MIMO無(wú)線光通信中編碼方案的選擇

張娜

（商洛學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院,陜西商洛726000）

MIMO無(wú)線光通信中編碼方案的選擇

張娜

（商洛學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院,陜西商洛726000）

在MIMO無(wú)線光通信中，最常用的兩種編碼是空時(shí)分組碼(STBC)與分層空時(shí)編碼(LSTC)。傳輸速率、誤比特率、抗衰落性能是衡量通信系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)，采用Monte-Carlo方法進(jìn)行仿真研究，根據(jù)系統(tǒng)在MIMO無(wú)線光通信中的性能指標(biāo)來(lái)選擇發(fā)送端是采用空時(shí)分組碼還是采用分層空時(shí)編碼，以滿足在不同特性要求下達(dá)到誤比特率、抗衰落性能與傳輸速率的最優(yōu)化。結(jié)果表明，根據(jù)不同的性能指標(biāo)選擇不同的編碼方式，更能有效地利用資源。

多輸入多輸出；光通信；空時(shí)分組碼；分層空時(shí)編碼

多輸入多輸出（multiple input multiple output,MIMO）技術(shù)由于采用多天線陣列發(fā)送和接收信號(hào)而提高了通信系統(tǒng)的容量和數(shù)據(jù)的傳輸速率，無(wú)線光通信（free space optical,FSO）技術(shù)具有頻帶寬、保密性強(qiáng)、功耗小、靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，作為一種新興的無(wú)線寬帶接入方式而成為無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域中的熱門[1-2]。將無(wú)線光通信技術(shù)與MIMO技術(shù)相結(jié)合可以提高通信系統(tǒng)的性能。

Alamouti提出的空時(shí)分組碼（space-time block codes,STBC）[3]與貝爾實(shí)驗(yàn)室的Foschini提出的分層空時(shí)編碼（layered space-time code，LSTC）[4]是最常用的兩種空時(shí)編碼方式。1998年，Alamouti最早提出了傳統(tǒng)的空時(shí)分組碼[3]，2001年，Hass和Shapiro提出了外差式大氣激光通信的空時(shí)編碼準(zhǔn)則[5]，并推導(dǎo)出了誤碼性能限，2005年，Simon提出了一種符號(hào)補(bǔ)碼的正交空時(shí)編碼[6]，該編碼只適用于OOK調(diào)制和2-PPM調(diào)制，2009年，王惠琴對(duì)該編碼進(jìn)行了改進(jìn)，提出了適用于任意Q-PPM調(diào)制（Q＞2）的正交空時(shí)塊碼[7]。本文根據(jù)系統(tǒng)在MIMO無(wú)線光通信中的傳輸性能指標(biāo)如傳輸速率、誤比特率、抗衰落性能選擇發(fā)送端是采用空時(shí)分組碼還是分層空時(shí)編碼，以滿足在不同特性要求下達(dá)到誤比特率、抗衰落性能與傳輸速率的最優(yōu)化。

1 MIMO無(wú)線光通信的系統(tǒng)模型

對(duì)于一個(gè)發(fā)送端有M個(gè)激光器、接收端有N個(gè)光電探測(cè)器的MIMO無(wú)線光通信系統(tǒng)的模型如圖1所示。

圖1 MIMO無(wú)線光通信系統(tǒng)的模型

MIMO無(wú)線光通信系統(tǒng)的原理：在發(fā)送端，信源發(fā)出一串二進(jìn)制數(shù)據(jù)，經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后變成M行子數(shù)據(jù)，再通過空時(shí)編碼器與PPM調(diào)制后的符號(hào)由M個(gè)激光器發(fā)送出去；經(jīng)過大氣信道后在接收端，經(jīng)N個(gè)接收天線與光電探測(cè)器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過PPM解調(diào)與空時(shí)譯碼器后的符號(hào)經(jīng)并串轉(zhuǎn)換后將這一串二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出到信宿。

在MIMO無(wú)線光通信系統(tǒng)中，信道模型用式(1)表示為：

其中：η為光電轉(zhuǎn)換效率；

H(t)為時(shí)刻t信道的衰落矩陣，用式(2)表示為：

X(t)=[X1(t),X2(t),…,XM(t)]T，為M個(gè)發(fā)送天線上的信號(hào)；[·]T為矩陣的轉(zhuǎn)置；

Y(t)=[Y1(t),Y2(t),…,YN(t)]T，為N個(gè)接收天線上的信號(hào)；

N(t)=[N1(t),N2(t),…,NN(t)]T]，為噪聲矩陣。

2 MIMO無(wú)線光通信中的編碼方案

2.1 比特補(bǔ)碼式正交空時(shí)分組碼（BCOSTBC）

傳統(tǒng)的Alamouti空時(shí)分組碼[3]的原理：由信源發(fā)出的二進(jìn)制信息經(jīng)過星座映射后的符號(hào)x1、x2分別發(fā)送到編碼器中，編碼后的矩陣再進(jìn)行PPM調(diào)制后分別從兩根天線發(fā)送出去，其編碼矩陣為：

由于MIMO無(wú)線光通信與射頻通信存在差異，在MIMO無(wú)線光通信中，激光器亮表示發(fā)出信號(hào)“1”，激光器滅表示發(fā)出信號(hào)“0”。因而傳統(tǒng)的Alamouti空時(shí)分組碼無(wú)法直接應(yīng)用于MIMO無(wú)線光通信中，因此引用王慧琴提出的“比特補(bǔ)碼式正交空時(shí)分組碼(BCOSTBC)[6]”，引入補(bǔ)碼將射頻中的共軛和負(fù)數(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù)由天線發(fā)送出去，BCOSTBC碼的原理框圖如圖2所示，該編碼發(fā)送的碼矩陣為：

圖2 BCOSTBC的原理框圖

2.2 垂直分層空時(shí)編碼(VBLAST)

分層空時(shí)編碼發(fā)送端的原理是：信源發(fā)出的一串信息經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后分成路并行的子信息，再將其分別發(fā)送到M個(gè)相同的編碼器與PPM調(diào)制器后的符號(hào)分別由M個(gè)天線發(fā)送出去[8]，其發(fā)送模型如圖3所示。

圖3 MIMO無(wú)線光通信中分層空時(shí)編碼的發(fā)送模型

垂直分層空時(shí)編碼（VBLAST）是一種較優(yōu)的編碼，因此在這里選用VBLAST編碼。該編碼的原理圖如圖4所示。

垂直分層空時(shí)編碼的原理為：垂直分層空時(shí)編碼器接收經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后的M路并行信息，按垂直方向進(jìn)行空間編碼與PPM調(diào)制后的碼元直接由對(duì)應(yīng)的天線發(fā)送出去。

圖4 垂直分層空時(shí)編碼原理圖

3 仿真分析

3.1 BCOSTBC、VBLAST碼的誤比特率仿真分析

為了具體分析比特補(bǔ)碼式正交空時(shí)分組碼（BCOSTBC）與垂直分層空時(shí)編碼(VBLAST)的性能，設(shè)總發(fā)射功率Es=1，光電轉(zhuǎn)換效率η=0.5，信道為平坦衰落信道和高斯白噪聲，發(fā)送端發(fā)送的符號(hào)數(shù)為500000，用Monte Carlo方法對(duì)2發(fā)2收的這兩種編碼的誤比特率進(jìn)行了仿真。

圖5 BCOSTBC、VBLAST的誤比特率（S.I=0.6）

圖5是在弱湍流中2發(fā)2收4PPM調(diào)制下比特補(bǔ)碼式正交空時(shí)分組碼與垂直分層空時(shí)編碼的誤比特率曲線圖。由這2條曲線可看出：信噪比SNR=25 dB時(shí)，BCOSTBC碼的誤比特率為4×10-4，VBLAST碼的誤比特率為4×10-3。由此可得：信噪比(SNR)相同時(shí)，BCOSTBC碼比VLSTC碼的誤比特率要小一些，即提高了系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3.2 BCOSTBC、VBLAST碼的抗衰落性能、數(shù)據(jù)速率的分析

將比特補(bǔ)碼式正交空時(shí)分組碼與垂直分層空時(shí)編碼的符號(hào)速率進(jìn)行比較，在2發(fā)2收下對(duì)BCOSTBC碼、VBLAST碼的發(fā)送碼矩陣分別進(jìn)行分析。

在兩個(gè)周期內(nèi)發(fā)送BCOSTBC碼的矩陣為(5)式所示：

在兩個(gè)周期內(nèi)發(fā)送VBLAST碼的矩陣為(6)式所示：

在(5)式中，BCOSTBC碼的符號(hào)由2個(gè)天線發(fā)送出去，這種編碼既有發(fā)射分集又有接收分集，其分集增益為4；而VBLAST碼的符號(hào)也由2個(gè)天線發(fā)送出去，這種編碼只有接收分集，其分集增益為2，BCOSTBC碼是VBLAST碼分集增益的2倍，分集增益越大其抗衰落性能就越強(qiáng)，即BCOSTBC碼的抗衰落性能更強(qiáng)一些。

(5)式中，2個(gè)周期內(nèi)發(fā)送了2個(gè)不同的實(shí)信號(hào)，其符號(hào)速率為1（符號(hào)/周期）；在式(6)中，2個(gè)周期內(nèi)發(fā)送了4個(gè)不同的實(shí)信號(hào)，其符號(hào)速率為2（符號(hào)/周期）。由此可得出：若采用相同數(shù)目的天線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，選用VBLAST編碼是選用BCOSTBC編碼的符號(hào)速率的2倍，即提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率。

4 結(jié)論

本文對(duì)MIMO無(wú)線光通信中常用的兩種編碼進(jìn)行了仿真與分析，發(fā)現(xiàn)若信道中的信噪比相同時(shí)，選擇BCOSTBC碼比VBLAST碼的誤比特率要小一些，能提高系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃?；若采用相同?shù)目的天線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，選擇VBLAST碼是BCOSTBC碼符號(hào)速率的2倍，能提高系統(tǒng)的傳輸速率，而選擇BCOSTBC碼比VBLAST碼抗衰落性能更強(qiáng)一些。因此可以根據(jù)系統(tǒng)在MIMO無(wú)線光通信中的性能指標(biāo)如傳輸速率、誤比特率、抗衰落性能來(lái)選擇發(fā)送端的編碼方案，以滿足在不同特性要求下達(dá)到誤比特率、抗衰落性能與傳輸速率的最優(yōu)化。

[1]Wilson S G,Mate B P,Qian L C,et al.Free-space optical MIMO transmission with Q-ary PPM[J].IEEE Transactions Communications,2005,53(8)：1402-1411.

[2]柯熙政.無(wú)線激光通信系統(tǒng)中的編碼理論[M].北京：科學(xué)出版社,2009：1-7.

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[4]Wang H Q，Ke X Z.Free space optical communication based on vertical Bell labs layered space-time[J].Chinese Journal of Lasers,2008,35(6)：874-878.

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[7]王慧琴,柯熙政.基于正交空時(shí)塊編碼的MIMO自由空間光通信[J].中國(guó)科學(xué),2009,39(8)：896-902.

[8]柯熙政,楊利紅,葛子葉.FSO-MIMO垂直空時(shí)分層碼研究及硬件仿真[J].紅外與激光工程,2010,39(3)：473-476.

（責(zé)任編輯：李堆淑）

On Choice of Coding Scheme in Free Space Optical-MIMO

ZHANG Na
（CollegeofElectronic Informationand ElectricalEngineering,ShangluoUniversity,Shangluo 726000,Shaanxi)

Space-time block codes(STBC)and layered space-time coding(LSTC)are two kinds of spacetime coding method applied in free space optical-MIMO(FSO-MIMO).The data rate,bit error rate(BER) and anti-fading performance are important indexes to measure the communication system,simulation was carried out with Monte-Carlo method,based on the performance indexes in FSO-MIMO to select the coding scheme,to meet the optimization of data rate,bit error rate and anti fading performance in different characteristics.The results show that under different performance indexes to choose different coding schemes,resources are more efficiently used.

multiple input multiple output(MIMO);optical communication;space-time block codes(STBC)；layered space-time code(LSTC)

TN929.1

：A

：1674-0033（2014）06-0033-04

10.13440/j.slxy.1674-0033.2014.06.010

2014-09-25

張 娜，女，陜西商州人，碩士，助教