CN102571208A - 一种多输入多输出的光通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多输入多输出（MIMO）的光通信系统及方法，采用具有光谱差异的多个光源及具有光谱响应特性差异的多个光探测器构建光通信系统，光源光谱的差异及光探测器的光谱响应差异使得各发射机光源到各接收机光电探测器的信道冲击响应彼此不相关，得到多输入多输出系统的信道矩阵，实现集中式的多输入多输出光通信。本发明不需借助复杂的光学器件就可在光纤信道或自由空间信道中实现多入多出光通信，提高光通信速率及可靠性。

Description

一种多输入多输出的光通信系统及方法

技术领域

本发明涉及一种多输入多输出(MIMO)光通信系统及其实现方法，包括光纤信道及自由空间信道条件下的MIMO光通信系统及方法。

背景技术

无线通信中，多输入多输出(MIMO)技术利用多发射和多接收天线来实现空分复用，在有限的频谱资源和不增加发射功率的前提下，以较小的系统复杂度换取通信速率的线性提升。MIMO技术实质上是利用空间资源的信号处理技术，包括空间复用技术和发射分集技术。其基本原理在于经历不同衰落的多径信号仅仅是部分相关的，为获得良好的分集性能，要求分集支路之间的相关性尽可能小。

MIMO技术利用了无线信道多径传播的固有特性。无线通信中，在发送端与接收端同时采用多天线系统，能够提供空间分集、极化分集和角度分集、阵列分集、编码分集等。但由于空间的限制，多天线系统势必造成信号空域相关性，天线单元互耦以及通道的互耦，这都将影响MIMO系统性能。

光纤通信中，波分复用、偏振复用和高阶调制等技术的使用，使得光纤的传输容量已经接近其香农极限。空分复用是解决该问题的方法之一。多模光纤中的多模传输和模间耦合类似于无线通信中的多径和散射环境，可以利用其多种模式并行承载待传送数据，接收端将各个传输模式分开实现数据恢复。

波分复用、偏振复用、模式复用分别利用了光载波及光纤的某一自由度进行复用，但在光发射端需要精确控制光载波的波长、偏振态、及入射光纤的传输模式，在光接收端需采用复杂的解复用器将波长、偏振态、及传输模式分离开来以恢复传输数据。上述复用方式在恢复数据时实际上已通过解复用将各传输信道分离，在各探测器上转换的是各发射信道的信息，而不是多个信道传输耦合后的信息，这一点与无线MIMO技术实质有很大差别。

发明内容

本发明要解决的技术问题是光通信提供一种简单可行的多输入多输出调制实现手段，同时提供光纤信道及自由空间信道条件下的MIMO光通信系统及方法。

本发明的技术构思是采用具有光谱差异的多个光源及具有光谱响应特性差异的多个光探测器构建光通信系统，光源光谱的差异及光探测器的光谱响应差异使得各发射机光源到各接收机光电探测器的信道冲击响应彼此不相关，由此可得到多输入多输出系统的信道传输矩阵，根据MIMO解调原理恢复原始传输数据，实现集中式的多输入多输出光通信。

本发明具体技术方案如下：

一种多输入多输出的光通信系统，其特征在于，

光发射机端，光发射机采用复数个光源构成光学天线发射阵，所述光源相互之间具有不同的光谱特性，光接收机端，采用复数个光电探测器构成多光学天线多通道接收机，光电探测器相互之间具有不同的光谱响应特性；所述光发射机的复数个光源与光接收机的复数个光电探测器之间，满足信道冲击响应所获得的信道传输矩阵可求逆。

这样，光接收机端不需要波分复用和解复用器，接收光经功分器分成多路供多个光探测器进行并行光电转换，结合通过训导序列所获得的信道矩阵进行数据处理恢复传输的原始数据。

所述复数个光源可以较大距离分散分布，也可集中布置；所述复数个探测器可分散布置，也可集中布置。

所述光发射机端调制的多路光经耦合器耦合到一根光纤中，其后在光纤中或后续的自由空间传输。

或者，所述光发射机端调制的多路光直接出射并经自由空间多径传输。

所述光源为激光器，或发光二极管，其光谱为窄光谱或宽光谱，各光源光谱之间至少部分不相互重叠。所述光电探测器的光谱响应特性至少部分不相互重叠。

本发明还提出了上述多输入多输出的光通信系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述光发射机端多组信息对复数个光源进行并行调制；

所述发射机出射光经同一传输信道进行传输；

所述光接收机端采用多个光电探测器对接收光进行并行光电转换，然后进行多输入多输出解调。

本发明的优点如下所述：

一、以简单、可靠手段实现多输入多输出光通信

波分复用、偏振复用、模式复用等提高光通信通信速率的方式需精确控制光载波的波长、偏振态、及传输模式，在光接收端需采用复杂的解复用器将波长、偏振态、及传输模式分离开来以恢复传输数据。本发明不需复杂的复用与解复用光器件，通过合理设计调制光源及光探测器实现类似无线通信中的分集发射与分集接收，被调制光共用信道进行传输，以MIMO原理实现数据解调。

二、对光源及探测器的要求低

现有波分复用、偏振复用等方式对光源及探测接收都有严格要求。而本发明对光源及探测器的光谱间隔发明无特殊要求，可以利用宽光谱光源，光谱可在一定程度上重叠；光电探测器可以在宽光谱范围内具有响应，对滤光片的带宽要求低。

三、为实现集中式MIMO自由空间光通信提供了新方法

已有的MIMO自由空间光通信在发射端将光源尽可能分散，在接收端通过成像方式或控制光接收器的角度来实现MIMO，实际应用时受使用条件或环境制约难以实施，且通信质量受发射机与接收机的位置影响严重。而本发明可实现集中式的MIMO光通信，且通信质量几乎不受接收机位置影响。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1是本发明多输入多输出的光通信系统结构原理示意图。

图2为光纤信道条件下本发明的实施方式。

图3为自由空间信道条件下本发明的实施方式。

图中：

11、发射终端                111、光源

12、接收终端                121、光探测器

21、光发射机                211、光源

212、光源偏置模块           213、MIMO调制模块

214、光耦合器

22、光纤

23、光接收机                231、分波器

232、光探测器               233、MIMO解调模块

31、光发射机                311、光源

312、光源偏置模块           313、MIMO调制模块

32、自由空间

33、光接收机                331、光探测器

332、MIMO解调模块

具体实施方式

如图1所示，光发射端11包含有n_t个光学发射天线111-1～n_t，主要由光源，含驱动电路和光学器件构成，光源具有不同的光谱特性。光接收端12包含有n_r个光学接收天线121-1～n_r，主要由光电探测器，含驱动电路，和光学器件构成，光电探测器具有不同的光谱响应特性。n_r不大于n_t。

具体工作时，原始的高速数据流首先经空时编码形成多个并行的数据子流，数据子流数目不大于发射天线的数目n_t，每个数据子流由光学天线发射阵的某一个光学天线并行发射出去；经光纤/自由空间多径信道传输后，如果信道工作良好，接收到的信号就是发射信号线性无关的合并结果；n_r个光学天线多通道接收机将多路接收信号经空时处理算法分离数据流并解码，以实现近于最佳的处理。详细说明如下：

k时刻发送的数据信号矢量表示为： $X_k={\left[\begin{array}{cccc}{x}_{1,k}& x_{2,k}& ...& x_{n_t,k}\end{array}\right]}^T.$

k时刻传输信道的n_r x n_t矩阵用公式(1)表示：

$H_k=\left[\begin{array}{ccccc}{h}_{11,k}& h_{12,k}& ...& ...& h_{{1n}_t,k}\\ h_{21,k}& h_{22,k}& ...& ...& h_{{2n}_t,k}\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ ...& ...& ...& ...& ...\\ h_{n_{r}1,k}& h_{n_{r}2,k}& ...& ...& h_{n_r{n}_t,k}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，h_ij，k是k时刻第j个光学发射天线与第i个接收天线间的传输函数。对于本发明而言，h_ij，k主要来自于第j个光源在第i个光电探测器上的光谱响应。由于采用具有光谱差异的光源及具有光谱响应特性差异的光探测器，使得光学发射天线到光学接收天线的传输函数呈现非相关特性。在实际通信系统中，信道矩阵通过在发射端发射训练序列确定信号，接收端根据接收信号进行处理得到。

k时刻接收的数据信号矢量可表示为： $Y_k={\left[\begin{array}{ccccc}{y}_{1,k}& y_{2,k}& ...& ...& y_{n_r,k}\end{array}\right]}^T.$

对于信号传输过程，k时刻的输入输出关系可以表示为：Y_k＝H_kX_k+N_k，

其中， $N_k={\left[\begin{array}{ccccc}{n}_{1,k}& n_{2,k}& ...& ...& n_{n_r,k}\end{array}\right]}^T$ 为信道噪声，n_i，k为k时刻第i个信道的噪声。

在接收端根据接收数据可恢复原始数据，如公式(2)所示：

$X_k=H_k^{-1}(Y_k-N_k)---\left(2\right)$

信号数据由信道矩阵经空时处理算法分离数据流并解码，恢复原始信号数据，实现多输入多输出光通信。

该实施例中，从发送终端向接收终端发送数据，也可以是两个终端既具有发送功能，也具有接收功能，彼此交换控制信息。

如图2所示，具有光纤信道的MIMO光通信系统，包括：光发射机端21，光发射机包括多个光源211-1～n_t，光源偏置模块212对光源进行静态工作点设置，并行信息通过MIMO调制模块213并行调制多个光谱不重叠的窄光谱光源，或多个光谱部分重叠的宽光谱光源。

已调制的多路光经耦合器214耦合到一根光纤22中，其后在光纤中或自由空间传输。

光接收机端23不需要波分复用和解复用器，接收光经功分器231分成多路供多个光探测器232进行并行光电转换，发送终端发送训练序列，接收终端接收训练序列，训练序列为已知确定信号，接收端根据接收数据进行信道估计，获得信道传输矩阵。MIMO解调模块233结合通过训导序列所获得的信道矩阵进行数据处理恢复传输的原始数据。

图2中，从发送终端向接收终端发送数据，也可以是两个终端既具有发送功能，也具有接收功能，彼此交换控制信息。

如图3所示，自由空间信道条件下的MIMO自由空间光通信系统实施方式，包括：

光发射机端31，光发射机包括多个非方向性宽光谱光源311-1～n_t，如发光二极管LED，复数个光源可以较大距离分散分布，也可集中布置，光源偏置模块312对光源进行工作点配置，并行信息通过MIMO调制模块313并行调制多个光谱不重叠或部分重叠的宽光谱光源。

已调制的多路光直接出射并经自由空间32多径传输。

光接收机端33，光接收机包括多个光探测器331，探测器可分散布置，也可集中布置，并行对到达光电探测器的入射光进行光电转换。发送终端发送训练序列，接收终端接收训练序列，训练序列为已知确定信号，接收端根据接收数据进行信道估计，获得信道传输矩阵。MIMO解调模块332结合通过训导序列所获得的信道矩阵进行数据处理恢复传输的原始数据。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种多输入多输出的光通信系统，其特征在于，

光发射机端，光发射机采用复数个光源构成光学天线发射阵，所述光源相互之间具有不同的光谱特性；

光接收机端，采用复数个光电探测器构成多光学天线多通道接收机，光电探测器相互之间具有不同的光谱响应特性；

所述光发射机的复数个光源与光接收机的复数个光电探测器之间，满足信道冲击响应所获得的信道传输矩阵可求逆。

2.根据权利要求1所述的多输入多输出的光通信系统，其特征在于，所述光发射机端调制的多路光经耦合器耦合到一根光纤中，其后在该光纤中或后续的自由空间传输。

3.根据权利要求1所述的多输入多输出的光通信系统，其特征在于，所述光发射机端调制的多路光直接出射并经自由空间多径传输。

4.根据权利要求1-3之一所述的多输入多输出的光通信系统，其特征在于，所述复数个光源可以较大距离分散分布，也可集中布置；所述复数个探测器可分散布置，也可集中布置。

5.根据权利要求4所要求的多输入多输出的光通信系统，其特征在于，所述光源为激光器，或发光二极管，其光谱为窄光谱或宽光谱，各光源光谱之间至少部分不相互重叠。

6.根据权利要求4所要求的多输入多输出的光通信系统，其特征在于，所述光电探测器的光谱响应特性至少部分不相互重叠。

7.一种权利要求1-3之一所述的多输入多输出的光通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述光发射机端多组信息对复数个光源进行并行调制；

所述发射机出射光经同一传输信道进行传输；

所述光接收机端采用多个光电探测器对接收光进行并行光电转换，然后进行多输入多输出解调。

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