无线通信网格编码

李静

摘要：无线光通信是一种不需要使用线信道为传输媒介的新型通信方式，近些年被越来越多应用于点对点通信中。将MIMO技术中的空时网格码引入无线光通信中，将其与PPM调制相结合形成无线光STTC系统，最后对该系统的编译码方法进行分析，并对误码率性能进行仿真。结果表明：将空时网格编码引入无线光通信中能够改善系统的误码率性能，克服大气湍流引起的衰落问题。

关键词：无线光通信 空时网格码

1 概述

光学在半导体、电子、通信产业的运用相当广泛，例如光电半导体的LED可用作灯号、照明，光电半导体的CCD、CMOS影像感测器可做数位相机、数位监控，光机电微系统的DMD可做投影机，光电晶体、耦合器用于自动控制等；或者是光储存，如BD蓝光光碟片；或者是光通信，如FTTH光纤到户宽带等。

在社会的不断发展中信息交流变得日趋频繁，因此信息传输容量需求剧增是不可避免的现实，可是目前用到最多的无线电通信出现了频带利用率不足或者不够的现象，已经很大程度上不能满足人类对信息量的需求，所以具有容量大、速率高的无线光通信技术是下一代通信技术的必然趋势。从二十世纪六十年代起，人们便开始对空间探索，但信息交换对电磁波的依赖与日俱增，然而随着无线电波频谱的逐渐拥挤以及信息数据传输量的日益增加，通信问题不断发生，于是科学家们将目光投向了以广播为基础的通信技术。

无线光通信技术，是利用激光作为信息的载体，直接在空间进行信号传输的一种通信方式，它是一种有别于有线（光纤）光通信的通信方式，可以在广泛的空间建立通信链路，根据其不同的通信传输信道可分为星际激光通信、大气激光通信和水下激光通信三大类。光的有线传输已使用很多，但无线传输却很少运用，特别是终端消费性领域，几乎都停留在IR红外线遥控器阶段。这几年开始有人提倡可见光的无线通信VLC，预计未来数年将有新发展。

当通信链路位于大气层之外的自由空间时，激光通信被称为自由空间光通信（free space optical communication，FSO），又称为无线光通信（Wireless Optical Communication），它是利用光束作为载波在空间（陆地或外太空）直接进行语音、数据、图像信息双向传送的一种技术。MIMO系统最早于1908年被Marconi提出，相对于一般的SISO系统，MIMO相当于在收发端采用多个天线，这样就在收发端建立了多个信道，能有效地抑制信道衰落，同时提高了信道容量。它的核心思想是将收发端的信号进行分组及合并，从而使MIMO用户的传信质量和数据速率得到改善。

为何无线光通信将开始崭露头角？因为现有WiFi的2.4GHz频谱资源几乎已压榨到极限，想要更快的速率，几乎都往5GHz频段考虑，IEEE 802.11ac即是如此，LTE-U也是如此，但5GHz并不是全球通行的频段，有些国家无法使用，或仅能部分使用、有条件使用（不能室外用，或不得超过多少发送功率）。除2.4GHz外，另一个全球通行可用的频段是60GHz，但因为频段太高，相关设计都高度困难，目前仍在发展中。加上LED的普及，人们开始考虑用无线光通信来加速区域内的传输。

欧洲空间局从二十世纪七十年代已经开始进行空间激光通信。例如基础技术研究计划，以及卫星激光通信系统和技术研究的ASTP计划，1989年的半导体激光星间链路实验SILEX（Semiconductor laser Inter-satellite Link Experiment）使空间局在卫星激光通信方面领先其他国家。同时欧洲航天署的其他相关研究也在进行中，此外他们还致力于一些能够使卫星间通信民用化的的关键技术和关键元件的研发，并取得了一些阶段性成果，例如高速率相干光接收機、捕获和跟踪元件等。

2 空时网格码（STTC）

无线光通信另有两个好处，一是不受电磁波干扰，虽然现行航空法规允许乘客在飞机上使用电子产品，以及医院内重要的医疗设备使用房间，在墙壁内都埋有铜网以避免手机干扰，但仍有可能产生干扰，在这些敏感场所改用光无线通信，则可避免干扰发生。另一个是省电，驱动LED亮灭来传递信号，比用RF无线射频方式传递信号更省电，手持式装置电池电力有限，用光无线通信传输反而更有利。不过光无线通信也有缺点，例如一旦被遮光就无法收发，如人走动，也无法穿墙通信，除非墙壁能透光。

因此，在激光通信中，选择一种性能高且可靠的调制技术是提高速率传输和降低误码率的重要手段。目前有两类适合于激光调制的技术，一种是适合直接检测（MI/DD），比如PPM、OOK、PIM等。另一类是适合于相关检测，如 PSK、QAM等。（IM/DD）检测方法一直是FSO使用的主要检测方式。OOK和PPM是两种基本的激光调制方式，但在背景噪声较强的时候OOK调制技术容易受到影响，因此无法满足数据的可靠和高速传输。PPM比OOK具有更强的抗噪声影响能力，它能够凭借很好的功率利用率，满足激光传输的需求。

空时编码是空时信号处理的一类关键技术，是未来无线通信系统必然选择的技术之一。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低误码率。使用空时编码是达到或接近MIMO无线信道容量的一种可行、有效的方法。

隐分集指的是在信号的处理中加入一些编码方式或者利用交织等技术。显分集技术是指在发射端通过发射多组相同的信号。交织技术指把一条消息中的相继比特分散开的方法。无线通信系统中对抗衰落的基本技术是分集技术，它能够提高衰落信道的可靠性，同时降低误码率。分集技术的基本原理：分集技术可以通过多个信道接收到载有信息的的多个副本，这些信道可以是时间，频率或者空间，而由于副本强度具备可比性，所以多个信号的衰落通常会呈现出独立性。

Wittneben先提出了延迟发送分集方案，继而Tarokh Seshadri对其理论进一步研究，提出了基于发射分集的空时网格码。对于空时网格码，编码器将二进制数据映射为调制符号，虽然空时网格码能够获得更大的编码增益和分集增益，但其传输速率低。在传输数据的过程中，单个符号包含比特数不断增多，译码器复杂程度成指数上升，因而制约了空时网格码的传输速率。众所周知，空间激光通信系统主要通过大气传输数据信号，由于存在大气湍流这一干扰因素，传输过程不顺利。为了克服这一难题，业界研究开发了一种非相干光束叠加技术——多光束传输技术。该机是由若干个激光束经各自的传输路径向远场接收端传输信号、数据，各激光束之间不存在叠加干扰，因此该技术也是以平滑接收信号光强起伏的发射分集技术。

大气无线信道中存在的空间损耗、光强闪烁、大气衰减等多种干扰因素，会使信号传输功率大打折扣。而且大气温度的升高或降低会使大气湍流及光束发生波前扭曲，并产生折射率。在大气湍流的干扰下，接收信号电平会任意波动，使得有效噪声增大，误码率升高。

目前，为规避大气湍流干扰作用应运而生的多光束传输技术，已在空间激光通信系统中被推广应用。前文已对其技术原理进行了阐述，在这里不再赘述。

3 小结

文章首先介绍了MIMO技术的发展概况进行简单概述，其次对MIMO中的各种分集技术以及复用技术进行了重点介绍，继而对无线光MIMO空时网格码的系统模型，发射信号模型以及其编译码原理和过程进行了讨论，并在最后对该系统中不同收发天线数目和闪烁因子时的的误码率性能进行仿真分析，结果显示在采用STTC后，系统的误码率比未采用STTC的系统明显减小，并且不同收发天线数时，误码率也随收发天线数目的增加而减小。在有线宽带技术发展出现瓶颈时，人们正如瞎子摸象般尝试无线光通信的各种可能应用，相信不久的将来必有收获。

参考文献：

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