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摘要基于PPM（Pulse Position Modulation）硬判决检错的ARQFSO（Automatic Repeat RequestFree Space Optical）通信系统结合了PPM硬判决和新的ARQ协议.该系统以PPM硬判决的结果代替了传统ARQ的监督码元作为数据的检错依据，同时只重传数据包里面译码失败部分的PPM符号，消除了传统ARQ中用来检错的信息冗余，提高了系统的效率.理论分析表明该方案能够有效地改善硬判决误码率，其通过率也优于传统ARQ，适用于较低误码率、低复杂度的自由空间光通信场景.关键词无线光通信；脉冲位置调制；硬判决；自动重传请求
中图分类号TN9291
文献标志码A
0引言
自由空间光通信（FSO）因其信道容量大、传输速率快、低成本等优势，近年来受到广泛的关注[1].但FSO系统的性能在大气传输的过程中，受到大气散射、大气吸收和大气湍流效应的制约，其中大气湍流是导致信号衰减、系统性能降低的主要因素[2].为了减轻湍流效应的影响，脉冲位置调制被广泛应用于自由空间通信.
脉冲位置调制（PPM）是将一组M二进制比特数据映射为L个时隙组成的时间段上的单脉冲信号的调制方式.在实际应用中，PPM的解调判决方法主要有两种，一种是硬判决译码，通过阈值检测进行判决；另一种是软判决译码，通过最大后验概率（MAP）或者最大似然判决（ML）进行判决[3].软判决的误码率性能优于硬判決，因此PPM在湍流信道下的应用通常选用软判决.但采用PPM软判决的接收机通常以FPGA电路[4]或者基于EDWA/PLCs[5]实现，其硬件结构比硬判决更复杂而且能耗更多.
为了得到更好的误码性能，关于FSO通信的研究不再局限于单一的调制技术.自动重发请求协议（ARQ）作为一种非常有效的差错控制技术被用于FSO通信.目前，已经有大量的研究聚焦于ARQ的理论分析以及ARQ与其他技术的结合（比如前向纠错码、自适应速率传输[6]等），但这些研究没有考虑调制技术.因此，PPM与ARQ的组合方案开始被综合考虑，并最先出现在文献[7].文献[7]采用PPM重复率编码和ARQ协议的红外通信系统在室内环境进行性能分析，其优势在于不需要在数据包中增加额外的监督码元，缺点是数据包中所有PPM符号都重复，利用率不高；文献[8]提出了组合PPM重复编码和SRARQ无线红外通信系统，其特点是系统能根据链路状态自动改变传输速率，适用于不利的信道条件；文献[9]则对BPPM结合HARQ在弱湍流信道下的差错性能进行了研究，但HARQ协议在进一步改善误码性能的同时也增加了系统的开销和复杂度.此外，上面提到的研究中，若数据包中任一个PPM符号译码失败，则整个数据包都需要重发，会造成资源浪费.因此，通过对ARQ和PPM调制技术的综合考虑，本文提出了一种基于PPM硬判决检错的ARQFSO系统.该系统将ARQ的检错与PPM判决解调过程结合，在PPM判决时对PPM符号检错再返回错误的符号序列数.PPM符号检错的依据是基于PPM符号的特点，当接收机对一个PPM符号硬判决后出现非单个脉冲（0个或者多个）就判定该PPM符号需要重发.因此，该系统不需要额外的监督码元，消除了传统ARQ的信息冗余，节省了奇偶校验所需的时间和开销；同时，重传时只发送数据包里面译码失败部分的PPM符号，提高了系统的效率.
1基于PPM硬判决检错的ARQFSO系统
光信号在大气传输中最主要的影响来自大气湍流，湍流效应会导致信号强度的随机变化[2].目前关于湍流信道的数学模型主要有Lognormal分布、GammaGamma分布和Negative Exponential分布等，其中GammaGamma分布适用于弱、中、强湍流的情况.因此，本文选用GammaGamma分布作为湍流信道模型分析，其概率密度函数[10]为
fII=2αβα+β2ΓαΓβIα+β2-1Kα-β（2αβI），（1）
式中，I为接收光强度，Γ（）为Gamma函数，Kα-β（）是第二类修正贝塞尔函数，α和β仅与大尺度湍流和小尺度湍流对数光强起伏方差有关.
基于LPPM硬判决检错的ARQFSO光通信系统（下文简称ARQFSO系统）结构如图1所示.本文中LPPM以L=256为例.ARQFSO系统在传输过程中将比特数据分成固定长度为P的数据包，P是M（M=log2L）的整数倍.以通信终端A发起通信为例，固定长度P的数据包存储至发送缓存器，再经过发射机PPM调制发送给通信终端B.通信终端B的接收机接收信号进行PPM硬判决解调，如果一个PPM符号出现非单个脉冲（0个或者多个）就判定该PPM符号需要重发.然后通信终端B的ARQ控制器将不需要重发数据存入接收缓存器中，需要重发数据的序列号经过发射机PPM编码发送给通信终端A.通信终端A的接收机接收信号硬判决解调后，ARQ控制器读取发送缓存器中相应序列号的PPM符号数据继续发送给终端B.当通信终端B的PPM硬判决结果全部都不用重发或者重发达到了最大重发次数时，接收缓存器输出为最终数据.
湍流强度越强，对信号的干扰越严重.所以先分析ARQFSO系统在强湍流时的性能，并与直接硬判决的误码率进行比较.如图2所示，其仿真结果表明本方案在强湍流下对PPM硬判决的差错性能有很大的改善.在相同的比特信噪比Eb/N0=60 dB时，直接硬判决的误码率只有5×10-3；最大重传次数i=1的ARQFSO系统误码率是6×10-5；最大重传次数i=2和i=3的ARQFSO系统误码率降低至4×10-5，远低于硬判决.当误码率为10-3时，直接硬判决需要的信噪比是68 dB，而ARQFSO系统只需50 dB.ARQFSO系统和直接硬判决相比，获得了大约18 dB增益.此外，ARQFSO系统重传次数i=2和i=3两条线基本重合.因为系统只会重传错误的PPM符号，所以能以极少的重传次数达到其理想性能.因此，在强湍流信道下ARQFSO系统显著改善了PPM硬判决的误码性能，且信噪比越大，ARQFSO系统的性能优势就越明显.同时，ARQFSO系统所需的重传次数非常少. 图3是ARQFSO系统与直接硬判决在不同湍流强度的误码率，其中ARQFSO系统的最大重传次数为2.当Eb/N0=60 dB，直接硬判决和ARQFSO系统在中湍流情况下的BER大约是5×10-4和10-7.对比中和强两种湍流情况，可以验证当湍流强度越强，对信号的干扰越严重这一结论.当误码率为10-6时，在弱湍流情况下，ARQFSO系统相比直接硬判决获得了大约10 dB增益.而同样的误码率在中湍流下，ARQFSO系统获得了大约30 dB增益，这表明湍流强度越强，ARQFSO系统的改善效果越明显.此外当处于强湍流、低信噪比的情况下，ARQFSO系统的优势将不再明显.因为在极端恶劣的通信情况下，每次重传的过程依然会导致非常多的误码.
ARQFSO系统和SRARQ系统在不同湍流情况下的通过率对比如图4所示.从图4中可以看到本方案的通过率在3种湍流强度下都优于传统的SRARQ系统.以通过率为0.5为例，ARQFSO系统在弱、中、强3种湍流强度下所需的信噪比分别比SRARQ系统少了10、30和40 dB.这表明虽然随着湍流强度的增加，信号收到的扰动越大，但ARQFSO系统在通过率方面相对于传统SRARQ系统，其优势会随着湍流强度增加而更加显著.
4结论
本文根据自由空间光通信的特性和PPM解调判决的硬件特点，提出了一个基于PPM硬判决检错的ARQFSO光通信系统.该系统不需要额外的监督码元，重传时只发送数据包里面译码失败的PPM符號，提高了系统的效率.通过该方案在不同湍流下的差错性能分析，推导出GammaGamma信道下误码率和通过率公式.理论分析和仿真结果表明ARQFSO系统能够有效地改善硬判决误码率，并且以极低的重传次数就能达到ARQFSO系统下的理想性能.此外，ARQFSO系统在通过率方面也优于传统的ARQ系统.
参考文献
References
[1]Khalighi M A，Uysal M.Survey on free space optical communication：A communication theory perspective[J].IEEE Communications Surveys & Tutorials，2014，16（4）：22312258
[2]Zhu X M，Kahn J M.Freespace optical communication through atmospheric turbulence channels[J].IEEE Transactions on Communications，2002，50（8）：12931300
[3]Ghassemlooy Z，Popoola W，Rajbhandari S.Optical wireless communications：System and channel modelling with MATLAB[M].London：CRC Press，2012
[4]Baiguanysh S B，Mirmanov A B，Alimbaev A S，et al.Implementation of PPM modulation and demodulation using NI digital electronics FPGA board[C]∥International Siberian Conference on Control and Communications，2015：14
[5]Mendez A J，Hernandez V J，Gagliardi R M，et al.Design of optical pulse position modulation （PPM） translating receiver[C]∥IEEE Leos Annual Meeting Conference，2009：1819
[6]Mai V V，Pham A T.Crosslayer designs and analysis of adaptiverate transmission and ARQ for freespace optical communications[J].IEEE Photonics Journal，2016，8（1）：115
[7]Ozugur T，Naghshineh M，Kermani P，et al.Performance evaluation of LPPM links using repetition rate coding[C]∥The Ninth IEEE International Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications，1998，2：698702
[8]Samaras K，OBrien D C，Edwards D J.Combination of repetitioncoded PPM with SRARQ for wireless infrared communication[J].Electronics Letters，1998，34（23）：21992201
[9]Kiasaleh K.Hybrid ARQ for FSO Communications through turbulent atmosphere[J].Ieee Communications Letters，2010，14（9）：866868
[10]Popoola W O，Ghassemlooy Z.BPSK subcarrier intensity modulated freespace optical communications in atmospheric turbulence[J].Journal of Lightwave Technology，2009，27（8）：967973 [11]Kiasaleh K.Performance of APDbased，PPM freespace optical communication systems in atmospheric turbulence[J].IEEE Transactions on Communications，2005，53（9）：14551461
[12]Adamchik V S，Marichev O I.The algorithm for calculating integrals of hypergeometric type functions and its realization in REDUCE system[C]∥International Symposium on Symbolic and Algebraic Computation，1990：212224
[13]Lin S，Costello D J J，Miller M J.Automaticrepeatrequest errorcontrol schemes[J].IEEE Communications Magazine，1984，22（12）：517
AbstractWe present an ARQFSO system，which consists of pulse position modulation （PPM） hard decision and a novel automatic repeat request （ARQ） protocol.Instead of traditional ARQ’s data error detection，the PPM hard decision results are used to find data error.Then the transmitter only retransmits the failed decoded portion of the packet.These measures can eliminate the information redundancy of traditional ARQ and enhance the system efficiency.Theoretical analysis shows that the ARQFSO system can effectively improve the BER performance of the direct hard decision PPM system.Additionally，the proposed system significantly improves the average throughput efficiency compared with traditional ARQ systems.These characteristics make this ARQFSO system suitable to apply in low BER and low complexity FSO communications.
Key wordsfree space optical （FSO） communications；pulse position modulation （PPM）；hard decision decoding；automatic repeat request （ARQ）
中图分类号TN9291
文献标志码A
0引言
自由空间光通信（FSO）因其信道容量大、传输速率快、低成本等优势，近年来受到广泛的关注[1].但FSO系统的性能在大气传输的过程中，受到大气散射、大气吸收和大气湍流效应的制约，其中大气湍流是导致信号衰减、系统性能降低的主要因素[2].为了减轻湍流效应的影响，脉冲位置调制被广泛应用于自由空间通信.
脉冲位置调制（PPM）是将一组M二进制比特数据映射为L个时隙组成的时间段上的单脉冲信号的调制方式.在实际应用中，PPM的解调判决方法主要有两种，一种是硬判决译码，通过阈值检测进行判决；另一种是软判决译码，通过最大后验概率（MAP）或者最大似然判决（ML）进行判决[3].软判决的误码率性能优于硬判決，因此PPM在湍流信道下的应用通常选用软判决.但采用PPM软判决的接收机通常以FPGA电路[4]或者基于EDWA/PLCs[5]实现，其硬件结构比硬判决更复杂而且能耗更多.
为了得到更好的误码性能，关于FSO通信的研究不再局限于单一的调制技术.自动重发请求协议（ARQ）作为一种非常有效的差错控制技术被用于FSO通信.目前，已经有大量的研究聚焦于ARQ的理论分析以及ARQ与其他技术的结合（比如前向纠错码、自适应速率传输[6]等），但这些研究没有考虑调制技术.因此，PPM与ARQ的组合方案开始被综合考虑，并最先出现在文献[7].文献[7]采用PPM重复率编码和ARQ协议的红外通信系统在室内环境进行性能分析，其优势在于不需要在数据包中增加额外的监督码元，缺点是数据包中所有PPM符号都重复，利用率不高；文献[8]提出了组合PPM重复编码和SRARQ无线红外通信系统，其特点是系统能根据链路状态自动改变传输速率，适用于不利的信道条件；文献[9]则对BPPM结合HARQ在弱湍流信道下的差错性能进行了研究，但HARQ协议在进一步改善误码性能的同时也增加了系统的开销和复杂度.此外，上面提到的研究中，若数据包中任一个PPM符号译码失败，则整个数据包都需要重发，会造成资源浪费.因此，通过对ARQ和PPM调制技术的综合考虑，本文提出了一种基于PPM硬判决检错的ARQFSO系统.该系统将ARQ的检错与PPM判决解调过程结合，在PPM判决时对PPM符号检错再返回错误的符号序列数.PPM符号检错的依据是基于PPM符号的特点，当接收机对一个PPM符号硬判决后出现非单个脉冲（0个或者多个）就判定该PPM符号需要重发.因此，该系统不需要额外的监督码元，消除了传统ARQ的信息冗余，节省了奇偶校验所需的时间和开销；同时，重传时只发送数据包里面译码失败部分的PPM符号，提高了系统的效率.
1基于PPM硬判决检错的ARQFSO系统
光信号在大气传输中最主要的影响来自大气湍流，湍流效应会导致信号强度的随机变化[2].目前关于湍流信道的数学模型主要有Lognormal分布、GammaGamma分布和Negative Exponential分布等，其中GammaGamma分布适用于弱、中、强湍流的情况.因此，本文选用GammaGamma分布作为湍流信道模型分析，其概率密度函数[10]为
fII=2αβα+β2ΓαΓβIα+β2-1Kα-β（2αβI），（1）
式中，I为接收光强度，Γ（）为Gamma函数，Kα-β（）是第二类修正贝塞尔函数，α和β仅与大尺度湍流和小尺度湍流对数光强起伏方差有关.
基于LPPM硬判决检错的ARQFSO光通信系统（下文简称ARQFSO系统）结构如图1所示.本文中LPPM以L=256为例.ARQFSO系统在传输过程中将比特数据分成固定长度为P的数据包，P是M（M=log2L）的整数倍.以通信终端A发起通信为例，固定长度P的数据包存储至发送缓存器，再经过发射机PPM调制发送给通信终端B.通信终端B的接收机接收信号进行PPM硬判决解调，如果一个PPM符号出现非单个脉冲（0个或者多个）就判定该PPM符号需要重发.然后通信终端B的ARQ控制器将不需要重发数据存入接收缓存器中，需要重发数据的序列号经过发射机PPM编码发送给通信终端A.通信终端A的接收机接收信号硬判决解调后，ARQ控制器读取发送缓存器中相应序列号的PPM符号数据继续发送给终端B.当通信终端B的PPM硬判决结果全部都不用重发或者重发达到了最大重发次数时，接收缓存器输出为最终数据.
湍流强度越强，对信号的干扰越严重.所以先分析ARQFSO系统在强湍流时的性能，并与直接硬判决的误码率进行比较.如图2所示，其仿真结果表明本方案在强湍流下对PPM硬判决的差错性能有很大的改善.在相同的比特信噪比Eb/N0=60 dB时，直接硬判决的误码率只有5×10-3；最大重传次数i=1的ARQFSO系统误码率是6×10-5；最大重传次数i=2和i=3的ARQFSO系统误码率降低至4×10-5，远低于硬判决.当误码率为10-3时，直接硬判决需要的信噪比是68 dB，而ARQFSO系统只需50 dB.ARQFSO系统和直接硬判决相比，获得了大约18 dB增益.此外，ARQFSO系统重传次数i=2和i=3两条线基本重合.因为系统只会重传错误的PPM符号，所以能以极少的重传次数达到其理想性能.因此，在强湍流信道下ARQFSO系统显著改善了PPM硬判决的误码性能，且信噪比越大，ARQFSO系统的性能优势就越明显.同时，ARQFSO系统所需的重传次数非常少. 图3是ARQFSO系统与直接硬判决在不同湍流强度的误码率，其中ARQFSO系统的最大重传次数为2.当Eb/N0=60 dB，直接硬判决和ARQFSO系统在中湍流情况下的BER大约是5×10-4和10-7.对比中和强两种湍流情况，可以验证当湍流强度越强，对信号的干扰越严重这一结论.当误码率为10-6时，在弱湍流情况下，ARQFSO系统相比直接硬判决获得了大约10 dB增益.而同样的误码率在中湍流下，ARQFSO系统获得了大约30 dB增益，这表明湍流强度越强，ARQFSO系统的改善效果越明显.此外当处于强湍流、低信噪比的情况下，ARQFSO系统的优势将不再明显.因为在极端恶劣的通信情况下，每次重传的过程依然会导致非常多的误码.
ARQFSO系统和SRARQ系统在不同湍流情况下的通过率对比如图4所示.从图4中可以看到本方案的通过率在3种湍流强度下都优于传统的SRARQ系统.以通过率为0.5为例，ARQFSO系统在弱、中、强3种湍流强度下所需的信噪比分别比SRARQ系统少了10、30和40 dB.这表明虽然随着湍流强度的增加，信号收到的扰动越大，但ARQFSO系统在通过率方面相对于传统SRARQ系统，其优势会随着湍流强度增加而更加显著.
4结论
本文根据自由空间光通信的特性和PPM解调判决的硬件特点，提出了一个基于PPM硬判决检错的ARQFSO光通信系统.该系统不需要额外的监督码元，重传时只发送数据包里面译码失败的PPM符號，提高了系统的效率.通过该方案在不同湍流下的差错性能分析，推导出GammaGamma信道下误码率和通过率公式.理论分析和仿真结果表明ARQFSO系统能够有效地改善硬判决误码率，并且以极低的重传次数就能达到ARQFSO系统下的理想性能.此外，ARQFSO系统在通过率方面也优于传统的ARQ系统.
参考文献
References
[1]Khalighi M A，Uysal M.Survey on free space optical communication：A communication theory perspective[J].IEEE Communications Surveys & Tutorials，2014，16（4）：22312258
[2]Zhu X M，Kahn J M.Freespace optical communication through atmospheric turbulence channels[J].IEEE Transactions on Communications，2002，50（8）：12931300
[3]Ghassemlooy Z，Popoola W，Rajbhandari S.Optical wireless communications：System and channel modelling with MATLAB[M].London：CRC Press，2012
[4]Baiguanysh S B，Mirmanov A B，Alimbaev A S，et al.Implementation of PPM modulation and demodulation using NI digital electronics FPGA board[C]∥International Siberian Conference on Control and Communications，2015：14
[5]Mendez A J，Hernandez V J，Gagliardi R M，et al.Design of optical pulse position modulation （PPM） translating receiver[C]∥IEEE Leos Annual Meeting Conference，2009：1819
[6]Mai V V，Pham A T.Crosslayer designs and analysis of adaptiverate transmission and ARQ for freespace optical communications[J].IEEE Photonics Journal，2016，8（1）：115
[7]Ozugur T，Naghshineh M，Kermani P，et al.Performance evaluation of LPPM links using repetition rate coding[C]∥The Ninth IEEE International Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications，1998，2：698702
[8]Samaras K，OBrien D C，Edwards D J.Combination of repetitioncoded PPM with SRARQ for wireless infrared communication[J].Electronics Letters，1998，34（23）：21992201
[9]Kiasaleh K.Hybrid ARQ for FSO Communications through turbulent atmosphere[J].Ieee Communications Letters，2010，14（9）：866868
[10]Popoola W O，Ghassemlooy Z.BPSK subcarrier intensity modulated freespace optical communications in atmospheric turbulence[J].Journal of Lightwave Technology，2009，27（8）：967973 [11]Kiasaleh K.Performance of APDbased，PPM freespace optical communication systems in atmospheric turbulence[J].IEEE Transactions on Communications，2005，53（9）：14551461
[12]Adamchik V S，Marichev O I.The algorithm for calculating integrals of hypergeometric type functions and its realization in REDUCE system[C]∥International Symposium on Symbolic and Algebraic Computation，1990：212224
[13]Lin S，Costello D J J，Miller M J.Automaticrepeatrequest errorcontrol schemes[J].IEEE Communications Magazine，1984，22（12）：517
AbstractWe present an ARQFSO system，which consists of pulse position modulation （PPM） hard decision and a novel automatic repeat request （ARQ） protocol.Instead of traditional ARQ’s data error detection，the PPM hard decision results are used to find data error.Then the transmitter only retransmits the failed decoded portion of the packet.These measures can eliminate the information redundancy of traditional ARQ and enhance the system efficiency.Theoretical analysis shows that the ARQFSO system can effectively improve the BER performance of the direct hard decision PPM system.Additionally，the proposed system significantly improves the average throughput efficiency compared with traditional ARQ systems.These characteristics make this ARQFSO system suitable to apply in low BER and low complexity FSO communications.
Key wordsfree space optical （FSO） communications；pulse position modulation （PPM）；hard decision decoding；automatic repeat request （ARQ）