一种基于弹性分光的空间光协作传输方法技术

本发明专利技术涉及一种基于弹性分光的空间光协作传输方法，属于光通信领域。针对传统协作传输系统使用固定分光器不利于光功率充分利用的问题，提出一种基于弹性分光的空间光协作传输方法。其主要思想是设计了一种基于相移器和耦合器的级联分光器结构，根据不同的空间信道状态，可实现不同空间光链路之间的灵活功率分配。基于弹性分光器，进一步设计出一种空间光中继选择与功率分配的深度强化学习算法，通过优化中继选择与功率分配，提高空间光协作传输系统在不同信道条件下的传输性能。系统在不同信道条件下的传输性能。系统在不同信道条件下的传输性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于弹性分光的空间光协作传输方法


[0001]本专利技术属于光通信领域，涉及一种基于弹性分光的空间光协作传输方法。

技术介绍

[0002]随着现代信息化社会的不断发展，人们对无线通信的需求越来越大，要求越来越高，传统通信方式已经无法满足人们对信息传输的要求。因此，自由空间光(Free Space Optical，FSO)通信技术应运而生。FSO通信技术采用激光作为传输载波，以自由空间为传输介质，可实现大容量高速率的信息传输且无须频谱许可。同时，FSO通信的基础设施无需部署线缆，设备安装灵活，可为偏远山区、海岛、太空等光纤不可达区域提供高速的通信连接。因此，FSO通信技术被列为我国发展空天地海一体化通信网络建设的战略关键技术之一。
[0003]然而，激光信号在空间中传输易受大气反射与散射影响引起损耗。同时，大气信道中温度变化和气压的不均匀性会导致折射率波动，即大气湍流。因此，FSO的通信质量受大气信道条件的影响十分明显。为了抑制大气湍流和损耗引起的光强衰落，扩大光通信系统的覆盖范围，中继协作技术作为一种有效的分集技术被广泛研究和应用。传统的空间光协作传输系统通过固定分光器实现光信号向不同中继进行广播发送，然后通过空间分集的方式接收与合并光信号。然而，这种方式在中继链路信道不理想的条件下会造成大量的光功率浪费，不利于系统误比特率性能的提升。为了进一步提高光功率利用率，降低系统传输的误比特率，本专利技术提出一种基于弹性分光的FSO协作传输方法。针对大气信道状态的时变性，本专利技术设计了可根据信道条件自适应决策中继选择和光功率分配的深度强化学习算法，再通过弹性分光器将输入光信号按需分配到中继链路。本专利技术可以适应大气信道的时变性，灵活调整中继集合及分配给不同中继链路的光功率输出，从而提高系统的传输性能。
[0004]经过检索，目前关于弹性分光器的专利技术专利鲜有报道。申请公开号CN114966990A的专利中设计了一种可调分光器，其特征在于，控制可调分光装置的输出端口的数量及调节输出端口的光功率。该可调分光装置包括Y型耦合器、光开关、1:N星型耦合器，可实现三种情况的光功率调节：1)两个输出端口光功率均为50％，或2)输出端口1的光功率为100％和端口2光功率为0％，或3)输出端口2的光功率为100％和输出端口1的光功率为0％。同时利用光开关实现对输出端口数量的控制，其专利说明中采用两个光开关，最多可实现两个输出端口光功率。
[0005]本专利技术采用相移器与耦合器单元结构级联的方式实现分光输出端口数量任意选择以及输出光功率任意比例调节的功能，分光输出不局限于上述现有可调节分光器的100％:0％、0％:100％、50％:50％的有限分光比，可实现大气信道时变状态下更精确的光功率分配，有效地提高了系统的灵活性和传输效率。根据不同的信道条件，本专利技术设计的弹性分光器可以灵活的调整输出端口数量以及光功率，不再局限于光功率的均分输出，或者将所有功率输出给其中一个端口，而是根据实际情况灵活调整。因此，本专利技术的优势在于设计的弹性分光器运用到FSO协作传输系统中，可根据不同的信道条件选择输出端口数量，并根据信道条件灵活的调整任意比例的光功率，使得系统达到良好的通信质量，提高系统的
抗大气损耗与抗湍流能力。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于弹性分光的空间光协作传输方法。
[0007]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]一种基于弹性分光的空间光协作传输方法，本专利技术的技术方案如下：
[0009]系统发送端采用基于相移器与耦合器级联的弹性分光器，允许输入功率在分光器的不同输出端口之间按照任意比例灵活分配。
[0010]大气信道自适应的中继链路选择和光功率分配，利用深度强化学习算法，在无需信道数据集的条件下，以最小化系统误比特率为目标，根据不同大气信道状态，动态地选择空间光中继链路，并灵活分配每条链路的光功率。
[0011]进一步的，所述的大气信道自适应的空间光中继链路选择和光功率分配的具体步骤包括：1)在湍流强度与大气损耗时变的信道条件下，采用DQN(Deep Q Network)算法不断学习拟合最优动作价值函数，预测并选择Q值最高的空间光中继链路集合，记为动作A1；2)根据大气信道的时变状态，利用DDPG(Deep Deterministic Policy Gradient)算法中的Actor网络模拟策略函数，预测被选择的空间光中继链路功率分配方案，记为动作A2，利用Critic网络模拟动作价值函数计算中继链路功率分配方案动作A2的Q值。根据Q值判断Actor网络预测动作的好坏，因此策略函数的目标是决策出Q值最大化的动作；3)对中继链路选择动作A1和功率分配动作A2进行联合归一化，使得光功率按不同比例分配给选择的中继链路，未被选择的中继链路光功率为0。
[0012]定义空间光中继链路选择和功率分配的Q值目标函数：
[0013][0014]其中r
t
为t时刻的奖励值，γ∈[0,1)为折扣率，Q(
·
)为神经网络拟合的价值函数模型，Q(s
t+1
,a
t+1
；θ)为t+1时刻的Q值，s
t+1
为t+1时刻的信道状态，a
t+1
为t+1时刻信道状态下的动作集合，θ表示网络权重。以大气信道作为深度强化学习的环境，定义奖励函数：
[0015]r
t
＝log
10
BER
‑
3 (2)
[0016]其中BER(Bit Error Ratio)为误比特率，当BER小于10
‑3时奖励为正值，且BER越小奖励越高。将中继链路选择和光功率分配方案发送到环境后实时反馈奖励值和信道状态，更新目标函数y
t
。定义损失函数：
[0017]J(θ)＝y
t
‑
Q(s
t
,a
t
；θ)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0018]其中Q(s
t
,a
t
；θ)为t时刻的Q值，s
t
为t时刻的信道状态，a
t
为t时刻信道状态下的动作。利用梯度下降法不断优化神经网络使损失函数最小化和Q值最大化，直至奖励值收敛，即累计期望回报最大化，从而可根据信道状态灵活调整中继链路和功率分配，实现传输稳定性和可靠性的提升。利用深度强化学习算法自适应调整中继链路选择和光功率分配的详细步骤如图1。
[0019]进一步的，所设计的弹性分光器结构的步骤具体包括：1)将中继链路选择和光功率分配方案进行编码，并发送到一个电信号幅值控制器，产生相应的电信号驱动相移器；2)将输入光信号用1:1分光器均分成两路信号，将其中一路光信号输入相移器，在第1步的电信号输入驱动下，实现该路光信号的相位偏移；3)将两路存在相位差的光信号输入本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于弹性分光的空间光协作传输方法，其特征在于：该方法为：系统发送端采用基于相移器与耦合器级联的弹性分光器，允许输入功率在分光器的不同输出端口之间按照任意比例分配；大气信道自适应的中继链路选择和光功率分配，利用深度强化学习算法，在无需信道数据集的条件下，以最小化系统误比特率为目标，根据不同大气信道状态，动态地选择空间光中继链路，并分配每条链路的光功率。2.根据权利要求1所述的一种基于弹性分光的空间光协作传输方法，其特征在于：所述大气信道自适应的中继链路选择和光功率分配具体步骤包括：1)在湍流强度与大气损耗时变的信道条件下，采用DQN算法不断学习拟合最优动作价值函数，预测并选择Q值最高的空间光中继链路集合，记为动作A1；2)根据大气信道的时变状态，利用DDPG算法中的Actor网络模拟策略函数，预测被选择的空间光中继链路功率分配方案，记为动作A2，利用Critic网络模拟动作价值函数计算中继链路功率分配方案动作A2的Q值；根据Q值判断Actor网络预测动作的好坏，策略函数的目标是决策出Q值最大化的动作；3)对中继链路选择动作A1和功率分配动作A2进行联合归一化，使得光功率按不同比例分配给选择的中继链路，未被选择的中继链路光功率为0；定义空间光中继链路选择和功率分配的Q值目标函数：其中r
t
为t时刻的奖励值，γ∈[0,1)为折扣率，Q(
·
)为神经网络拟合的价值函数模型，Q(s
t+1
,a
t+1
；θ)为t+1时刻的Q值，s
t+1
为t+1时刻的信道状态，a
t+1
为t+1时刻信道状态下的动作集合，θ表示网络权重；以大气信道作为深度强化学习的环境，定义奖励函数：r
t
＝|log
10 BER|
‑
3 (2)其中BER为误比特率，当BER小于10
‑3时奖励为正值，且BER越小奖励越高；将中继链路选择和光功率分配方案发送到环境后实时反馈奖励值和信道状态，更新目标函数y
t
；定义损失函数：J(θ)＝y
t
‑
Q(s
t
,a
t
；θ)2ꢀ...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘业君，王希，孙启明，冯淑华，郭磊，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：