一种无人机辅助的无线光通信系统传输方法与流程

1.本发明涉及卫星通信技术领域，尤其是一种无人机辅助的无线光通信系统传输方法。


背景技术：

2.无线通信主要包括无线电通信、自由空间光通信和电磁感应通信，其中，自由空间光通信是一种以光为载体，在空间中直接进行信息交互的一种通信方式。目前，自由空间光通信技术可以满足gbps量级以上符号传输速率的需求，通过技术手段能够将激光束的发散角控制在几mrad甚至几μrad范围内，大大提高了传输速度、降低了信息丢包率。激光设备与电路器件制造技术的精进，进一步降低了光通信设备成本；与传统光纤线路相比，光通信系统的建设周期更短。此外，由于光通信技术还具有抗电磁干扰能力强、通信容量高和信息传输安全的优点，光通信技术近年来受到了广泛关注，可有效解决“最后一公里”问题，在第五代通信和第六代通信技术中，光通信通信都将起到重要作用。然而，光通信传输系统对于视距传输要求高，容易受到遮挡物阻拦，且传输距离增加之后，系统性能下降严重，因此需要引入中继设备解决上述问题。采用固定的中继系统虽然信号传输稳定，但是在灾害发生时部署困难，因此，移动中继设备逐渐投入使用。
3.目前，应用较为广泛的中继设备主要包括热气球、无人机、无人飞艇等。无人机是一种新兴技术产物，具有体型小、造价低和灵活性高等优点，在军事领域受到广泛关注和应用，在农业和工业等领域也有应用前景。就通信领域而言，当发生自然灾害，如山洪、地震、洪水等时，高灵活性的无人机可作为中继设备到达灾区辅助救援，不仅延长了光通信系统的链路距离，还解决了障碍物阻碍视距传输的问题。然而，有关无人机辅助的无线光通信，迄今还未见有相关文献和技术报道。
4.现有技术的信号发射节点和接收节点之间的fso链路会受到瞄准误差、到达角起伏、大气湍流和衰减损失等因素的影响，远距离视距传输因为地形因素被山脉等障碍物阻隔，导致通信链路的性能降低。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种无人机辅助的无线光通信系统传输方法，采用无人机中继节点的方法，构建无人机辅助的双跳光通信链路，建立无人机与地面发射和接收的无线光通信系统，利用无人机中继节点转发光信号，获取发射节点到接收节点的电信噪比，无人机中继节点采用直接检测强度调制和放大转发协议对光信号进行转发，无人机作为中继节点转发放大光信号，将其传输到接收节点，缓解视距受限问题，大大降低了系统中断概率和误码率系，统构建简单、方便，造价低，当发生自然灾害，如山洪、地震、洪水等时，高灵活性的无人机可作为中继设备到达灾区辅助救援，不仅延长了光通信系统的链路距离，还解决了障碍物阻碍视距传输的问题，在军事领域受到广泛关注和应用，在农业和工业等领域也有广泛的应用前景。
6.本发明的目的是这样实现的：一种无人机辅助的无线光通信系统传输方法，其特点是采用无人机中继节点的方法，构建无人机辅助的双跳光通信链路，建立无人机与地面发射和接收的无线光通信系统，利用无人机中继节点转发光信号，获取发射节点到接收节点的电信噪比，所述无人机中继节点采用直接检测强度调制和放大转发协议对光信号进行转发。
7.所述无人机中继采用直接检测强度调制和放大转发协议对光信号进行转发，具体包括：根据发射端的光能量、光信号在传输过程中的自然衰落，以及接收系数和噪声，得到地面到无人机链路的信噪比和无人机到地面链路的信噪比，中继节点采用的直接检测强度调制和放大转发协议，从而得到端到端信噪比，并以信噪比为自变量分析无线光通信系统的性能指标。
8.所述中继节点到接收节点利用信道模型模拟衰减损失、到达角起伏、瞄准误差和大气湍流的影响；所述衰减损失为光信号在自由空间传输时会随着传输距离增加而产生自然衰落；所述到达角为无人机中继节点和光信号发射节点之间的相对方位或角度，所述到达角起伏为无人机在高空盘旋会受到空气波动发生抖动以及位置发生改变；所述瞄准误差为机械振动引起的发射器和接收器之间的偏移。
9.所述无人机辅助的双跳光通信链路基于地面到无人机链路和无人机到地面链路光信号衰落模型，获得发射端到接收端的信噪比，得到其概率密度函数和累积概率函数，分析更真实的信号传输场景，降低系统中断概率和误码率。
10.所述大气湍流具体包括：1)当光信号通过大气湍流时，部分能量被散射，其辐照度概率分布的形式由散射类型决定；2)接收器处观测场包括：视距传输分量、信号传输轴上的散射分量并与视距传输耦合和能量被散射到接收器而产生的分量，该分量独立于其他分量。
11.所述信道模型采用m
á
laga模型表征无人机对地面链路的湍流衰落分布，及其中继节点到接收节点考虑大气湍流的影响。
12.本发明提供一种基于无人机的无线光通信中继系统信号传输方案，以通过分析无人机接收视场角度、无人机盘旋位置和方向偏差、天气情况、链路距离、调制方式和归一化光束宽度比值等因素对该系统信号质量的影响情况，并通过调整参数提高系统性能。
13.本发明与现有技术相比具有降低系统中断概率和误码率，系统构建简单、方便，造价低，当发生自然灾害，如山洪、地震、洪水等时，高灵活性的无人机可作为中继设备到达灾区辅助救援，不仅延长了光通信系统的链路距离，还解决了障碍物阻碍视距传输的问题，在军事领域受到广泛关注和应用，在农业和工业等领域也有广泛的应用前景。
附图说明
14.图1为本发明流程图；
15.图2为实施例的系统结构图。
具体实施方式
16.本发明构建综合考虑复杂因素影响下无人机辅助的双跳光通信系统性能研究框架，信号发射节点和接收节点之间的光通信链路会受到瞄准误差、到达角起伏、大气湍流和
衰减损失等因素的影响，远距离视距传输也有可能因为地形因素被山脉等障碍物阻隔。因此部署无人机作为中继节点十分必要，通过无人机可以转发放大光信号，最后将其传输到接收节点，缓解视距受限问题。所述无线光通信系统为信源—无人机链路(s-r链路)和无人机—信宿链路(r-d链路)两个链路，采用低成本的固定增益放大转发协议的无人机中继。
17.假设信号s(t)从源节点s发射，信号平均功率为ε
sr
，伴有加性高斯白噪声n
sr
(t)且噪声均值和方差分别为：0和σ
n2
＝2eber
sr
pb，方差表达式中的e，be，r
sr
，pb分别表示元电荷、光电探测器的带宽、光电探测器响应度和s-r链路的背景光功率。其中，参数pb可以进一步表示为pb＝nbb0ω
fovaa
；nb表示与波长相关的背景光谱辐照度；b0是指光电探测器处的光滤波器带宽；a
α
代表光信号照射面积。无人机接收机还可以捕获到发射激光束的立体角ω
fov
，ω
fov
被称为视场角，无人机中继接收到的信号rr(t)由下述a式表示：
18.rr(t)＝r
srhsr
s(t) n
sr
(t)
ꢀꢀ
(a)；
19.式中：h
sr
表示从信源节点s到中继节点r的信道系数。在中继节点考虑了一种固定增益的中继方案，将信号乘以增益，最后，由接收节点d接收的信号由下述b式表示：
20.rd(t)＝r
rdhrd
g(r
srhsr
s(t) n
sr
(t)) n
rd
(t)
ꢀꢀ
(b)；
21.式中：r
rd
，h
rd
以及
nrd
(t)分别代表光电探测器响应度、中继节点r到接收节点d的信道系数和加性高斯白噪声。此外，s-r链路和r-d链路加性高斯白噪声的功率分别为：n
sr
和n
rd
。因此，自由空间光通信中继系统端到端信噪比γ可以由下述c式表示为：
[0022][0023]
本发明考虑的是瞬时信道状态信息协议辅助的中继系统，固定增益可以由下述d式表示为：
[0024][0025]
式中：ε
rd
是接收节点d处信号的平均功率。
[0026]
本发明采用固定增益前向放大中继方案，端到端信噪比γ可以由下述e式表示为：
[0027][0028]
式中：γ
sr
和γ
rd
分别代表s-r链路和r-d链路信噪比。
[0029]
为了减少热噪声的影响，使用im/dd检测。因此，可以得到由下述f～g式表示的两段链路的信噪比：
[0030][0031][0032]
此外，中继固定增益q可以由下述h式表示为：
[0033]
[0034]
这里考虑了大气湍流对信源到无人机中继链路的影响，因为它是fso通信中最受关注的问题之一。此外，还考虑了传输距离延长引起的衰减损耗、无人机接收中心和信号发射中心偏移引起的瞄准误差和到达角起伏引起的链路中断的影响。s-r链路信道系数h
sr
可以由下述i式表示为：
[0035]hsr
＝h
lhathphaoa
ꢀꢀ
(i)；
[0036]
式中：h
l
、h
at
、h
p
和h
aoa
分别表示衰减损失、大气湍流、瞄准误差和到达角起伏系数。
[0037]
上述四种影响系数或者概率密度函数分别可以由下述j～m式表示为：
[0038]hl
＝exp(-lξ)
ꢀꢀ
(j)；
[0039][0040][0041][0042]
在衰减损失参数中，l表示信号链路通信距离。在不同天气情况下，衰减系数ξ会有所不同，衰减系数的变化也会引起波长的变化。大气湍流衰落模型中，α和β是小尺度和大尺度下的有效湍流数。瞄准误差模型中，ωz是距离z处的光束宽度。圆形接收器处的孔径半径设置为r2，接收区域面积为πr
22
，r1表示光束中心和探测器之间的距离，σ
r2
，无人机接收器处入射角为θd。到达角起伏参数中θ
fov
是接收处视场角。
[0043]
根据hg＝h
lhathp
，信号发射处到无人机中继的系数hsr的概率密度函数可以由下述n式表示为:
[0044][0045]
系数hg的条件概率密度函数可以表示为
[0046][0047]
式中：
[0048]hsr
的概率密度函数由下述p式进一步表示为：
[0049][0050]
其中：其中：其中：
[0051]
参数h
sr
的累积概率函数可以由下述q式表达为：
[0052][0053]
假设中继节点和信宿节点之间的链路(r-d链路)距离远小于信源节点到中继节点的链路(s-r)距离，短距离r-d链路的衰减损失可以几乎忽略不计。在这种短程无人机对地链路中，由于自动跟踪和波束控制技术的快速发展，光信号传输较为稳定，因此瞄准误差造成的影响也可以忽略不计。在假设无人机中继和稳定目标节点之间存在可靠链路的情况下，忽略了到达角起伏。
[0054]
在短距离光信号传输过程中，由于温度波动和大气气压起伏引起的大气湍流需被考虑。在洪水、地震等自然灾害发生时，恶劣的天气环境也随之产生，进一步导致了强大气湍流。但是灾害过后天气放晴，湍流的强度也随之减弱。因此采用了m
á
laga衰落分布模型，这是一种适用于弱到强湍流的通用模型，在一些特殊情况下可以转换为对数正态分布、k分布和指数分布等其他模型。根据m
á
laga衰落分布模型，利用梅耶尔函数，无人机对地瞬时电信噪比γ
rd
的pdf和cdf可以通过下述r～s式表示：
[0055][0056][0057]
式中：式中：式中：式中：
[0058]
此外，σ2表示加性高斯白噪声的方差。φ与大尺度散射单元的有效数目有关，是一
个非负数。φ表示衰落数目，为正整数。ζ表示离轴接收到的散射分量，并且可以表示为ζ＝2b0(1-ρ)，这里b0和ρ分别是总散射量的平均功率和耦合到视距传输分量的散射功率。χ是相干信号平均功率并可以表示为这里φa以及φb是视距传输和耦合到视距传输的分量。通过取值ρ＝1和χ＝1，m
á
laga衰落分布可以简化为gamma-gamma衰落分布。
[0059]
中继节点遵守具有固定增益的前向放大协议，端到端信噪比γ的cdf可以由下述t式表示为：
[0060][0061]
积分得到端到端信噪比γ的cdf可以由下述u式表示为：
[0062][0063]
对变量γ进行求导，可以进一步得到中继系统端到端信噪比的概率密度函数由下述v式表示：
[0064][0065]
根据上述pdf表达式，可以进一步计算出系统的中断概率由下述w式表示：
[0066]
[0067]
系统的平均误码率由下述x式表示：
[0068][0069]
本发明提供一种基于无人机的无线光通信中继系统信号传输方案，当发生地震、洪水等灾害时，无人机作为信号传输的中继节点辅助救援。为了分析更真实的信号传输场景，将无人机盘旋时位置和方向上的抖动偏差、不同天气情况(晴朗、薄雾、雾)和传输距离等因素都考虑在系统中，用以分析该系统信号传输质量，从而减低中断概率和误码率。
[0070]
下面以应用于地面节点和无人机中继节点的具体实施为例，构建无人机辅助的双跳光通信链路，并以通过分析无人机接收视场角度、无人机盘旋位置和方向偏差、天气情况、链路距离、调制方式和归一化光束宽度比值等因素对该系统信号质量的影响情况，并通过调整参数提高系统性能，对本发明作进一步详细描述和说明：
[0071]
实施例1
[0072]
参阅附图1，按下述步骤建立无人机与地面发射和接收的无线光通信系统：
[0073]
步骤s101：发射端向无人机中继节点发送调制后的光信号，无人机接接收到被大气湍流、到达角起伏、衰减损失和瞄准误差影响的信号
[0074]
作为信号源的地面发射节点首先对电信号进行调制，调制方式包括bpsk、bfsk、qpsk和mfsk，再通过激光驱动器将电信号转换成光信号发射到自由空间中。光信号传输距离为2～10km，本实施例对光信号传输距离不做限定。
[0075]
参阅附图2，地面发射节点与无人机中继建立连接，无人机中继节点与地面接收节点建立连接，由于地面发射节点和地面接收节点之间的视距传输受到障碍物阻碍，因此无法直接建立连接。
[0076]
需要特别说明的是，本发明主要考虑为自然灾害情况下地面与地面无法直接建立视距通信的救援情况提供服务，灾害时固定中继建立困难、周期长，因此需要引入无人机中继作为信号转发站。本实施例中，光信号从发射节点到无人机中继节点会受到很多因素干扰，发射节点和中继节点之间同时考虑了衰减损失、大气湍流、瞄准误差和到达角起伏对光通信链路的影响。其中，光信号在自由空间传输时会随着传输距离增加而产生自然衰落；到达角是指无人机中继节点和光信号发射节点之间的相对方位或角度，无人机在高空盘旋会受到空气波动发生抖动以及位置发生改变，到达角起伏随之产生，会对光信号传输带来影响；瞄准误差则是由机械振动引起的发射器和接收器之间的偏移造成的。在无人机中继处估计出信号的能量和噪声的能量，得到瞬时信噪比γ
sr
，利用固定增益对信号进行放大转发。
[0077]
步骤s102：无人机中继对信号进行放大转发
[0078]
无人机中继节点接收地面节点发送的信号，对信号进行放大转发。
[0079]
本实施例中，中继节点对接收到的光信号不做解调处理，而是直接采用固定的增益因子g对卫星信号进行放大。增益因子g的取值由中继节点根据自身的条件决定，包括发射节点所能提供的最大功率、外部噪声和能耗情况等条件。
[0080]
步骤s103：接收端接收无人机转发的光信号转为电信号并解调，分析系统中断概率和误码率
[0081]
中继节点转发光信号至地面接收节点，考虑大气湍流的影响，且使用一种具有普适性的大气湍流模型，适用于弱湍流到强湍流，在接收节点得到瞬时信噪比γ
rd
，根据固定增益和发射节点到中继节点的瞬时信噪比γ
sr
，综合得到发射节点到接收节点的信噪比γ。
[0082]
参阅附图2，虚线表示光信号传输中心，受到大气湍流的影响。由于接收节点为稳定的大楼，因此无需考虑到达角起伏和瞄准误差的影响。根据端到端信噪比γ，进一步分析系统传输性能包括中断概率和误码率。
[0083]
综上所述，本发明提供一种基于无人机的无线光通信中继系统信号传输方案，当发生地震、洪水等灾害时，无人机作为信号传输的中继节点辅助救援。为了分析更真实的信号传输场景，将无人机盘旋时位置和方向上的抖动偏差、不同天气情况(晴朗、薄雾、雾)和传输距离等因素都考虑在系统中，用以分析该系统信号传输质量，从而减低中断概率和误码率。本方案适用于地面到无人机和无人机到地面的上下行链路，用以分析灾害期间地面和无人机中继节点和无人机中继和地面节点之间大气湍流、到达角起伏、衰减损失和瞄准误差的影响，降低信号的中断概率和误码率。
[0084]
以上只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本发明专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。
[0085]
摘要
[0086]
本发明公开了一种无人机辅助的无线光通信系统传输方法，其特点是采用无人机中继节点的方法，构建无人机辅助的双跳光通信链路，建立无人机与地面发射和接收的无线光通信系统，利用无人机中继节点转发光信号，获取发射节点到接收节点的电信噪比，所述无人机中继节点采用直接检测强度调制和放大转发协议对光信号进行转发。本发明与现有技术相比可有效降低系统中断概率和误码率，系统构建简单、费用低，当发生自然灾害，如山洪、地震、洪水等时，高灵活性的无人机可作为中继设备到达灾区辅助救援，不仅延长了光通信系统的链路距离，还解决了障碍物阻碍视距传输的问题，在军事领域受到广泛关注和应用，在农业和工业等领域也有广泛的应用前景。