無(wú)線光MIMO技術(shù)及空時(shí)編碼研究進(jìn)展

柯熙政 楊尚君 吳加麗 孫玉歆

無(wú)線光MIMO技術(shù)及空時(shí)編碼研究進(jìn)展

柯熙政1,2,3楊尚君1吳加麗1孫玉歆1

（1.西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.陜西省智能協(xié)同網(wǎng)絡(luò)軍民共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048；3.陜西理工大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，陜西 漢中 723001）

對(duì)前人已有的工作進(jìn)行轉(zhuǎn)述與概括，其中包括作者自己的看法。多輸入多輸出（multiple input multiple output，MIMO）技術(shù)充分利用空間資源，可以抑制信道特性對(duì)光信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽奶岣邿o(wú)線光通信信道容量與頻譜利用率出發(fā)，詳細(xì)敘述了無(wú)線光MIMO在國(guó)內(nèi)外的演進(jìn)與發(fā)展。分類(lèi)介紹了空時(shí)編碼的原理。最后歸納了無(wú)線光MIMO系統(tǒng)所面臨的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

無(wú)線光多輸入多輸出系統(tǒng)；空時(shí)編碼；研究進(jìn)展

近年來(lái)人們的研究興趣越來(lái)越多集中在多輸入多輸出（multiple input multiple output，MIMO）技術(shù)及其相關(guān)的空時(shí)編碼技術(shù)上，通過(guò)多載波調(diào)制技術(shù)﹑智能天線、自適應(yīng)編碼等以提高頻譜利用率[1-4]。MIMO利用空間資源以提高無(wú)線光系統(tǒng)容量和頻譜利用率。

1 無(wú)線激光通信

無(wú)線激光通信是以激光束作為信息傳輸?shù)妮d體，能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信。無(wú)線光通信無(wú)電磁干擾，可實(shí)現(xiàn)各種形式的組網(wǎng)，可傳輸多種速率的數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、圖像等。無(wú)線光通信是解決“最后一公里”問(wèn)題的方案之一。隨著光源和光電探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線光通信得到了長(zhǎng)足的發(fā)展[5-10]，但也面臨著挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在：

1）無(wú)線光通信系統(tǒng)的穩(wěn)定程度與系統(tǒng)的功率裕量密切相關(guān)[11]，大氣湍流對(duì)光信號(hào)產(chǎn)生衰減，其衰減幅度從0.1 dB/km到300 dB/km；

2）大氣湍流會(huì)引起光斑的隨機(jī)漂移和光強(qiáng)閃爍。特別是在強(qiáng)湍流情況下，使誤碼率升高或通信中斷，影響無(wú)線光通信系統(tǒng)的可靠性；

3）由于光色散等原因，光信號(hào)傳輸速率常常被限制到10 Gb/s以下；

4）窄光束使得捕獲對(duì)準(zhǔn)跟蹤（acquisition，pointing and tracking，APT）技術(shù)存在一定的難度；

5）考慮到人眼安全使發(fā)射光功率受限。

為了抑制大氣湍流的影響，人們采用提高發(fā)射功率、大孔徑接收、自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)、信道編碼[12]、部分相干光傳輸[13]、光MIMO[14]技術(shù)等。出于對(duì)人眼安全的考慮，發(fā)射功率受到一定的限制。人們利用大孔徑接收來(lái)抑制光強(qiáng)起伏[15]。傳統(tǒng)上人們采用級(jí)聯(lián)RS碼、Turbo碼、LDPC碼[11-18]等抑制湍流的影響，但其對(duì)強(qiáng)湍流及濃霧的抑制能力差，人們考慮采用部分相干光能抑制湍流效應(yīng)[13]。光MIMO技術(shù)是通過(guò)多個(gè)相互不相干的光束經(jīng)過(guò)不同路徑到達(dá)多個(gè)接收端進(jìn)行非相干疊加的一種技術(shù)[14]。光MIMO技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低、便于工程應(yīng)用，但其理論和模型尚不完善，需要對(duì)其進(jìn)一步研究和探索[19]。

人們常采用波分復(fù)用（wavelength division multiplexing，WDM）[15]、偏振分復(fù)用（polarization division multiplexing，PDM）[20]、成像通信[21]、MIMO[22-24]、先進(jìn)調(diào)制技術(shù)[25-26]和LDPC碼、RS碼、TURBO編碼[5,12,17,22,27-29]等。相對(duì)于MIMO技術(shù)而言，其他幾種技術(shù)不能有效抑制大氣湍流。MIMO通過(guò)同時(shí)獲得分集增益獲得更高的頻譜利用率，以提高通信系統(tǒng)的信道容量。

APT技術(shù)能提高通信系統(tǒng)誤碼率性能，包含自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)[30]等。在相同條件下光MIMO較光單輸入單輸出（single input single output，SISO）系統(tǒng)的信道容量更高，人們將空時(shí)編碼的思想引入無(wú)線光通信以解決無(wú)線激光通信所面臨的挑戰(zhàn)[14]。

2 光MIMO技術(shù)的研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

1960年起人們對(duì)無(wú)線光通信展開(kāi)了廣泛的研究[12,31-34]。從事無(wú)線光通信研究的機(jī)構(gòu)有，ESA）、通信望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)室（Communications telescope laboratory，CTL）、NASDA）、美國(guó)國(guó)家航空和航天局（National aeronautics and space administration，NASA）等。1995年林肯實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了高碼率的衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)[34]。1993年美國(guó)空軍進(jìn)行了地面站與激光星間傳輸實(shí)驗(yàn)（Laser intersatellite transmission experiment，LITE）系統(tǒng)之間的半雙工光鏈路通信[32]。Astro Terra公司研制了全雙工無(wú)線光通信系統(tǒng)，ESA對(duì)衛(wèi)星光通信的有關(guān)單元技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證[31,33]。隨著波分多址（wavelength division multiple access，WDMA）、摻鉺光纖放大器（erbium doped fiber amplifier，EDFA）等技術(shù)的成熟，20世紀(jì)90年代無(wú)線光通信在信道容量、通信距離等方面有了較大的改善。1995年日本進(jìn)行了衛(wèi)星—地面之間的光通信實(shí)驗(yàn)。1984年，Divsalar等[35]將編碼和調(diào)制技術(shù)引入光通信領(lǐng)域。后來(lái)人們將RS碼[36]、TCM碼[37]、BCH碼[38]、TURBO碼[39-40]、LDPC碼[41]、交織技術(shù)[42]、級(jí)聯(lián)碼[43-44]應(yīng)用于無(wú)線光通信。

1997年，Wilson等[45]將多光束發(fā)射的概念引入到無(wú)線光通信領(lǐng)域，人們提出了多光束發(fā)射的概念。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet propulsion laboratory，JPL）進(jìn)行了多次多光束的傳輸實(shí)驗(yàn)[46-49]。1997年10月，美日聯(lián)合驗(yàn)證了多光束傳輸抑制大氣湍流效應(yīng)的有效性[50]。Kim等[46]進(jìn)行了大氣閃爍測(cè)量實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)[51-52]給出了大氣湍流中光束傳輸?shù)睦碚撃Ｐ?，但其?shí)際應(yīng)用尚存在困難。1996年Ibrahim等[53]研究了采用接收分集技術(shù)的無(wú)線光通信性能。2000年貝爾實(shí)驗(yàn)室研制了其原型系統(tǒng)[54]。2002年，JPL開(kāi)展了46.8 km的多光束光傳輸實(shí)驗(yàn)[55]，采用空間分集接收后，JPL進(jìn)行了外場(chǎng)試驗(yàn)[56-58]。2001年，JPL和美國(guó)斯坦福大學(xué)的激光通信研究組在分集接收和光信號(hào)檢測(cè)方面進(jìn)行了深入研究，并取得了較好的成果[59]。Haas等[60]針對(duì)對(duì)數(shù)正態(tài)衰減大氣信道（弱起伏湍流）模型，提出了大氣激光通信的空時(shí)編碼準(zhǔn)則，推導(dǎo)了其誤碼性能極限。相干檢測(cè)需要接收機(jī)本振光頻率和發(fā)射光的頻率非常穩(wěn)定，影響了其實(shí)用化進(jìn)程[61-62]。文獻(xiàn)[63]給出了空時(shí)編碼準(zhǔn)則和誤碼性能極限，該方法不適合直接檢測(cè)的光通信系統(tǒng)。

2002年，Zhu等[64-65]將射頻通信中的分集接收技術(shù)應(yīng)用到無(wú)線光通信中。2003年，Simon等[66]對(duì)Alamouti碼進(jìn)行改進(jìn)，得到修正的Alamouti碼。Alqudah等[67]針對(duì)室內(nèi)無(wú)線光信道提出一種正交空時(shí)編碼。2005年，Pan等[68]討論多光束傳輸能有效抑制大氣湍流引起的光強(qiáng)起伏。Wilson等[69]研究量化脈沖位置調(diào)制體制（quantized pulse position modulation system，QPPM）調(diào)制MIMO光通信的誤碼性能。Brandt-Pearce 等[70]分析了在相同的條件下采用PPM調(diào)制的誤碼性能極限。2005年，Simon等[71]提出了基于直接檢測(cè)（intensity modulation direct detection，IM/DD）的空時(shí)編碼方案。2006年，Anguita等[72]發(fā)現(xiàn)多光束模式均能獲得比單光束傳輸更高信噪比增益。2007年，Anguita等[73]分析了傳輸距離、湍流條件、發(fā)射器間距和接收器孔徑等對(duì)通信系統(tǒng)性能的影響。Navidpour等[74]推導(dǎo)出了收發(fā)端同時(shí)采用分集技術(shù)時(shí)的誤碼率計(jì)算公式。Cao等[75]設(shè)計(jì)了脈沖位置調(diào)制（palse position modulation，PPM）光MIMO系統(tǒng)，García-Zambrana分析了Simon空時(shí)分組碼在強(qiáng)湍流信道中誤碼性能[76]，空時(shí)分組碼能抑制大氣湍流，但以降低了復(fù)用增益為代價(jià)。

2008年，Cvijetic等[77]推導(dǎo)出了多光束發(fā)射-多探測(cè)接收的光通信鏈路的性能邊界；文獻(xiàn)[78]分析了泊松衰落信道中IM/DD的MIMO系統(tǒng)中斷容量，但未考慮熱噪聲IM/DD調(diào)制無(wú)線光通信MIMO系統(tǒng)的性能[75]。文獻(xiàn)[78-79]研究了不同情況下系統(tǒng)的性能，但未對(duì)如何采用最優(yōu)傳輸機(jī)制實(shí)現(xiàn)MIMO傳輸?shù)淖畲笮诺廊萘窟M(jìn)行研究。Safari等[80]研究了通斷鍵控（on off key，OOK）調(diào)制重復(fù)碼和空時(shí)編碼的性能，在強(qiáng)湍流情況下二者的誤碼率性能非常接近，而在弱湍流的情形下前者性能優(yōu)于后者。Zaidi等[81]提出了一種交叉編碼方案，采用MAC層和正交空時(shí)編碼相結(jié)合的方法。2009年Ntogari等[82]研究了室內(nèi)環(huán)境下空時(shí)編碼的性能，發(fā)現(xiàn)空時(shí)分組碼能提高信道容量。2010年Bayaki等[83]采用兩個(gè)激光器和任意探測(cè)器接收，得到了空時(shí)編碼成對(duì)錯(cuò)誤概率的封閉表達(dá)式。García-Zambrana等[84]提出了一種空時(shí)網(wǎng)格碼，并分析了強(qiáng)湍流信道誤碼性能。

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

1999年，西北核技術(shù)研究所研究發(fā)現(xiàn)多光束傳輸時(shí)比單光束傳輸光強(qiáng)提高了兩倍[85]。2003年，電子科技大學(xué)研究驗(yàn)證了多光束傳輸抑制大氣湍流效應(yīng)的特性[86-87]。2004年，國(guó)防科技大學(xué)[88-90]研究了多光束傳輸?shù)男诺滥Ｐ汀⒖諘r(shí)編碼等，上海光學(xué)精密機(jī)械研究所實(shí)現(xiàn)了基于多發(fā)射器的通信系統(tǒng)[91]。該系統(tǒng)采用了發(fā)射分集，而未采用接收分集和空時(shí)編碼。2005年，華中光電技術(shù)研究所[92]、燕山大學(xué)[93]也研究了分集技術(shù)。安徽大學(xué)[94]、北京航空航天大學(xué)[95]也有類(lèi)似報(bào)道。2006年武漢大學(xué)通過(guò)仿真驗(yàn)證了無(wú)線光空時(shí)編碼的性能[96]。自2007年起，西安理工大學(xué)柯熙政教授團(tuán)隊(duì)展開(kāi)了空時(shí)編碼的相關(guān)研究，2019年開(kāi)展了多光束100公里傳輸實(shí)驗(yàn)。華中科技大學(xué)[97-98]、長(zhǎng)春理工大學(xué)[99-100]也開(kāi)展了空時(shí)編碼的相關(guān)研究。

3 光MIMO系統(tǒng)

由于射頻通信和無(wú)線激光通信存在著差異，這使得原有MIMO技術(shù)的理論和模型與無(wú)線激光通信系統(tǒng)有很大差異[14]。光MIMO可以有效抑制大氣湍流效應(yīng)，提高信道容量。

3.1 光MIMO系統(tǒng)的組成

光MIMO系統(tǒng)就是綜合考慮編碼、調(diào)制、分集合并，將其進(jìn)行有機(jī)融合，如圖1所示。

圖1　光MIMO通信系統(tǒng)的組成

光MIMO將信源的數(shù)據(jù)按某種規(guī)則分組，經(jīng)星座映射后得到多個(gè)調(diào)制符號(hào)。然后進(jìn)行空時(shí)編碼得到相應(yīng)的編碼矩陣。在接收端將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)解碼后轉(zhuǎn)換成多路子數(shù)據(jù)流，以提高系統(tǒng)的信道容量和抗衰落能力[101]。

3.2 光MIMO技術(shù)的分類(lèi)

3.2.1 分集技術(shù)

分集是無(wú)線通信系統(tǒng)中抑制衰落的基本技術(shù)[14]，能抑制信道的衰落，提高系統(tǒng)的可靠性[102]。分集技術(shù)從多個(gè)不同信道接收到多個(gè)信號(hào)序列，其衰落通常會(huì)呈現(xiàn)出某種獨(dú)立性?？臻g分集[14]采用多天線實(shí)現(xiàn)，其性能優(yōu)于時(shí)間分集和頻率分集；接收分集的抗干擾能力有限，必須輔之以其他抗干擾方法[103]。時(shí)間分集[14]將時(shí)間交織和信道編碼結(jié)合，對(duì)慢衰落作用有限但對(duì)快衰落很有效。時(shí)間分集在接收端的信號(hào)中含有大量因糾錯(cuò)編碼而帶來(lái)的冗余信號(hào)[103]。空間分集[14]多個(gè)天線在空間上錯(cuò)開(kāi)一定的距離排列，可使各個(gè)天線接收的信號(hào)互不相關(guān)[104]。

3.2.2 分集合并技術(shù)

將分集技術(shù)引入無(wú)線光通信可以有效地抑制大氣湍流產(chǎn)生的衰落[105]。分集技術(shù)將同一信號(hào)進(jìn)行同時(shí)多路傳輸，避免所有信號(hào)同時(shí)受到大氣衰減的影響[106]。

1）等增益合并接收分集

等增益合并接收分集框圖如圖2所示，假設(shè)接收天線數(shù)目≥2個(gè)，個(gè)接收天線總接收孔徑面積為R，每個(gè)接收天線的孔徑面積為R/，且為等增益合并。假設(shè)與無(wú)分集SISO的接收孔徑面積相等。

圖2　等增益合并接收分集框圖[106]

2）發(fā)射和接收分集等增益合并

如圖3所示，假設(shè)發(fā)射天線數(shù)目≥2，接收天線數(shù)目≥2，每個(gè)發(fā)射孔徑面積為T(mén)/，發(fā)射功率是無(wú)分集單端發(fā)射單端接收系統(tǒng)發(fā)射功率的1/，每個(gè)接收天線面積為R/。

圖3 等增益合并發(fā)射和接收分集框圖[106]

文獻(xiàn)[107]證明：圖2中的單發(fā)射接收分集與圖3的空間分集中使用×個(gè)接收天線的在效果上是等價(jià)的，且功率增益也相同。

3.2.3 MIMO系統(tǒng)的空間復(fù)用技術(shù)

空間復(fù)用示意圖如圖4所示，各種分層空時(shí)碼都是利用空分復(fù)用的方法來(lái)提高信道容量，空間復(fù)用的接收端譯碼算法主要有迫零算法（zero forcing algorithm，ZF）、最小均方誤差算法（minimum mean square error algorithm，MMSE）、最大似然解碼算法（maximum likelihood algorithm，ML）[108]。

空間復(fù)用每個(gè)子流從不同的天線發(fā)送出去，這與分集傳輸相似，不同的是在獨(dú)立同分布瑞利信道上具有完全相同的各態(tài)歷經(jīng)性[109]，但不能提供和MIMO分集相同的分集增益，需要在速率和可靠性之間進(jìn)行合理折中。MIMO系統(tǒng)的本質(zhì)是系統(tǒng)錯(cuò)誤概率與系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率的折中[14]，提高空間分集增益就會(huì)使空間復(fù)用增益降低。

圖4 空間復(fù)用示意圖

BLAST算法[14]分為D-BLAST和V-BLAST算法。V-BLAST將個(gè)比特流進(jìn)行編碼、映射和交織后通過(guò)在個(gè)天線處獨(dú)立發(fā)射出去，能最大限度發(fā)揮分集作用，并且所有的信息流都會(huì)被獨(dú)立檢測(cè)出來(lái)[110-113]。D-BLAST在編碼和調(diào)制方式及順序上和V-BLAST的基本上一致，只是在信號(hào)處理完后被分成不同的塊信號(hào)，這些信號(hào)塊被同時(shí)分配給不同的天線發(fā)送，因此對(duì)于一條線路傳輸不太理想時(shí)，整個(gè)信號(hào)傳輸?shù)男Ч皇艿教蟮挠绊懀窍到y(tǒng)的復(fù)雜度會(huì)相應(yīng)地復(fù)雜許多[114-115]。BLAST能夠充分利用稀缺的頻譜資源，但對(duì)于下行鏈路來(lái)說(shuō)卻不太可行，因?yàn)樵贐LAST中要求發(fā)射天線的個(gè)數(shù)小于或者等于接收天線的個(gè)數(shù)；此外，因?yàn)樗械奶炀€發(fā)送的都是不同的信號(hào)，所以每條鏈路中的信息都是獨(dú)一無(wú)二的，當(dāng)一個(gè)鏈路被破壞時(shí)，信號(hào)的完整性就得不到保證[116-117]。

4 從SISO信道到MIMO信道的演變

SISO無(wú)線信道模型是一切衍生信道的基礎(chǔ)，很少涉及到對(duì)空間特性的研究。MIMO信道模型區(qū)別SISO的關(guān)鍵點(diǎn)就是無(wú)線信道的空間特征[118]，根據(jù)空間特征，并以SISO信道向量模型為基礎(chǔ)，衍生出MIMO系統(tǒng)的矢量模型[119]。

SISO無(wú)線信道系統(tǒng)即單發(fā)單收天線通信系統(tǒng)，其信道沖激響應(yīng)為

發(fā)射端為1個(gè)天線，接收端為個(gè)接收天線的信道模型稱為SIMO，根據(jù)文獻(xiàn)[1]，SIMO信道可被當(dāng)作個(gè)SISO標(biāo)量信道合并而成的，其信道的沖激響應(yīng)為

其中，第個(gè)分量為

將SIMO信道與SISO信道進(jìn)行對(duì)比，標(biāo)量信道實(shí)現(xiàn)了拓展到向量信道這一思想，從而展現(xiàn)出系統(tǒng)的空間信道特征。

MISO信道采用了個(gè)發(fā)射天線和單個(gè)接收天線，將該信道視為個(gè)SISO標(biāo)量信道組合而成的向量信道[120]，可得到MISO信道沖激響應(yīng)為

其中，(,)表示去波方向。依據(jù)SIMO與MISO的形成思想，采用收發(fā)天線數(shù)分別為和的MIMO信道可以看作×個(gè)SISO標(biāo)量信道組合而成的矩陣信道。

5 FSO-OFDM亟待解決的問(wèn)題

由于射頻正交頻分復(fù)用（radio frequency orthogonal frequency division multiplexing，RF-OFDM）與無(wú)線光正交頻分復(fù)用（free space optical orthogonal frequency division multiplexing，F(xiàn)SO-OFDM）的區(qū)別，以及FSO技術(shù)自身存在的缺點(diǎn)，將其結(jié)合勢(shì)必會(huì)存在很多問(wèn)題需要解決：

1）RF-OFDM和光OFDM原理相同，但存在本質(zhì)差異，不能簡(jiǎn)單地將OFDM系統(tǒng)模型應(yīng)用于光OFDM。

2）信源編碼及信道編碼[121-124]能顯著提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力。由于FSO不能直接傳輸復(fù)數(shù)形式的信號(hào)[125]，因此需要對(duì)編碼方式進(jìn)行改進(jìn)。

3）FSO-OFDM系統(tǒng)需要滿足載波同步、符號(hào)同步和樣值同步。由于OFDM信號(hào)是由多個(gè)相互正交的子載波信號(hào)疊加構(gòu)成的，確保這種正交性對(duì)于OFDM系統(tǒng)是至關(guān)重要的。

4）由于FSO-OFDM信道會(huì)受到灰塵、雨滴、霧等粒子的散射影響，在OFDM中引入了循環(huán)保護(hù)間隔，接收端可以采用簡(jiǎn)單的頻域均衡技術(shù)消除大氣散射引起的多徑干擾，但在頻域均衡前必須知道每個(gè)子載波上準(zhǔn)確的信道頻率響應(yīng)。

OFDM技術(shù)在無(wú)線光領(lǐng)域中的研究才剛剛開(kāi)始，其理論和技術(shù)還不完善，迫切需要進(jìn)行深入研究，以便更好地發(fā)揮各自技術(shù)的潛力。

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TN929.12

A

1673-2219（2021）05-0025-08

2020-08-07

陜西省科研計(jì)劃項(xiàng)目（18JK0341）；西安市科技創(chuàng)新引導(dǎo)項(xiàng)目（201805030YD8CG14 (12)）；陜西省重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新項(xiàng)目（2017ZDCXL-GY-06-01）。

柯熙政（1962－），男，陜西臨潼人，博士，教授，研究方向?yàn)闊o(wú)線光通信。

楊尚君（1991－），男，河南開(kāi)封人，博士研究生，研究方向?yàn)闊o(wú)線光通信。吳加麗（1994－），女，陜西興平人，博士研究生，研究方向?yàn)闊o(wú)線光通信。孫玉歆（2000－），女，陜西西安人，西安理工大學(xué)2017級(jí)通信工程專業(yè)學(xué)生，研究方向?yàn)闊o(wú)線光通信。

（責(zé)任編校：宮彥軍）