一种空间光载无线系统的混合数模传输方法

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：

1、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。

2、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 spaceoptical，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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种空间光载无线系统的混合数模传输方法，该方法为：

4、步骤s1：数字信号采用脉冲编码调制(pulse code modulation，pam)，模拟信号采用正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，ofdm)调制；

5、步骤s2：通过传感器采集到fso信道的大气衰减因子和大气折射率结构常数信息；

6、步骤s3：根据链路状态信息，通过解析表达式求解出最大可插入的模拟带宽；

7、步骤s4：根据最大可插入的模拟带宽，确定模拟传输的ofdm信号聚合的边带数；

8、步骤s5：将模拟ofdm信号通过上变频变换到数字传输的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；

9、步骤s6：对混合的数字模拟信号进行强度调制/直接探测(intensitymodulation/direct detection，im/dd)；

10、步骤s7：接收端通过带通滤波器(bpf)得到模拟信号，进一步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。

11、进一步的，s1具体为：数字采用pam信号调制，模拟信号采用ofdm调制。由于数字信号存在频谱零点，这使得模拟信号可以插入到数字信号的频谱零点处，从而增加频谱的利用率。数字信号的功率谱密度函数为：

12、

13、式中sinc(x)＝sin(x)/x，m是pam信号的调制阶数，ad是数字信号的幅度，r是pam信号的比特率，f是信号的频率。当调制阶数m＝2时，pam信号转化为nrz信号。

14、进一步的，s2具体为：相比于射频信道，fso信道由于传输距离较短，接收端和发送端的链路状态信息基本保持一致，所以可利用发送端测得的状态信息估计整条链路的信道状态变化。fso信道的链路状态信息主要包括大气衰减与大气湍流，大气衰减可以通过大气衰减因子量化，而大气衰减因子可以通过云端进行天气预测或从湿度传感器中获取；大气湍流可以通过大气折射率结构常数量化，而大气折射率结构常数可以通过温度传感器获取。通过这种无反馈的方式可以避免反馈信道的开销，同时避免链路反馈误差。

15、进一步的，s3具体为：根据发送端所获取的链路状态信息，可以通过解析表达式求解出最大可插入的模拟带宽。具体为：

16、s3.1：在光通信中，信号在接收端通常是通过光电探测器(photo-detector，pd)进行接收，而由于接收孔径的影响会引入背景噪声等的干扰。所以，对于光信道通常建模为

17、y＝r0hx+n                               (2)

18、式中x是具有平均光功率的传输符号，h是信道衰减系数，y是pd后的电信号，n是光电流噪声，r0是光电探测器的响应度。此处的h包括两部分：大气衰减hl和大气湍流ha。假设这两部分是相互独立作用于信道的，则其信道状态可以表示为

19、h＝hlha                                  (3)

20、式中hl是确定性的函数，其主要与传输距离和衰减因子有关，而ha是一个随机过程。

21、s3.2：对于hl通常建模为与大气衰减因子相关的指数函数，对于ha通常建模为与大气折射率结构常数相关的gamma-gamma信道模型用以描述湍流的强弱变化。

22、s3.3：为了求解可插入模拟带宽的范围，可首先得到关于模拟带宽的信噪比(signal-to-noise ratio，snr)的表达式，然后通过误差矢量幅度(error vectoramplitude，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：

23、

24、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，hfso(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bpd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

25、

26、式中，bpd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

27、

28、式中ppapr为ofdm信号峰值平均功率比。

29、将公式(6)代入到公式(4)中，可以得到

30、

31、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

32、

33、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

34、f(b)＝evmth-evma(b,l,m,m,f)                     (9)

35、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。

36、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：

37、

38、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。

39、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。

40、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 zehndermodulator)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。

41、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。

42、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。

43、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。

44、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。