基于準正交編碼的MIMO空間光通信技術研究

王博鈺，宮玉琳，張靜鶴

（1.長春理工大學人事處，長春　130022；2.長春理工大學　電子信息工程學院，長春　130022；3.空軍航空大學，長春　130022）

基于準正交編碼的MIMO空間光通信技術研究

王博鈺1，宮玉琳2，張靜鶴3

（1.長春理工大學人事處，長春130022；2.長春理工大學電子信息工程學院，長春130022；3.空軍航空大學，長春130022）

由于自由空間光通信嚴重受到大氣湍流引起的光強起伏，光束漂移等問題對通信性能的影響，本文研究了大氣信道特性并分析了空時分組編碼方案，采用MIMO技術提高自由空間光通信系統的性能?；贛IMO技術下的準正交編碼方案不僅可以增強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平臺下使用蒙特卡羅模擬方法，對系統的信道容量和誤碼率進行數值研究。仿真結果表明：采用MIMO技術能夠提高信道容量，有效改善誤碼性能，而且分集數越高，通信質量越好。

分集技術；MIMO；準正交空時編碼；誤碼性能

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

1　分集技術基本理論

分集技術是用來補償衰落信道損耗的，它通常利用無線傳播環境中同一信號的獨立樣本之間不相關的特點，使用一定的信號合并技術改善接收信號，來抵抗衰落引起的不良影響。在發射端采用分集技術，在接收端采用合并技術。分集技術分為空間分集、頻率分集、角度分集、時間分集、極化分集；合并技術主要分為最大比合并、等增益合并和選擇合并。

2　信道容量

采用多端天線發射和多端天線接收（Nt×Nr）的通信系統稱為MIMO系統。發射方在不知道傳輸信道的狀態信息的條件下，假定信道為獨立的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是從發射天線Nt到接收天線Nr之間的信道衰落系數。

3　空時編碼

空時編碼是一種能獲取更高數據傳輸率的信號編碼技術，實質是空間傳輸信號和時間傳輸信號的相結合［3］。空時編碼主要分為：空時分組碼、空時格形碼、分層空時碼?？諘r分格碼和空時分組碼都具有分集增益，而空時分層碼不具有分集增益；空時分層碼和空時分組碼靠傳統級聯編碼器獲得編碼增益，而空時分格碼本身具有一定的編碼增益能力；空時分格碼譯碼最復雜，空時分層碼譯碼復雜度一般，而空時分組碼具有最低的譯碼復雜度；在頻譜利用率上，這三者的性能由高到低依次是：空時分層碼＞空時分格碼＞空時分組碼，通過綜合比較，決定選擇空時分組編碼。

4　編碼方案設計及仿真

對于自由空間光通信系統，將準正交空時編碼技術與MIMO技術相結合，可以有效克服大氣湍流效應，減弱接收端的光強起伏，提高系統的抗衰落能力。對比三種合并技術的優越性，本文采用結構簡單較易實現的等增益合并技術，而且在該合并技術下可以同時收獲空間復用增益和分集增益。

4.1系統模型

系統模型是以二進制數據形式存在的信源經過串并轉換后分別由信道編碼器編碼，再進行空時編碼，經調制后由激光器陣列通過多發射光學天線同時同頻發射出去，經過大氣信道傳輸，發出的光信號被等增益光學接收天線接收送往光電探測器進行光電轉換，輸出的信號與信道估計出的傳輸特性矩陣一起通過反饋均衡器抵消干擾，之后再將信號進行空時譯碼和信道譯碼，經過并串轉換處理后恢復出原信號。

4.2準正交空時分組碼

在光MIMO系統中，經過編碼調制后的激光信號從Nt條光學天線發出，然后由接收端的Nr條光學天線接收送至光電探測器進行光電信號的轉換。在發射端，光學天線發射的信號可以由一個發射矩陣表示：

圖1　空時格碼系統模型

式中，矩陣中第一列元素x1（i）為光學發射天線1所要發送的信號序列，長度為N。在接收端，通過光電探測器光電轉換后的輸出信號可以表示為：

式中，μ為光電探測器轉換效率，η為光電轉換量子效率，T0為光電探測器的工作時間，e為電子電荷，λ為信號的波長，h為普朗克常數，c為光速，H為信道衰落矩陣，n為噪聲矩陣。

假設信道是窄帶平坦衰落信道，則輸出信號Y可以表示為［4］：

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

最大似然判決準則求解式（7）中定義的d2）的最小化，因為各個發射天線之間發射的信號副本是相互獨立的，因此可以等效得到最小化如下式所示：

對接收到的信號進行最佳判決，可以消除變量間的相互影響，譯碼過程被大大簡化，因此可得對于第i個信號的最佳判決輸出為

根據最大似然判決準則及v2i的關系式，可以將上述譯碼準則進行簡化，得到如下關系：

5　仿真分析

為了證明系統的有效性，采用蒙特卡洛方法對準正交空時編碼下的MIMO光通信系統進行仿真。選取仿真參數如下：波長1550nm，調制方式采用OOK調制方式，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，轉換效率0.8，接收孔徑30cm，發射機分集角度200μrad，閃爍系數1.7×10-14，風速5m/s，探測靈敏度-37dBm，光耦合效率0.75。系統采取等增益分集技術，分別選取1×1，2×2，2×2和4×4不同發送天線和接收天線。如圖1所示的系統模型，對基于MIMO的自由空間光通信系統進行仿真：在不同的分集數和信噪比下，系統的信道容量、誤碼率的性能。

圖2　不同接收分集情況下準正交空時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，準正交空時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，對系統傳輸信道容量性能改善越明顯，誤碼率也越低；當信道容量相同（例如取誤碼率達到5bps/HZ）時，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，分集數為4的信道容量幾乎是分集數為1的信道容量的4倍，說明準正交空時分組碼可以有效的提高系統性能。

圖3　不同接收分集情況下準正交空時分組碼方案的誤碼率

由圖3可以看出，MIMO系統的性能相較于單發單收系統性能有較明顯的改善，誤碼率有所降低；當發射天線數目小于接收天線數目時，誤碼率低于兩者數目相等時的情況；這兩種情況可以充分的體現出MIMO系統的優越性。

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比較低的時候，準正交編碼方案可以獲得最佳的BER，但是隨著信噪比的增加，誤碼率下降趨勢有所減慢，這是因為準正交編碼方案是以犧牲部分分集增益為代價的，因此，誤碼率曲線的斜率受分集增益影響。當信噪比大于9dB時，誤碼率下降的更加緩慢，即使是這樣在提高系統誤碼性能方面準正交編碼方案也比其他方案優越。

6　結論

由于大氣湍流對空間光通信的影響，本文采用MIMO技術和準正交編碼設計自由空間光通信系統，通過對編碼和分集仿真結果可知：分集數越高，信道容量越大，誤碼率越低，通信的質量越好，這說明使用分集技術的光通信系統可以極大地提高了信道容量和誤碼性能；而且準正交空時編碼方案性能優于其他空時塊編碼方案，系統的分集增益提高。因此，MIMO技術可以有效的抑制大氣湍流對通信的影響。

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

［2］ 彭林.第三代移動通信技術［M］.北京：電子工業出版社，2003.

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

［4］ 王惠琴，柯熙政，趙黎.基于正交空時塊編碼的MIMO自由空間光通信［J］.中國科學（F輯：信息科學），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