空間光通信中自動重傳請求機制性能的獲取方法
【專利摘要】空間光通信中自動重傳請求機制性能的獲取方法，涉及空間光通信技術領域。本發明是為了解決傳統ARP較低時，由于重傳次數很大，會導致分析誤碼率的性能差的問題。本發明所述的空間光通信中自動重傳請求機制性能的獲取方法，為了更公平地評價FSO中使用CRC的ARQ機制的誤比特率和吞吐量性能，提出了有效ARP，利用有效ARP、傳統ARP與無ARQ機制繪制曲線，進行評價。通過仿真發現當傳統ARP足夠高時，只需要極少次重傳就可以獲得很高的性能增益。
【專利說明】
空間光通信中自動重傳請求機制性能的獲取方法
技術領域
[0001] 本發明屬于空間光通信技術領域，尤其設及通信系統的自動重傳請求技術。
【背景技術】
[0002] 自由空間光通信(FSO)是W光波作為傳輸載波，W自由空間作為傳輸介質的通信 系統。由于FSO具有通信容量大、體積小、功耗低、傳輸距離遠、抗干擾能力強W及光束發散 小不易被截獲等優點，在無線通信、移動網絡、衛星通信等各種應用領域中都得到了廣泛的 關注。
[0003] 對于FSO而言，大氣端流和指向誤差會導致接收信號能量的波動，且會大大降低系 統性能。自動重傳請求(ARQ)機制通過使用循環冗余校驗碼(CRC)和數據帖重傳的方式，使 系統可靠性得到提升，因此在無線通信中廣泛使用。同樣，ARQ機制也可W應用在FSO中來克 服接收到的光信號能量波動的問題，提高系統可靠性。運方面研究在2000年開始，針對不同 FSO場景的幾種ARQ傳輸機制已得到了設計與性能分析，包括帶有增量冗余的自適應混合 ARQ機制協議設計、混合ARQ機制在點對點FSO系統中的一致性能、針對高海拔平臺場景的 ARQ分析等。眾所周知，ARQ機制對系統性能的提升是W犧牲系統的吞吐量或帶寬效率為代 價的。但是，在成功接收一個數據包的過程中，由于重傳導致的更多能量的消耗往往被忽 視。先前的研究在進行誤比特率性能分析時，沒有將由重傳消耗的能量計算在內。值得一提 的是，現有技術中考慮了重傳能量，但是它的誤比特率是通過設定最大可傳輸次數進行計 算的，而運個參數是個常數。在實際中，由于加性高斯白噪聲(AWGN)和FSO信道波動變化的 隨機性，接收機成功接收到的每個數據帖的傳輸次數是一個隨機變量。此外，現有技術還從 信息論的角度推導了平均傳輸次數的理論表達式。并且推導了無檢錯碼的誤帖率。由于沒 有用CRC校驗碼進行檢錯，上述兩種結果都沒有反映出真實的ARQ性能。此外，為了權衡吞吐 量和能量消耗，吞吐量-能量效率已被提出。
[0004] 通常在FSO系統中，將光接收機單位時間內接收到光束的能量稱為平均接收能量 (ARP)，在本文中稱其為傳統ARP。在傳統ARP較低時，由于重傳次數很大，分析誤碼率的性能 很差。

【發明內容】

[0005] 本發明是為了解決傳統ARP較低時，由于重傳次數很大，會導致分析誤碼率的性能 差的問題，現提供空間光通信中自動重傳請求機制性能的獲取方法。
[0006] 空間光通信中自動重傳請求機制性能的獲取方法，該方法首先設傳統平均接收能 量Pc初始值為X地m且-40-30，然后執行W下步驟：
[0007] 步驟一:調整發射機功率，使接收機接收到傳統平均接收能量Pe,然后同時執行步 驟二和步驟
[000引步驟二:進行自動重傳請求機制的光通信，統計接收機數據帖總傳輸次數、接收帖 個數及傳統平均接收能量Pe的誤碼率，然后執行步驟四；
[0009] 步驟=:進行無自動重傳請求機制的光通信，統計無自動重傳請求機制下的誤碼 率，然后執行步驟六；
[0010] 步驟四：利用數據帖總傳輸次數和接收帖個數獲得平均傳輸次數M，然后執行步驟 五；
[0011] 步驟五:根據傳統平均接收能量Pe、平均傳輸次數M及循環冗余校驗碼的碼率N，獲 得有效平均接收能量Ps,使有效平均接收能量Ps的誤碼率與傳統平均接收能量Pe的誤碼率 相同，然后執行步驟六；
[0012] 步驟六:令傳統平均接收能量Pe增大2地m，并判斷此時的傳統平均接收能量Pe是否 大于Y地m且-15《Y《-10,是則執行步驟屯，否則執行返回步驟一；
[0013] 步驟屯:分別繪制無自動重傳請求機制下的誤碼率曲線、有效平均接收能量Ps的 誤碼率曲線和傳統平均接收能量Pc的誤碼率曲線。
[0014] 為了更公平地評價FSO中使用CRC的ARQ機制的誤比特率和吞吐量性能，本發明提 出了有效ARP。本發明考慮使用開關鍵控(OOK)的強度調制直接檢測（IM/DD)系統。通過仿真 發現當傳統ARP足夠高時，只需要極少次重傳就可W獲得很高的性能增益。
[0015] 通過實驗表明，在弱端流信道環境下，只有當傳統ARP高于-30.2地m時，或者在強 端流信道環境下，只有當傳統ARP高于-32.2地m時，使用ARQ機制的FSO系統才是有效的，否 則使用ARQ機制只會造成能量的浪費，而不會提高系統性能。此外，在弱端流信道環境下，當 傳統ARP高于-29.2地m時，在強端流信道環境下，當傳統ARP高于-31.7地m時，FSO系統使用 ARQ機制才是有效的。在弱端流信道環境下，當傳統ARP高于-24.2地m時，在強端流信道環境 下，當傳統ARP高于-17.2地m時，系統性能會有顯著提高；而當傳統ARP較低時，由于重傳次 數大，系統性能很差。隨著傳統ARP在弱端流信道中從-34.2地m增加到-23.2地m、在強端流 信道中從-35.0地m增加到-11.2地m時，系統吞吐量快速上升，誤比特率快速降低，系統性能 得到很大改善。
【附圖說明】
[0016] 圖1為接收機信號處理流程圖；
[0017]圖2為空間光通信中自動重傳請求機制性能的獲取方法的流程圖；
[001引圖3為弱端流信道SI = 0.1244時，傳統ARP與有效ARP的誤比特率曲線圖，其中，碼 率為20/24，縱坐標表示位誤碼率，橫坐標表示傳統平均接收能量，其單位為地m，曲線Al表 示有ARQ機制的有效ARP，Bl表示無ARQ機制，Cl表示有ARQ機制的傳統ARP，箭頭表示有效ARP 高于傳統ARP的幅度；
[0019]圖4為強端流信道SI = 1.3890時，傳統ARP與有效ARP的誤比特率曲線圖，其中，碼 率為20/24，縱坐標表示位誤碼率，橫坐標表示傳統平均接收能量，其單位為地m，曲線A2表 示有ARQ機制的有效ARP，B2表示無ARQ機制，C2表示有ARQ機制的傳統ARP，箭頭表示有效ARP 高于傳統ARP的幅度；
[0020] 圖5為弱端流信道SI = O. 1244時，傳統ARP的吞吐量與有效吞吐量曲線圖，其中，碼 率為20/24,縱坐標表示系統的吞吐量與有效吞吐量的比值，橫坐標表示傳統平均接收能 量，其單位為地m，曲線A3表示有效吞吐量，B3表示吞吐量；
[0021] 圖6為強端流信道SI = 1.3890時，傳統ARP的吞吐量與有效吞吐量曲線圖，其中，碼 率為20/24,縱坐標表示系統的吞吐量與有效吞吐量的比值，橫坐標表示傳統平均接收能 量，其單位為地m，曲線A4表示有效吞吐量，B4表示吞吐量。
【具體實施方式】
[0022] 在ARQ機制的傳輸系統中，接收機會向發送機報告解調狀態。當接收數據帖被接收 機成功解調時，接收機向發送機反饋一個肯定應答(ACK)，發送機就會發送下一個數據包； 否則，當數據帖被檢測出錯誤時，接收機向發送機反饋否定應答(NACK)，發送機就要重傳該 數據帖。重傳持續進行，直到發送機收到一個ACK或達到最大允許重傳次數為止。若后者發 生，即產生誤碼，此時該數據帖會被丟棄。
[0023] 對于無線通信系統，ARQ機制利用了檢錯碼和數據帖的重傳而獲得良好的可靠性。 對于FSO信道，可W用類似的傳輸方法提高通信中的性能。但FSO與無線通信不同的是:無線 通信系統常用接收到的信噪比作為系統性能分析參數，而在FSO系統中由于接收機的光子 檢測器接收到的光功率與輸出的電流功率不是線性關系，且其單位時間內接收到的光功率 是容易計算的物理量，因此光通信的接收機通常用ARP作為測量參數。
[0024] 當系統成功接收一個數據帖時，有ARQ機制的系統比無ARQ機制的系統多消耗的能 量主要有兩方面來源:數據帖中校驗碼消耗的能量和數據帖重傳所消耗的能量。由于ARQ機 制為數據帖加入了校驗碼，而校驗碼也是消耗發送能量的因素，因此在接收ARP時需要考慮 循環冗余校驗碼的碼率m/n。
[0025] 對于需要重傳的數據帖，由于每次傳輸都在消耗系統能量，因此在接收機成功接 收一個數據帖時，只計算一次傳輸所接收到的傳統ARP是不合理的。為了對系統性能進行公 平分析與比較，需要考慮數據帖的總傳輸能量。
[0026] 綜上所述，本文使用有效ARP(記為Ps)來評估系統性能。【具體實施方式】如下：
【具體實施方式】 [0027] 一:參照圖2具體說明本實施方式，本實施方式所述的空間光通信中 自動重傳請求機制性能的獲取方法，該方法首先設傳統平均接收能量Pg初始值為X地!!!且- 40《X《-30,然后執行W下步驟：
[0028] 步驟一:調整發射機功率，使接收機接收到傳統平均接收能量Pe,然后同時執行步 驟二和步驟
[0029] 步驟二:進行自動重傳請求機制的光通信，統計接收機數據帖總傳輸次數、接收帖 個數及傳統平均接收能量Pe的誤碼率，然后執行步驟四；
[0030] 步驟=:進行無自動重傳請求機制的光通信，統計無自動重傳請求機制下的誤碼 率，然后執行步驟六；
[0031] 步驟四：利用數據帖總傳輸次數和接收帖個數獲得平均傳輸次數M，然后執行步驟 五；
[0032] 步驟五:根據傳統平均接收能量Pe、平均傳輸次數M及循環冗余校驗碼的碼率N，獲 得有效平均接收能量Ps,使有效平均接收能量Ps的誤碼率與傳統平均接收能量Pe的誤碼率 相同，然后執行步驟六；
[0033] 步驟六:令傳統平均接收能量Pe增大2地m，并判斷此時的傳統平均接收能量Pe是否 大于Y地m且-15《Y《-10,是則執行步驟屯，否則執行返回步驟一；
[0034] 步驟屯:分別繪制無自動重傳請求機制下的誤碼率曲線、有效平均接收能量Ps的 誤碼率曲線和傳統平均接收能量Pc的誤碼率曲線。
[0035] 上述S條誤碼率曲線即為空間光通信中自動重傳請求機制性能的表達曲線。
【具體實施方式】 [0036] 二:本實施方式是對一所述的空間光通信中自動重傳 請求機制性能的獲取方法作進一步說明，本實施方式中，步驟屯之后還包括W下步驟：
[0037] 步驟八:設有效平均接收能量Ps的誤碼率曲線與無自動重傳請求機制下的誤碼率 曲線的交點為A，
[0038] 當傳統平均接收能量Pe的誤碼率小于點A對應的值時，自動重傳請求機制性能很 差；
[0039] 當傳統平均接收能量Pc的誤碼率大于點A對應的值時，自動重傳請求機制性能良 好。
[0040] 在實際應用中，ARQ機制一般都會明顯降低系統誤比特率。然而，校驗碼和重傳也 會消耗更多的能量。傳統ARP不計算由單帖的多次重傳消耗的能量。因此，用傳統ARP將使用 ARQ機制與不使用ARQ機制的系統進行比較是不公平的。從有效ARP的定義可W看出，校驗碼 和重傳消耗的能量有所考慮。因此，有效ARP不僅能夠反映出系統消耗的能量，而且還具有 有效性，是更適合作為系統性能比較的參數。
[0041] 本實施方式使用的FSO系統的接收機的框圖如圖1所示。記I為信號強度距離，得到 光傳輸信號的平均功率為P = //2。假設接收機對每個符號間隔為Ts的光電流進行積分，并 去除所有由背景光引起的常偏差，在積分過程中假設光電流是常數。當發送機發出取值于 集合{0,1}的數據符號m化)時，接收信號Hk)可W表示為：
[0042] 1'取)=-JU￥'RhL"ik)Ts + 1'!取)
[0043] 式中，R表示光子檢測器的響應率，h代表瞬時信道增益，其波動由信道中的大氣端 流和指向誤差引起，n化)為標準化離散加性高斯白噪聲。
[0044] 由于光子檢測器進行光電轉換，因此熱噪聲是主要考慮的噪聲因素。在實際接收 機硬件中并不必要對正交基巧進行分析，運里采用正交基，是因為便于后續通過標 準化離散加性高斯白噪聲(AWGN)n化)對性能分析進行簡化，得到E[n(i)n(j)]=SuN〇/2,其 中，E[n(i)n(j)]表示兩個時刻噪聲值n(i)與n(j)的相關系數，A = 2^器，佈/2表示均 值為0的加性高斯白噪聲雙邊譜密度，i，j G k。
[0045] 定義沒:=^/5厲法脅',為接收機瞬時電信號強度，則r化)可W表示為：
[0046] ；r(k) =Bm化)+n(k)。
[0047] 本實施方式中，X = -35，Y = -15。設有效平均接收能量Ps的誤碼率曲線與無ARQ的 誤碼率曲線的交點為點A，當傳統ARP的誤碼率小于點A對應的值時，由于重傳次數很大導致 ARQ系統性能很差；只有當傳統ARP的誤碼率大于點A對應的ARP值時，使用ARQ機制的自由空 間光通信系統才是有效的，否則使用ARQ機制只會造成能量的浪費，而不會提高系統性能。 隨著ARP提高，當傳統平均接收能量Pc的誤碼率曲線和有效平均接收能量Ps的誤碼率曲線逐 漸趨近時，系統吞吐量快速提高、誤碼率快速降低，此時ARQ性能有顯著提高。
[0048] 圖3和圖4描述了系統的誤比特率與傳統ARP和有效ARP的關系曲線，其中箭頭的含 義是有效ARP高于傳統ARP的幅度。對于使用傳統ARP的ARQ機制，ARP的值就是接收機的檢測 結果。對于使用有效ARP的ARQ機制，其ARP的值是用傳統ARP、循環冗余校驗碼的碼率N和平 均傳輸次數M的結果通過步驟五獲得的。由于M是個變化值，因此有效ARP對應的誤比特率曲 線并不是單調遞減的。
[0049] 如圖5和圖6所示，圖5和圖6描述了系統的吞吐量和有效吞吐量的變化曲線。另一 對性能參數是吞吐量和有效吞吐量。吞吐量定義為單位時間內被成功接收的信息數量與發 送的信息數量的比值;有效吞吐量定義為單位時間內成功接收的正確信息數量與發送的信 息數量的比值。
【具體實施方式】 [0050] 本實施方式是對一所述的空間光通信中自動重傳 請求機制性能的獲取方法作進一步說明，本實施方式中，步驟四所述的平均傳輸次數M為數 據帖總傳輸次數與接收帖個數的比值。
[0051] 本實施方式中，定義平均傳輸次數M為數據帖總傳輸次數與接收帖個數的比值。通 過在實驗中記錄下每個接收數據帖的傳輸次數，獲得所有帖的平均傳輸次數M。當系統對數 據帖設定最大重傳次數時，丟棄的數據帖的傳輸次數也應該包含于總傳輸次數中。一般來 說，由于數據帖的多次重傳可W在一個信道相關長度內完成，則系統每次重傳消耗的發送 能量相同，因此系統傳輸消耗的總能量是傳輸一次消耗能量的M倍。此外，由于相關長度內 信道增益保持不變，于是系統每次重傳接收機接收到的ARP相同。
【具體實施方式】 [0052] 四：本實施方式是對一所述的空間光通信中自動重傳 請求機制性能的獲取方法作進一步說明，本實施方式中，循環冗余校驗碼的碼率N為：
[。化引 N=m/n
[0054] 其中，m為信息比特的個數，n為循環冗余校驗碼位數。
[0055] 本實施方式中，假設消息序列是Wm個信息比特為一組。每m個信息比特都與(n-m) 個校驗位共同組成一個n位循環冗余校驗碼，并作為一帖進行傳輸，循環冗余校驗碼的碼率 為m/n。假設數據帖中每個比特的能量相同，則該數據帖信息的總能量是原消息序列的n/m 倍。
【具體實施方式】 [0056] 五:本實施方式是對一所述的空間光通信中自動重傳 請求機制性能的獲取方法作進一步說明，本實施方式中，利用下式獲得步驟五所述的效平 均接收能量Ps:
[0057] A 叫'X去XJ/。
[0058] 本發明提供的評估方法，假設FSO系統具有如下參數：
[0化9] 對于弱端流信道，a = 17.13,0=16.04,對應的SI = O. 1244;
[0060] 對于強端流信道，a = 2.23，0= 1.54，對應的 SI = 1.3890。
[0061] 其中，a和肚勻為信道模型的分布形狀參數，SI為閃爍系數。
[0062] 指向誤差參數可W選為Ao = 0.0 198和丫 =2.8071。其中，Ao是無指向誤差時接收功 率的部分，T是接收機的等效光束半徑與指向誤差標準偏差的比值。
[0063] 設光子檢測器的響應率R為1，信道增益的期望E比]為1。
[0064] 設系統數據速率Rdata為lOGbpS，則信號符號間隔Ts=l/Rdata為l(r"秒，信道相關長 度Lc為IO4個符號間隔時可視為安全。
[0065] 考慮數值為-174dBm/Hz的典型熱噪聲，通過一個50〇的接收回路。因此得到郵/2 的值為-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機制中，假設 每個數據帖傳輸20個信息比特，并用CRC-4作為錯誤校驗碼，得到數據帖長度為24，其碼率 為20/24。
[0066] 得到結果如下:對于弱端流信道，當傳統ARP低于-30.2地m時，對于強端流信道，當 傳統ARP低于-32.2地m時，重傳次數很大，導致有效ARP的大幅提高，運意味著ARQ-FSO系統 要耗費巨大的能量進行傳輸且系統性能很差。另外，只有當傳統ARP的值高于"有效ARP"曲 線與"無重傳"曲線的交點值時，才值得使用ARQ機制，因為只有此時使用ARQ機制的有效ARP 誤比特率曲線才低于未使用ARQ機制的誤比特率曲線。對于弱端流信道，交點值為- 29.2地m;對于強端流信道，交點值為-31.7地m。然而，如果傳統ARP高于運些值，誤比特率就 會快速降低。運是因為隨著ARP增加，平均傳輸次數M將快速地減小到接近于1，如表1所示。 運意味著當ARP足夠高時，只需要幾乎無法察覺到的很小的重傳次數，就可W獲得很高的性 能增益。從圖3和圖4中還可看出當傳統ARP的值在弱端流信道中從-24.2地m開始增加、在強 端流信道中從-17.2地m開始增加時，巧效ARP"誤比特率曲線開始趨近"傳統ARP"誤比特率 曲線。運說明此時ARQ機制由于重傳所消耗的能量已對系統性能影響不大，可W用傳統ARP 的誤比特率曲線來近似衡量系統性能。
[0067] 表1不同傳統ARP條件下的平均傳輸次數M
[006引
[0069] 從圖5和圖6可W看出，吞吐量和有效吞吐量的最大值均接近于0.83,運是由于系 統發送機發送的數據帖中包含校驗碼字的信息，而接收機在解調時會將數據帖的校驗碼去 掉，因此系統吞吐量最大值即為錯誤校驗碼的碼率。
[0070] 另外，由圖5和圖6可知，隨著傳統ARP在弱端流信道中從-34.2dBm增加到- 23.2地m、在強端流信道中從-35.0地m增加到-11.2地m時，吞吐量和有效吞吐量都會快速增 加且"有效吞吐量"曲線趨近于"吞吐量"曲線，而在其它范圍時幾乎不變。運意味著系統接 收的ARP在上述范圍增大時，系統吞吐量快速上升，誤比特率快速降低，系統性能得到很大 改善。而ARP在其它范圍變化時，對系統的吞吐量性能幾乎沒有影響。
【主權項】
1. 空間光通信中自動重傳請求機制性能的獲取方法，其特征在于，該方法首先設傳統 平均接收能量Pg初始值為X地m且-40《X《-30,然后執行W下步驟： 步驟一：調整發射機功率，使接收機接收到傳統平均接收能量Pe，然后同時執行步驟二 和步驟Ξ; 步驟二:進行自動重傳請求機制的光通信，統計接收機數據帖總傳輸次數、接收帖個數 及傳統平均接收能量Pe的誤碼率，然后執行步驟四； 步驟Ξ:進行無自動重傳請求機制的光通信，統計無自動重傳請求機制下的誤碼率，然 后執行步驟六； 步驟四：利用數據帖總傳輸次數和接收帖個數獲得平均傳輸次數M，然后執行步驟五； 步驟五:根據傳統平均接收能量Pe、平均傳輸次數Μ及循環冗余校驗碼的碼率N，獲得有 效平均接收能量Ps，使有效平均接收能量Ps的誤碼率與傳統平均接收能量Pe的誤碼率相同， 然后執行步驟六； 步驟六:令傳統平均接收能量Pe增大2地m，并判斷此時的傳統平均接收能量Pe是否大于 Y地m且-15《Υ《-10，是則執行步驟屯，否則執行返回步驟一； 步驟屯:分別繪制無自動重傳請求機制下的誤碼率曲線、有效平均接收能量Ps的誤碼率 曲線和傳統平均接收能量Pc的誤碼率曲線。2. 根據權利要求1所述的空間光通信中自動重傳請求機制性能的獲取方法，其特征在 于，步驟屯之后還包括W下步驟： 步驟八:設有效平均接收能量Ps的誤碼率曲線與無自動重傳請求機制下的誤碼率曲線 的交點為A， 當傳統平均接收能量Pe的誤碼率小于點A對應的值時，自動重傳請求機制性能很差； 當傳統平均接收能量Pc的誤碼率大于點A對應的值時，自動重傳請求機制性能良好。3. 根據權利要求1所述的空間光通信中自動重傳請求機制性能的獲取方法，其特征在 于， 步驟四所述的平均傳輸次數Μ為數據帖總傳輸次數與接收帖個數的比值。4. 根據權利要求1所述的空間光通信中自動重傳請求機制性能的獲取方法，其特征在 于，循環冗余校驗碼的碼率Ν為： N=m/n 其中，m為信息比特的個數，η為循環冗余校驗碼位數。5. 根據權利要求1所述的空間光通信中自動重傳請求機制性能的獲取方法，其特征在 于， 利用下式獲得步驟五所述的效平均接收能量Ps:
【文檔編號】H04L1/18GK105978624SQ201610605680
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月28日
【發明人】王振永, 耿馳, 李德志, 吳茗蔚, 宋天宇
【申請人】哈爾濱工業大學