空间光通信中自动重传请求机制性能的获取方法 |
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| 申请号 | CN201610605680.9 | 申请日 | 2016-07-28 | 公开(公告)号 | CN105978624A | 公开(公告)日 | 2016-09-28 |
| 申请人 | 哈尔滨工业大学; | 发明人 | 王振永; 耿驰; 李德志; 吴茗蔚; 宋天宇; | ||||
| 摘要 | 空间光通信中自动重传 请求 机制性能的获取方法，涉及空间光通信技术领域。本 发明 是为了解决传统ARP较低时，由于重传次数很大，会导致分析误码率的性能差的问题。本发明所述的空间光通信中自动重传请求机制性能的获取方法，为了更公平地评价FSO中使用CRC的ARQ机制的误比特率和吞吐量性能，提出了有效ARP，利用有效ARP、传统ARP与无ARQ机制绘制曲线，进行评价。通过仿真发现当传统ARP足够高时，只需要极少次重传就可以获得很高的性能增益。 | ||||||
| 权利要求 | 1. 空间光通信中自动重传请求机制性能的获取方法，其特征在于，该方法首先设传统 平均接收能量Pg初始值为X地m且-40《X《-30,然后执行W下步骤： 步骤一：调整发射机功率，使接收机接收到传统平均接收能量Pe，然后同时执行步骤二 和步骤Ξ; 步骤二:进行自动重传请求机制的光通信，统计接收机数据帖总传输次数、接收帖个数 及传统平均接收能量Pe的误码率，然后执行步骤四； 步骤Ξ:进行无自动重传请求机制的光通信，统计无自动重传请求机制下的误码率，然 后执行步骤六； 步骤四：利用数据帖总传输次数和接收帖个数获得平均传输次数M，然后执行步骤五； 步骤五:根据传统平均接收能量Pe、平均传输次数Μ及循环冗余校验码的码率N，获得有 效平均接收能量Ps，使有效平均接收能量Ps的误码率与传统平均接收能量Pe的误码率相同， 然后执行步骤六； 步骤六:令传统平均接收能量Pe增大2地m，并判断此时的传统平均接收能量Pe是否大于 Y地m且-15《Υ《-10，是则执行步骤屯，否则执行返回步骤一； 步骤屯:分别绘制无自动重传请求机制下的误码率曲线、有效平均接收能量Ps的误码率 曲线和传统平均接收能量Pc的误码率曲线。 |
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| 说明书全文 | 空间光通信中自动重传请求机制性能的获取方法技术领域[0001] 本发明属于空间光通信技术领域，尤其设及通信系统的自动重传请求技术。 背景技术[0002] 自由空间光通信(FSO)是W光波作为传输载波，W自由空间作为传输介质的通信 系统。由于FSO具有通信容量大、体积小、功耗低、传输距离远、抗干扰能力强W及光束发散 小不易被截获等优点，在无线通信、移动网络、卫星通信等各种应用领域中都得到了广泛的 关注。 [0003] 对于FSO而言，大气端流和指向误差会导致接收信号能量的波动，且会大大降低系 统性能。自动重传请求(ARQ)机制通过使用循环冗余校验码(CRC)和数据帖重传的方式，使 系统可靠性得到提升，因此在无线通信中广泛使用。同样，ARQ机制也可W应用在FSO中来克 服接收到的光信号能量波动的问题，提高系统可靠性。运方面研究在2000年开始，针对不同 FSO场景的几种ARQ传输机制已得到了设计与性能分析，包括带有增量冗余的自适应混合 ARQ机制协议设计、混合ARQ机制在点对点FSO系统中的一致性能、针对高海拔平台场景的 ARQ分析等。众所周知，ARQ机制对系统性能的提升是W牺牲系统的吞吐量或带宽效率为代 价的。但是，在成功接收一个数据包的过程中，由于重传导致的更多能量的消耗往往被忽 视。先前的研究在进行误比特率性能分析时，没有将由重传消耗的能量计算在内。值得一提 的是，现有技术中考虑了重传能量，但是它的误比特率是通过设定最大可传输次数进行计 算的，而运个参数是个常数。在实际中，由于加性高斯白噪声(AWGN)和FSO信道波动变化的 随机性，接收机成功接收到的每个数据帖的传输次数是一个随机变量。此外，现有技术还从 信息论的角度推导了平均传输次数的理论表达式。并且推导了无检错码的误帖率。由于没 有用CRC校验码进行检错，上述两种结果都没有反映出真实的ARQ性能。此外，为了权衡吞吐 量和能量消耗，吞吐量-能量效率已被提出。 [0004] 通常在FSO系统中，将光接收机单位时间内接收到光束的能量称为平均接收能量 (ARP)，在本文中称其为传统ARP。在传统ARP较低时，由于重传次数很大，分析误码率的性能 很差。 发明内容[0005] 本发明是为了解决传统ARP较低时，由于重传次数很大，会导致分析误码率的性能 差的问题，现提供空间光通信中自动重传请求机制性能的获取方法。 [0006] 空间光通信中自动重传请求机制性能的获取方法，该方法首先设传统平均接收能 量Pc初始值为X地m且-40-30，然后执行W下步骤： [0007] 步骤一:调整发射机功率，使接收机接收到传统平均接收能量Pe,然后同时执行步 骤二和步骤[000引步骤二:进行自动重传请求机制的光通信，统计接收机数据帖总传输次数、接收帖 个数及传统平均接收能量Pe的误码率，然后执行步骤四； [0009] 步骤=:进行无自动重传请求机制的光通信，统计无自动重传请求机制下的误码 率，然后执行步骤六； [0010] 步骤四：利用数据帖总传输次数和接收帖个数获得平均传输次数M，然后执行步骤 五； [0011] 步骤五:根据传统平均接收能量Pe、平均传输次数M及循环冗余校验码的码率N，获 得有效平均接收能量Ps,使有效平均接收能量Ps的误码率与传统平均接收能量Pe的误码率 相同，然后执行步骤六； [0012] 步骤六:令传统平均接收能量Pe增大2地m，并判断此时的传统平均接收能量Pe是否 大于Y地m且-15《Y《-10,是则执行步骤屯，否则执行返回步骤一； [0013] 步骤屯:分别绘制无自动重传请求机制下的误码率曲线、有效平均接收能量Ps的 误码率曲线和传统平均接收能量Pc的误码率曲线。 [0014] 为了更公平地评价FSO中使用CRC的ARQ机制的误比特率和吞吐量性能，本发明提 出了有效ARP。本发明考虑使用开关键控(OOK)的强度调制直接检测（IM/DD)系统。通过仿真 发现当传统ARP足够高时，只需要极少次重传就可W获得很高的性能增益。 [0015] 通过实验表明，在弱端流信道环境下，只有当传统ARP高于-30.2地m时，或者在强 端流信道环境下，只有当传统ARP高于-32.2地m时，使用ARQ机制的FSO系统才是有效的，否 则使用ARQ机制只会造成能量的浪费，而不会提高系统性能。此外，在弱端流信道环境下，当 传统ARP高于-29.2地m时，在强端流信道环境下，当传统ARP高于-31.7地m时，FSO系统使用 ARQ机制才是有效的。在弱端流信道环境下，当传统ARP高于-24.2地m时，在强端流信道环境 下，当传统ARP高于-17.2地m时，系统性能会有显著提高；而当传统ARP较低时，由于重传次 数大，系统性能很差。随着传统ARP在弱端流信道中从-34.2地m增加到-23.2地m、在强端流 信道中从-35.0地m增加到-11.2地m时，系统吞吐量快速上升，误比特率快速降低，系统性能 得到很大改善。附图说明 [0017]图2为空间光通信中自动重传请求机制性能的获取方法的流程图；[001引图3为弱端流信道SI = 0.1244时，传统ARP与有效ARP的误比特率曲线图，其中，码 率为20/24，纵坐标表示位误码率，横坐标表示传统平均接收能量，其单位为地m，曲线Al表 示有ARQ机制的有效ARP，Bl表示无ARQ机制，Cl表示有ARQ机制的传统ARP，箭头表示有效ARP 高于传统ARP的幅度； [0019]图4为强端流信道SI = 1.3890时，传统ARP与有效ARP的误比特率曲线图，其中，码 率为20/24，纵坐标表示位误码率，横坐标表示传统平均接收能量，其单位为地m，曲线A2表 示有ARQ机制的有效ARP，B2表示无ARQ机制，C2表示有ARQ机制的传统ARP，箭头表示有效ARP 高于传统ARP的幅度； [0020] 图5为弱端流信道SI = O. 1244时，传统ARP的吞吐量与有效吞吐量曲线图，其中，码 率为20/24,纵坐标表示系统的吞吐量与有效吞吐量的比值，横坐标表示传统平均接收能 量，其单位为地m，曲线A3表示有效吞吐量，B3表示吞吐量； [0021] 图6为强端流信道SI = 1.3890时，传统ARP的吞吐量与有效吞吐量曲线图，其中，码 率为20/24,纵坐标表示系统的吞吐量与有效吞吐量的比值，横坐标表示传统平均接收能 量，其单位为地m，曲线A4表示有效吞吐量，B4表示吞吐量。 具体实施方式[0022] 在ARQ机制的传输系统中，接收机会向发送机报告解调状态。当接收数据帖被接收 机成功解调时，接收机向发送机反馈一个肯定应答(ACK)，发送机就会发送下一个数据包； 否则，当数据帖被检测出错误时，接收机向发送机反馈否定应答(NACK)，发送机就要重传该 数据帖。重传持续进行，直到发送机收到一个ACK或达到最大允许重传次数为止。若后者发 生，即产生误码，此时该数据帖会被丢弃。 [0023] 对于无线通信系统，ARQ机制利用了检错码和数据帖的重传而获得良好的可靠性。 对于FSO信道，可W用类似的传输方法提高通信中的性能。但FSO与无线通信不同的是:无线 通信系统常用接收到的信噪比作为系统性能分析参数，而在FSO系统中由于接收机的光子 检测器接收到的光功率与输出的电流功率不是线性关系，且其单位时间内接收到的光功率 是容易计算的物理量，因此光通信的接收机通常用ARP作为测量参数。 [0024] 当系统成功接收一个数据帖时，有ARQ机制的系统比无ARQ机制的系统多消耗的能 量主要有两方面来源:数据帖中校验码消耗的能量和数据帖重传所消耗的能量。由于ARQ机 制为数据帖加入了校验码，而校验码也是消耗发送能量的因素，因此在接收ARP时需要考虑 循环冗余校验码的码率m/n。 [0025] 对于需要重传的数据帖，由于每次传输都在消耗系统能量，因此在接收机成功接 收一个数据帖时，只计算一次传输所接收到的传统ARP是不合理的。为了对系统性能进行公 平分析与比较，需要考虑数据帖的总传输能量。 [0026] 综上所述，本文使用有效ARP(记为Ps)来评估系统性能。具体实施方式如下：具体实施方式 [0027] 一:参照图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的空间光通信中 自动重传请求机制性能的获取方法，该方法首先设传统平均接收能量Pg初始值为X地!!!且- 40《X《-30,然后执行W下步骤： [0028] 步骤一:调整发射机功率，使接收机接收到传统平均接收能量Pe,然后同时执行步 骤二和步骤 [0029] 步骤二:进行自动重传请求机制的光通信，统计接收机数据帖总传输次数、接收帖 个数及传统平均接收能量Pe的误码率，然后执行步骤四； [0030] 步骤=:进行无自动重传请求机制的光通信，统计无自动重传请求机制下的误码 率，然后执行步骤六； [0031] 步骤四：利用数据帖总传输次数和接收帖个数获得平均传输次数M，然后执行步骤 五； [0032] 步骤五:根据传统平均接收能量Pe、平均传输次数M及循环冗余校验码的码率N，获 得有效平均接收能量Ps,使有效平均接收能量Ps的误码率与传统平均接收能量Pe的误码率 相同，然后执行步骤六； [0033] 步骤六:令传统平均接收能量Pe增大2地m，并判断此时的传统平均接收能量Pe是否 大于Y地m且-15《Y《-10,是则执行步骤屯，否则执行返回步骤一； [0034] 步骤屯:分别绘制无自动重传请求机制下的误码率曲线、有效平均接收能量Ps的 误码率曲线和传统平均接收能量Pc的误码率曲线。 [0035] 上述S条误码率曲线即为空间光通信中自动重传请求机制性能的表达曲线。具体实施方式 [0036] 二:本实施方式是对一所述的空间光通信中自动重传 请求机制性能的获取方法作进一步说明，本实施方式中，步骤屯之后还包括W下步骤： [0037] 步骤八:设有效平均接收能量Ps的误码率曲线与无自动重传请求机制下的误码率 曲线的交点为A， [0038] 当传统平均接收能量Pe的误码率小于点A对应的值时，自动重传请求机制性能很 差； [0039] 当传统平均接收能量Pc的误码率大于点A对应的值时，自动重传请求机制性能良 好。 [0040] 在实际应用中，ARQ机制一般都会明显降低系统误比特率。然而，校验码和重传也 会消耗更多的能量。传统ARP不计算由单帖的多次重传消耗的能量。因此，用传统ARP将使用 ARQ机制与不使用ARQ机制的系统进行比较是不公平的。从有效ARP的定义可W看出，校验码 和重传消耗的能量有所考虑。因此，有效ARP不仅能够反映出系统消耗的能量，而且还具有 有效性，是更适合作为系统性能比较的参数。 [0041] 本实施方式使用的FSO系统的接收机的框图如图1所示。记I为信号强度距离，得到 光传输信号的平均功率为P = //2。假设接收机对每个符号间隔为Ts的光电流进行积分，并 去除所有由背景光引起的常偏差，在积分过程中假设光电流是常数。当发送机发出取值于 集合{0,1}的数据符号m化)时，接收信号Hk)可W表示为： [0042] 1'取)=-JU¥'RhL"ik)Ts + 1'!取) [0043] 式中，R表示光子检测器的响应率，h代表瞬时信道增益，其波动由信道中的大气端 流和指向误差引起，n化)为标准化离散加性高斯白噪声。 [0044] 由于光子检测器进行光电转换，因此热噪声是主要考虑的噪声因素。在实际接收 机硬件中并不必要对正交基巧进行分析，运里采用正交基，是因为便于后续通过标 准化离散加性高斯白噪声(AWGN)n化)对性能分析进行简化，得到E[n(i)n(j)]=SuN〇/2,其 中，E[n(i)n(j)]表示两个时刻噪声值n(i)与n(j)的相关系数，A = 2^器，佈/2表示均 值为0的加性高斯白噪声双边谱密度，i，j G k。 [0045] 定义没:=^/5厉法胁',为接收机瞬时电信号强度，则r化)可W表示为： [0046] ；r(k) =Bm化)+n(k)。 [0047] 本实施方式中，X = -35，Y = -15。设有效平均接收能量Ps的误码率曲线与无ARQ的 误码率曲线的交点为点A，当传统ARP的误码率小于点A对应的值时，由于重传次数很大导致 ARQ系统性能很差；只有当传统ARP的误码率大于点A对应的ARP值时，使用ARQ机制的自由空 间光通信系统才是有效的，否则使用ARQ机制只会造成能量的浪费，而不会提高系统性能。 随着ARP提高，当传统平均接收能量Pc的误码率曲线和有效平均接收能量Ps的误码率曲线逐 渐趋近时，系统吞吐量快速提高、误码率快速降低，此时ARQ性能有显著提高。 [0048] 图3和图4描述了系统的误比特率与传统ARP和有效ARP的关系曲线，其中箭头的含 义是有效ARP高于传统ARP的幅度。对于使用传统ARP的ARQ机制，ARP的值就是接收机的检测 结果。对于使用有效ARP的ARQ机制，其ARP的值是用传统ARP、循环冗余校验码的码率N和平 均传输次数M的结果通过步骤五获得的。由于M是个变化值，因此有效ARP对应的误比特率曲 线并不是单调递减的。 [0049] 如图5和图6所示，图5和图6描述了系统的吞吐量和有效吞吐量的变化曲线。另一 对性能参数是吞吐量和有效吞吐量。吞吐量定义为单位时间内被成功接收的信息数量与发 送的信息数量的比值;有效吞吐量定义为单位时间内成功接收的正确信息数量与发送的信 息数量的比值。具体实施方式 [0050] 本实施方式是对一所述的空间光通信中自动重传 请求机制性能的获取方法作进一步说明，本实施方式中，步骤四所述的平均传输次数M为数 据帖总传输次数与接收帖个数的比值。 [0051] 本实施方式中，定义平均传输次数M为数据帖总传输次数与接收帖个数的比值。通 过在实验中记录下每个接收数据帖的传输次数，获得所有帖的平均传输次数M。当系统对数 据帖设定最大重传次数时，丢弃的数据帖的传输次数也应该包含于总传输次数中。一般来 说，由于数据帖的多次重传可W在一个信道相关长度内完成，则系统每次重传消耗的发送 能量相同，因此系统传输消耗的总能量是传输一次消耗能量的M倍。此外，由于相关长度内 信道增益保持不变，于是系统每次重传接收机接收到的ARP相同。具体实施方式 [0052] 四：本实施方式是对一所述的空间光通信中自动重传 请求机制性能的获取方法作进一步说明，本实施方式中，循环冗余校验码的码率N为： [。化引 N=m/n [0054] 其中，m为信息比特的个数，n为循环冗余校验码位数。 [0055] 本实施方式中，假设消息序列是Wm个信息比特为一组。每m个信息比特都与(n-m) 个校验位共同组成一个n位循环冗余校验码，并作为一帖进行传输，循环冗余校验码的码率 为m/n。假设数据帖中每个比特的能量相同，则该数据帖信息的总能量是原消息序列的n/m 倍。具体实施方式 [0056] 五:本实施方式是对一所述的空间光通信中自动重传 请求机制性能的获取方法作进一步说明，本实施方式中，利用下式获得步骤五所述的效平 均接收能量Ps: [0057] A 叫'X去XJ/。 [0058] 本发明提供的评估方法，假设FSO系统具有如下参数：[0化9] 对于弱端流信道，a = 17.13,0=16.04,对应的SI = O. 1244; [0060] 对于强端流信道，a = 2.23，0= 1.54，对应的 SI = 1.3890。 [0061] 其中，a和肚匀为信道模型的分布形状参数，SI为闪烁系数。 [0062] 指向误差参数可W选为Ao = 0.0 198和丫 =2.8071。其中，Ao是无指向误差时接收功 率的部分，T是接收机的等效光束半径与指向误差标准偏差的比值。 [0063] 设光子检测器的响应率R为1，信道增益的期望E比]为1。 [0064] 设系统数据速率Rdata为lOGbpS，则信号符号间隔Ts=l/Rdata为l(r"秒，信道相关长 度Lc为IO4个符号间隔时可视为安全。 [0065] 考虑数值为-174dBm/Hz的典型热噪声，通过一个50〇的接收回路。因此得到邮/2 的值为-174地m/Hz 今 50 Q = 7.96 X 1〇-23a2/Hz，即No = 1.59 X 1〇-22a2/Hz。在ARQ机制中，假设 每个数据帖传输20个信息比特，并用CRC-4作为错误校验码，得到数据帖长度为24，其码率 为20/24。 [0066] 得到结果如下:对于弱端流信道，当传统ARP低于-30.2地m时，对于强端流信道，当 传统ARP低于-32.2地m时，重传次数很大，导致有效ARP的大幅提高，运意味着ARQ-FSO系统 要耗费巨大的能量进行传输且系统性能很差。另外，只有当传统ARP的值高于"有效ARP"曲 线与"无重传"曲线的交点值时，才值得使用ARQ机制，因为只有此时使用ARQ机制的有效ARP 误比特率曲线才低于未使用ARQ机制的误比特率曲线。对于弱端流信道，交点值为- 29.2地m;对于强端流信道，交点值为-31.7地m。然而，如果传统ARP高于运些值，误比特率就 会快速降低。运是因为随着ARP增加，平均传输次数M将快速地减小到接近于1，如表1所示。 运意味着当ARP足够高时，只需要几乎无法察觉到的很小的重传次数，就可W获得很高的性 能增益。从图3和图4中还可看出当传统ARP的值在弱端流信道中从-24.2地m开始增加、在强 端流信道中从-17.2地m开始增加时，巧效ARP"误比特率曲线开始趋近"传统ARP"误比特率 曲线。运说明此时ARQ机制由于重传所消耗的能量已对系统性能影响不大，可W用传统ARP 的误比特率曲线来近似衡量系统性能。 [0067] 表1不同传统ARP条件下的平均传输次数M[006引 [0069] 从图5和图6可W看出，吞吐量和有效吞吐量的最大值均接近于0.83,运是由于系 统发送机发送的数据帖中包含校验码字的信息，而接收机在解调时会将数据帖的校验码去 掉，因此系统吞吐量最大值即为错误校验码的码率。 [0070] 另外，由图5和图6可知，随着传统ARP在弱端流信道中从-34.2dBm增加到- 23.2地m、在强端流信道中从-35.0地m增加到-11.2地m时，吞吐量和有效吞吐量都会快速增 加且"有效吞吐量"曲线趋近于"吞吐量"曲线，而在其它范围时几乎不变。运意味着系统接 收的ARP在上述范围增大时，系统吞吐量快速上升，误比特率快速降低，系统性能得到很大 改善。而ARP在其它范围变化时，对系统的吞吐量性能几乎没有影响。 |
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