一種移動(dòng)感知的混合FSO/RF 下行鏈路方案*

朱志偉

（長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004）

0 引言

將無(wú)人機(jī)（unmanned aerial vehicle，UAV）作為移動(dòng)基站（movable base stations，MBS）可有效增強(qiáng)對(duì)地面用戶的覆蓋，其已在災(zāi)難救援、緊急通信場(chǎng)景中廣泛使用。

盡管利用UAV 作為MBS 存在較多優(yōu)勢(shì)，但其仍存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)，如路徑規(guī)劃、干擾管理、能量效率以及建立與地面基站的穩(wěn)定下行鏈路。UAV 的移動(dòng)對(duì)下行鏈路性能有重要影響，設(shè)計(jì)穩(wěn)定的下行鏈路是UAV-MBS 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。

目前，針對(duì)UAV-MBS 網(wǎng)絡(luò)的下行鏈路有射頻（radio frequency，RF）和自由空間光（free space optical，F(xiàn)SO）兩種傳輸方式。然而，為了減少大氣環(huán)境對(duì)面FSO 通信系統(tǒng)性能的影響，并提高無(wú)線光通信系統(tǒng)的可靠性和可用性，將FSO 鏈路和毫米波射頻鏈路相結(jié)合，形成混合FSO/RF 通信系統(tǒng)受到廣泛關(guān)注。

目前多數(shù)研究工作只是針對(duì)固定蜂窩網(wǎng)絡(luò)討論了混合FSO/RF 通信系統(tǒng)，只有部分研究工作關(guān)注了基于混合FSO/RF 的UAV-MBS 網(wǎng)絡(luò)下行鏈路。例如，文獻(xiàn)［7］面向UAV-MBS 網(wǎng)絡(luò)，討論了混合FSO/RF 鏈路的吞吐量。該系統(tǒng)利用UAV 作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。源節(jié)點(diǎn)至轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)間采用FSO 鏈路；轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)至目的節(jié)點(diǎn)采用RF 鏈路。該系統(tǒng)通過(guò)優(yōu)化UAV的軌跡最大化系統(tǒng)吞吐量。然而，該系統(tǒng)是兩條不同鏈路分別采用了FSO 鏈路和RF 鏈路，并不是真正意義上的混合FSO/RF 鏈路。此外，文獻(xiàn)［8］討論了混合FSO/RF 鏈路的資源分配問(wèn)題。

然而，上述研究工作并沒(méi)有關(guān)注了MBS 的移動(dòng)。為此，本文針對(duì)UAV-MBS 網(wǎng)絡(luò)，提出移動(dòng)感知的混合FSO/RF 下行鏈路方案（MAHB）。MAHB 方案先推導(dǎo)了MBS 處于移動(dòng)和停止?fàn)顟B(tài)的概率；再考慮3 個(gè)場(chǎng)景：1）只采用RF 鏈路（RF-Only）；2）只采用FSO 鏈路（FSO-Only）；3）混合RF/FSO 鏈路（Hybrid）。并結(jié)合移動(dòng)模型，推導(dǎo)這3 個(gè)場(chǎng)景下的誤碼率。仿真結(jié)果表明，相比于RF-Only 和FSO-Only，Hybrid 鏈路提升了BER 性能。

1 系統(tǒng)模型

考慮由一個(gè)中心基站（base station，BS）覆蓋的蜂窩區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，其為該區(qū)域內(nèi)的多個(gè)用戶服務(wù)。為了提高對(duì)用戶服務(wù)的質(zhì)量，額外部署由無(wú)人機(jī)扮演一個(gè)移動(dòng)式基站（MBS）。通過(guò)MBS 提高網(wǎng)絡(luò)的總體性能。此外，MBS 配備RF 天線和單束激光。RF 傳輸天線用于接收/發(fā)射RF 信號(hào)；單束激光用于接收光信號(hào)。

UAV 采用系留無(wú)人機(jī)是多旋翼無(wú)人機(jī)的一種特殊形式，其通過(guò)系留線纜傳輸?shù)牡孛骐娫醋鳛閯?dòng)力來(lái)源，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋰電池。因此，相比于其他類型的無(wú)人機(jī)，系留無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)。

2 RF 和FSO 鏈路模型

MAHB 方案引用混合的FSO/RF 鏈路。當(dāng)MBS停止時(shí)，就采用FSO。若MBS 是移動(dòng)的，就啟用RF鏈路。

2.1 FSO 鏈路

FSO 鏈路采用開(kāi)/關(guān)鍵控調(diào)制數(shù)據(jù)。因此，光檢測(cè)器端所接收的信號(hào)為：

式中，x表示已調(diào)信號(hào)；p表示傳輸?shù)墓夤β?；g表示FSO 鏈路的平均增益因子；η 表示光-電轉(zhuǎn)換效率；w 表示加性高斯噪聲，其均值為零、方差為σ；I表示湍流強(qiáng)度衰減因子：

式中，I表示歸一化光照強(qiáng)度；I表示誤差率。

依據(jù)文獻(xiàn)［10］，用式（10）計(jì)算I 的概率密度函數(shù)（probability density function，PDF）：

式中，D 表示接收端的口徑的半徑；θ 表示傳輸波束的散度；α表示與天氣相關(guān)的參數(shù)；L 表示傳輸距離。

2.2 RF 鏈路

RF 鏈路采用二值相移鍵控調(diào)制（binary phase shift keying，BPSK）。接收天線所接收的信號(hào)為：

式中，x表示已調(diào)信號(hào)；p表示傳輸信號(hào)功率；g表示路徑損耗；z 表示高斯白噪聲，且均值為零、方差為σ；h 表示信道衰落系數(shù)。信道服從Nakagami 衰落模型。h 的PDF 為：

式中，m 表示Nakagami 參數(shù)。

RF 鏈路引用mmWave 波段，其帶寬為g。在波段上產(chǎn)生的平均路徑衰耗，單位為：

3 下行鏈路的誤碼率

本節(jié)討論了基于RF 下行鏈路、基于FSO 鏈路和混合RF/FSO 鏈路的誤碼率。

在MBS 停止階段的誤碼率：

類似地，MBS 在飛行階段的誤碼率為：

3.1 RF 下行鏈路的BER

3.2 FSO 下行鏈路的BER

3.3 混合RF/FSO 鏈路的BER

混合RF/FSO 鏈路的原則：當(dāng)MBS 是靜止的時(shí)，就啟用FSO 鏈路；當(dāng)MBS 是飛行狀態(tài)，就啟用RF 鏈路。因此，混合RF/FSO 鏈路的BER 就是基于RF 鏈路和FSO 鏈路的BER 融合。即在飛行階段，啟用RF 鏈路。在靜止階段，啟用FSO 鏈路。

4 性能仿真

4.1 仿真環(huán)境

考慮如圖1 所示的仿真場(chǎng)景，蜂窩半徑為L(zhǎng)。在該蜂窩邊沿上部署N 個(gè)位置點(diǎn)。每個(gè)位置間的距離固定。每個(gè)MBS 從一個(gè)位置點(diǎn)移動(dòng)至另一個(gè)位置點(diǎn)，或者呆在同一個(gè)位置的概率均為1/N。

圖1 仿真場(chǎng)景

RF/FSO 鏈路的仿真參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真參數(shù)

4.2 誤碼率性能

為了更好地分析混合RF/FSO 鏈路的性能優(yōu)勢(shì)，選擇僅用RF 鏈路和僅用FSO 鏈路作為參照，并同步分析它們的BER 性能。在以下仿真圖中，用“Hybrid”表示混合RF/FSO 鏈路場(chǎng)景；用“RF-Only”表示僅FSO 鏈路場(chǎng)景；用“FSO-Only”表示僅FSO鏈路場(chǎng)景。此外，“RF-Only”。

從圖2 可知，相比于RF 鏈路和FSO 鏈路，混合RF/FSO 鏈路的BER 得到有效降低。例如，當(dāng)BER為10時(shí)，混合RF/FSO 鏈路的所需功率相比于RF鏈路和FSO 鏈路分別下降了僅3 dB 和13 dB。此外，圖2 還給出了理論的BER 分析曲線。從圖可知，理論曲線與仿真曲線走勢(shì)相近，說(shuō)明文中推導(dǎo)的BER 公式是正確的。

圖2 BER 隨Pt 的變化情況（L=1km，N=4）

從圖3 可知，相比于RF-Only 和FSO-Only，混合RF/FSO 鏈路有效地控制了BER，提高了功率增益。例如，當(dāng)BER=10，混合RF/FSO 鏈路下的所需功率比RF-Only 和FSO-Only 分別下降了近37 dB 和2 dB。此外，對(duì)比圖2（L=1 km，N=4）和圖4（L=2 km，N=6）曲線不難發(fā)現(xiàn)，圖3 增加了誤碼率。這說(shuō)明，蜂窩區(qū)域的擴(kuò)大不利于降低誤碼率。

圖3 BER 隨Pt 的變化情況（L=2km，N=6）

圖4 混合RF/FSO 鏈路的BER

5 結(jié)論

針對(duì)UAV-MBS 的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，提出一個(gè)混合下行鏈路方案MAHB。MAHB 方案充分考慮了MBS 的移動(dòng)性。在混合的RF/FSO 鏈路階段，當(dāng)MBS 靜止在某固定位置時(shí)，就選擇FSO 鏈路；當(dāng)MBS 從一個(gè)位置移動(dòng)至另一個(gè)位置時(shí)就切換至RF 鏈路。

仿真結(jié)果表明，相比于RF-Only 和FSO-Only鏈路，混合RF/FSO 鏈路降低了鏈路的誤碼率。例如，當(dāng)BER=10，L=1 km 時(shí)，相比于RF-Only 和FSO-Only 鏈路，混合RF/FSO 下行鏈路所需的功率有效地降低。此外，本文只考慮了單UAV 場(chǎng)景，后期將考慮多個(gè)UAV 的協(xié)作場(chǎng)景，這將是下一步的研究工作。