函數(shù)（PDF,probability density function）表達(dá)式，并研究了混合系統(tǒng)誤碼率和中斷概率性能。喬志等[11]研究了混合RF/FSO 系統(tǒng)的中斷性能，并利用蒙特卡洛仿真驗證了推導(dǎo)結(jié)果的準(zhǔn)確性。Ansari 等[12]提出瑞利/Gamma-Gamma 模型，在不同強度湍流的模擬上具有較高的擬合性，利用該系統(tǒng)模型研究混合RF-FSO 系統(tǒng)中斷概率、誤碼率、信道容量的結(jié)論得到眾多研究者的認(rèn)可。上述研究從中斷概率、誤碼率和信道容量等方面分別研究了混合RF-FSO 系統(tǒng)性能，并得出以下結(jié)論：混合RF-FSO 系統(tǒng)結(jié)合了RF 通信和FSO 通信的優(yōu)點，具有高速率、高帶寬、不受頻譜限制、受大氣干擾小等特性，但是目前針對該系統(tǒng)的研究還未涉及深空環(huán)境。

基于以上研究，本文提出將混合RF-FSO 系統(tǒng)應(yīng)用于深空通信中的方案，混合RF-FSO 系統(tǒng)采用瑞利/Gamma-Gamma 分布模型。首先對深空通信的物理特征和混合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，其次對深空通信誤碼率進(jìn)行仿真，最后根據(jù)仿真結(jié)果得出結(jié)論。

2 理論研究

2.1 幅度閃爍

在深空通信中，星體之間存在相互運動，除了形成多普勒效應(yīng)外，還存在著行星聚合的狀態(tài)，其中行星聚合狀態(tài)分為行星上合和行星下合，具體如圖1 所示[13]。行星上合時地球與空間站距離最遠(yuǎn)，此時太陽到地球與空間站到地球的夾角（SEP,sun-earth-probe）最小為0°，即α=0°；行星下合時地球和空間站距離最近，本文主要討論行星上合的情況。

圖1 行星聚合狀態(tài)示意

行星上合時地球與空間站的距離最遠(yuǎn)，地球到空間站之間的通信鏈路距太陽最近，此時受到太陽活動的影響最大。載有信號的電磁波經(jīng)過太陽日冕區(qū)，信號受到日冕區(qū)的太陽風(fēng)拋射的帶電粒子影響，通信質(zhì)量嚴(yán)重受損。日冕區(qū)是深空環(huán)境的重要組成部分，其受太陽核反應(yīng)變化的影響逐漸向外噴發(fā)出太陽風(fēng)等離子體并延伸至整個行星際和地球外層空間[14]。太陽風(fēng)等離子體密度是描述日冕區(qū)干擾情況的重要參數(shù)，具體表現(xiàn)為太陽風(fēng)湍流的不規(guī)則性。2000 年Cassini 號的探測數(shù)據(jù)也表明，太陽風(fēng)等離子體密度與深空通信誤碼率之間有著緊密聯(lián)系[15]。

當(dāng)載有信號的電磁波穿過日冕區(qū)時，這些分布不均勻且高密度的太陽風(fēng)等離子體會對信號的幅度、相位、頻譜等方面產(chǎn)生影響，這種影響也被稱作深空通信中的閃爍現(xiàn)象，根據(jù)閃爍對象的不同，分別產(chǎn)生幅度閃爍、相位閃爍和頻譜擴展現(xiàn)象。本文討論信號幅度閃爍，并用閃爍指數(shù)m來描述信號受到干擾的大小。從圖1 中可以看出，太陽中心與通信鏈路的徑向距離與SEP 相關(guān)。兩者具體關(guān)系為R=Lsesinα，R為太陽中心與通信鏈路的徑向距離，Lse=1.5 ×1011m為太陽中心到地球的距離。

Afanasiev 等[16]根據(jù)觀測數(shù)據(jù)得出結(jié)論，雖然一個周期內(nèi)太陽活躍程度不同，但等離子體密度與太陽中心點到通信鏈路的垂直距離密切相關(guān)，由此擬合出太陽風(fēng)等離子體密度的統(tǒng)一表達(dá)式為

圖2 是不同載波頻率下深空通信中歸一化的閃爍指數(shù)與SEP 的關(guān)系。從圖2 中可以看出，SEP 越小，閃爍指數(shù)越大。換言之，距離太陽越近，受到的介質(zhì)干擾越強烈，在靠近日心時湍流強度呈飽和狀態(tài)。閃爍指數(shù)與SEP 并非線性關(guān)系，當(dāng)SEP 增大到一定程度后，閃爍指數(shù)迅速減小。這說明，太陽風(fēng)等離子體分布并不均勻，越靠近太陽，等離子體密度越大，對通信的影響越大；當(dāng)太陽與通信鏈路距離達(dá)到一定值時，等離子體密度迅速降低，信道干擾迅速降低。此外，當(dāng)SEP 一定時，載波頻率越大，閃爍指數(shù)m越小。當(dāng)載波頻率為8.4 GHz、SEP 大于2.1°時，m小于0.3，為弱閃爍情況；當(dāng)載波頻率為2.4 GHz、SEP 大于8°時，m才小于0.3。因此，當(dāng)其他條件一定時，選擇頻率更高的載波有利于降低信號受到的干擾，從而改善信號傳輸質(zhì)量。

圖2 不同載波頻率下深空通信中歸一化的閃爍指數(shù)與SEP 的關(guān)系

2.2 混合RF-FSO 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究了一個雙跳混合RF-FSO 系統(tǒng)，主要由3 個部分組成：發(fā)射端，中繼系統(tǒng)和接收端。具體的系統(tǒng)模型如圖3 所示。信號從發(fā)射端發(fā)出，經(jīng)過RF 鏈路后被中繼系統(tǒng)接收，其中RF 鏈路服從瑞利分布。中繼系統(tǒng)接收到信號后對信號進(jìn)行處理，然后發(fā)射出去，被發(fā)射的信號通過服從Gamma-Gamma 分布的FSO 鏈路傳輸?shù)浇邮斩?，被接收器探測接收。出于對系統(tǒng)復(fù)雜度的考慮，本文的中繼系統(tǒng)采用的是放大轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，接收端采用直接探測的方式。

圖3 雙跳混合RF-FSO 系統(tǒng)模型

中繼系統(tǒng)接收到的信號為y1(t)=h1x1(t)+n1(t)，接收端接收到的信號為y2(t)=h2G(h1x1(t)+n1(t))+n2(t)，其中，x1(t)為信號源發(fā)射出的信號，h1和h2分別為RF 信道和FSO 信道的衰落系數(shù)，n1(t)和n2(t)分別是RF 信道和FSO 信道中功率為N01和N02的加性高斯白噪聲（AWGN,additive white Gaussian noise）。當(dāng)中繼系統(tǒng)采用放大轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)時，中繼系統(tǒng)將接收到的信號y1(t)放大G倍，然后將其發(fā)送至接收端，其中，G為放大增益。

3 誤碼率分析

誤碼率是衡量系統(tǒng)性能最重要的指標(biāo)。為了研究混合RF-FSO 系統(tǒng)是否對深空通信有改善作用，本文在深空中將混合RF-FSO 系統(tǒng)與傳統(tǒng)的FSO 系統(tǒng)進(jìn)行了對比，通過誤碼率來判別系統(tǒng)性能優(yōu)劣。

受到湍流介質(zhì)影響的系統(tǒng)非條件誤碼率為

其中，Pe(γ)為調(diào)制方式在高斯白噪聲中的條件誤碼率，fγ(γ)為具體信道的概率密度函數(shù)表達(dá)式。

3.1 采用FSO 系統(tǒng)的誤碼率分析

本節(jié)將對在深空中采用FSO 通信的信道進(jìn)行模擬仿真，F(xiàn)SO 信道采用Gamma-Gamma 分布。系統(tǒng)采用混合脈沖位置調(diào)制?二元相移鍵控?副載波強度調(diào)制（LPPM-BPSK-SIM,L-ary pulse position modulation-binary phase shift keying-subcarrier intensity modulation），該混合調(diào)制在高斯白噪聲中的條件誤碼率[25]為

其中，L=2M為信號的時隙數(shù)，又被稱作信號長度。將式(14)和式(7)代入式(13)，得到 LPPMBPSK-SIM 在有湍流時的誤碼率表達(dá)式。本節(jié)的實驗仿真中，指向誤差參數(shù)為ξ=1，載波頻率為8.4 GHz。

圖4 是深空中不同SEP 下FSO 系統(tǒng)采用LPPM-BPSK-SIM 的誤碼率，L=8。由圖4 知，SEP越大，系統(tǒng)誤碼率越低。當(dāng)α=0.8°時，太陽中心到通信路徑的垂直距離為3Rsun，接收信噪比為40 dB時，系統(tǒng)誤碼率仍大于10?2，通信鏈路受到日冕太陽風(fēng)的嚴(yán)重影響，通信質(zhì)量極差。當(dāng)α=1.4°、1.7°、2.1°、2.5°時，對應(yīng)的太陽中心到通信鏈路的徑向距離分別為5.3Rsun、6.4Rsun、7.9Rsun、9.4Rsun，這4 種情況下的通信系統(tǒng)誤碼率很相近，且遠(yuǎn)低于α=0.8°時的誤碼率。這是因為太陽日冕區(qū)的分布并不是線性的，越靠近太陽，干擾越大，這個結(jié)論與圖2 結(jié)論一致。當(dāng)載波頻率為8.4 GHz 時，太陽與通信路徑的距離大于5Rsun時有較好的通信效果。由此可知，深空通信采用FSO 通信系統(tǒng)時，通信質(zhì)量較差，誤碼率較高，因此，3.2節(jié)在深空通信中引入混合RF-FSO 系統(tǒng)，對比分析混合RF-FSO 系統(tǒng)與FSO 系統(tǒng)的誤碼率性能。

3.2 采用RF-FSO 系統(tǒng)的誤碼率分析

為了改善深空通信質(zhì)量，本節(jié)研究了混合RF-FSO 系統(tǒng)在深空中的通信質(zhì)量，并將其誤碼率與傳統(tǒng)FSO 系統(tǒng)進(jìn)行比較。混合RF-FSO 系統(tǒng)中，RF 信道服從瑞利分布，F(xiàn)SO 信道服從Gamma-Gamma 分布。

此外，為了在調(diào)制方式上進(jìn)一步改善深空通信質(zhì)量，本文對比了 LPPM、BPSK 和 LPPMBPSK-SIM 在深空中的誤碼率情況。由文獻(xiàn)[26]知，高斯白噪聲中LPPM 調(diào)制關(guān)于信噪比的誤碼率可以表示為

圖4 不同SEP 時信噪比與誤碼率的關(guān)系

在針對混合RF-FSO 系統(tǒng)誤碼率的研究中，BPSK 以其較好的抗干擾性經(jīng)常被用到，其條件誤碼率表達(dá)式為[12]

本文在MATLAB 軟件中進(jìn)行了仿真，為了簡便分析，假設(shè)RF 鏈路和FSO 鏈路的平均信噪比相等，即，指向誤差參數(shù)為ξ=1。本文首先模擬了深空通信中FSO 系統(tǒng)和RF-FSO 系統(tǒng)的誤碼率，調(diào)制方式為LPPM-BPSK-SIM，∠α=1.7°，即通信鏈路到太陽中心距離為6.4Rsun。從圖5 中可以看出，在L一定的情況下，當(dāng)平均信噪比大于5 dB時，混合RF-FSO 系統(tǒng)誤碼率低于FSO 系統(tǒng)，隨著系統(tǒng)平均信噪比的增大，RF-FSO 系統(tǒng)與FSO 系統(tǒng)誤碼率差值越大，混合系統(tǒng)改善效果越好。無論在FSO 系統(tǒng)還是RF-FSO 系統(tǒng)中，信號長度L值越大，系統(tǒng)誤碼率越低。由此得出，深空通信中混合RF-FSO 系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的FSO 系統(tǒng)來說，確實有更好的誤碼率性能，隨著信噪比增大，改善效果更好。

圖5 混合RF-FSO 系統(tǒng)與FSO 系統(tǒng)采用LPPM-BPSK-SIM 的誤碼率

當(dāng)太陽活躍程度不同時，本文繼續(xù)展開2 個系統(tǒng)的對比研究。圖6 為不同SEP 下混合RF-FSO 系統(tǒng)與FSO 系統(tǒng)的誤碼率對比。從圖6 中可以看出，SEP 越大，誤碼率越低，這種現(xiàn)象在2 種系統(tǒng)中都存在；SEP 一定時，平均信噪比大于5 dB 時，混合RF-FSO 系統(tǒng)的誤碼率均低于FSO 系統(tǒng)誤碼率，隨著混合系統(tǒng)平均信噪比的增大，混合RF-FSO 系統(tǒng)與FSO 系統(tǒng)誤碼率差值越來越大，因而得出結(jié)論，不同SEP 下，混合RF-FSO 系統(tǒng)依然有更好的誤碼率特性。

圖6 混合RF-FSO 系統(tǒng)與FSO 系統(tǒng)在不同SEP 中的誤碼率

圖7 為深空中不同載波頻率時采用混合RF-FSO 系統(tǒng)的誤碼率，其中L=16，α=1.4°。由圖7 可知，同種載波頻率下，LPPM-BPSK-SIM 在深空通信中的誤碼率性能優(yōu)于BPSK。從載波上看，載波頻率越大，系統(tǒng)誤碼率越小，但是從圖7 中可以看出，同種調(diào)制方式下，載波8.4 GHz 與2.4 GHz 的誤碼率差值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于載波25.6 GHz 與8.4 GHz 的差值。以上證明，雖然載波頻率越高誤碼率越低，但是若有其他通信限制，也可以在較高的頻率范圍內(nèi)選擇較合適的頻率，其誤碼率性能不會有較大犧牲。

圖7 不同載波頻率時混合RF-FSO 系統(tǒng)誤碼率

為了在調(diào)制方式上進(jìn)一步降低誤碼率，本文分別仿真了3 種不同的調(diào)制方式。圖8 為LPPM 和BPSK 在深空通信中的誤碼率對比，α=1.7°，即太陽中心的到通信鏈路的徑向距離為6.4Rsun，載波頻率為8.4 GHz。從圖8 中可以看到，LPPM 的誤碼率隨著L值的增大而降低，這是因為L越大，功率利用率越高，誤碼率越低。當(dāng)L>4 時，LPPM 的誤碼率低于BPSK 的誤碼率，此時采用LPPM 能夠獲得比傳統(tǒng)的BPSK 更好的通信性能。

圖8 深空通信采用LPPM 與BPSK 的誤碼率

圖9 比較了混合LPPM-BPSK-SIM 與BPSK 在同樣的外部條件下的誤碼率。由圖9 知，當(dāng)L>8 時，混合調(diào)制的誤碼率性能優(yōu)于BPSK。綜上所述，同樣的外部條件下，LPPM 和LPPM-BPSK-SIM 這2 種調(diào)制方式優(yōu)于BPSK 的信號長度邊界值不同，但都存在隨L值增大誤碼率減小的情況。因此可得，深空中采用混合LPPM-BPSK-SIM 能夠獲得比傳統(tǒng)BPSK 更優(yōu)的誤碼率性能，且L值越大，混合LPPM-BPSK-SIM 誤碼率越低，因此可利用該混合調(diào)制進(jìn)一步改善深空通信性能。

圖9 深空通信中LPPM-BPSK-SIM 與BPSK 的誤碼率

4 結(jié)束語

本文研究了深空通信的物理特性，在此基礎(chǔ)上將混合RF-FSO 系統(tǒng)應(yīng)用于深空通信中，利用仿真對比了混合RF-FSO 系統(tǒng)與傳統(tǒng)FSO 系統(tǒng)的誤碼率。仿真結(jié)果顯示，深空通信中混合RF-FSO系統(tǒng)誤碼率遠(yuǎn)低于FSO 系統(tǒng)，即使載波頻率不同、SEP 不同、調(diào)制方式不同時，該現(xiàn)象依然存在，因此混合RF-FSO 系統(tǒng)可以用來改善深空通信性能。

此外，本文研究了LPPM-BPSK-SIM 在深空通信中的誤碼率特性，并得出結(jié)論：深空通信中，選用LPPM-BPSK-SIM 可以獲得比傳統(tǒng)的BPSK 更低的誤碼率，且L值越大，誤碼率越小。因此，在深空中采用混合LPPM-BPSK-SIM 和混合RF-FSO 系統(tǒng)可以更有效地改善通信質(zhì)量。