27-EFT.WP.Packets.Light v1.0 | 第7章 自由空间光链路（湍流/指向/天气）

目录 ／ 文档-技术白皮书 ／ 27-EFT.WP.Packets.Light v1.0

第7章 自由空间光链路（湍流/指向/天气）

一句话目标：为自由空间光（FSO）链路建立湍流/指向/天气的一体化信道口径与补偿基线，给出配置口径 vs 测量口径两口径并行的链路预算与可用率评估，并以契约与清单保证可追溯发布。

I. 范围与对象

1. 输入
   • 几何与姿态：端点坐标 r_tx, r_rx（unit="[m]"），链路长度 L = |r_rx - r_tx|，发散角 θ_div，发射/接收孔径 D_tx/D_rx，指向/跟踪抖动谱 S_θ(f) 或统计量 σ_θ。
   • 大气与天气：折射率结构常数剖面 Cn2(z)，能见度 V（km）、降雨率 R_r、气溶胶类别与消光系数 σ_ext(λ)，温度/湿度/气压（RefCond）。
   • 光学参数：波长 λ，中心频率 f0 = c_ref/λ，脉冲/符号速率 R_s，光功率 P_tx。
   • 成帧/时基与计量：frame_spec（第3章）、OSNR/Q/EVM 计量通道（第11章），统一时标 tau_mono/ts。
2. 输出
   • 链路预算：大气衰减 A_atm(λ), 指向损失 L_point, 湍流闪烁指数 σ_I^2，口径平均增益 G_ap，等效 SNR/OSNR。
   • 统计可用率：Avail = 1 - P_outage（淡水/城市/沙漠等情景），fade 分布参数（lognormal/gamma-gamma）。
   • 两口径差：配置口径（基于模型与天气的预算） vs 测量口径（接收功率/OSNR/误码）差 delta_form_fso。
3. 边界
   本章聚焦强度起伏与指向/天气的一阶工程模型；色散/到达时一致化见第2/第8章；安全与眼安规范不在本章范围。

II. 名词与变量

• 几何/光束：瑞利距离 z_R = π w_0^2 / λ，波束半径 w(z)（高斯近似），接收几何耦合 η_geo。
• 湍流：Rytov 对数振幅方差 σ_X^2，闪烁指数 σ_I^2 = exp(4 σ_X^2) - 1（弱湍流近似），Fried 参数 r0，相干时间 τ0。
• 指向误差：角度标准差 σ_θ，接收平面位置误差 σ_p ≈ L * σ_θ，指向损失 L_point。
• 天气消光：雾/霾能见度 V，Kim/Kruse 模型指数 q(V,λ)，比衰减 γ_atm(λ) [dB/km]。
• 统计模型：I（归一化强度），I ~ Lognormal(μ,σ^2) 或 I ~ GammaGamma(α,β)；P_outage = P( I < I_th )。
• 量纲示例：unit(A_atm)="dB", unit(σ_I^2)="1", unit(σ_θ)="rad", unit(L_point)="dB"。

III. 公设 P607-*

• P607-1（两口径并行）：FSO 发布时必须并行给出配置口径（模型预算）与测量口径（接收功率/OSNR/误码/可用率）的结果，并记录 delta_form_fso。
• P607-2（测度与域显式）：任何沿程积分/统计积分显式 ( ∫_{z∈[0,L]} · dz )、( ∫_{I} · p(I) dI ) 与频域 ( ∫_{f} · df )；位置/时间平均窗口落盘。
• P607-3（量纲合规）：功率/衰减/角度/长度/时间等字段必须通过 check_dim—对数量（dB）需注明换算基准。
• P607-4（口径平均与指向护栏）：若启用口径平均增益 G_ap 或指向抑制，必须同步发布孔径/指向参数与带宽限制。
• P607-5（环境可追溯）：天气/气象来源、采样时间与空间（RefCond）写入清单，可重放。

IV. 最小方程 S607-*

1. 大气衰减（雾/霾/雨/雪）
   • Kim 模型（雾/霾，V[km]）：
     γ_atm(λ)[dB/km] = ( 3.91 / V ) * ( λ / 550 nm )^{-q},
     q = { 1.6, V>50; 1.3, 6<V≤50; 0.16V + 0.34, 1<V≤6; V - 0.5, 0.5<V≤1; 0, V≤0.5 }。
   • 总大气损耗：A_atm(dB) = γ_atm(λ) * L_km + A_rain/snow + A_aerosol（附加项按业务模型落盘）。
2. 湍流闪烁与口径平均
   • Rytov 方差（平地近似）：σ_X^2 ≈ 1.23 * Cn2 * k0^{7/6} * L^{11/6}（弱湍流；或沿程积分 ∫ Cn2(z) z^{5/6} dz）。
   • 闪烁指数（弱湍流）：σ_I^2 ≈ exp(4σ_X^2) - 1；
   • 口径平均因子（经验）：G_ap ≈ 1 / ( 1 + ( D_rx / r0 )^{7/3} )，r0 ≈ [ 0.423 k0^2 ∫ Cn2(z) dz ]^{-3/5}。
   • 有效闪烁：σ_{I,eff}^2 = G_ap * σ_I^2。
3. 指向误差与几何耦合
   • 接收平面漂移：σ_p ≈ L * σ_θ；
   • 高斯光束几何耦合：η_geo ≈ exp( - ( r_off^2 / w_e^2 ) )，r_off^2 = σ_p^2 + r_bias^2，w_e^2 = w(L)^2 + D_rx^2/8（近似）；
   • 指向损失（dB）：L_point = -10 log10(η_geo)。
4. 衰落统计与可用率
   • 对数正态：I = exp( X )，X ~ N( μ_X, σ_X^2 )，P_outage = Φ( ( ln(I_th) - μ_X )/σ_X )；
   • Gamma-Gamma（弱-强湍流通用）：形状参数 α, β（由 σ_I^2 或 Cn2 反推），P_outage = F_{ΓΓ}(I_th; α, β)；
   • Fade margin：FM_dB = P_rx,med(dB) - P_th(dB)；可用率 Avail = 1 - P_outage。
5. 链路预算与 OSNR/SNR
   • 期望接收功率：P_rx(dBm) = P_tx(dBm) - A_geo(dB) - A_atm(dB) - L_point(dB) - A_misc(dB) + G_amp(dB)；
   • OSNR_lin/SNR_lin 由第4/第11章映射，带入 BER/EVM 预测。
6. 两口径差
   delta_form_fso = | P_rx,config(dBm) - P_rx,meas(dBm) | + w_σ * | σ_{I,eff,config}^2 - σ_{I,eff,meas}^2 |。

V. 计量流程 M60-7（就绪→建模→预算→校核→落盘）

1. 就绪：采集/加载 RefCond（气象站/能见度/雨量/Cn2）、几何与光学参数、指向与跟踪带宽；统一单位（m, km, dB, rad）。
2. 建模：
   • 天气消光：用 Kim/Kruse 或本地回归得到 γ_atm(λ)；
   • 湍流：构建 Cn2(z) 与 σ_X^2/σ_I^2，计算 G_ap 与 σ_{I,eff}^2；
   • 指向：由 σ_θ/σ_p 与 w(L), D_rx 得 L_point。
3. 预算：计算 A_atm, L_point, P_rx, OSNR/SNR 与 Avail（对数正态/ΓΓ）；给出 Fade Margin。
4. 校核：对比 OSA/ADC/功率计实测得 delta_form_fso；验证 Avail ≥ Avail_min、FM_dB ≥ FM_min、σ_{I,eff}^2 ≤ σ_I,max；不通过则重配（降速/调功/改路由）。
5. 落盘：manifest.packet.fso.* = {geo.hash, optics, weather.hash, Cn2.hash, A_atm, L_point, σ_I^2, G_ap, P_rx, OSNR/SNR, Avail, delta_form_fso, RefCond, contracts.*, signature}。

VI. 契约与断言 C60-7x（建议阈值）

• C60-701（两口径差）：delta_form_fso_p95 ≤ tol_fso（建议 tol_fso = 1 dB 或按设备精度配置）。
• C60-702（可用率）：Avail ≥ Avail_min（典型 ≥ 99.9% 城域/近距，长距按场景设定）。
• C60-703（闪烁上界）：σ_{I,eff}^2 ≤ σ_I,max；或 P_outage ≤ P_out_max。
• C60-704（指向抖动）：σ_θ ≤ σ_θ,max（或 σ_p ≤ σ_p,max）；跟踪带宽 BW_track ≥ 指向扰动主能量带宽。
• C60-705（功率/OSNR）：P_rx(dBm) ≥ P_min + FM_min，OSNR_dB ≥ OSNR_min_dB。
• C60-706（量纲合规）：所有字段 check_dim 通过；dB↔线性换算在清单注明。

VII. 实现绑定 I60-7*（接口原型、输入输出、不变量）

• I60-71 fso_attenuation(weather, λ) -> γ_atm[dB/km]（weather ∈ {V, R_r, aerosol}；模型版本落盘）
• I60-72 scintillation(Cn2, λ, L, D_rx) -> {σ_X2, σ_I2, G_ap}
• I60-73 pointing_loss(L, θ_div, D_rx, σ_θ, r_bias) -> L_point[dB]
• I60-74 availability(stats, P_rx, P_th, model∈{lognormal,gammagamma}) -> {Avail, P_outage}
• I60-75 link_budget_fso(params) -> {A_atm, L_point, P_rx, OSNR/SNR, FM_dB}
• I60-76 compare_config_meas(cfg_metrics, meas_metrics) -> delta_form_fso
• I60-77 emit_fso_manifest(results, policy) -> manifest.packet.fso
  不变量：two_forms_present=true；RefCond 与天气/Cn2 采样一致；check_dim(*) 通过；几何/设备哈希可追溯。

VIII. 交叉引用

• 物理基线与到达时：第2章；传播补偿：第6章；调制与 OSNR/SNR：第4/第11章；到达时一致化：第8章；路由与功率均衡：第5章。
• 时基与成帧：第3章（R_s 与 T_guard）、面板与运行：第14章。

IX. 质量与风控

• SLI/SLO：delta_form_fso_p95, Avail, FM_dB, σ_{I,eff}^2, P_rx_p50/p95, OSNR_dB_p95。
• 回退策略：能见度骤降→降低速率/改路由/切换备份有线链路；指向抖动升高→加权口径平均/提高跟踪带宽；闪烁增大→更大接收孔径/多点合并/时间交织。
• 审计：天气/Cn2 数据源与时间戳、链路预算与实测对比、阈值演进、manifest 签名链与回放一致性。

小结

• 本章将 FSO 的天气消光、湍流闪烁与指向误差纳入统一预算与统计可用率框架，以配置 vs 测量两口径并行校核；
• 通过 P607/S607/M60-7/C60-7x/I60-7* 与 manifest.packet.fso.* 清单，保障 FSO 链路的建模、发布与回退可追溯、可审计、可运行。