基于準(zhǔn)正交編碼的MIMO空間光通信技術(shù)研究

王博鈺，宮玉琳，張靜鶴

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)人事處，長(zhǎng)春　130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)　電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春　130022；3.空軍航空大學(xué)，長(zhǎng)春　130022）

基于準(zhǔn)正交編碼的MIMO空間光通信技術(shù)研究

王博鈺1，宮玉琳2，張靜鶴3

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)人事處，長(zhǎng)春130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022；3.空軍航空大學(xué)，長(zhǎng)春130022）

由于自由空間光通信嚴(yán)重受到大氣湍流引起的光強(qiáng)起伏，光束漂移等問(wèn)題對(duì)通信性能的影響，本文研究了大氣信道特性并分析了空時(shí)分組編碼方案，采用MIMO技術(shù)提高自由空間光通信系統(tǒng)的性能?；贛IMO技術(shù)下的準(zhǔn)正交編碼方案不僅可以增強(qiáng)信道的抗衰落能力而且可以提供一定的分集增益和編碼增益。在Matlab平臺(tái)下使用蒙特卡羅模擬方法，對(duì)系統(tǒng)的信道容量和誤碼率進(jìn)行數(shù)值研究。仿真結(jié)果表明：采用MIMO技術(shù)能夠提高信道容量，有效改善誤碼性能，而且分集數(shù)越高，通信質(zhì)量越好。

分集技術(shù)；MIMO；準(zhǔn)正交空時(shí)編碼；誤碼性能

由于FSO在通信過(guò)程中對(duì)外界的環(huán)境特別敏感，如天氣、建筑物等，使得通信的質(zhì)量受到很大的影響，故采用MIMO技術(shù)［1］。MIMO采用多端不相關(guān)的天線發(fā)射和接收，能有效地提高系統(tǒng)的抗衰落性能和抗噪聲性能。

1　分集技術(shù)基本理論

分集技術(shù)是用來(lái)補(bǔ)償衰落信道損耗的，它通常利用無(wú)線傳播環(huán)境中同一信號(hào)的獨(dú)立樣本之間不相關(guān)的特點(diǎn)，使用一定的信號(hào)合并技術(shù)改善接收信號(hào)，來(lái)抵抗衰落引起的不良影響。在發(fā)射端采用分集技術(shù)，在接收端采用合并技術(shù)。分集技術(shù)分為空間分集、頻率分集、角度分集、時(shí)間分集、極化分集；合并技術(shù)主要分為最大比合并、等增益合并和選擇合并。

2　信道容量

采用多端天線發(fā)射和多端天線接收（Nt×Nr）的通信系統(tǒng)稱為MIMO系統(tǒng)。發(fā)射方在不知道傳輸信道的狀態(tài)信息的條件下，假定信道為獨(dú)立的Rayleigh衰落，且信道的幅度固定，則信道容量可以表示為［2］：

式中H=（hij）Nt×Nr是信道矩陣，元素hij是從發(fā)射天線Nt到接收天線Nr之間的信道衰落系數(shù)。

3　空時(shí)編碼

空時(shí)編碼是一種能獲取更高數(shù)據(jù)傳輸率的信號(hào)編碼技術(shù)，實(shí)質(zhì)是空間傳輸信號(hào)和時(shí)間傳輸信號(hào)的相結(jié)合［3］?？諘r(shí)編碼主要分為：空時(shí)分組碼、空時(shí)格形碼、分層空時(shí)碼?？諘r(shí)分格碼和空時(shí)分組碼都具有分集增益，而空時(shí)分層碼不具有分集增益；空時(shí)分層碼和空時(shí)分組碼靠傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)編碼器獲得編碼增益，而空時(shí)分格碼本身具有一定的編碼增益能力；空時(shí)分格碼譯碼最復(fù)雜，空時(shí)分層碼譯碼復(fù)雜度一般，而空時(shí)分組碼具有最低的譯碼復(fù)雜度；在頻譜利用率上，這三者的性能由高到低依次是：空時(shí)分層碼＞空時(shí)分格碼＞空時(shí)分組碼，通過(guò)綜合比較，決定選擇空時(shí)分組編碼。

4　編碼方案設(shè)計(jì)及仿真

對(duì)于自由空間光通信系統(tǒng)，將準(zhǔn)正交空時(shí)編碼技術(shù)與MIMO技術(shù)相結(jié)合，可以有效克服大氣湍流效應(yīng)，減弱接收端的光強(qiáng)起伏，提高系統(tǒng)的抗衰落能力。對(duì)比三種合并技術(shù)的優(yōu)越性，本文采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單較易實(shí)現(xiàn)的等增益合并技術(shù)，而且在該合并技術(shù)下可以同時(shí)收獲空間復(fù)用增益和分集增益。

4.1系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型是以二進(jìn)制數(shù)據(jù)形式存在的信源經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換后分別由信道編碼器編碼，再進(jìn)行空時(shí)編碼，經(jīng)調(diào)制后由激光器陣列通過(guò)多發(fā)射光學(xué)天線同時(shí)同頻發(fā)射出去，經(jīng)過(guò)大氣信道傳輸，發(fā)出的光信號(hào)被等增益光學(xué)接收天線接收送往光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，輸出的信號(hào)與信道估計(jì)出的傳輸特性矩陣一起通過(guò)反饋均衡器抵消干擾，之后再將信號(hào)進(jìn)行空時(shí)譯碼和信道譯碼，經(jīng)過(guò)并串轉(zhuǎn)換處理后恢復(fù)出原信號(hào)。

4.2準(zhǔn)正交空時(shí)分組碼

在光MIMO系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)編碼調(diào)制后的激光信號(hào)從Nt條光學(xué)天線發(fā)出，然后由接收端的Nr條光學(xué)天線接收送至光電探測(cè)器進(jìn)行光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。在發(fā)射端，光學(xué)天線發(fā)射的信號(hào)可以由一個(gè)發(fā)射矩陣表示：

圖1　空時(shí)格碼系統(tǒng)模型

式中，矩陣中第一列元素x1（i）為光學(xué)發(fā)射天線1所要發(fā)送的信號(hào)序列，長(zhǎng)度為N。在接收端，通過(guò)光電探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換后的輸出信號(hào)可以表示為：

式中，μ為光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換效率，η為光電轉(zhuǎn)換量子效率，T0為光電探測(cè)器的工作時(shí)間，e為電子電荷，λ為信號(hào)的波長(zhǎng)，h為普朗克常數(shù)，c為光速，H為信道衰落矩陣，n為噪聲矩陣。

假設(shè)信道是窄帶平坦衰落信道，則輸出信號(hào)Y可以表示為［4］：

假設(shè)信道響應(yīng)是已知的，且噪聲為高斯白噪聲，采用最大似然譯碼，那么可以通過(guò)最小化選碼字與接收信號(hào)之間的平方歐式距離來(lái)獲得最佳的判決，即

最大似然判決準(zhǔn)則求解式（7）中定義的d2）的最小化，因?yàn)楦鱾€(gè)發(fā)射天線之間發(fā)射的信號(hào)副本是相互獨(dú)立的，因此可以等效得到最小化如下式所示：

對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行最佳判決，可以消除變量間的相互影響，譯碼過(guò)程被大大簡(jiǎn)化，因此可得對(duì)于第i個(gè)信號(hào)的最佳判決輸出為

根據(jù)最大似然判決準(zhǔn)則及v2i的關(guān)系式，可以將上述譯碼準(zhǔn)則進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到如下關(guān)系：

5　仿真分析

為了證明系統(tǒng)的有效性，采用蒙特卡洛方法對(duì)準(zhǔn)正交空時(shí)編碼下的MIMO光通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真。選取仿真參數(shù)如下：波長(zhǎng)1550nm，調(diào)制方式采用OOK調(diào)制方式，信道模型采用Rayleigh衰落信道，高斯白噪聲干擾，傳輸距離1km，海平面高度200m，轉(zhuǎn)換效率0.8，接收孔徑30cm，發(fā)射機(jī)分集角度200μrad，閃爍系數(shù)1.7×10-14，風(fēng)速5m/s，探測(cè)靈敏度-37dBm，光耦合效率0.75。系統(tǒng)采取等增益分集技術(shù)，分別選取1×1，2×2，2×2和4×4不同發(fā)送天線和接收天線。如圖1所示的系統(tǒng)模型，對(duì)基于MIMO的自由空間光通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真：在不同的分集數(shù)和信噪比下，系統(tǒng)的信道容量、誤碼率的性能。

圖2　不同接收分集情況下準(zhǔn)正交空時(shí)分組碼方案的信道容量

圖2所示的是在不同空間分集接收分集情況下，準(zhǔn)正交空時(shí)分組碼方案的信道容量性能。其接收分集分別是 Nt=1，Nr=1；Nt=1，Nr=2；Nt=2，Nr=1；Nt=2，Nr=2；Nt=4，Nr=4。從圖2中看出，相同信噪比情況下，分集度越高，對(duì)系統(tǒng)傳輸信道容量性能改善越明顯，誤碼率也越低；當(dāng)信道容量相同（例如取誤碼率達(dá)到5bps/HZ）時(shí)，分集度為4相較于分集度為2情況下信噪比可提高14dB；在信噪比為20dB時(shí)，分集數(shù)為4的信道容量幾乎是分集數(shù)為1的信道容量的4倍，說(shuō)明準(zhǔn)正交空時(shí)分組碼可以有效的提高系統(tǒng)性能。

圖3　不同接收分集情況下準(zhǔn)正交空時(shí)分組碼方案的誤碼率

由圖3可以看出，MIMO系統(tǒng)的性能相較于單發(fā)單收系統(tǒng)性能有較明顯的改善，誤碼率有所降低；當(dāng)發(fā)射天線數(shù)目小于接收天線數(shù)目時(shí)，誤碼率低于兩者數(shù)目相等時(shí)的情況；這兩種情況可以充分的體現(xiàn)出MIMO系統(tǒng)的優(yōu)越性。

圖4　不同分組編碼方案下的BER仿真圖

從圖4中可以看出，在SNR比較低的時(shí)候，準(zhǔn)正交編碼方案可以獲得最佳的BER，但是隨著信噪比的增加，誤碼率下降趨勢(shì)有所減慢，這是因?yàn)闇?zhǔn)正交編碼方案是以犧牲部分分集增益為代價(jià)的，因此，誤碼率曲線的斜率受分集增益影響。當(dāng)信噪比大于9dB時(shí)，誤碼率下降的更加緩慢，即使是這樣在提高系統(tǒng)誤碼性能方面準(zhǔn)正交編碼方案也比其他方案優(yōu)越。

6　結(jié)論

由于大氣湍流對(duì)空間光通信的影響，本文采用MIMO技術(shù)和準(zhǔn)正交編碼設(shè)計(jì)自由空間光通信系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)編碼和分集仿真結(jié)果可知：分集數(shù)越高，信道容量越大，誤碼率越低，通信的質(zhì)量越好，這說(shuō)明使用分集技術(shù)的光通信系統(tǒng)可以極大地提高了信道容量和誤碼性能；而且準(zhǔn)正交空時(shí)編碼方案性能優(yōu)于其他空時(shí)塊編碼方案，系統(tǒng)的分集增益提高。因此，MIMO技術(shù)可以有效的抑制大氣湍流對(duì)通信的影響。

［1］Lee W.Mobile Communications engineering［J］.New York：McGraw-Hill，1982，8（9）：252-256.

［2］ 彭林.第三代移動(dòng)通信技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［3］ 梁學(xué)俊.多用戶分集MIMO系統(tǒng)中的信道反饋研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2008.

［4］ 王惠琴，柯熙政，趙黎.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)（F輯：信息科學(xué)），2009，10（8）：896-902.

Research on MIMO Space Optical Communication Based on Quasi Orthogonal Encoding Technology

WANG Boyu1，GONG Yulin2，ZHANG Jinghe3
（1.Personnel Division，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.School of Electronics and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；3.Aviation University of Air Force，Changchun 130022）

Due to the free space optical communication severely affected by atmospheric turbulence caused by intensity fluctuation，beam drift，this paper studies the characteristics of atmospheric channel and analyses the space-time block coding scheme，the MIMO technology can improves the performance of free space optical communication system.The orthogonal coding scheme based on MIMO technology can not only enhance the channel fading resistance and can provide diversity gain and coding gain.Under the MATLAB platform using monte carlo simulation method，the channel capacity and error rate of system are researched.The simulation results show that the MIMO technology can increase the channel capacity；and effectively improve BER performance；the higher the diversity number，the better the communication quality.

diversity technology；multiple input multiple output；quasi-orthogonal space-time block codes；BER

TN929.1

A

1672-9870（2015）06-0038-04

2015-10-05

王博鈺（1981-），男，碩士，講師，E-mail：103475075@qq.com