CN105978624B - 空间光通信中自动重传请求机制性能的获取方法 - Google Patents

空间光通信中自动重传请求机制性能的获取方法 Download PDF

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Abstract

空间光通信中自动重传请求机制性能的获取方法，涉及空间光通信技术领域。本发明是为了解决传统ARP较低时，由于重传次数很大，会导致分析误码率的性能差的问题。本发明所述的空间光通信中自动重传请求机制性能的获取方法，为了更公平地评价FSO中使用CRC的ARQ机制的误比特率和吞吐量性能，提出了有效ARP，利用有效ARP、传统ARP与无ARQ机制绘制曲线，进行评价。通过仿真发现当传统ARP足够高时，只需要极少次重传就可以获得很高的性能增益。

Description

空间光通信中自动重传请求机制性能的获取方法
技术领域
本发明属于空间光通信技术领域，尤其涉及通信***的自动重传请求技术。
背景技术
自由空间光通信(FSO)是以光波作为传输载波，以自由空间作为传输介质的通信***。由于FSO具有通信容量大、体积小、功耗低、传输距离远、抗干扰能力强以及光束发散小不易被截获等优点，在无线通信、移动网络、卫星通信等各种应用领域中都得到了广泛的关注。
对于FSO而言，大气湍流和指向误差会导致接收信号能量的波动，且会大大降低***性能。自动重传请求(ARQ)机制通过使用循环冗余校验码(CRC)和数据帧重传的方式，使***可靠性得到提升，因此在无线通信中广泛使用。同样，ARQ机制也可以应用在FSO中来克服接收到的光信号能量波动的问题，提高***可靠性。这方面研究在2000年开始，针对不同FSO场景的几种ARQ传输机制已得到了设计与性能分析，包括带有增量冗余的自适应混合ARQ机制协议设计、混合ARQ机制在点对点FSO***中的一致性能、针对高海拔平台场景的ARQ分析等。众所周知，ARQ机制对***性能的提升是以牺牲***的吞吐量或带宽效率为代价的。但是，在成功接收一个数据包的过程中，由于重传导致的更多能量的消耗往往被忽视。先前的研究在进行误比特率性能分析时，没有将由重传消耗的能量计算在内。值得一提的是，现有技术中考虑了重传能量，但是它的误比特率是通过设定最大可传输次数进行计算的，而这个参数是个常数。在实际中，由于加性高斯白噪声(AWGN)和FSO信道波动变化的随机性，接收机成功接收到的每个数据帧的传输次数是一个随机变量。此外，现有技术还从信息论的角度推导了平均传输次数的理论表达式。并且推导了无检错码的误帧率。由于没有用CRC校验码进行检错，上述两种结果都没有反映出真实的ARQ性能。此外，为了权衡吞吐量和能量消耗，吞吐量-能量效率已被提出。
通常在FSO***中，将光接收机单位时间内接收到光束的能量称为平均接收能量(ARP)，在本文中称其为传统ARP。在传统ARP较低时，由于重传次数很大，分析误码率的性能很差。
发明内容
本发明是为了解决传统ARP较低时，由于重传次数很大，会导致分析误码率的性能差的问题，现提供空间光通信中自动重传请求机制性能的获取方法。
空间光通信中自动重传请求机制性能的获取方法，该方法首先设传统平均接收能量PC初始值为XdBm且-40≤X≤-30，然后执行以下步骤：
步骤一：调整发射机功率，使接收机接收到传统平均接收能量PC，然后同时执行步骤二和步骤三；
步骤二：进行自动重传请求机制的光通信，统计接收机数据帧总传输次数、接收帧个数及传统平均接收能量PC的误码率，然后执行步骤四；
步骤三：进行无自动重传请求机制的光通信，统计无自动重传请求机制下的误码率，然后执行步骤六；
步骤四：利用数据帧总传输次数和接收帧个数获得平均传输次数M，然后执行步骤五；
步骤五：根据传统平均接收能量PC、平均传输次数M及循环冗余校验码的码率N，获得有效平均接收能量PS，使有效平均接收能量PS的误码率与传统平均接收能量PC的误码率相同，然后执行步骤六；
步骤六：令传统平均接收能量PC增大2dBm，并判断此时的传统平均接收能量PC是否大于YdBm且-15≤Y≤-10，是则执行步骤七，否则执行返回步骤一；
步骤七：分别绘制无自动重传请求机制下的误码率曲线、有效平均接收能量PS的误码率曲线和传统平均接收能量PC的误码率曲线。
为了更公平地评价FSO中使用CRC的ARQ机制的误比特率和吞吐量性能，本发明提出了有效ARP。本发明考虑使用开关键控(OOK)的强度调制直接检测(IM/DD)***。通过仿真发现当传统ARP足够高时，只需要极少次重传就可以获得很高的性能增益。
通过实验表明，在弱湍流信道环境下，只有当传统ARP高于-30.2dBm时，或者在强湍流信道环境下，只有当传统ARP高于-32.2dBm时，使用ARQ机制的FSO***才是有效的，否则使用ARQ机制只会造成能量的浪费，而不会提高***性能。此外，在弱湍流信道环境下，当传统ARP高于-29.2dBm时，在强湍流信道环境下，当传统ARP高于-31.7dBm时，FSO***使用ARQ机制才是有效的。在弱湍流信道环境下，当传统ARP高于-24.2dBm时，在强湍流信道环境下，当传统ARP高于-17.2dBm时，***性能会有显著提高；而当传统ARP较低时，由于重传次数大，***性能很差。随着传统ARP在弱湍流信道中从-34.2dBm增加到-23.2dBm、在强湍流信道中从-35.0dBm增加到-11.2dBm时，***吞吐量快速上升，误比特率快速降低，***性能得到很大改善。
附图说明
图1为接收机信号处理流程图；
图2为空间光通信中自动重传请求机制性能的获取方法的流程图；
图3为弱湍流信道SI＝0.1244时，传统ARP与有效ARP的误比特率曲线图，其中，码率为20/24，纵坐标表示位误码率，横坐标表示传统平均接收能量，其单位为dBm，曲线A1表示有ARQ机制的有效ARP，B1表示无ARQ机制，C1表示有ARQ机制的传统ARP，箭头表示有效ARP高于传统ARP的幅度；
图4为强湍流信道SI＝1.3890时，传统ARP与有效ARP的误比特率曲线图，其中，码率为20/24，纵坐标表示位误码率，横坐标表示传统平均接收能量，其单位为dBm，曲线A2表示有ARQ机制的有效ARP，B2表示无ARQ机制，C2表示有ARQ机制的传统ARP，箭头表示有效ARP高于传统ARP的幅度；
图5为弱湍流信道SI＝0.1244时，传统ARP的吞吐量与有效吞吐量曲线图，其中，码率为20/24，纵坐标表示***的吞吐量与有效吞吐量的比值，横坐标表示传统平均接收能量，其单位为dBm，曲线A3表示有效吞吐量，B3表示吞吐量；
图6为强湍流信道SI＝1.3890时，传统ARP的吞吐量与有效吞吐量曲线图，其中，码率为20/24，纵坐标表示***的吞吐量与有效吞吐量的比值，横坐标表示传统平均接收能量，其单位为dBm，曲线A4表示有效吞吐量，B4表示吞吐量。
具体实施方式
在ARQ机制的传输***中，接收机会向发送机报告解调状态。当接收数据帧被接收机成功解调时，接收机向发送机反馈一个肯定应答(ACK)，发送机就会发送下一个数据包；否则，当数据帧被检测出错误时，接收机向发送机反馈否定应答(NACK)，发送机就要重传该数据帧。重传持续进行，直到发送机收到一个ACK或达到最大允许重传次数为止。若后者发生，即产生误码，此时该数据帧会被丢弃。
对于无线通信***，ARQ机制利用了检错码和数据帧的重传而获得良好的可靠性。对于FSO信道，可以用类似的传输方法提高通信中的性能。但FSO与无线通信不同的是：无线通信***常用接收到的信噪比作为***性能分析参数，而在FSO***中由于接收机的光子检测器接收到的光功率与输出的电流功率不是线性关系，且其单位时间内接收到的光功率是容易计算的物理量，因此光通信的接收机通常用ARP作为测量参数。
当***成功接收一个数据帧时，有ARQ机制的***比无ARQ机制的***多消耗的能量主要有两方面来源：数据帧中校验码消耗的能量和数据帧重传所消耗的能量。由于ARQ机制为数据帧加入了校验码，而校验码也是消耗发送能量的因素，因此在接收ARP时需要考虑循环冗余校验码的码率m/n。
对于需要重传的数据帧，由于每次传输都在消耗***能量，因此在接收机成功接收一个数据帧时，只计算一次传输所接收到的传统ARP是不合理的。为了对***性能进行公平分析与比较，需要考虑数据帧的总传输能量。
综上所述，本文使用有效ARP(记为PS)来评估***性能。具体实施方式如下：
具体实施方式一：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的空间光通信中自动重传请求机制性能的获取方法，该方法首先设传统平均接收能量PC初始值为XdBm且-40≤X≤-30，然后执行以下步骤：
步骤一：调整发射机功率，使接收机接收到传统平均接收能量PC，然后同时执行步骤二和步骤三；
步骤二：进行自动重传请求机制的光通信，统计接收机数据帧总传输次数、接收帧个数及传统平均接收能量PC的误码率，然后执行步骤四；
步骤三：进行无自动重传请求机制的光通信，统计无自动重传请求机制下的误码率，然后执行步骤六；
步骤四：利用数据帧总传输次数和接收帧个数获得平均传输次数M，然后执行步骤五；
步骤五：根据传统平均接收能量PC、平均传输次数M及循环冗余校验码的码率N，获得有效平均接收能量PS，使有效平均接收能量PS的误码率与传统平均接收能量PC的误码率相同，然后执行步骤六；
步骤六：令传统平均接收能量PC增大2dBm，并判断此时的传统平均接收能量PC是否大于YdBm且-15≤Y≤-10，是则执行步骤七，否则执行返回步骤一；
步骤七：分别绘制无自动重传请求机制下的误码率曲线、有效平均接收能量PS的误码率曲线和传统平均接收能量PC的误码率曲线。
上述三条误码率曲线即为空间光通信中自动重传请求机制性能的表达曲线。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的空间光通信中自动重传请求机制性能的获取方法作进一步说明，本实施方式中，步骤七之后还包括以下步骤：
步骤八：设有效平均接收能量PS的误码率曲线与无自动重传请求机制下的误码率曲线的交点为A，
当传统平均接收能量PC的误码率小于点A对应的值时，自动重传请求机制性能很差；
当传统平均接收能量PC的误码率大于点A对应的值时，自动重传请求机制性能良好。
在实际应用中，ARQ机制一般都会明显降低***误比特率。然而，校验码和重传也会消耗更多的能量。传统ARP不计算由单帧的多次重传消耗的能量。因此，用传统ARP将使用ARQ机制与不使用ARQ机制的***进行比较是不公平的。从有效ARP的定义可以看出，校验码和重传消耗的能量有所考虑。因此，有效ARP不仅能够反映出***消耗的能量，而且还具有有效性，是更适合作为***性能比较的参数。
本实施方式使用的FSO***的接收机的框图如图1所示。记I为信号强度距离，得到光传输信号的平均功率为假设接收机对每个符号间隔为TS的光电流进行积分，并去除所有由背景光引起的常偏差，在积分过程中假设光电流是常数。当发送机发出取值于集合{0,1}的数据符号m(k)时，接收信号r(k)可以表示为：
式中，R表示光子检测器的响应率，h代表瞬时信道增益，其波动由信道中的大气湍流和指向误差引起，n(k)为标准化离散加性高斯白噪声。
由于光子检测器进行光电转换，因此热噪声是主要考虑的噪声因素。在实际接收机硬件中并不必要对正交基进行分析，这里采用正交基，是因为便于后续通过标准化离散加性高斯白噪声(AWGN)n(k)对性能分析进行简化，得到E[n(i)n(j)]＝δijN0/2，其中，E[n(i)n(j)]表示两个时刻噪声值n(i)与n(j)的相关系数，N0/2表示均值为0的加性高斯白噪声双边谱密度，i,j∈k。
定义为接收机瞬时电信号强度，则r(k)可以表示为：
r(k)＝Bm(k)+n(k)。
本实施方式中，X＝-35，Y＝-15。设有效平均接收能量PS的误码率曲线与无ARQ的误码率曲线的交点为点A，当传统ARP的误码率小于点A对应的值时，由于重传次数很大导致ARQ***性能很差；只有当传统ARP的误码率大于点A对应的ARP值时，使用ARQ机制的自由空间光通信***才是有效的，否则使用ARQ机制只会造成能量的浪费，而不会提高***性能。随着ARP提高，当传统平均接收能量PC的误码率曲线和有效平均接收能量PS的误码率曲线逐渐趋近时，***吞吐量快速提高、误码率快速降低，此时ARQ性能有显著提高。
图3和图4描述了***的误比特率与传统ARP和有效ARP的关系曲线，其中箭头的含义是有效ARP高于传统ARP的幅度。对于使用传统ARP的ARQ机制，ARP的值就是接收机的检测结果。对于使用有效ARP的ARQ机制，其ARP的值是用传统ARP、循环冗余校验码的码率N和平均传输次数M的结果通过步骤五获得的。由于M是个变化值，因此有效ARP对应的误比特率曲线并不是单调递减的。
如图5和图6所示，图5和图6描述了***的吞吐量和有效吞吐量的变化曲线。另一对性能参数是吞吐量和有效吞吐量。吞吐量定义为单位时间内被成功接收的信息数量与发送的信息数量的比值；有效吞吐量定义为单位时间内成功接收的正确信息数量与发送的信息数量的比值。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的空间光通信中自动重传请求机制性能的获取方法作进一步说明，本实施方式中，步骤四所述的平均传输次数M为数据帧总传输次数与接收帧个数的比值。
本实施方式中，定义平均传输次数M为数据帧总传输次数与接收帧个数的比值。通过在实验中记录下每个接收数据帧的传输次数，获得所有帧的平均传输次数M。当***对数据帧设定最大重传次数时，丢弃的数据帧的传输次数也应该包含于总传输次数中。一般来说，由于数据帧的多次重传可以在一个信道相关长度内完成，则***每次重传消耗的发送能量相同，因此***传输消耗的总能量是传输一次消耗能量的M倍。此外，由于相关长度内信道增益保持不变，于是***每次重传接收机接收到的ARP相同。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的空间光通信中自动重传请求机制性能的获取方法作进一步说明，本实施方式中，循环冗余校验码的码率N为：
N＝m/n
其中，m为信息比特的个数，n为循环冗余校验码位数。
本实施方式中，假设消息序列是以m个信息比特为一组。每m个信息比特都与(n-m)个校验位共同组成一个n位循环冗余校验码，并作为一帧进行传输，循环冗余校验码的码率为m/n。假设数据帧中每个比特的能量相同，则该数据帧信息的总能量是原消息序列的n/m倍。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的空间光通信中自动重传请求机制性能的获取方法作进一步说明，本实施方式中，利用下式获得步骤五所述的效平均接收能量PS：
本发明提供的评估方法，假设FSO***具有如下参数：
对于弱湍流信道，α＝17.13，β＝16.04，对应的SI＝0.1244；
对于强湍流信道，α＝2.23，β＝1.54，对应的SI＝1.3890。
其中，α和β均为信道模型的分布形状参数，SI为闪烁系数。
指向误差参数可以选为A0＝0.0198和γ＝2.8071。其中，A0是无指向误差时接收功率的部分，γ是接收机的等效光束半径与指向误差标准偏差的比值。
设光子检测器的响应率R为1，信道增益的期望E[h]为1。
设***数据速率Rdata为10Gbps，则信号符号间隔TS＝1/Rdata为10-10秒，信道相关长度Lc为104个符号间隔时可视为安全。
考虑数值为-174dBm/Hz的典型热噪声，通过一个50Ω的接收回路。因此得到N0/2的值为-174dBm/Hz÷50Ω＝7.96×10-23A2/Hz，即N0＝1.59×10-22A2/Hz。在ARQ机制中，假设每个数据帧传输20个信息比特，并用CRC-4作为错误校验码，得到数据帧长度为24，其码率为20/24。
得到结果如下：对于弱湍流信道，当传统ARP低于-30.2dBm时，对于强湍流信道，当传统ARP低于-32.2dBm时，重传次数很大，导致有效ARP的大幅提高，这意味着ARQ-FSO***要耗费巨大的能量进行传输且***性能很差。另外，只有当传统ARP的值高于“有效ARP”曲线与“无重传”曲线的交点值时，才值得使用ARQ机制，因为只有此时使用ARQ机制的有效ARP误比特率曲线才低于未使用ARQ机制的误比特率曲线。对于弱湍流信道，交点值为-29.2dBm；对于强湍流信道，交点值为-31.7dBm。然而，如果传统ARP高于这些值，误比特率就会快速降低。这是因为随着ARP增加，平均传输次数M将快速地减小到接近于1，如表1所示。这意味着当ARP足够高时，只需要几乎无法察觉到的很小的重传次数，就可以获得很高的性能增益。从图3和图4中还可看出当传统ARP的值在弱湍流信道中从-24.2dBm开始增加、在强湍流信道中从-17.2dBm开始增加时，“有效ARP”误比特率曲线开始趋近“传统ARP”误比特率曲线。这说明此时ARQ机制由于重传所消耗的能量已对***性能影响不大，可以用传统ARP的误比特率曲线来近似衡量***性能。
表1不同传统ARP条件下的平均传输次数M
从图5和图6可以看出，吞吐量和有效吞吐量的最大值均接近于0.83，这是由于***发送机发送的数据帧中包含校验码字的信息，而接收机在解调时会将数据帧的校验码去掉，因此***吞吐量最大值即为错误校验码的码率。
另外，由图5和图6可知，随着传统ARP在弱湍流信道中从-34.2dBm增加到-23.2dBm、在强湍流信道中从-35.0dBm增加到-11.2dBm时，吞吐量和有效吞吐量都会快速增加且“有效吞吐量”曲线趋近于“吞吐量”曲线，而在其它范围时几乎不变。这意味着***接收的ARP在上述范围增大时，***吞吐量快速上升，误比特率快速降低，***性能得到很大改善。而ARP在其它范围变化时，对***的吞吐量性能几乎没有影响。

Claims (5)

1.空间光通信中自动重传请求机制性能的获取方法，其特征在于，该方法首先设传统平均接收能量PC初始值为XdBm且-40≤X≤-30，然后执行以下步骤：
步骤一：调整发射机功率，使接收机接收到传统平均接收能量PC，然后同时执行步骤二和步骤三；
步骤二：进行自动重传请求机制的光通信，统计接收机数据帧总传输次数、接收帧个数及传统平均接收能量PC的误码率，然后执行步骤四；
步骤三：进行无自动重传请求机制的光通信，统计无自动重传请求机制下的误码率，然后执行步骤六；
步骤四：利用数据帧总传输次数和接收帧个数获得平均传输次数M，然后执行步骤五；
步骤五：根据传统平均接收能量PC、平均传输次数M及循环冗余校验码的码率N，获得有效平均接收能量PS，使有效平均接收能量PS的误码率与传统平均接收能量PC的误码率相同，然后执行步骤六；
步骤六：令传统平均接收能量PC增大2dBm，并判断此时的传统平均接收能量PC是否大于YdBm且-15≤Y≤-10，是则执行步骤七，否则执行返回步骤一；
步骤七：分别绘制无自动重传请求机制下的误码率曲线、有效平均接收能量PS的误码率曲线和传统平均接收能量PC的误码率曲线。
2.根据权利要求1所述的空间光通信中自动重传请求机制性能的获取方法，其特征在于，步骤七之后还包括以下步骤：
步骤八：设有效平均接收能量PS的误码率曲线与无自动重传请求机制下的误码率曲线的交点为A，
当传统平均接收能量PC的误码率小于点A对应的值时，自动重传请求机制性能很差；
当传统平均接收能量PC的误码率大于点A对应的值时，自动重传请求机制性能良好。
3.根据权利要求1所述的空间光通信中自动重传请求机制性能的获取方法，其特征在于，
步骤四所述的平均传输次数M为数据帧总传输次数与接收帧个数的比值。
4.根据权利要求1所述的空间光通信中自动重传请求机制性能的获取方法，其特征在于，循环冗余校验码的码率N为：
N＝m/n
其中，m为信息比特的个数，n为循环冗余校验码位数。
5.根据权利要求1所述的空间光通信中自动重传请求机制性能的获取方法，其特征在于，
利用下式获得步骤五所述的有效平均接收能量PS：
<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>S</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>C</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>N</mi> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mi>M</mi> <mo>.</mo> </mrow>
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