梁薇,黎軍,李靜玲,崔濤,魏佳圓,張怡

中國空間技術研究院西安分院,西安 710100,中國

1 引言

航天器艙內無線光通信主要是采用光作為通信媒介將電子設備互聯(lián),實現內部信息共享和綜合利用的信息傳輸系統(tǒng),它是航天器自主運行的核心。在對質量、體積及電磁兼容等要求十分苛刻的艙內環(huán)境下,無線光通信能夠代替繁重的有線電纜,在保證高可靠性的前提下降低質量,在航天領域中具有十分重要的作用[1-2]。

近年來,國外關于航天器內無線光通信開展了大量的研究工作[3-7]。2004年,INTA發(fā)射了首顆采用星內光無線通信鏈路(optical wireless link for intra-satellite communication,OWLS)技術的NANOSAT-01在軌試驗星,證實了OWLS技術太空應用的可行性。2007—2008年,ESA發(fā)射了FONTON-03試驗衛(wèi)星,在太空進行了首次OWLS飛行器驗證的研究和實驗,2010年INTA發(fā)射的OPTOS全光試驗衛(wèi)星,使用光無線通信鏈路搭建了整個星內的數據傳輸系統(tǒng)。NASA 和日本信州大學正在探索航天無線光技術在航天領域的應用。2015 年,NASA Space Act Agreement 開始經費支持肯尼迪航天中心與LVX 公司進行艙內光通信研究。

艙內通信的傳輸安全與傳輸質量保障是航天器長時間穩(wěn)定運行的前提與基礎。航天器特別是大型航天器(如大型通信衛(wèi)星、空間站),內部空間小且密閉、設備密集,無線信號反射/折射多徑復雜,密閉空間和單向伸展特性形成了特殊的空間傳輸環(huán)境,較地面其它室內環(huán)境更復雜,易受多徑干擾、背景光噪聲干擾,以及環(huán)境有限變化引起的傳輸質量波動等多源干擾影響。

目前針對艙內無線光通信的干擾問題,OFDM技術因其良好的抗多徑干擾性能,成為了本領域的研究熱點之一,圍繞它開展了許多深入的研究。

文獻[8]針對室內無線光系統(tǒng),提出了OFDM使用自適應技術可以減小多徑效應和提高通信系統(tǒng)性能的方法。

文獻[9]在艙內環(huán)境對無線光ACO-OFDM和DCO-OFDM兩種模式完成了多性能的仿真對比。

對于保證無線光通信傳輸質量的干擾消除技術集中在:遞歸最小二乘(recursive least squares,RLS)、最小均方(least mean square,LMS)及變步長RLS/LMS算法,文獻[10]采用修正函數在算法迭代中完成值的修正,增強算法的自適應能力的同時在每次迭代中增加了計算量,文獻[11]提出了迭代變步長最小均方算法,利用該算法實現了快速收斂的高對消比數字域干擾對消。

以上算法均針對地面無線光通信環(huán)境,算法復雜度高,對于空間封閉、設備密集、鏈路有限變化、資源受限的艙內環(huán)境,沒有綜合考慮艙內環(huán)境的有限變化以及算法復雜度對資源受限系統(tǒng)的影響,難以直接應用于艙內無線光傳輸環(huán)境。

本文采用ACO_OFDM(asymmetrically clipping optical OFDM,非對稱限幅光OFDM)技術,通過分析艙內鏈路狀態(tài),針對復雜多徑干擾、信道動態(tài)變化等環(huán)境特點,提出一種基于鏈路狀態(tài)的環(huán)境自適應干擾消除算法(link-state-based adaptive IC,LSBA-IC),通過估計無線鏈路狀態(tài)變化的持續(xù)性,生成艙內鏈路的穩(wěn)態(tài)信息,采用變遺忘因子RLS算法,建立不同鏈路狀態(tài)與算法參數的映射關系,以提高艙內通信質量,減少算法復雜性,靈活適應艙內多種干擾情況。

2 艙內無線光傳輸系統(tǒng)分析

ACO-OFDM是一種單極性OFDM調制技術,采用了快速傅里葉變換(fast fourier transform,FFT)算法來進行調制和解調,能夠提供高頻譜效率,還對信道隨機性產生的突發(fā)性錯誤具有很好的免疫性,并且以其平均光功率低和功率效率高的優(yōu)點被廣泛應用。

圖1是ACO_OFDM的發(fā)射接收系統(tǒng)實現原理,在ACO_OFDM通信系統(tǒng)中,發(fā)送的數據承載在不同頻率的N個子載波上進行傳輸,使用QAM對每個子載波進行調制,在滿足共軛對稱性的基礎上,僅在奇載波上傳輸發(fā)送數據,在偶載波上傳輸零,則在IFFT的輸入端信號可表示為[12-13]:

X=[0,X0,0,X1,…,0,XN-1,0,

(1)

即X=[X0,X1,X2,…,0,X4N-2,X4N-1]

(2)

經過IFFT變換,得到時域的實信號為:

x=[x0,x1,x2,…,0,x4N-2,x4N-1]

(3)

經過IFFT之后需要對信號進行限幅,并將負數信號削掉,從而保證信號的非負性。對IFFT模塊產生的雙極性實數抽樣值進行非對稱限幅,通過在零值處限幅將其變?yōu)閱螛O性的正信號,即

(4)

ACO_OFDM通過犧牲頻帶利用率換取了功率效率的提升。

ACO_OFDM系統(tǒng)的信號易受到艙內多源干擾的影響,鏈路狀態(tài)隨機變化,造成了鏈路質量的差異化波動,影響艙內通信性能。為了保障艙內多種數據的傳輸安全,擬采用基于鏈路狀態(tài)的自適應干擾消除算法,保證鏈路質量。

圖1 ACO-OFDM系統(tǒng)發(fā)射接收端原理Fig.1 Schematic of the transmitting and receiving end of the ACO-OFDM system

3 基于鏈路狀態(tài)信息的環(huán)境自適應干擾消除算法

3.1 艙內鏈路狀態(tài)信息分析

在艙內無線光通信系統(tǒng)中,環(huán)境對系統(tǒng)性能的影響主要表現在鏈路中障礙物對光束反射、折射、繞射以及自然界背景光等因素,引起的傳輸光信號幅度和相位的強烈波動。

艙內的多源干擾按其成因可分為[14-18]:

(1)路徑損耗

在艙內無線光通信系統(tǒng)中,根據發(fā)射器和接收器之間的方向角度分為定向型、混合型和非定向型三種,根據發(fā)射器和接收器之間是否存在不間斷的視覺線路,將通信鏈路分為視距鏈路(LOS)和非視距鏈路(NLOS)。視距鏈路是指光從發(fā)射端出發(fā),直接到達接收端,中間不經過任何障礙物的反射。非視距鏈路指光不直接到達接收端,而是經墻壁、地面和相關障礙物反射后,被接收端接收。非視距鏈路對指向要求低,但存在多徑效應。

圖2 航天器內光通信鏈路分類Fig.2 Classification of optical communication links in spacecraft

根據航天器內的結構布局特點,將航天器內無線光鏈路劃分為:短距離視距傳輸、長距離視距傳輸、短距離非視距傳輸和長距離非視距傳輸,具體定義如表1。其中遠距離非視距傳輸鏈路信號極易被反射,所受多徑干擾的影響最大。

表1 鏈路分類

表中C1、C2、C3、C4均為鏈路模型名稱,l1、l2為艙內路徑長度,單位為m。

(2)背景光干擾

艙內人造光源或外部環(huán)境的干擾光,共同組成了背景光噪聲,背景光噪聲的變化會引起鏈路質量的擾動,載人艙內背景光噪聲的強度變化受人員活動時間的影響。

(3)突發(fā)干擾

受外部攻擊或艙內環(huán)境突然改變(如艙內人員走動、設備相對位置改變造成的鏈路變化)的影響,艙內無線光鏈路呈現突發(fā)動態(tài)變化,引起誤碼率變化。

本文主要研究視距鏈路下的鏈路狀態(tài)突發(fā)變化引起的通信質量下降問題。

3.2 LSBA-IC算法原理

(1)變遺忘因子RLS算法

RLS算法是考慮一種指數加權的最小二乘法,使用加權的誤差平方和作為代價函數,得到下面有約束的最優(yōu)化問題[19-20]:

(5)

式中:e(i)表示期望響應di與i時刻濾波輸出xT(i)w(i-1)之間的誤差;w(i)為i時刻的權矢量,滿足0<λ<1,遺忘因子對算法的收斂速度和跟蹤性能有很大的影響。λ值的大小可以由誤差值e(i)來決定,為了達到更好的干擾消除性能,λ值的變化應遵循以下條件:

1)在初始收斂階段或未知系統(tǒng)的參數剛剛發(fā)生變化時,遺忘因子應該快速變小,來得到較快的收斂速度和跟蹤速度;

2)在算法收斂后,系統(tǒng)平穩(wěn),應該調整遺忘因子保持較大值,使穩(wěn)態(tài)失調較小。

因此,采用變遺忘因子的思想對λ值進行修正,以克服固定遺忘因子所帶來的矛盾,使它既能獲得較快的收斂速度、跟蹤速度,又能使系統(tǒng)收斂時的估計誤差小。本文采用高斯(Gauss)函數作為可變遺忘因子函數。

(6)

式中:a表示高斯函數圖形的擴展常數,a值越大,高斯函數圖形越寬,a值越小,高斯函數圖形越窄。圖3為不同a值下的高斯函數圖形。

圖3 不同a值的高斯函數圖形Fig.3 Gaussian function graphs with different values of a

可以看到a值較低時,在趨近于0處的自適應穩(wěn)態(tài)階段,函數仍有較大變化,適用于干擾較大的環(huán)境以進一步加快算法的收斂速度,在干擾相對較小的環(huán)境中,可以適當增大a的值,在e(i)趨近于0處時保持較高的遺忘因子值,以保證得到更精確的干擾消除結果。

(2)鏈路狀態(tài)估計

利用艙內環(huán)境的有限變化的特點,將艙內鏈路狀態(tài)區(qū)分為穩(wěn)定、較不穩(wěn)定和不穩(wěn)定。

制定針對鏈路狀態(tài)而動態(tài)變化的干擾消除策略,具體體現在建立鏈路狀態(tài)與變遺忘因子函數的映射關系:

(7)

式中:a1

(3)LSBA-IC算法流程

整理得到基于鏈路狀態(tài)信息的環(huán)境自適應干擾消除算法具體步驟為:

步驟1:根據艙內通信鏈路質量參數的歷史狀態(tài)信息,對鏈路狀態(tài)進行估計,將其劃分為穩(wěn)定和不穩(wěn)定。

步驟2:根據艙內背景光噪聲信息,設置光硬限幅參數。

(8)

更新權向量:

W(n)=W(n-1)+g(n)·

[d(n)-UT(n)W(n-1)]

(9)

更新相關矩陣的逆矩陣:

C(n)=λ-1[C(n-1)-g(n)UT(n)C(n-1)]

(10)

4 仿真分析

設定艙內為采用C1/C2的視距方式、多徑衰落信道下的ACO_OFDM系統(tǒng),信噪比為20dB,多徑信道時延參數Delay1=[0 2 2 4 3],歸一化的信道沖激響應為:H1=[0.55 0.50 1.01 0.03 0.35]?？紤]64點IFFT和16-QAM調制方案,保護間隔GI的長度為16。采用強度調制直接檢測(IM-DD)的光調制方式,設定背景噪聲功率為1.6dBm,鏈路狀態(tài)判斷閾值d1取值為0.1,d2取值為0.3,a1=5且a2=10。對采用固定遺忘因子的RLS干擾消除算法和LSBA-IC算法進行了仿真。

圖4為鏈路為平穩(wěn)狀態(tài)下的固定遺忘因子的干擾消除算法與本文提出的LSBA-IC算法誤碼率性能對比,可以看出兩種算法均有效地抑制了艙內多源干擾,但本文的算法具有更好的性能。這是由于在鏈路平穩(wěn)狀態(tài)下,LSBA-IC算法的遺忘因子取值會趨近于1,這時算法具有更好的誤碼率性能。

圖4 算法的誤碼率性能曲線Fig.4 Curve of algorithm error rate performance

為了研究艙內無線光通信鏈路受到外部干擾或振動時,鏈路狀態(tài)突變的情況下算法的收斂性能,在算法迭代到250次時強制改變信道參數,將多徑信道時延參數由Delay1變?yōu)镈elay2,Delay2=[1 2 3 5 8],將歸一化的信道沖激響應由H1變?yōu)镠2,H2=[0.15 0.50 1.01 0.03 0.25]。圖5為λ=0.97的固定遺忘因子的干擾消除算法與本文提出的LSBA-IC算法的收斂性能對比。從圖中可以看出,基于固定遺忘因子的干擾消除算法收斂速度相對較慢,在迭代次數為500次左右時才達到收斂,收斂曲線波動范圍也較大,而本文提出的算法在迭代次數為350左右時即已達到收斂,這充分說明本文算法的收斂效率高于固定遺忘因子的干擾消除算法。在鏈路質量動態(tài)波動的情況下能夠快速調整,迅速收斂,在非平穩(wěn)狀態(tài)下具有良好的跟蹤性。

圖5 算法的收斂性能曲線Fig.5 The convergence performance curves of the algorithms

5 結論

傳統(tǒng)利用有線電纜傳輸信息的方式受到航天艙體積、質量等條件的限制,如何有效降低制造及運行成本、替換傳統(tǒng)數據電纜發(fā)展新的艙內通信技術、提高載荷比是航天領域需要解決的難題。無線光通信技術因其傳播定向性高、傳輸容量大、抗干擾能力突出等優(yōu)點成為當前的研究熱點之一。

針對航天艙內各點之間的無線信道環(huán)境復雜、多徑傳輸效應顯著的問題,本文提出一種基于鏈路狀態(tài)的環(huán)境自適應干擾消除技術,該方法對艙內鏈路的狀態(tài)進行估計,有效感知鏈路的持續(xù)變化,在平穩(wěn)狀態(tài)下優(yōu)先保證傳輸的誤碼性能,在鏈路狀態(tài)變化時具有更好的收斂性能,靈活滿足艙內多種傳輸情況,可提升艙內無線光通信的抗干擾能力和穩(wěn)定性。