本技术属于通信技术领域,特别涉及一种RIS增强型混合FSO(自由空间光通信)与THz(太赫兹)中继通信系统的构建方法。该方法包括以下步骤:利用源节点S、中继节点R、配备N个反射单元的RIS表面以及目标节点D,实现高效通信。
背景技术
太赫兹(THz)通信作为6G无线网络的潜在技术之一而备受关注,其不仅可以提供超高可用带宽、高速无线数据传输速率,而且可以缓解射频(RF)通信频段资源不足的问题。然而,THz通信具有严重的路径损耗,导致其传输距离较短,这限制了其进一步发展。另一方面,自由空间光(FSO)通信传输距离较THz通信更远,可达数公里,且具有传输安全、抗干扰和空间传输损耗小等特点。通过结合FSO通信和THz通信的优点,利用中继技术[ZediniE,SourlyH,AlouiniM-S.OnthePerformance AnalysisofDual-HopMixedFSO/RFSystems[J].IEEETransactionsonWirelessCommunications,2016,15(5):3679-3689]建立混合FSO/THz中继系统可以提供更广覆盖范围、更高速率和更高鲁棒性的数据链接。
事实上相关的研究已经在探索FSO/THz混合网络的优势,Singya等人[SingyaPK,MakkiB,D’erricoA,etal.HybridFSO/THz-BasedBackhaulNetworkformmWaveTerrestrialCommunication[J].IEEETransactionsonWirelessCommunications,2023,22(7):4342-4359]提出了基于FSO/THz混合回程网络的毫米波地面通信系统,该系统中回程链路为具有不同频率的并行THz和FSO链路,采用软切换以减少实际应用中频繁的链路切换,仿真结果表明,混合的FSO/THz并行链路能够提供高速率的可靠回程通信。
此外,Li等[Li S,Yang L,Zhang J,et al.Mixed THz/FSO Relaying Systems:Statistical Analysis and Performance Evaluation[J].IEEE Transactions onWireless Communications,2022,21(12):10996-11010]究了基于放大转发协议(AF)的双跳FSO/THz混合网络性能,其中一跳工作在FSO链路,另一跳工作在THz链路,文章推导了中断概率和平均误码率等系统性能的精确表达式,最后通过仿真观察到,混合FSO/THz系统的分集阶数取决于两个链路各自的衰落参数和指向误差。然而,严苛的视距链路(LOS)要求导致FSO链路极易受障碍物阻挡而导致通信中断。而智能超表面(RIS)技术可以解决该问题。RIS是由多个低成本、无源反射单元构成的表面,可以灵活的部署在复杂的环境中[AboagyeS,Ndjiongue A R,Ngatched T M N,et al.RIS-Assisted Visible Light CommunicationSystems:A Tutorial[J].IEEE Communications Surveys&Tutorials,2023,25(1):251-288]。其表面的反射单元还可以控制入射信号的幅度、相位、频率和极化方向等参数。
RIS的这些特性使其能够应用到许多复杂的场景中,Nguyen等人[Nguyen T V,LeH D,Pham A T.On the Design of RIS-UAV Relay-Assisted Hybrid FSO/RF Satellite-Aerial-Ground Integrated Network[J].IEEE Transactions on Aerospace andElectronic Systems,2022,59(2):757-771]提出一种RIS-UAV中继辅助的混合FSO/RF星空地一体化网络系统,携带RIS的无人机在链路堵塞的情况下作为临时的中继节点保障通信网络的持续工作。文章推导了系统的链路中断概率、平均传输速率和频谱效率,结果表明该系统在湍流衰落信道上的性能有较大提升。
在地面通信网络中,Agheli等人[Agheli P,Beyranvand H,Emadi M J.High-Speed Trains Access Connectivity Through RIS-Assisted FSO Communications[J].Journal of Lightwave Technology,2022,40(21):7084-7094]将RIS用于高速列车上,提出一种RIS辅助的高速列车FSO通信系统,结果表明RIS辅助的FSO系统由于其可编程的结构优于传统中继网络,使其数据传输速率提高了63%,覆盖范围扩大了446%。
而在多跳通信系统中,Chapala等人[Chapala V K,Zafaruddin S M.MultipleRIS-Assisted Mixed FSO-RF Transmission Over Generalized Fading Channels[J].IEEE Systems Journal,2023,17(3):3515-3526]提出了多个RIS单元辅助的多跳FSO-RF系统,仿真结果证明多个RIS单元在实现FSO的LOS传输和车辆通信的可靠连接的有效性,且多个RIS单元可以减少系统整体的指向误差所带来的影响。
此外,Kumar等人[Kumar L B,Naik R P,Krishnan P,et al.RIS AssistedTriple-Hop RF-FSO Convergent With UWOC System[J].IEEE Access,2022,10:66564-66575]也提出了一种RIS辅助下的RF-FSO-UWOC三跳通信系统,将RIS同时用于RF链路和FSO链路以实现更远距离的非视距(NLOS)通信,结果表明在弱湍流和弱指向误差情况下,RIS的数量增加可以显著的提升系统的误码率和中断性能。
在文献[Sikri A,Mathur A,Verma G,et al.Distributed RIS-based Dual-hopMixed FSO-RF Systems With RIS-Aided Jammer[C]//2021IEEE 94th VehicularTechnology Conference(VTC2021-Fall),September 27-30,2021,Norman,OK,USA:IEEE,2021,9625385]中,Sikri等人考虑了一种基于RIS辅助的分布式双跳FSO-RF系统,该系统在RF链路中的不同位置放置多个RIS表面,同时考虑了RIS辅助的干扰器对系统的影响,结果表明系统的性能会受到RIS辅助干扰器的严重影响,而增加RF链路中RIS的数量则会显著地提高系统性能,此外,直接检测(HD)相比IM/DD方案更适合该系统。在文献[包朝园,曹阳,彭小峰,邢雯珺.同信道干扰下RIS辅助MUD-RF/FSO混构系统性能分析[J].光学学报,2023,43(22):2206003.
Bao C Y,Cao Y,Peng X F,et al.Performance Analysis of RIS-AssistedMUD-RF/FSO Hybrid System Under Co-Channel Interference[J].Acta Optica Sinica,2023,43(22):2206003]中,包等人提出一种RIS辅助的MUD-RF/FSO系统,该系统考虑存在多个CCI信号的RF链路服从Rayleigh衰落分布模型,RIS辅助的FSO链路服从Gamma-Gamma衰落分布模型,仿真结果表明用户数量和RIS反射单元的数量增加都会不同程度的提升系统性能。
以上的研究证明将RIS应用于不同的链路和场景都能有效的提升系统端到端的性能,然而还未有研究将RIS应用于FSO/THz混合系统。
为此,设计一种构建RIS辅助的混合FSO和THz的中继系统的方法,用于对上述技术问题提供另一种技术方案。
实现思路