MIMO无线光通信中编码方案的选择

张娜

（商洛学院 电子信息与电气工程学院,陕西商洛726000）

MIMO无线光通信中编码方案的选择

张娜

（商洛学院 电子信息与电气工程学院,陕西商洛726000）

在MIMO无线光通信中，最常用的两种编码是空时分组码(STBC)与分层空时编码(LSTC)。传输速率、误比特率、抗衰落性能是衡量通信系统的重要性能指标，采用Monte-Carlo方法进行仿真研究，根据系统在MIMO无线光通信中的性能指标来选择发送端是采用空时分组码还是采用分层空时编码，以满足在不同特性要求下达到误比特率、抗衰落性能与传输速率的最优化。结果表明，根据不同的性能指标选择不同的编码方式，更能有效地利用资源。

多输入多输出；光通信；空时分组码；分层空时编码

多输入多输出（multiple input multiple output,MIMO）技术由于采用多天线阵列发送和接收信号而提高了通信系统的容量和数据的传输速率，无线光通信（free space optical,FSO）技术具有频带宽、保密性强、功耗小、灵活方便等优点，作为一种新兴的无线宽带接入方式而成为无线通信技术领域中的热门[1-2]。将无线光通信技术与MIMO技术相结合可以提高通信系统的性能。

Alamouti提出的空时分组码（space-time block codes,STBC）[3]与贝尔实验室的Foschini提出的分层空时编码（layered space-time code，LSTC）[4]是最常用的两种空时编码方式。1998年，Alamouti最早提出了传统的空时分组码[3]，2001年，Hass和Shapiro提出了外差式大气激光通信的空时编码准则[5]，并推导出了误码性能限，2005年，Simon提出了一种符号补码的正交空时编码[6]，该编码只适用于OOK调制和2-PPM调制，2009年，王惠琴对该编码进行了改进，提出了适用于任意Q-PPM调制（Q＞2）的正交空时块码[7]。本文根据系统在MIMO无线光通信中的传输性能指标如传输速率、误比特率、抗衰落性能选择发送端是采用空时分组码还是分层空时编码，以满足在不同特性要求下达到误比特率、抗衰落性能与传输速率的最优化。

1 MIMO无线光通信的系统模型

对于一个发送端有M个激光器、接收端有N个光电探测器的MIMO无线光通信系统的模型如图1所示。

图1 MIMO无线光通信系统的模型

MIMO无线光通信系统的原理：在发送端，信源发出一串二进制数据，经串并转换后变成M行子数据，再通过空时编码器与PPM调制后的符号由M个激光器发送出去；经过大气信道后在接收端，经N个接收天线与光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，再通过PPM解调与空时译码器后的符号经并串转换后将这一串二进制数据输出到信宿。

在MIMO无线光通信系统中，信道模型用式(1)表示为：

其中：η为光电转换效率；

H(t)为时刻t信道的衰落矩阵，用式(2)表示为：

X(t)=[X1(t),X2(t),…,XM(t)]T，为M个发送天线上的信号；[·]T为矩阵的转置；

Y(t)=[Y1(t),Y2(t),…,YN(t)]T，为N个接收天线上的信号；

N(t)=[N1(t),N2(t),…,NN(t)]T]，为噪声矩阵。

2 MIMO无线光通信中的编码方案

2.1 比特补码式正交空时分组码（BCOSTBC）

传统的Alamouti空时分组码[3]的原理：由信源发出的二进制信息经过星座映射后的符号x1、x2分别发送到编码器中，编码后的矩阵再进行PPM调制后分别从两根天线发送出去，其编码矩阵为：

由于MIMO无线光通信与射频通信存在差异，在MIMO无线光通信中，激光器亮表示发出信号“1”，激光器灭表示发出信号“0”。因而传统的Alamouti空时分组码无法直接应用于MIMO无线光通信中，因此引用王慧琴提出的“比特补码式正交空时分组码(BCOSTBC)[6]”，引入补码将射频中的共轭和负数转化为实数由天线发送出去，BCOSTBC码的原理框图如图2所示，该编码发送的码矩阵为：

图2 BCOSTBC的原理框图

2.2 垂直分层空时编码(VBLAST)

分层空时编码发送端的原理是：信源发出的一串信息经串并转换后分成路并行的子信息，再将其分别发送到M个相同的编码器与PPM调制器后的符号分别由M个天线发送出去[8]，其发送模型如图3所示。

图3 MIMO无线光通信中分层空时编码的发送模型

垂直分层空时编码（VBLAST）是一种较优的编码，因此在这里选用VBLAST编码。该编码的原理图如图4所示。

垂直分层空时编码的原理为：垂直分层空时编码器接收经串并转换后的M路并行信息，按垂直方向进行空间编码与PPM调制后的码元直接由对应的天线发送出去。

图4 垂直分层空时编码原理图

3 仿真分析

3.1 BCOSTBC、VBLAST码的误比特率仿真分析

为了具体分析比特补码式正交空时分组码（BCOSTBC）与垂直分层空时编码(VBLAST)的性能，设总发射功率Es=1，光电转换效率η=0.5，信道为平坦衰落信道和高斯白噪声，发送端发送的符号数为500000，用Monte Carlo方法对2发2收的这两种编码的误比特率进行了仿真。

图5 BCOSTBC、VBLAST的误比特率（S.I=0.6）

图5是在弱湍流中2发2收4PPM调制下比特补码式正交空时分组码与垂直分层空时编码的误比特率曲线图。由这2条曲线可看出：信噪比SNR=25 dB时，BCOSTBC码的误比特率为4×10-4，VBLAST码的误比特率为4×10-3。由此可得：信噪比(SNR)相同时，BCOSTBC码比VLSTC码的误比特率要小一些，即提高了系统传输的可靠性。

3.2 BCOSTBC、VBLAST码的抗衰落性能、数据速率的分析

将比特补码式正交空时分组码与垂直分层空时编码的符号速率进行比较，在2发2收下对BCOSTBC码、VBLAST码的发送码矩阵分别进行分析。

在两个周期内发送BCOSTBC码的矩阵为(5)式所示：

在两个周期内发送VBLAST码的矩阵为(6)式所示：

在(5)式中，BCOSTBC码的符号由2个天线发送出去，这种编码既有发射分集又有接收分集，其分集增益为4；而VBLAST码的符号也由2个天线发送出去，这种编码只有接收分集，其分集增益为2，BCOSTBC码是VBLAST码分集增益的2倍，分集增益越大其抗衰落性能就越强，即BCOSTBC码的抗衰落性能更强一些。

(5)式中，2个周期内发送了2个不同的实信号，其符号速率为1（符号/周期）；在式(6)中，2个周期内发送了4个不同的实信号，其符号速率为2（符号/周期）。由此可得出：若采用相同数目的天线发送数据时，选用VBLAST编码是选用BCOSTBC编码的符号速率的2倍，即提高了数据的传输速率。

4 结论

本文对MIMO无线光通信中常用的两种编码进行了仿真与分析，发现若信道中的信噪比相同时，选择BCOSTBC码比VBLAST码的误比特率要小一些，能提高系统传输的可靠性；若采用相同数目的天线发送数据时，选择VBLAST码是BCOSTBC码符号速率的2倍，能提高系统的传输速率，而选择BCOSTBC码比VBLAST码抗衰落性能更强一些。因此可以根据系统在MIMO无线光通信中的性能指标如传输速率、误比特率、抗衰落性能来选择发送端的编码方案，以满足在不同特性要求下达到误比特率、抗衰落性能与传输速率的最优化。

[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.无线激光通信系统中的编码理论[M].北京：科学出版社,2009：1-7.

[3]Alamouti S M.A simple transmit diversity technique for Wireless Communication[J].IEEE journal on selected areas in communications,1998,16(8)：1451-1458.

[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.

[5]Hass S M,Jeffrey H,Shapiro,et al.Space-time codes for wireless optical channels[C]//IEEE Transactions on Information Theory,Washington,DC,USA,2001,244：24-29.

[6]Simon MK,Vilnortter V.Alamouti-type space-time coding for free-space optical communication with direct detection[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2005,4(1)：35-39.

[7]王慧琴,柯熙政.基于正交空时块编码的MIMO自由空间光通信[J].中国科学,2009,39(8)：896-902.

[8]柯熙政,杨利红,葛子叶.FSO-MIMO垂直空时分层码研究及硬件仿真[J].红外与激光工程,2010,39(3)：473-476.

（责任编辑：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

张 娜，女，陕西商州人，硕士，助教