一种空间光载无线系统的混合数模传输方法

1.本发明属于光通信领域，涉及一种空间光载无线系统的混合数模传输方法。


背景技术：

2.随着第五代移动通信时代(5th generation，5g)的到来，大带宽高速的流量通信业务正在蓬勃发展，伴随着万物互联的时代开启，大规模的用户设备呈指数级上升，这对通信系统的容量提出了严格的要求。但现有5g低频段的射频(radio frequency，rf)带宽几乎已经被完全占用，很难去进一步挖掘可用带宽，所以需要提升频谱的效率。而射频传输在空气中传输的衰减非常大，无法实现超远距离的传输，因此用光纤作为媒介进行远距离传输成为最优的选择。于是学者们提出了光载射频(radio over fiber，rof)技术，即将rf信号加载到光纤上传输，进而充分利用光纤低衰减、高延展性、低成本的特性。对于目前5g集中式无线接入网(centralized radio access network，c-ran)包括集中单元、分布单元和射频单元三部分。其中承载数字信号的rof，称为数字rof(digital-rof，d-rof)；而承载模拟信号的rof，称为模拟rof(analog-rof，a-rof)。d-rof可以通过使用高量化比特实现高信号保真度，但通常认为其频谱效率较低。a-rof在光传输过程中容易受到噪声和固有非线性的影响，但可以获得较高的频谱效率。目前的商用rof传输承载的是数字信号，也称为公用无线电接口，但面临着低频谱效率的问题，难以胜任未来大容量传输的任务。为了结合数字与模拟信号传输的优点，混合数字模拟信号传输技术应运而生。
3.虽然光纤链路有诸多优势，如：低成本，高带宽，传输距离远，传输质量好，免疫电磁干扰等，但对于已经铺设好光纤的城市进行链路拓展或维修，不仅会导致通信链路的中断，影响用户的使用，而且需要挖掘地面，将增加人工成本。因此自由空间光(free space optical，fso)成为了光纤的替补链路。目前有很多学者已经研究了混合传输技术，例如通过频谱零点填充，但相关工作主要集中在光纤信道上，而fso信道的链路损耗比光纤信道更为复杂，包括大气衰减、湍流。更重要的是，之前插入的模拟信号带宽是固定的，并不能根据信道状态对模拟带宽自适应的调整。固定插入模拟带宽范围的方式为了避免链路的中断，会考虑最差的信道状态，所以最终的混合数模传输的容量并不是最大化的。
4.本发明采用模拟信号插入数字信号频谱零点的方式实现了数字模拟信号的混合传输，以此来兼容数字和模拟信号的传输。基于此系统，本发明提出在大气衰减和湍流情况下，模拟信号最大可插入带宽的表达式，根据此表达式可适应信道条件以改变插入的模拟带宽。因此，本发明的优势在于可以根据信道的链路状态信息，调制模拟信号最大可插入带宽；从而最大化混合系统传输的容量。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种空间光载无线系统的混合数模传输方法。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种空间光载无线系统的混合数模传输方法，该方法为：
amplitude，evm)门限求解方程。对于模拟信号而言，其主要受到数字串扰以及fso链路引起的功率衰减的影响。因此，pd探测后模拟信号的信噪比为：
[0027][0028]
式中r0表示光电探测器的响应度，pa是模拟信号的功率，pd是数字信号在模拟带宽范围内的功率，pn表示光电流噪声的功率，h
fso
(f)是fso链路的传递函数，包括大气湍流和大气衰减的影响。由于信号的功率等于功率谱密度(power spectral density，psd)在带宽范围内的积分，由于在公式(1)中得到了数字信号的psd表达式，而噪声和模拟信号可以近似认为它们的psd是均匀分布的。因此可使用光信噪比(optical snr，osnr)来量化噪声的影响，定义为(aa+ad)2/pn，pn是在光电探测器带宽b
pd
内分布的噪声功率，aa是模拟信号的最大幅值，ad是数字信号的最大幅值。因此噪声功率谱密度可表示为
[0029][0030]
式中，b
pd
是光电探测器的带宽，aa是模拟信号的最大幅值，ad是数字信号的最大幅值，osnr是光信噪比。假设ofdm信号在带宽为b的频谱上近似均匀分布，则模拟信号的psd可简化为
[0031][0032]
式中p
papr
为ofdm信号峰值平均功率比。
[0033]
将公式(6)代入到公式(4)中，可以得到
[0034][0035]
式中，sd(f,m)是pam信号的功率谱密度函数，b是需要求解的最大可插入的模拟带宽。由于得到了模拟信号的snr表达式，所以可以通过不同调制的evm门限去求解出最大可插入的模拟带宽。evm的表达式如下
[0036][0037]
将公式(7)中snra(
·
)代入公式(8)可以得到模拟信号的evm表达式evma(
·
)。只有当通信系统的低于其调制阶数所对应的evm门限时，才能保证解码无误。根据多进制正交幅度调制(m-ary quadrature amplitude modulation，m-qam)的调制阶数所对应的evm门限值。所以可得出表达式
[0038]
f(b)＝evm
th-evma(b,l,m,m,f)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0039]
由公式(9)可得三种情况，f(b)＞0,f(b)＝0,f(b)＜0。当f(b)＞0时，说明此时带宽的evm小于evm的门限值，可进一步增大模拟带宽；当f(b)＝0时，说明此时的带宽为最大可插入模拟带宽；当f(b)＜0时，表示此时带宽的evm达不到evm的门限要求，需要减小带宽。最优的带宽可通过二分法快速搜索得到，此时的最优带宽为最大可插入模拟带宽b。通过调整evm门限，可以得到不同调制阶数下最大可插入的模拟带宽。
[0040]
进一步的，s4具体为：模拟的ofdm信号聚合的边带数由最大可插入的模拟带宽确定。通过对s3中求解出的带宽取整：
[0041][0042]
其中，b为公式(9)得到的最大可插入模拟带宽，b0为ofdm边带的带宽，表示向下取整。
[0043]
进一步的，s5具体为：pam信号(数字信号)与ofdm信号(模拟信号)通过功率合并器合并，其中模拟信号插入到数字信号的频谱零点。因为数字信号天然的会出现频谱零点，其频谱零点由pam信号的波特率确定，将模拟信号上变频到数字信号的频谱零点，可以在频域实现数字与模拟信号的混合。
[0044]
进一步的，s6具体为：对混合的数字模拟信号进行im/dd，将发送端的混合数模信号通过任意波形发送器(arbitrary waveform generator，awg)加载到mzm(mach zehnder modulator)上，其中mzm需要加载直流偏置，之后通过光准直器将光信号发送至fso信道。在接收端通过光准直器收光信号，之后通过pd将光信号转变为电信号。
[0045]
进一步的，s7具体为：s6中所得到的电信号由分束器分为两路信号，其中一路通过带通滤波器得到模拟信号，另一路信号为混合信号。此时，利用另一个分束器将所得到的模拟信号分为两路，其中一路用于ofdm信号解调，另一路模拟信号用于分离混合信号。为降低模拟信号对数字信号的干扰，将第一个分束器输出的混合信号通过3db衰减器(attenuator，att)，保证模拟信号与数字信号的功率均等。最后，通过减法器从混合信号中去除模拟信号即可分解出数字信号，进而分别完成模拟信号与数字信号的解调。
[0046]
本发明的有益效果在于：针对fso协作传输系统现有研究存在的不足，本发明提出了一种空间光载无线系统的混合数模传输方法。针对不同的大气信道状态，利用解析表达式可求解出最大可插入模拟带宽，实现混合数模传输系统频谱效率的最大化。
[0047]
本发明提出的一种空间光载无线系统的混合数模传输方法的创新之处在于：可以根据链路的信道状态信息自适应的改变插入的模拟信号带宽，从而最大化系统的频谱效率。
[0048]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0049]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0050]
图1为无反馈链路的信道状态信息获取方案；
[0051]
图2为混合数字模拟传输系统的原理图；
[0052]
图3为不同光信噪比下，模拟信号evm随频率的变化图；
[0053]
图4为不同链路长度对最大可插入的模拟信号带宽的影响；
[0054]
图5为不同大气衰减因子对最大可插入的模拟信号带宽的影响；
[0055]
图6为不同衰减因子对数字信号各个边带的ber影响。
具体实施方式
[0056]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0057]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0058]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0059]
目前的商用rof传输承载的是数字信号，面临着低频谱效率的问题，难以胜任未来大容量传输的任务。为了结合数字与模拟信号传输的优点，有学者提出了混合数字模拟信号传输方案。此技术最早是应用于固定网络接入与无线网络的融合之中，通过特殊的方式将固定网络与无线网络进行融合，从而达到提升频谱效率，减少硬件的投资成本。虽然目前有学者已经研究了混合传输技术，例如通过频谱零点填充，但相关工作主要集中在光纤信道上，而fso信道的链路损耗比光纤信道更为复杂，包括大气衰减、湍流。更重要的是，这些学者所插入的模拟信号带宽是固定的，并不能根据信道状态的改变而自适应的调整。固定插入模拟带宽范围的方式是基于最差的链路状态设计的，以避免链路的中断，所以最终的混合数模传输的容量并不是最大化的。
[0060]
因此，本发明针对现有数字模拟混合传输低频谱效率问题，提出一种空间光载无线系统的混合数模传输方法。其主要根据自由空间光信道状态信息的变化在数字信号频谱零点去自适应改变插入的模拟带宽，以此提升频谱的利用率。通过对自由空间光信道的大气衰减和湍流的影响进行分析，推导出可插入数字信号频谱第一零点的模拟信号带宽解析表达式，通过优化最大可插入的模拟带宽，提高fso传输系统在不同信道状态下的频谱效率。
[0061]
综上所述，本发明提出的一种空间光载无线系统的混合数模传输方法，通过自适应的改变插入模拟信号带宽，以适应自由空间光信道状态信息的变化，从而最大化系统传输的容量。
[0062]
本发明针对fso移动前传系统提出了数字模拟混合传输方案，并在此基础上实现自适应模拟带宽插入。本发明设计的数字模拟混合传输系统可根据大气信道状态的变化自
适应的改变出入模拟带宽的范围，以此提升系统的频谱效率。
[0063]
本发明于混合数字模拟fso通信系统中进行验证，即将模拟的多边带ofdm信号插入到数字信号的频谱零点中。本发明提出的空间光载无线系统的混合数模传输方法的具体实现过程如下：
[0064]
1.通过图1所示的无需反馈链路的信道状态信息获取方案，即本系统基于无反馈信道条件下的结果，算法中所需的信道状态信息可以通过传感器获取，其中大气衰减因子可以通过云端的实时天气更新或者湿度传感器去估算，大气折射率结构常数可以通过温度传感器获取。对于实际场景，由于fso传输链路距离通常较大，在这个小范围内链路的状态信息变化并不剧烈，所以可以通过发送端的传感器去获得这些链路状态信息。传感器通过电信号发送到分布单元，以此完成链路状态信息的捕获。
[0065]
2.如图2所示，其中(a)部分为系统框图。发送端的数字信号处理(digital signal processing，dsp)如(b)部分所示，原始二进制数据在串行到并行转换、反傅里叶变换、并行到串行转换和添加循环前缀后进行滤波。因为通过限幅操作虽然会降低峰值平均功率比，但是也会引入很大的带外泄漏，所以使用升余弦滤波器来减小带外泄漏。最后通过中频(intermediate frequency，if)复用器将多边带的ofdm进行载波聚合，模拟信号通过上变频转换为所需的中频信号，上变频的频率要求为pam信号的第一谱零点。而另一路数据执行pam调制，然后通过功率合成器，获得混合数字模拟信号。混合数字模拟信号通过mzm调制到光载波上，mzm工作在正交偏置点以确保器件的线性，之后通过光准直器将光信号发送至fso信道。特别地，理论推导的公式(10)被用于发送端dsp的自适应边带分配模块。
[0066]
在ru，通过光准直器收光信号，之后通过pd将光信号转变为电信号。所得到的电信号由分束器分为两路信号，其中一路通过带通滤波器得到模拟信号，另一路信号为混合信号。此时，利用另一个分束器将所得到的模拟信号分为两路，其中一路用于ofdm信号解调，另一路模拟信号用于分离混合信号。为降低模拟信号对数字信号的干扰，将第一个分束器输出的混合信号通过3db衰减器，保证模拟信号与数字信号的功率均等。最后，通过减法器从混合信号中去除模拟信号即可分解出数字信号，进而分别完成模拟信号与数字信号的解调。ofdm信号解调如(c)部分所示，这是(b)部分的调制的逆过程。
[0067]
3.利用理论推导建立信道状态信息与最大可插入模拟带宽的关系，通过此关系可以设计自适应插入模拟带宽算法，具体步骤如下：步骤1：根据流程1得到的信道状态信息作为已知信息，得到模拟信号的snr表达式；步骤2：通过evm门限的要求，以及snr与evm之间的关系建立evm与最大可插入模拟带宽的关系；步骤3：通过二分法求解最大可插入模拟带宽，即当插入模拟带宽的evm等于evm门限时，此时的带宽为最大可插入模拟带宽。
[0068]
表1 optisystem光学仿真软件参数设置
[0069]
参数数值/形式单位ofdm的带宽10mhz激光器频率193.1thz激光器功率0dbmofdm子载波数600-数字信号波特率600mbaud发射器孔径0.05m
接收器孔径0.2m传输发散角2mrad光电探测器的响应度1a/w带通滤波器滚降因子0.2-[0070]
根据表1的参数设置，通过optisystem光学仿真软件模拟fso链路下最大可插入模拟带宽，并对比了理论推导中最大可插入模拟带宽的结果。
[0071]
图3是当模数混合比为1:1时，不同光信噪比下频率的变化对evm的影响，此处设置的衰减因子是10db/km，fso链路长度为0.5km。通过设置的固定插入模拟带宽值来确定公式中不同调制阶数下，osnr的选取。图3中插入的模拟带宽预设为50mhz。其中的频率范围为[300,1300]mhz，图中的横线表示不同调制方式下的evm的门限，即低于此门限才能实现可靠的通信。图中的黑色实线表示的是没有噪声干扰的情况，即osnr趋于无穷时的情况，是理论上限。在此频段内，可以发现两个evm值为零的点，分别是600和1200mhz，这正好对应着pam信号的频谱零点。我们可以发现随着osnr的增大，在600mhz时，曲线的凹陷程度逐渐增大；而随着频率的增大，最终近似为直线。特别地，evm门限与osnr的交点范围即为可插入的模拟带宽。例如，对于4qam，当osnr＝30db时，可插入的模拟带宽为50mhz；而对于16qam，osnr则需要增加到37db。因为后续仿真中都以4qam为例，所以设置理论公式中osnr为30db。
[0072]
图4是在固定大气衰减为10db/km，不同链路长度([4001000]m)条件下，最大可以插入模拟带宽的比较。横轴表示fso链路长度，纵轴表示模拟信号的最大可插入带宽。图中的粗线是实际的结果，细线是取整的结果；点划线是软件模拟的结果，而连续线是理论分析的结果。从图4中的曲线来看，fso链路长度和最大可插入模拟带宽之间存在负指数关系。随着传输距离的增加，可插入模拟带宽首先急剧减小。当链路长度超过600m时，纵坐标减慢的趋势逐渐变平。当传输距离大于600米时，从解析表达式获得的结果与模拟结果有很大偏差。由于此时接收的光功率非常小，接收端难以解调模拟信号，因此解析表达式的结果不再适用。
[0073]
图5显示了在0.5km的固定传输距离下，不同的大气衰减因子对模拟信号填充带宽的影响。横轴表示大气衰减因子，纵轴表示最大可插入模拟带宽。可以观察到，大气衰减因子与可插入模拟信号带宽近似线性相关。比较图5和图4的结果可以看出，与传输链路距离相比，解析表达式对大气衰减的变化具有更好的拟合效果。对于实际场景，发射机和接收机之间的距离基本固定不变，因此推导出的解析表达式对实际系统优化具有一定的指导意义。
[0074]
图6为弱湍流下，传输距离为0.5km时，不同大气衰减因子对ber的影响。通过optisystem软件，对于插入模拟带宽为60mhz的情况进行仿真。图6展示了6条边带各自的ber随大气衰减因子的变化，其中黑色的柱状图表示固定6条边带未使用自适应方案时的ber变化，浅色的柱状图为自适应插入模拟带宽边带个数所对应的ber变化。从图6中可以发现，当链路衰减大于10db/km时，可以插入的模拟带宽不能超过60mhz，因为第六个边带已经不满足fec的纠错门限，此时需要减小插入的模拟带宽。所以需要根据链路的衰减和湍流的大小情况去改变可插入模拟的带宽范围，如图6中的浅色柱状图所示，这些边带能满足fec纠错门限的要求。
[0075]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较
佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种空间光载无线系统的混合数模传输方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：s1：根据自由空间光fso链路状态信息，通过解析表达式求解出最大可插入的模拟带宽；s2：根据最大可插入的模拟带宽，确定模拟传输的正交频分复用ofdm信号聚合的边带数；s3：将模拟ofdm信号通过上变频变换到数字传输的脉冲振幅调制pam信号的第一个频谱零点处，通过功率合并器对两路信号进行合并，从而实现数模混合传输；s4：接收端通过带通滤波器bpf得到模拟信号，通过混合信号减去模拟信号得到数字信号，实现无需dsp处理的数模混合信号的解调。2.根据权利要求1所述的一种空间光载无线系统的混合数模传输方法，其特征在于：所述s1具体为：根据发送端所获取的链路状态信息，通过解析表达式求解出最大可插入的模拟带宽；首先得到关于模拟带宽的信噪比snr的表达式，然后通过evm门限求解方程；pd探测后模拟信号的信噪比为：式中r0表示光电探测器的响应度，p
a
是模拟信号的功率，p
d
是数字信号在模拟带宽范围内的功率，p
n
表示光电流噪声的功率，h
fso
(f)是fso链路的传递函数，包括大气湍流和大气衰减的影响；使用光信噪比osnr来量化噪声的影响，定义为(a
a
+a
d
)2/p
n
，其中p
n
是在光电探测器带宽b
pd
内分布的噪声功率，a
a
是模拟信号的最大幅值，a
d
是数字信号的最大幅值；噪声功率谱密度表示为式中，b
pd
是光电探测器的带宽，a
a
是模拟信号的最大幅值，a
d
是数字信号的最大幅值，osnr是光信噪比；设ofdm信号在带宽为b的频谱上近似均匀分布，则模拟信号的psd简化为式中p
papr
为ofdm信号峰值平均功率比；将公式(3)代入到公式(1)中，得到式中，s
d
(f,m)是pam信号的功率谱密度函数，b是需要求解的最大可插入的模拟带宽；通过不同调制的evm门限去求解出最大可插入的模拟带宽；evm的表达式如下将公式(4)中snr
a
(
·
)代入公式(5)得到模拟信号的evm表达式evm
a
(
·
)；当通信系统的evm
a
(
·
)低于其调制阶数所对应的evm门限evm
th
时，解码无误；根据多进制qam的调制阶数所对应的evm门限值，得出表达式
f(b)＝evm
th-evm
a
(b,l,m,m,f)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)由公式(6)得三种情况，f(b)＞0,f(b)＝0,f(b)＜0；当f(b)＞0时，说明此时模拟带宽对应的evm小于门限值，增大模拟带宽；当f(b)＝0时，说明此时的模拟带宽为最大可插入模拟带宽；当f(b)＜0时，表示此时模拟带宽的evm未达到门限要求，需要减小带宽；最优的带宽通过二分法快速搜索得到，此时的最优模拟带宽为最大可插入模拟带宽b；通过调整evm门限，得到不同调制阶数下最大可插入的模拟带宽。3.根据权利要求2所述的一种空间光载无线系统混合数模传输方法，其特征在于：所述s2具体为：模拟的ofdm信号聚合的边带数由最大可插入的模拟带宽确定；通过对s1中求解出的带宽取整：其中，b为公式(6)得到的最大可插入模拟带宽，b0为ofdm边带的带宽，表示向下取整。4.根据权利要求3所述的一种空间光载无线系统的混合数模传输方法，其特征在于：所述s3具体为：pam信号与ofdm信号通过功率合并器合并，其中模拟信号插入到数字信号的频谱零点；将模拟信号上变频到数字信号的频谱零点，在频域实现数字与模拟信号的混合；之后经过mzm调制器，将混合信号调制到光载波上，最后经过光准直器发送至fso信道。5.根据权利要求4所述的一种空间光载无线系统混合数模传输方法，其特征在于：所述步骤s4具体为：接收端通过光准直器收光信号，之后通过pd将光信号转变为电信号；电信号由分束器分为两路信号，其中一路通过带通滤波器得到模拟信号，另一路信号为混合信号；此时，利用另一个分束器将所得到的模拟信号分为两路，其中一路用于ofdm信号解调，另一路模拟信号用于分离混合信号；将第一个分束器输出的混合信号通过3db衰减器att，保证模拟信号与数字信号的功率均等；通过减法器从混合信号中去除模拟信号分解出数字信号，完成模拟信号与数字信号的解调。

技术总结
本发明涉及一种空间光载无线系统的混合数模传输方法，属于光通信领域。针对现有移动前传低频谱效率问题，提出一种空间光载无线系统的混合数模传输方法。其主要思想是可以根据自由空间光信道状态信息的变化，在数字信号频谱零点处自适应地改变插入的模拟带宽，从而提升频谱利用率。通过对自由空间光信道的大气衰减和湍流的影响进行分析，推导出可插入数字信号频谱第一零点的模拟信号带宽解析表达式。基于此解析表达式，进一步设计出一种空间光载无线系统的混合数模传输方法，通过优化最大可插入的模拟带宽，提高自由空间光传输系统在不同信道状态下的频谱效率。信道状态下的频谱效率。信道状态下的频谱效率。


技术研发人员：孙启明 刘业君 王希 冯淑华 郭磊
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/9/20