CN101282175B - 基于垂直分层空时编码的自由空间mimo光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于垂直分层空时编码的自由空间MIMO光通信系统，包括发射端子系统和接收端子系统，发射端子系统包括依次相连接的信息源、分接器、分层空时编码器、调制及驱动电路阵列、激光器阵列和光学发射天线阵列，接收端子系统包括信道估计以及依次相连接的光学接收天线阵列、探测器阵列、线性判决反馈均衡器、分层空时编码译码器、复接器和信宿，光学发射天线阵列由相互独立的、并行的多副光学发射天线组成，光学接收天线阵列由相互独立的多副光学接收天线组成，光学接收天线的数量大于或等于发射天线的数量。本发明系统提高了通信码速率和系统的信息流量，通信不受大气随机信道的影响。

Description

基于垂直分层空时编码的自由空间MIMO光通信系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种激光通信系统，具体涉及一种基于垂直分层空时编码的自由空间MIMO光通信系统。

背景技术

通信分为有线通信和无线通信。有线通信又包括电缆通信和光纤通信；无线通信则包括微波通信和激光通信。

有线通信需要架设通信线路，建设周期长、费用高、施工难度大。无线通信不受线路的制约，具有有线通信无法比拟的优点，因而，得到了较快的发展。目前，通信信息量急剧增大，急需扩充网络带宽资源，提高通信流量，以满足人们工作、学习的需要。但无线通信中的微波通信，频谱资源有限、通信容量较小、误码率高。

无线激光通信以激光束作为信息载体，结合了光纤通信和微波等传统无线通信的优势，具有无电磁干扰、组网机动灵活、安装维护方便、通信可靠性高、保密性好、性能价格比优、无需频率许可等优点，可传输多种速率的数据、话音、图像，成为一种新兴的宽带无线接入方式。

传统的无线激光通信技术(即单输入单输出系统，SISO)，在发射端利用激光器将信号调制成光信号，然后在接收端通过探测器检测光强而获取信号。按照检测方式，光通信分为强度调制式和外差式，外差式光通信由于复杂的实现技术和昂贵的费用，应用范围受到了很大的限制。

目前使用的无线光通信系统，主要是强度调制/直接检测式。其光载波的频率很高，光通信系统的信号带宽可以超过THz。然而，受光色散和电子器件速度的限制，现有光通信系统的通信码速率常常被限制在10Gb/s或者更低，传输信号易受大气随机信道影响。光通信所固有的大容量、高速率等优点受到限制。

如果采用更高阶的调制技术和更优良的信道编码方法，使现有单输入单输出(Single Input Single Output，SISO)光通信系统尽可能地接近系统的信道容量，势必在很大程度上增加系统中电子器件的制造技术难度和制造成本，而这种方法也不太可能实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于垂直分层空时编码的MIMO光通信系统，可提高通信码速率，减小大气随机信道的影响。

本发明所采用的技术方案是：一种基于垂直分层空时编码的自由空间MIMO光通信系统，包括发射端子系统和接收端子系统，发射端子系统包括依次相连接的信息源、分接器、分层空时编码器、调制及驱动电路阵列、激光器阵列和光学发射天线阵列，接收端子系统包括信道估计以及依次相连接的光学接收天线阵列、探测器阵列、线性判决反馈均衡器、分层空时编码译码器、复接器和信宿，信道估计分别与所有的探测器和线性判决反馈均衡器相连接。

本发明光通信系统的特征还在于，

光学发射天线阵列由相互独立的、并行的多副光学发射天线组成。

多副光学发射天线，发射孔径之间的距离为S_l、接收孔径为D_r、传输距离为L。

调制及驱动电路阵列由数量与光学发射天线相同的、并行的调制及驱动电路组成。

激光器阵列由数量与光学发射天线相同的、并行的激光器组成。

光学接收天线阵列由相互独立的多副光学接收天线组成，每副光学接收天线都与相应探测器相对应。

光学接收天线的数量大于或等于光学发射天线的数量。

探测器阵列由数量与光学接收天线数量相同的探测器组成。

光学发射天线阵列和光学接收天线阵列均为圆阵列。

本发明的有益效果是：

1.将高速线上的数据分解到若干个低速数据线上进行并行传输，在接收端利用多个天线进行接收，经检测及处理后即可恢复原始信号。充分利用空间传播中的多径分量，在同一频带上使用多个数据通道(MIMO子信道)发射信号，从而使得系统容量随着天线数量的增加而线性增加。

2.信道容量的增加不需要占用额外的带宽，也不需要消耗额外的发射功率，可以有效提高系统的容量。

3.可以和多种信道编码(如RS码、Turbo码和LDPC码等)技术相结合，进一步提高通信系统的可靠性，也可以与多种新技术相融合(如STBC、OFDM等)，进一步体现了本发明系统的先进性和灵活性。

4.不仅提高了无线激光通信的码速率和可靠性，而且很好地克服了大气湍流所引起的闪烁效应。同时，降低了对捕获、跟踪和瞄准(ATP)技术的要求。

附图说明

图1是现有无线激光通信系统结构示意图；

图2是本发明光通信系统结构示意图；其中，a是发射端子系统结构示意图，b是接收端子系统结构示意图；

图3是本发明光通信系统中垂直分层空时编码原理图；

图4是本发明光通信系统中圆形阵列天线的水平结构示意图；

图5是本发明光通信系统中发射天线的发射孔径的几何分布示意图；

图6是本发明光通信系统的平均信道容量随信噪比的变化关系；

图7是本发明光通信系统的误码率随信噪比的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细的描述。

现有无线激光通信系统结构，如图1所示。该系统包括ATP伺服系统和依次相连接的光发射机、大气信道、光接收机，ATP伺服系统分别与光发射机和光接收机相连接。光发射机包括信号输入处理和调制电路、半导体激光器发射光源及其驱动电源、光学发射系统。光接收机包括接收光学系统、光电探测器、信号处理、解调及输出电路。ATP伺服控制系统包括信号模/数转换与处理、控制计算机与接口、信号数/模转换与处理、控制校正网络、伺服驱动单元、反馈控制机构和伺服电机组。

现有无线激光通信系统的通信码速率低，易受大气随机信道的影响，且系统的容量较小。

本发明MIMO光通信系统的结构，如图2所示。包括发射端子系统和接收端子系统。

发射端子系统包括依次相连接的信息源、分接器、分层空时编码器、调制及驱动电路、激光器阵列和光学发射天线阵列，如图2a所示。

光学发射天线阵列由相互独立的、并行的多副光学发射天线组成。

激光器阵列由数量与光学发射天线相同的、并行的激光器组成。

每副光学发射天线都与相应的一个垂直分层空时编码器的输出、调制及驱动电路和激光器相对应。

接收端子系统如图2b所示。包括信道估计以及依次相连接的光学接收天线阵列、探测器阵列、线性判决反馈均衡器、分层空时编码译码器、复接器和信宿，信道估计分别与所有的探测器和线性判决反馈均衡器相连接。

光学接收天线阵列由相互独立的多副光学接收天线组成，且光学接收天线的数量大于或等于光学发射天线的数量。

探测器阵列由数量与光学接收天线数量相同的、并行的探测器组成。

每副光学接收天线都与相应的一个探测器对应。

本发明系统中，主要器件的功能：

1.垂直分层空时编码器

垂直分层空时编码器将信源信息分成几部分，再通过相应的光学发射天线发送。自由空间光信道，存在由随机噪声引起的随机性错误，还存在由外界环境、气候和背景辐射等因素引起的比较明显的突发性错误，因此，在纠正随机性错误的同时，必须纠正突发性错误。用纠正随机错误或单个突发性错误的差错控制技术，对突发性错误没有明显的纠正效果。

垂直分层空时编码器，在垂直方向上对多个通道中传输的码元进行交织，将突发性错误转换为独立的随机性错误，然后利用差错控制技术纠正错误，从而达到既纠正随机性错误又纠正突发性错误的目的。

垂直分层空时编码中的交织技术，具有很强的纠正突发性错误的能力，该交织技术不仅是一种时间扩散技术，而且是一种空间扩散技术。利用交织技术将多个信道中传输的码元进行交织，可将突发性错误离散为随机性错误，使突发信道成为“准随机信道”，减小信道错误的相关性。

本发明光通信系统的自由空间光通信采用垂直分层空时编码。其编码方法是将并行的信号按垂直方向进行空间编码，其编码原理如图3所示。由图中可知，第1路开始输出的M个码元排列在第一列，第2路开始输出的M个码元排列在第二列，第i路输出的第j批M个码元排列在第i+j-1列。编码后的码元按列由M副发射天线同时发送到信道中。和现有的自由空间光通信系统相比较，本发明系统不仅成倍地提高了通信系统的传输速率而且还大大改善了通信系统的可靠性。

2.光学阵列天线

光学阵列天线是大气激光通信系统的重要组成部分。天线阵列根据天线单元的排列情况分为线阵列、圆阵列、二维平面阵列等。

本发明系统采用均匀圆阵列，均匀圆阵列是由均匀分布在一个圆周或多个同心圆周上的天线单元构成，其水平结构如图4所示。

在大气信道均匀的前提下，M束激光沿z轴方向传输，发射孔径之间的距离为S_l、接收孔径为D_r、传输距离为L，发射孔径几何分布如图5所示。

圆形光束发射镜均匀分布在一个半径为R的圆环上，具有圆对称性，其方向图在阵列平面上电磁旋转扫描时，波束的形状不会有太大改变，使得圆形光束发射镜便于安装。

在发射天线与接收天线对准的条件下，为保证大部分信号能量到达接收天线的接收孔径，满足探测器元件对信号强弱的要求，本发明系统的光学发射天线采用像质好、结构紧凑的卡塞格林望远镜；光学接收天线采用结构简单、放大倍数高、调整方便的牛顿望远镜。

本发明系统中的各望远镜共轴设置。

本发明系统，具有M副发送天线和N副接收天线，而且M≤N。每副发射天线按等功率发射信号，发射功率等于总功率的1/M。接收端的N副接收天线，在同一频带内接收信号，每副接收天线都接收来自M副发射天线的信号。

3.激光器阵列和探测器阵列

发射端子系统每次传输，信号携带的信息量不仅取决于激光阵列中激光器的数目，也取决于探测器阵列中探测器的数目；激光器的数目等于光学发射天线的数目M，探测器的数目等于光学接收天线的数目N。

自由空间光通信，随光束传输距离和大气湍流强度的增加，接收光强的起伏将服从负指数分布。

有实验结果表明，传输距离、接收孔径和发射镜间的距离在一定条件下，随着光束数目的增加，光强起伏趋于对数正态分布，而不是负指数分布，实验证明，光强起伏与传输距离、光束数目、发射孔间距和发射、接收孔径等因素有关。

多个光束在传输过程中存在着空间相干性，而且发射孔间的距离S_l越小，光强信号间的相干性越大，为减小发射光束之间的相干性，发射孔径间的距离S_l应符合以下条件：

式中，θ为光束发散角，λ为光波的波长，L为传输距离。

例如，发射光波的波长λ＝1550nm，发射距离L＝1000m，实现光强信号非相干传输的发射孔间的距离S_i≥40mm，即信息的传输是多个相互独立的子信道传输。

激光功率的有效性和终端可使用的空间，将限制光束的数目，因此，不能任意增加光束数目以改进信号的统计特性。

本发明系统发射的光束可选用2～6个。

本发明系统中的激光器和探测器，按照现有单输入单输出(SISO)系统中激光器和探测器的选择原则进行选取。

4.不加入纠错编码的条件下，光通信系统的信道容量与光学发送天线数M和光学接收天线数N有关，即随着光学发射天线数量M和光学接收天线数量N的增加，系统的信道容量增加，并且随着光学发射天线数量M的增加，系统的信道容量成线性比例增长。如图6所示，本发明系统平均信道容量随信噪比的变化关系。由图可见，随着天线数量的增加，系统的信道容量也增加，尤其是当接收天线数大于或等于发送天线数时，系统的信道容量与发送天线数几乎成正比例增长。

5.垂直分层空时译码器

垂直分层空时译码器的译码算法主要有线性译码算法和非线性译码算法。在V-BLAST接收译码算法中，最大似然算法的性能最优，复杂度也最高，随收发天线数量的增加，其复杂度呈指数增长，作为一个性能界，用来衡量其他译码算法的性能。

垂直分层空时编码的线性译码算法，根据接收端的接收信号r和估计的信道矩阵响应H，寻找一个具体的加权矩阵W，利用加权矩阵W和接收信号r得到发送信号的估计值

典型的线性译码算法有迫零算法(ZF)和最小均方误差译码算法(MMSE)。迫零算法由于没有考虑噪声对信号的影响，加权矩阵的误差较大，使得系统的误码较为严重。而最小均方误差译码算法根据噪声的方差，得到的加权矩阵较为准确，系统的误码较小。最小均方误差译码算法根据信道的响应H和噪声方差N₀，得到加权矩阵。

MMSE线性译码算法，是为了寻找一个加权矩阵W，使其满足下式：

$W_i{H}_j={\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}=\left\{\begin{array}{cc}1& i=j\\ 0& i\≠j\end{array}\right.i=\mathrm{1,2},\·\·\·,m;j=\mathrm{1,2},\·\·\·,m---\left(2\right)$

式中，W_i表示加权矩阵W的第i行，H_j表示信道矩阵H的第j列。通过分析可知满足(2)式的加权矩阵为信道矩阵H的伪逆矩阵，即：

W＝H^*(η²H^*H+N₀I_M)⁺                              (3)

其中，H^*表示矩阵H的转置复共轭矩阵，N₀表示噪声方差，I_M表示M×M的单位阵。因此，最小均方误差译码算法就是根据信道矩阵和噪声方差N₀得到加权矩阵，再利用加权矩阵W和接收到的信号r得到发送信号的估计值

即 $\hat{x}=\mathrm{Wr}.$

本发明系统采用最小均方误差译码算法(MMSE)检测信号。

本发明光通信系统的误码率随信噪比的变化曲线，如图7所示。由图可见随着天线数量的增加，系统的误码率被明显改善。说明该系统能有效克服大气湍流所引起的闪烁效应。

6.信道估计

光无线传输信道是一个时变的多径衰落信道，发送的数据在传输过程中产生信道衰落，为使接收端正确恢复发射端传输的数据，接收端必须准确的已知信道衰落系数。因此，接收端使用信道估计，获得信道衰落信息，信道估计技术是提高无线数据传输接收性能的关键技术之一。其分为非盲信道估计、盲信道估计和半盲信道估计。

非盲信道估计，利用插入的训练序列估计信道，该方法计算简单，但系统出现短时间的通信中断后，为了再次获得信道状态需要重新发送训练序列，对系统的频谱利用率造成严重浪费。盲信道估计采用从接收端收到的信息中直接提取信道状态信息的方法，计算复杂度较大。半盲信道估计结合了盲信道估计和非盲信道估计的优点，利用较短的训练序列，获得信道的信息。盲信道估计和半盲信道估计，无需或者需要较短的训练序列，频谱效率高。

独立分量分析(ICA，independent component analysics)作为一种盲源分离(BSS，blind source separation)技术，是一种新的信号处理技术。基本的ICA是从多个源信号的线性混合信号中分离出源信号的技术，除了已知源信号是统计独立的，无其它先验知识。与传统的滤波方法、累加平均方法相比，ICA在消除噪声的同时，对信号的其它细节不产生破坏，其去噪性能优于传统的滤波方法。

与基于特征分析(如奇异值分解，Singular Value Decomposition，SVD)、主分量分析(Principal Component Analysis，PCA)等传统滤波方法相比，独立分量分析是基于高阶统计特性的分析方法，对高阶统计特性的分析更符合实际。本发明系统采用ICA技术对光MIMO信道进行估计，能进一步改善该系统的误码性能。

本发明系统的工作过程：

信源发出的高速数据，经分接器分解为M个低速数据，再通过垂直分层空时编码器对低速数据进行分层空时编码，编码后的数据经激光器阵列调制后转换成光信号，分别由M副天线同时、同频发送出去。接收端子系统的N副接收天线，对发射端传输的光信号进行分集接收并将接收到的光强信号聚集到探测器阵列中每个探测器的接收面，探测器检测到光信号，将其转换为电信号，该电信号经线性判决反馈均衡器抵消分层干扰，通过分层空时编码译码器和信道译码处理后，并经复接器合并信号，使信号恢复到原始信息。

我们采用Monte Carlo方法在MATLAB7.0.1环境下对本发明系统的平均信道容量和误码性能进行了仿真。仿真参数为：①光强闪烁服从对数正态分布，闪烁因子S.I.＝0.6；②采用APD探测器，光电转换效率η＝0.6；③采用QPPM调制，Q＝4。

本发明系统是一种将空间复用技术和接收分集技术相结合的MIMO(Multiple Input Multiple Output)通信系统，其实质是基于垂直分层空时编码光通信技术，将空时编码和MIMO技术相结合，采用空间复用和接收分集，将一条高速数据线上的数据分解到几个低速数据线上，通过空时编码，利用多个天线同时同频发射，接收端采用分集技术进行接收，将探测到的信号经空时信号处理，恢复信息。极大地提高了通信系统的传输速率和可靠性。

Claims (4)

1.一种基于垂直分层空时编码的自由空间MIMO光通信系统，包括发射端子系统和接收端子系统，其特征在于，所述发射端子系统包括依次相连接的信源、分接器、垂直分层空时编码器、调制及驱动电路阵列、激光器阵列和光学发射天线阵列，所述接收端子系统包括信道估计以及依次相连接的光学接收天线阵列、探测器阵列、线性判决反馈均衡器、垂直分层空时译码器、复接器和信宿，信道估计分别与所有的探测器和线性判决反馈均衡器相连接；所述的光学发射天线阵列由相互独立的并行的多副光学发射天线组成；所述调制及驱动电路阵列由数量与光学发射天线相同的并行的调制及驱动电路组成；所述激光器阵列由数量与光学发射天线相同的并行的激光器组成；所述光学接收天线阵列由相互独立的多副光学接收天线组成，所述每副光学接收天线都与相应探测器相对应；所述探测器阵列由数量与光学接收天线数量相同的探测器组成。

2.根据权利要求1所述的基于垂直分层空时编码的自由空间MIMO光通信系统，其特征在于，所述的多副光学发射天线，发射孔径之间的距离为S_l、接收孔径为D_r、传输距离为L。

3.根据权利要求1所述的基于垂直分层空时编码的自由空间MIMO光通信系统，其特征在于，所述光学接收天线的数量大于或等于光学发射天线的数量。

4.根据权利要求1所述的基于垂直分层空时编码的自由空间MIMO光通信系统，其特征在于，所述的光学发射天线阵列和光学接收天线阵列均为圆阵列。

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