无人机FSO/RF混合中继链路传输速率优化方法

针对FSO(free space optica)链路和RF(ratio frequency)链路之间通信速率不匹配以及由地面多用户移动所带来的通信服务状态变化问题,提出了无人机自由空间光通信/射频(FSO/RF)混合中继链路传输速率优化方法。以用户公平性、最低服务质量以及无人机总功率为约束,建立了无人机中继协作的FSO/RF混合通信下行链路模型,提出了一种基于无人机动态轨迹和发射功率联合优化算法。利用连续凸逼近及拉格朗日对偶函数法,将原非凸模型转化为凸优化问题进行求解。对不同能见度下链路传输速率进行分析,结果表明,能见度为1.7 km时,FSO链路和RF链路均达到全速传输。所提算法相较固定式中继平均通信速率有了447.5%的提升,相较非功率优化算法链路平均通信速率提升32.5%。

混合毫米波射频/多输入多输出-自由空间光通信中继系统

为准确评价混合毫米波射频/多输入多输出-自由空间光通信(millimeter Wave Radio Frequency/Multiple Input Multiple Output-Free Space Optical,mmW RF/MIMO-FSO)中继系统的性能,利用Meijer-G函数推导出混合mmW RF/MIMO-FSO中继系统端到端中断概率、误码率以及遍历容量的闭合解析表达式。该混合系统的中继采用固定增益方案、接收端采用等增益合并方式合并多路信号。mmW RF信道服从Nakagami-m衰落,FSO信道服从Gamma-Gamma分布。数值仿真结果显示,MIMO技术可以有效缓解由于大气湍流强度的增强而导致的混合中继系统性能降低。随着激光发射器和光电探测器相对应的收发孔径数目的增加,混合中继系统性能逐渐增强,但与此同时系统的复杂度也不断提高。综合分析可知,当激光发射器发送的激光信号束与光电探测器使用的接收孔径数相等且都为2时,MIMO-FSO链路的性能达到最佳状态。

混合FSO/RF系统自动切换条件的研究

研究混合FSO/RF通信系统链路双切换理论,主要针对自由空间光通信受天气因素影响严重的问题。通过分析得出信号的码元速率与带宽成正比关系,降低码元速率即可降低噪声,从而缓解噪声的影响,提高系统信噪比;在能见度较小的天气条件下,低速的自由空间光通信系统性能仍达不到门限值,系统才将切换至射频链路。此理论使实际通信中能够更加充分的利用FSO及RF的优势进行互补,提高系统信噪比的同时又减少了信道切换的次数。

软切换链路下的混合编码与副载波调制方案

为了提高自由空间光/射频(FSO/RF)混合通信链路的性能,采用混合低密度奇偶校验(LDPC)编码与副载波相移键控/正交振幅调制(PSK/QAM)联合调制的方法,对不同传输比例下混合系统的误比特率性能进行了仿真分析,取得了不同信道条件下单链路和混合链路传输方案的误比特率数据。结果表明,在弱中强湍流条件下采用副载波二进制相移键控(BPSK)调制,相比开关键控(OOK)调制可获得大约4.4dB～5.2dB的增益。采用软切换的混合LDPC编码与副载波BPSK/16QAM调制方案,依据链路状态调整比例为1∶1和3∶1时,不同湍流强度下可获得大约0.3dB～7.4dB的性能增益。这一研究结果对于提高FSO/RF混合通信系统的全天候高效可靠传输性能具有重要的参考价值。

混合RF/FSO中继系统中断性能研究

为准确评价混合射频/自由空间光通信(RF/FSO:Radio-Frequency/Free-Space Optics)中继系统性能,利用Meijer's G函数推导得到混合RF/FSO中继系统端到端中断概率闭合解析表达式。该混合RF/FSO中继系统采用放大转发中继、RF(Radio-Frequency)双天线发射技术。RF信道衰落服从Rayleigh分布,FSO(Free-Space Optics)信道衰落服从M分布。蒙特卡洛仿真验证了推导结果的准确性。

基于相推法的空间光载射频链路绝对延时测量

空间光载射频链路利用空间光链路实现射频信号的传输。由于采用大气信道传输光载射频信号,链路绝对延时受到大气湍流和温度等因素影响,产生延时抖动。本文采用相推法对1 km空间光载射频链路的绝对延时进行了高精度测量,测量结果与理论模型吻合,测量精度优于0.1 ps。该测量方法采用电光调制和射频鉴相实现了链路绝对延时测量,与光载射频链路具有良好的技术兼容性,同时较高的测量精度可以满足构建稳定光载射频传输链路的要求。

基于Kappa-mu/M分布的联合多用户分集与并行中继继选择RF/FSO系统性能研究

本文在能够表征大多数信道条件的Kappa-mu/M分布混合统计模型组合下,研究了存在同频干扰的联合多用户分集与并行中继选择射频技术/自由空间光通信系统,分别推导出系统的中断概率的Meijer G解析表达式和渐近近似表达式.通过仿真解析、渐近近似表达式,分析了信道衰落、指向误差、同频干扰、用户选择和并行中继选择等关键因素对系统的中断性能的影响,更进一步分析了高信噪比下的渐近结果并得出了系统的分集阶数.为了验证解析表达式的有效性,给出了蒙特卡罗仿真结果.结果表明,同频干扰的存在使得系统性能大幅下降,多用户分集和并行中继选择可以改善受同频干扰的射频技术/自由空间光通信系统的性能.具体来说,多用户分集提高了射频路径的性能,而并行中继选择提高了系统的整体性能.系统行为由两个链路中性能最坏的一个所主导.因此,在工程应用中分析定位性能不足的链路并提升其性能是提升整个系统性能的关键.

应急场景下无人机基站自组网的高效部署方案

在突发事件尤其是大规模自然灾害发生时,地面基站通信系统可能遭受重创,不仅无法满足基本通信功能,更缺乏救援任务灵活性和弹性要求。针对上述场景的一个有效解决方案是装备有基站的低空无人机快速组网,从而实现通信链路的恢复与交互。其中,高效的组网方案及完善的回传机制是应急通信覆盖能力及可靠性的重要保障。

RF/MIMO-FSO混合通信系统误码性能分析

针对射频(RF)通信容量不高、保密性不强的问题,提出一种由RF系统和多发射多接收的自由空间光(MIMO-FSO)系统构成的RF/MIMO-FSO混合通信系统。在分析RF系统、MIMO-FSO系统、单输入单输出(SISO)-FSO系统和RF/MIMO-FSO混合通信系统模型的基础上,仿真对比了这4种系统的的误码性能。结果表明:相比RF系统和SISO-FSO系统,RF/MIMO-FSO混合通信系统的误码性能得到了显著提升,在采用相同调制方式下,比SISO-FSO系统平均提高3个数量级左右。

基于光学技术的新一代全球导航定位定时系统架构

全球导航卫星系统(GNSS)已经深入现代信息化智能化社会的方方面面,发挥了巨大作用。充分发挥光频参考、自由空间激光链路等光学技术优势有助于解决其进一步发展所面临的地面依赖、精度提升等问题。美国、德国、中国分别提出了基于光链路的时空参考(O-STR)、第三代全球导航定位系统(Kepler)、基于光学技术的新一代全球导航定位定时系统(O-GNSS)等概念。对基于光学技术的新一代全球导航定位定时系统的总体设计、关键技术等进行分析,综述了主要的研究进展,为推动我国时空基准和导航定位定时方面的技术发展提供参考。

高精度自由空间光学时频基准传输技术研究进展

自由空间时频基准传输是全球授时与同步、高速宽带通信、卫星编队飞行和空间物理参数监测等应用的关键技术,光钟技术的发展对光学时频基准传输精度提出了更高的要求。本文介绍了国内外自由空间光学时频基准传输技术的研究进展,重点介绍了不同研究机构基于光学频率梳开展的大气湍流相位噪声和空间噪声补偿方法,以满足高精度时间和频率基准的传输要求,最后对自由空间光学时频基准传输技术的应用进行了总结和展望。

大气湍流和指向误差下混合RF/FSO航空通信系统性能分析

基于解码-转发中继方式,研究了混合射频/自由空间光(RF/FSO)航空通信系统性能。采用副载波多进制相移键控调制方式,建立了孔径平均作用下混合RF/激光通信系统模型,其中FSO通信链路采用指数型Weibull大气湍流信道的同时考虑指向误差影响,射频通信链路为Nakagami-m衰落信道。利用Meijer′s G函数推导得到航空激光通信系统平均误码率和中断概率的闭合表达式。在不同湍流强度和接收孔径大小条件下,对比分析了中断概率及误码率性能。仿真结果表明,与弱湍流条件相比,中等湍流强度条件下指向误差对系统中断性能影响较小;孔径平均效应可有效改善混合RF/FSO传输系统的性能;FSO信道对混合系统性能起主要作用。

空间信息网中的FSO/RF通信技术

空间信息网是以多种空间平台(如同步卫星或中、低轨道卫星、平流层浮空器及有人或无人驾驶飞行器等)为载体,实时获取、传输和处理空间信息的网络系统。由于其节点种类多,通信链路状态相对复杂。调研了空间信息网通信链路传输技术,分析了空间信息网中微波射频通信(RF)、自由空间光通信(FSO)和FSO/RF混合通信技术。分析表明,星-星链路适合FSO通信,但对于受天气影响严重或定位困难的其他类型链路,FSO/RF混合通信更具有优势。提出了空间信息网中基于大数据预测的FSO/RF自适应切换通信技术的开放思路。

双跳混合RF/MIMO FSO放大转发中继通信系统性能分析

提出了一种双跳混合射频(RF)和多输入多输出(MIMO)自由空间光通信(FSO)放大转发中继通信系统。RF链路和MIMOFSO链路分别考虑Rayleigh衰落分布模型和Gamma-Gamma大气湍流信道模型,多孔径接收端采用等增益合并方式。在中继分别为固定增益和变增益放大转发下,推导出关于混合系统信噪比的累计分布函数和概率密度函数,进一步得到混合RF和MIMOFSO系统的中断概率、遍历容量及在不同二进制调制方式下的平均误码率的闭合表达式。仿真分析了不同增益模式下大气湍流、调制方式及空间分集对混合RF/MIMO FSO双跳中继通信系统性能的影响。

星地微波光传输链路分析

根据星地大容量通信发展需求,研究了基于微波空间光传输技术的星地激光通信链路。在建立星地微波光传输链路模型的基础上,分析了链路光功率衰减、输出微波信号、噪声功率以及在大气湍流信道下系统的误码率。仿真分析了调制器直流偏置电压大小对链路输出信噪比和误码率的影响,结果表明,相对于通常的正交偏置工作点,通过优化控制直流偏置点的位置,可以提高链路输出信噪比和误码率,这种改善程度随着调制系数的减小而增大。该研究为建立星地微波光传输系统提供了有益参考。

2×2中继混合射频/自由空间光航空通信系统性能分析

基于解码转发中继方式,研究了2×2中继条件下混合射频/自由空间光(RF/FSO)航空通信系统的性能。建立了2×2中继混合RF/FSO通信系统模型,利用Meijer’s G函数推导出该系统信噪比的概率分布函数及累积分布函数,并推导了该系统平均误码率(BER)和中断概率的闭合表达式。仿真分析了大气湍流强度、孔径尺寸和调制方式对平均BER和中断概率的影响。结果表明,孔径平均效应可有效改善混合RF/FSO航空通信系统的性能,2×2中继通信系统性能明显优于1×1中继通信系统。

基于Málaga湍流信道和Nakagami衰弱信道的选择合并混合FSO/RF系统的性能分析

在Málaga湍流信道和Nakagami-m衰弱信道条件下,对基于选择合并技术的混合自由空间光/射频(FSO/RF)通信系统性能进行研究。在考虑指向性误差的情况下,推导了采用副载波调制和强度调制直接检测方案的混合FSO/RF系统的平均误码率和中断概率表达式,并利用Meijer G函数和扩展广义双变量Meijer G函数获得其闭合解。在不同的副载波调制方式、湍流强度、指向性误差及RF信道衰弱参数情况下,分别分析混合FSO/RF系统和单FSO系统的误码率和中断概率。仿真结果表明,相比单FSO系统,混合FSO/RF通信系统能有效提升通信系统性能。