基于准正交编码的MIMO空间光通信技术研究

王博钰，宫玉琳，张静鹤

（1.长春理工大学人事处，长春　130022；2.长春理工大学　电子信息工程学院，长春　130022；3.空军航空大学，长春　130022）

基于准正交编码的MIMO空间光通信技术研究

王博钰1，宫玉琳2，张静鹤3

（1.长春理工大学人事处，长春130022；2.长春理工大学电子信息工程学院，长春130022；3.空军航空大学，长春130022）

由于自由空间光通信严重受到大气湍流引起的光强起伏，光束漂移等问题对通信性能的影响，本文研究了大气信道特性并分析了空时分组编码方案，采用MIMO技术提高自由空间光通信系统的性能。基于MIMO技术下的准正交编码方案不仅可以增强信道的抗衰落能力而且可以提供一定的分集增益和编码增益。在Matlab平台下使用蒙特卡罗模拟方法，对系统的信道容量和误码率进行数值研究。仿真结果表明：采用MIMO技术能够提高信道容量，有效改善误码性能，而且分集数越高，通信质量越好。

分集技术；MIMO；准正交空时编码；误码性能

由于FSO在通信过程中对外界的环境特别敏感，如天气、建筑物等，使得通信的质量受到很大的影响，故采用MIMO技术［1］。MIMO采用多端不相关的天线发射和接收，能有效地提高系统的抗衰落性能和抗噪声性能。

1　分集技术基本理论

分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，它通常利用无线传播环境中同一信号的独立样本之间不相关的特点，使用一定的信号合并技术改善接收信号，来抵抗衰落引起的不良影响。在发射端采用分集技术，在接收端采用合并技术。分集技术分为空间分集、频率分集、角度分集、时间分集、极化分集；合并技术主要分为最大比合并、等增益合并和选择合并。

2　信道容量

采用多端天线发射和多端天线接收（Nt×Nr）的通信系统称为MIMO系统。发射方在不知道传输信道的状态信息的条件下，假定信道为独立的Rayleigh衰落，且信道的幅度固定，则信道容量可以表示为［2］：

式中H=（hij）Nt×Nr是信道矩阵，元素hij是从发射天线Nt到接收天线Nr之间的信道衰落系数。

3　空时编码

空时编码是一种能获取更高数据传输率的信号编码技术，实质是空间传输信号和时间传输信号的相结合［3］。空时编码主要分为：空时分组码、空时格形码、分层空时码。空时分格码和空时分组码都具有分集增益，而空时分层码不具有分集增益；空时分层码和空时分组码靠传统级联编码器获得编码增益，而空时分格码本身具有一定的编码增益能力；空时分格码译码最复杂，空时分层码译码复杂度一般，而空时分组码具有最低的译码复杂度；在频谱利用率上，这三者的性能由高到低依次是：空时分层码＞空时分格码＞空时分组码，通过综合比较，决定选择空时分组编码。

4　编码方案设计及仿真

对于自由空间光通信系统，将准正交空时编码技术与MIMO技术相结合，可以有效克服大气湍流效应，减弱接收端的光强起伏，提高系统的抗衰落能力。对比三种合并技术的优越性，本文采用结构简单较易实现的等增益合并技术，而且在该合并技术下可以同时收获空间复用增益和分集增益。

4.1系统模型

系统模型是以二进制数据形式存在的信源经过串并转换后分别由信道编码器编码，再进行空时编码，经调制后由激光器阵列通过多发射光学天线同时同频发射出去，经过大气信道传输，发出的光信号被等增益光学接收天线接收送往光电探测器进行光电转换，输出的信号与信道估计出的传输特性矩阵一起通过反馈均衡器抵消干扰，之后再将信号进行空时译码和信道译码，经过并串转换处理后恢复出原信号。

4.2准正交空时分组码

在光MIMO系统中，经过编码调制后的激光信号从Nt条光学天线发出，然后由接收端的Nr条光学天线接收送至光电探测器进行光电信号的转换。在发射端，光学天线发射的信号可以由一个发射矩阵表示：

图1　空时格码系统模型

式中，矩阵中第一列元素x1（i）为光学发射天线1所要发送的信号序列，长度为N。在接收端，通过光电探测器光电转换后的输出信号可以表示为：

式中，μ为光电探测器转换效率，η为光电转换量子效率，T0为光电探测器的工作时间，e为电子电荷，λ为信号的波长，h为普朗克常数，c为光速，H为信道衰落矩阵，n为噪声矩阵。

假设信道是窄带平坦衰落信道，则输出信号Y可以表示为［4］：

假设信道响应是已知的，且噪声为高斯白噪声，采用最大似然译码，那么可以通过最小化选码字与接收信号之间的平方欧式距离来获得最佳的判决，即

最大似然判决准则求解式（7）中定义的d2）的最小化，因为各个发射天线之间发射的信号副本是相互独立的，因此可以等效得到最小化如下式所示：

对接收到的信号进行最佳判决，可以消除变量间的相互影响，译码过程被大大简化，因此可得对于第i个信号的最佳判决输出为

根据最大似然判决准则及v2i的关系式，可以将上述译码准则进行简化，得到如下关系：

5　仿真分析

为了证明系统的有效性，采用蒙特卡洛方法对准正交空时编码下的MIMO光通信系统进行仿真。选取仿真参数如下：波长1550nm，调制方式采用OOK调制方式，信道模型采用Rayleigh衰落信道，高斯白噪声干扰，传输距离1km，海平面高度200m，转换效率0.8，接收孔径30cm，发射机分集角度200μrad，闪烁系数1.7×10-14，风速5m/s，探测灵敏度-37dBm，光耦合效率0.75。系统采取等增益分集技术，分别选取1×1，2×2，2×2和4×4不同发送天线和接收天线。如图1所示的系统模型，对基于MIMO的自由空间光通信系统进行仿真：在不同的分集数和信噪比下，系统的信道容量、误码率的性能。

图2　不同接收分集情况下准正交空时分组码方案的信道容量

图2所示的是在不同空间分集接收分集情况下，准正交空时分组码方案的信道容量性能。其接收分集分别是 Nt=1，Nr=1；Nt=1，Nr=2；Nt=2，Nr=1；Nt=2，Nr=2；Nt=4，Nr=4。从图2中看出，相同信噪比情况下，分集度越高，对系统传输信道容量性能改善越明显，误码率也越低；当信道容量相同（例如取误码率达到5bps/HZ）时，分集度为4相较于分集度为2情况下信噪比可提高14dB；在信噪比为20dB时，分集数为4的信道容量几乎是分集数为1的信道容量的4倍，说明准正交空时分组码可以有效的提高系统性能。

图3　不同接收分集情况下准正交空时分组码方案的误码率

由图3可以看出，MIMO系统的性能相较于单发单收系统性能有较明显的改善，误码率有所降低；当发射天线数目小于接收天线数目时，误码率低于两者数目相等时的情况；这两种情况可以充分的体现出MIMO系统的优越性。

图4　不同分组编码方案下的BER仿真图

从图4中可以看出，在SNR比较低的时候，准正交编码方案可以获得最佳的BER，但是随着信噪比的增加，误码率下降趋势有所减慢，这是因为准正交编码方案是以牺牲部分分集增益为代价的，因此，误码率曲线的斜率受分集增益影响。当信噪比大于9dB时，误码率下降的更加缓慢，即使是这样在提高系统误码性能方面准正交编码方案也比其他方案优越。

6　结论

由于大气湍流对空间光通信的影响，本文采用MIMO技术和准正交编码设计自由空间光通信系统，通过对编码和分集仿真结果可知：分集数越高，信道容量越大，误码率越低，通信的质量越好，这说明使用分集技术的光通信系统可以极大地提高了信道容量和误码性能；而且准正交空时编码方案性能优于其他空时块编码方案，系统的分集增益提高。因此，MIMO技术可以有效的抑制大气湍流对通信的影响。

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

［2］ 彭林.第三代移动通信技术［M］.北京：电子工业出版社，2003.

［3］ 梁学俊.多用户分集MIMO系统中的信道反馈研究［D］.武汉：华中科技大学，2008.

［4］ 王惠琴，柯熙政，赵黎.基于正交空时块编码的MIMO自由空间光通信［J］.中国科学（F辑：信息科学），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

王博钰（1981-），男，硕士，讲师，E-mail：103475075@qq.com