一种基于大气信道衰落预测的抗衰落PPM速率自适应传输方法及系统

一种基于大气信道衰落预测的抗衰落ppm速率自适应传输方法及系统
技术领域
1.本发明属于空间光通信抗衰落自适应速率领域，特别涉及一种基于大气信道衰落预测的抗衰落ppm速率自适应传输方法及系统。


背景技术：

2.自由空间光通信具有天线尺寸小、传输速率高、保密性好等优点，现在已广泛应用于应急通信、军事场所、最后一公里接入等通信场景。但自由空间光通信发展也面临着许多挑战，最主要的影响因素就是由大气湍流带来光强波动起伏以及光传播时的功率衰减，会导致光信号在传输时的光束质量变弱，从而影响光通信质量。
3.目前主要从数据链路层和物理层两个层面来抑制大气湍流的影响，其中物理层采用的多种技术有：自适应光学、自适应调制编码、大孔径接收技术、部分相干光传输；而数据链路层主要采用混合自动请求重传技术、纠错编码技术等技术。由于大气湍流的影响，激光信号在大气信道中传输时很容易受到大气湍流干扰而产生深度衰落，这种大气衰落信道会导致信号发生长串的突发错误，这种深度衰落造成的错误超出一般纠错码的纠错的能力范围。因此需要采用自适应速率系统来改变编码的速率，使发送端适应当前信道状态，增强抗衰落能力。但在自适应速率系统中，接收端的信道估计及信号往返造成的时延使得当前的自适应模式与当前的信道状态不匹配，造成信道资源的浪费，严重降低频带的利用率。为此需要在接收端增加一个信道预测辅助模块来减小反馈时延对通信质量的影响。


技术实现要素：

4.为了降低自适应通信系统中接收端光功率估计及光信号往返传输时延的影响，使传输速率与当前信道状态更加适应，本发明提出一种基于大气信道衰落预测的抗衰落ppm速率自适应传输方法及系统。用过去n个光功率点预测未来的信道衰落，并根据预测的值来传输反馈速率调制指令，而不是根据当前接收信号的光功率值来反馈速率调制指令。根据各种传输模式在没有湍流时的误码性能曲线，确定各传输模式低于设定的误码率上限(10-5
)时对应的光功率区间，并将光功率区间和传输模式的对应关系以查找表的形式存储在收发两端；接收端光功率估计模块对经过湍流光强起伏后的ppm信号光功率进行估计，然后利用大气信道的时间相关性，根据过去的光功率预测未来的接收光功率，并根据预测的光功率在接收端的查找表中选择对应的传输模式，最后将传输模式指令信息经过反馈信道发送到发射端，实现传输速率自适应。具体包括以下步骤：
5.步骤1：在fpga开发板中通过串行级联脉冲位置调制scppm系统完成编码调制；
6.步骤2：fpga中通过脉冲形成器模块将传输进来的数据转换为ppm电脉冲输出，从而对激光器进行调制，使激光器输出ppm光脉冲序列；
7.步骤3：接收端通过光探测器将接收到的光信号转化为电信号，再进行相应的a/d采样和预处理后将数据存储在fpga中，在接收端fpga开发板上进行数字信号处理，完成预
测、判决，产生自适应速率传输的控制命令；
8.步骤4：最后通过闭环反馈链路，将控制命令发送给发射端，由发射端的光探测器接收，从而调节系统的传输模式，完成自适应速率传输。
9.下面是详细的技术方案步骤：
10.步骤s1，本发明在发射端的自适应传输模式采用的是一种符号删除的自适应速率通信机制，通过人为地改变ppm符号删除的数量，改变信号的冗余量，从而改变传输速率，实现自适应速率编码。
11.步骤s2，编码产生的ppm电信号驱动激光器，产生ppm光脉冲信号。
12.步骤s3-1,由接收端功率估计模块对ppm光信号进行光功率估计，该部分处理的时间直接影响自适应系统的性能，对速度和精度都有要求，光功率可以根据ppm光脉冲峰值的高度来确定接收的光功率。
13.步骤s3-2,对得到的光功率进行离散采样，采样率为5khz、10khz、20khz、
……
，采样率对预测精度的影响后面会分析，将得到的光功率存入寄存器中。
14.步骤s3-3，得到的离散信道功率值用来进行预测，这部分是本发明的核心内容。详细介绍本发明的预测算法：本发明采用长期衰落信道预测算法(long range fading channel prediction,lrp)，该信道预测算法能够根据过去的光强观测结果计算出未来大气信道衰落系数的线性最小均方误差值(minimummean squared error,mmse),该算法可以预测未来较长时间的衰落信号，在给定的滤波器大小p时，可使用低采样率来增加算法的内存跨度。后面用实测大气湍流衰落数据对lrp算法进行了验证，证明该预测模型适用于实际大气湍流衰落信道的预测。
15.利用ar模型对平坦衰落信道的mmse进行了预测：
16.长期预测的目的是预测未来的衰落系数的未来值。为了实现这一任务，假设观察到p个衰落信号样本序列。基于已知的大气信道衰落样本c
n-1
,...,c
n-p
对未来信道样本的mmse预测，预测值表示为：
[0017][0018]
其中，p为ar模型的阶数，最优系数dj由正交性原理确定为：
[0019]
d＝r-1
r (2)
[0020]
其中，r是系数为的p
×
p自相关矩阵，r是系数为的p
×
1自相关向量。相关系数r
ij
和rj可以从观测样本中估计出来，信道采样频率对预测性能的影响后面分析。
[0021]
为了证明当(1)中的滤波器长度p固定时，较低的速率采样可以得到更准确的长程预测，我们将(1)中的一步预测扩展到一般的信道预测问题，目的是通过在采样率fs＝1/ts下采集的p个过去样本，找到未来样本的mmse估计值。预测值：
[0022][0023]
区间τ＝υts称为预测范围，其中υ可以是任意正实数。lp滤波器系数dj可以通过最
小化mse，来确定lp滤波器系数dj，如(4)所示。所得到的mmse值为：
[0024][0025]
其中，自相关函数r(t)＝e[c(s)c*(s+t)]。
[0026]
步骤s4-1，该系统设置10-5
为通信系统的最大误码率容忍度，根据每种传输模式在无湍流的情况下的误码率性能，然后确定各种传输模式误码率小于10-5
时对应的光功率区间，并且以传输速率最大为目的，选择对应光功率下的对应传输模式。
[0027]
步骤s4-2，将光功率与传输模式一一对应制作成查找表(如表1)的形式，并存储在收发两端，作为已知的通信协议。
[0028]
步骤s4-3，根据预测的光功率，选择合适的传输模式，然后经过反馈信道将速率控制指令反馈给发射端，从而实现自适应速率传输。
[0029]
本发明主要包括scppm编码调制、光探测器和scppm译码、反馈信道、光功率估计、信道预测等部分组成。其中光功率估计部分对大气信道衰落预测的效果关系密切：
[0030]
光功率估计单元，对接收的ppm光脉冲信号进行功率估计；
[0031]
反馈信道用于发送速率调节指令给反射端；
[0032]
scppm编码，对用户二进制数据进行编码，增强信息的抗干扰能力；
[0033]
光探测器，用于接收端的ppm信号接收和发射端的速率调节指令的接收；
[0034]
scppm译码，对输入的ppm信号进行帧同步、符号同步，再迭代解调译码。
[0035]
其中scppm自适应编码调制，光功率估计、信道衰落预测、查找表、反馈信道等模块是本发明的主体。
[0036]
本发明基于大气衰落信道预测，相较于传统的根据当前的接收光功率进行传输速率调整，该系统更能适应时变的大气湍流信道。
附图说明
[0037]
图1是基于衰落预测的自适应速率传输系统框图。
[0038]
图2是不同接收孔径下的光功率起伏图。
[0039]
图3是d＝1cm时信道衰落自相关函数。
[0040]
图4是滤波器阶数p与预测精度的关系。
[0041]
图5是信道采样率与预测精度的关系图。
[0042]
图6是不同接收口径与预测精度的关系图。
[0043]
图7是d＝0.5cm时归一化光强起伏。
[0044]
图8是64阶ppm符号删除的误码率性能。
[0045]
图9是时延为1ms时预测和没有预测时的性能比较图。
具体实施方式
[0046]
下面将结合本发明中实施例的附图，对本发明实施例中的技术方案进行完整、清楚的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例。基于本发明中的实施例，本
领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有的其他实施例，都属于本发明保护范围。
[0047]
本实施例为了降低自适应系统中反馈时延对通信质量的影响，进一步提高脉冲位置调制自适应速率系统在时变大气衰落信道下的吞吐量，在传统的自适应传输系统基础上提出了基于信道衰落预测的ppm自适应速率传输方案，包括以下步骤：
[0048]
s1：在fpga开发板中通过串行级联脉冲位置调制scppm系统完成基于符号删除的自适应速率编码调制；
[0049]
s2：fpga中通过脉冲形成器模块将传输进来的数据转换为ppm电脉冲输出，从而对激光器进行调制，使激光器输出ppm光脉冲序列；
[0050]
s3：接收端通过光探测器将接收到的光信号转化为电信号，再进行相应的a/d采样和预处理后将数据存储在fpga中，在接收端fpga开发板上进行数字信号处理，完成预测、判决，产生自适应速率传输的控制命令；
[0051]
s4：最后通过闭环反馈链路，将控制命令发送给发射端，由发射端的光探测器接收，从而调节系统的传输模式，完成自适应速率传输。
[0052]
在自由空间光通信中，激光传输介质的折射率发生变化，产生大气湍流，这严重影响空间光通信的质量。在早期的自适应空间光通信系统中，忽略了自适应系统指令反馈造成的时延，使得传输速率与当前的信道状态不匹配。
[0053]
传统的自适应速率通信系统主要是根据当前接收光功率进行判决，确定该光功率所属的光功率区间，从而产生对应的速率反馈指令，通过激光器把指令发送出去，并没有利用上大气信道衰落的时间相关性。
[0054]
本发明从降低时延对自适应通信系统的影响入手，提出一种基于大气衰落预测的自适应传输系统，在不过多提高系统复杂度的前提下更能适应时变的大气衰落信道，提高自适应系统吞吐量。但对于非平稳大气信道衰落，衰落统计特性随时间变化，过去的预测参数dj不再适用，因此需要自适应预测的机制，不断更新预测模型的系数，这样虽然提高预测性能，但同时增加硬件的资源和功率消耗，还需要继续优化。
[0055]
图1是本发明基于信道衰落预测的自适应传输方案框图。在传统自适应速率通信系统的基础上，本发明方案提出一种基于大气信道衰落预测的抗衰落ppm速率自适应传输方法及系统，如图1所示：在接收端增加了大气信道衰落预测机制，充分利用大气衰落信道的时间相关性，利用过去的光功率衰落值预测0.5ms、1ms、2ms
……
后的衰落，来降低自适应系统中信号处理造成的反馈时延对通信质量的影响，提高系统的吞吐量。
[0056]
图2是不同接收孔径下的实测大气衰落信道归一化数据。为了验证该预测算法适用于实际大气湍流模型，在外场700米左右的距离采集了不同孔径下的大气湍流光强起伏数据，由图可以看出孔径平滑效应可以有效抑制大气湍流对光功率的影响。其中光强起伏通常用光强闪烁指数来表示：
[0057][0058]
其中，i为光强，《
·
》表示系综平均。
[0059]
图3是孔径为1cm时的大气湍流自相关函数。信道预测的精度与预测模型的记忆跨
度((p-1)/fs)有关。在一定的阶数p下，高频的信道采样速率会使采样周期ts减小，从而使记忆跨度变短，信道衰落的时间相关性没有充分利用上；低信道采样率虽然使记忆跨度增大，但是造成信道采样失真，使得预测模型与信道模型不对应，同样会导致预测精度降低。
[0060]
图4是预测模型阶数p与预测精度的关系图。对1cm孔径接收的衰落进行预测，分析了所用过去点数p对预测误差的影响，可以看出随着预测所用过去点数的增加，预测精度有所提高，但是预测滤波器阶数p大于8之后，性能不再提高，过多的阶数虽然不会使预测的性能降低，但是在硬件实现时会增加预测模块的内存和数据处理的功耗，特别是应用在无人机等功率受限的移动终端上，过高的功耗会影响产品的续航性能。所以用过去8个点来预测，性能最好。
[0061]
图5是信道采样率与预测精度的关系图。对1cm口径接收的实测衰落预测，在预测滤波器阶数p＝20时，预测不同时间长度后的衰落，信道采样率和预测方差的关系如下:随着信道采样率的增加，预测的性能先增后减，可知过高或者过低的采样率都会导致预测精度变差，那是因为过高的采样率虽然会提高信道的分辨率，但会导致记忆跨度变短。过低的采样率虽然增加了记忆长度的跨度，但是低采样率会造成信道采样失真，使得线性预测系数dj计算有偏差，同样会导致预测的精度变差，所以信道采样率不宜过高或者过低，由图可以看出，在该信道强度下信道采样率在2khz左右最好。
[0062]
图6是不同接收口径对预测精度的关系图。分析不同光强起伏强度对预测误差的影响：随着接收孔径的增大，光强闪烁强度降低，预测精度提高。小孔径接收使得光强起伏变得尖锐，高频分量增加(如图7)，信道时间相关性变弱，增加了信道预测的难度。
[0063]
图8是64阶ppm符号删除的误码率性能图。采用一种基于符号删除的自适应速率通信系统，通过在发射端人为地删除ppm符号，降低编码的冗余度，来提高传输速率，在译码端通过迭代译码，恢复删除的信息。该系统设置最大误码率容忍度为10-5
，采用等距删除的模式来研究吞吐量。吞吐量定义为：
[0064][0065]
式中：η表示平均吞吐量；i表示数据帧编号；ri表示第i帧的信息传输速率；pi表示第i帧的误比特率；n表示数据帧总数。由图可以得到各传输模式在误码率小于10-5
时对应的光功率区间，根据预测的光功率所处的区间，发送对应的速率调节指令给发射端。与随机删除和整块删除相比，等距删除的性能较好，下面采取等距删除的模式。各删除比例模式所对应功率区间如表1所示，其中“64ppm-10”表示在64阶的ppm帧中，以固定步长为10来删除ppm符号，共删除10％的ppm符号。
[0066]
表1不同光功率区间对应的传输模式(无湍流)
[0067][0068]
图9是时延为1ms时有预测和没有预测的性能比较图。同时也考虑了由于预测误差造成的吞吐量损失。由图可以看出：随着接收光功率的增加，自适应速率系统的平均吞吐量先增加后收敛。仿真分析了自适应通信系统时延为1ms时的吞吐量性能：本发明有预测的方
案比没有预测时增加5％的吞吐量，那是因为没有预测辅助时，自适应通信系统由于时延使发射端速率调节滞后，在信道质量好时，低速发送，导致信道资源浪费；或者在信道质量差时，高速发送，导致误码率增加。而增加了预测模块后，利用大气信道的时间相关性对未来的1ms的衰落进行预测，一定程度上降低了时延对系统吞吐量的影响。
[0069]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种基于大气信道衰落预测的抗衰落ppm速率自适应传输方法及系统，其特征在于：用过去n个光功率点预测未来的信道衰落，并根据预测的值来传输反馈速率调制指令，而不是根据当前接收信号的光功率值来反馈速率调制指令。根据各种传输模式在没有湍流时的误码性能曲线，确定各传输模式低于设定的误码率上限(10-5
)时对应的光功率区间，并将光功率区间和传输模式的对应关系以查找表的形式存储在收发两端；接收端光功率估计模块对经过湍流光强起伏后的ppm信号光功率进行估计，然后利用大气信道的时间相关性，根据过去的光功率预测未来的接收光功率，并根据预测的光功率在接收端的查找表中选择对应的传输模式，最后将传输模式指令信息经过反馈信道发送到发射端，实现传输速率自适应。具体包括以下步骤：步骤1：在fpga开发板中通过串行级联脉冲位置调制scppm系统完成编码调制；步骤2：fpga中通过脉冲形成器模块将传输进来的数据转换为ppm电脉冲输出，从而对激光器进行调制，使激光器输出ppm光脉冲序列；步骤3：接收端通过光探测器将接收到的光信号转化为电信号，再进行相应的a/d采样和预处理后将数据存储在fpga中，在接收端fpga开发板上进行数字信号处理，完成预测、判决，产生自适应速率传输的控制命令；步骤4：最后通过闭环反馈链路，将控制命令发送给发射端，由发射端的光探测器接收，从而调节系统的传输模式，完成自适应速率传输。2.根据权利要求1所述的基于大气信道衰落预测的抗衰落ppm速率自适应传输方法及系统，其特征在于：利用过去的衰落点预测未来的信道衰落，降低时延对通信系统的影响。3.一种基于大气信道衰落预测的抗衰落ppm速率自适应传输方法及系统，主要包括scppm编码调制、光探测器和scppm译码、反馈信道、光功率估计、信道预测等部分组成。其中光功率估计部分对大气信道衰落预测的效果关系密切：光功率估计单元，对接收的ppm光脉冲信号进行功率估计；反馈信道用于发送速率调节指令给反射端；scppm编码，对用户二进制数据进行编码，增强信息的抗干扰能力；光探测器，用于接收端的ppm信号接收和发射端的速率调节指令的接收；scppm译码，对输入的ppm信号进行帧同步、符号同步，再迭代解调译码。其中scppm自适应编码调制，光功率估计、信道衰落预测、反馈信道等模块是本发明的主体。

技术总结
本发明属于空间光通信抗衰落自适应速率领域，特别涉及一种基于大气信道衰落预测的抗衰落PPM速率自适应传输方法及系统。首先对接收到的大气衰落数据存储，计算信道自相关函数，然后得到AR自回归模型的最小均方误差参数，用过去的N个点预测未来的衰落，并根据预测的衰落值，发送速率调节指令，实现自适应速率传输。与传统的自适应系统相比，本发明利用大气信道的时间相关性，根据过去的光功率预测未来的接收光功率，降低了时延对系统的影响。降低了时延对系统的影响。降低了时延对系统的影响。


技术研发人员：向劲松 温掌民
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：2023.01.03
技术公布日：2023/7/22