無線通信網格編碼

李靜

摘要：無線光通信是一種不需要使用線信道為傳輸媒介的新型通信方式，近些年被越來越多應用于點對點通信中。將MIMO技術中的空時網格碼引入無線光通信中，將其與PPM調制相結合形成無線光STTC系統(tǒng)，最后對該系統(tǒng)的編譯碼方法進行分析，并對誤碼率性能進行仿真。結果表明：將空時網格編碼引入無線光通信中能夠改善系統(tǒng)的誤碼率性能，克服大氣湍流引起的衰落問題。

關鍵詞：無線光通信 空時網格碼

1 概述

光學在半導體、電子、通信產業(yè)的運用相當廣泛，例如光電半導體的LED可用作燈號、照明，光電半導體的CCD、CMOS影像感測器可做數位相機、數位監(jiān)控，光機電微系統(tǒng)的DMD可做投影機，光電晶體、耦合器用于自動控制等；或者是光儲存，如BD藍光光碟片；或者是光通信，如FTTH光纖到戶寬帶等。

在社會的不斷發(fā)展中信息交流變得日趨頻繁，因此信息傳輸容量需求劇增是不可避免的現(xiàn)實，可是目前用到最多的無線電通信出現(xiàn)了頻帶利用率不足或者不夠的現(xiàn)象，已經很大程度上不能滿足人類對信息量的需求，所以具有容量大、速率高的無線光通信技術是下一代通信技術的必然趨勢。從二十世紀六十年代起，人們便開始對空間探索，但信息交換對電磁波的依賴與日俱增，然而隨著無線電波頻譜的逐漸擁擠以及信息數據傳輸量的日益增加，通信問題不斷發(fā)生，于是科學家們將目光投向了以廣播為基礎的通信技術。

無線光通信技術，是利用激光作為信息的載體，直接在空間進行信號傳輸的一種通信方式，它是一種有別于有線（光纖）光通信的通信方式，可以在廣泛的空間建立通信鏈路，根據其不同的通信傳輸信道可分為星際激光通信、大氣激光通信和水下激光通信三大類。光的有線傳輸已使用很多，但無線傳輸卻很少運用，特別是終端消費性領域，幾乎都停留在IR紅外線遙控器階段。這幾年開始有人提倡可見光的無線通信VLC，預計未來數年將有新發(fā)展。

當通信鏈路位于大氣層之外的自由空間時，激光通信被稱為自由空間光通信（free space optical communication，F(xiàn)SO），又稱為無線光通信（Wireless Optical Communication），它是利用光束作為載波在空間（陸地或外太空）直接進行語音、數據、圖像信息雙向傳送的一種技術。MIMO系統(tǒng)最早于1908年被Marconi提出，相對于一般的SISO系統(tǒng)，MIMO相當于在收發(fā)端采用多個天線，這樣就在收發(fā)端建立了多個信道，能有效地抑制信道衰落，同時提高了信道容量。它的核心思想是將收發(fā)端的信號進行分組及合并，從而使MIMO用戶的傳信質量和數據速率得到改善。

為何無線光通信將開始嶄露頭角？因為現(xiàn)有WiFi的2.4GHz頻譜資源幾乎已壓榨到極限，想要更快的速率，幾乎都往5GHz頻段考慮，IEEE 802.11ac即是如此，LTE-U也是如此，但5GHz并不是全球通行的頻段，有些國家無法使用，或僅能部分使用、有條件使用（不能室外用，或不得超過多少發(fā)送功率）。除2.4GHz外，另一個全球通行可用的頻段是60GHz，但因為頻段太高，相關設計都高度困難，目前仍在發(fā)展中。加上LED的普及，人們開始考慮用無線光通信來加速區(qū)域內的傳輸。

歐洲空間局從二十世紀七十年代已經開始進行空間激光通信。例如基礎技術研究計劃，以及衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)和技術研究的ASTP計劃，1989年的半導體激光星間鏈路實驗SILEX（Semiconductor laser Inter-satellite Link Experiment）使空間局在衛(wèi)星激光通信方面領先其他國家。同時歐洲航天署的其他相關研究也在進行中，此外他們還致力于一些能夠使衛(wèi)星間通信民用化的的關鍵技術和關鍵元件的研發(fā)，并取得了一些階段性成果，例如高速率相干光接收機、捕獲和跟蹤元件等。

2 空時網格碼（STTC）

無線光通信另有兩個好處，一是不受電磁波干擾，雖然現(xiàn)行航空法規(guī)允許乘客在飛機上使用電子產品，以及醫(yī)院內重要的醫(yī)療設備使用房間，在墻壁內都埋有銅網以避免手機干擾，但仍有可能產生干擾，在這些敏感場所改用光無線通信，則可避免干擾發(fā)生。另一個是省電，驅動LED亮滅來傳遞信號，比用RF無線射頻方式傳遞信號更省電，手持式裝置電池電力有限，用光無線通信傳輸反而更有利。不過光無線通信也有缺點，例如一旦被遮光就無法收發(fā)，如人走動，也無法穿墻通信，除非墻壁能透光。

因此，在激光通信中，選擇一種性能高且可靠的調制技術是提高速率傳輸和降低誤碼率的重要手段。目前有兩類適合于激光調制的技術，一種是適合直接檢測（MI/DD），比如PPM、OOK、PIM等。另一類是適合于相關檢測，如 PSK、QAM等。（IM/DD）檢測方法一直是FSO使用的主要檢測方式。OOK和PPM是兩種基本的激光調制方式，但在背景噪聲較強的時候OOK調制技術容易受到影響，因此無法滿足數據的可靠和高速傳輸。PPM比OOK具有更強的抗噪聲影響能力，它能夠憑借很好的功率利用率，滿足激光傳輸的需求。

空時編碼是空時信號處理的一類關鍵技術，是未來無線通信系統(tǒng)必然選擇的技術之一?？諘r碼的主要思想是利用空間和時間上的編碼實現(xiàn)一定的空間分集和時間分集，從而降低誤碼率。使用空時編碼是達到或接近MIMO無線信道容量的一種可行、有效的方法。

隱分集指的是在信號的處理中加入一些編碼方式或者利用交織等技術。顯分集技術是指在發(fā)射端通過發(fā)射多組相同的信號。交織技術指把一條消息中的相繼比特分散開的方法。無線通信系統(tǒng)中對抗衰落的基本技術是分集技術，它能夠提高衰落信道的可靠性，同時降低誤碼率。分集技術的基本原理：分集技術可以通過多個信道接收到載有信息的的多個副本，這些信道可以是時間，頻率或者空間，而由于副本強度具備可比性，所以多個信號的衰落通常會呈現(xiàn)出獨立性。

Wittneben先提出了延遲發(fā)送分集方案，繼而Tarokh Seshadri對其理論進一步研究，提出了基于發(fā)射分集的空時網格碼。對于空時網格碼，編碼器將二進制數據映射為調制符號，雖然空時網格碼能夠獲得更大的編碼增益和分集增益，但其傳輸速率低。在傳輸數據的過程中，單個符號包含比特數不斷增多，譯碼器復雜程度成指數上升，因而制約了空時網格碼的傳輸速率。眾所周知，空間激光通信系統(tǒng)主要通過大氣傳輸數據信號，由于存在大氣湍流這一干擾因素，傳輸過程不順利。為了克服這一難題，業(yè)界研究開發(fā)了一種非相干光束疊加技術——多光束傳輸技術。該機是由若干個激光束經各自的傳輸路徑向遠場接收端傳輸信號、數據，各激光束之間不存在疊加干擾，因此該技術也是以平滑接收信號光強起伏的發(fā)射分集技術。

大氣無線信道中存在的空間損耗、光強閃爍、大氣衰減等多種干擾因素，會使信號傳輸功率大打折扣。而且大氣溫度的升高或降低會使大氣湍流及光束發(fā)生波前扭曲，并產生折射率。在大氣湍流的干擾下，接收信號電平會任意波動，使得有效噪聲增大，誤碼率升高。

目前，為規(guī)避大氣湍流干擾作用應運而生的多光束傳輸技術，已在空間激光通信系統(tǒng)中被推廣應用。前文已對其技術原理進行了闡述，在這里不再贅述。

3 小結

文章首先介紹了MIMO技術的發(fā)展概況進行簡單概述，其次對MIMO中的各種分集技術以及復用技術進行了重點介紹，繼而對無線光MIMO空時網格碼的系統(tǒng)模型，發(fā)射信號模型以及其編譯碼原理和過程進行了討論，并在最后對該系統(tǒng)中不同收發(fā)天線數目和閃爍因子時的的誤碼率性能進行仿真分析，結果顯示在采用STTC后，系統(tǒng)的誤碼率比未采用STTC的系統(tǒng)明顯減小，并且不同收發(fā)天線數時，誤碼率也隨收發(fā)天線數目的增加而減小。在有線寬帶技術發(fā)展出現(xiàn)瓶頸時，人們正如瞎子摸象般嘗試無線光通信的各種可能應用，相信不久的將來必有收獲。

參考文獻：

[1]王旭，王挺峰，王弟男，王化龍.無線光鏈路快速同步技術[J]. 中國光學，2014（02）.

[2]李菲，秦來安，吳延徽，陸茜茜，吳毅.大氣對自由空間光通信的影響機理及改善方法[J].大氣與環(huán)境光學學報，2012（02）.

[3]劉慶存，孫亞楠.淺談激光大氣通信及其軍事應用[J].科技創(chuàng)新與應用，2014（25）.

[4]王佳.一種新型大氣激光通信系統(tǒng)的設計[J].北京印刷學院學報，2009（06）.

[5]章志堅.自由空間光通信_FSO[J].中國數據通信，2004（2）：113-115.