李靜

摘要：無線光通信是一種不需要使用線信道為傳輸媒介的新型通信方式，近些年被越來越多應(yīng)用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信中。將MIMO技術(shù)中的空時(shí)網(wǎng)格碼引入無線光通信中，將其與PPM調(diào)制相結(jié)合形成無線光STTC系統(tǒng)，最后對(duì)該系統(tǒng)的編譯碼方法進(jìn)行分析，并對(duì)誤碼率性能進(jìn)行仿真。結(jié)果表明：將空時(shí)網(wǎng)格編碼引入無線光通信中能夠改善系統(tǒng)的誤碼率性能，克服大氣湍流引起的衰落問題。

關(guān)鍵詞：無線光通信 空時(shí)網(wǎng)格碼

1 概述

光學(xué)在半導(dǎo)體、電子、通信產(chǎn)業(yè)的運(yùn)用相當(dāng)廣泛，例如光電半導(dǎo)體的LED可用作燈號(hào)、照明，光電半導(dǎo)體的CCD、CMOS影像感測(cè)器可做數(shù)位相機(jī)、數(shù)位監(jiān)控，光機(jī)電微系統(tǒng)的DMD可做投影機(jī)，光電晶體、耦合器用于自動(dòng)控制等；或者是光儲(chǔ)存，如BD藍(lán)光光碟片；或者是光通信，如FTTH光纖到戶寬帶等。

在社會(huì)的不斷發(fā)展中信息交流變得日趨頻繁，因此信息傳輸容量需求劇增是不可避免的現(xiàn)實(shí)，可是目前用到最多的無線電通信出現(xiàn)了頻帶利用率不足或者不夠的現(xiàn)象，已經(jīng)很大程度上不能滿足人類對(duì)信息量的需求，所以具有容量大、速率高的無線光通信技術(shù)是下一代通信技術(shù)的必然趨勢(shì)。從二十世紀(jì)六十年代起，人們便開始對(duì)空間探索，但信息交換對(duì)電磁波的依賴與日俱增，然而隨著無線電波頻譜的逐漸擁擠以及信息數(shù)據(jù)傳輸量的日益增加，通信問題不斷發(fā)生，于是科學(xué)家們將目光投向了以廣播為基礎(chǔ)的通信技術(shù)。

無線光通信技術(shù)，是利用激光作為信息的載體，直接在空間進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)囊环N通信方式，它是一種有別于有線（光纖）光通信的通信方式，可以在廣泛的空間建立通信鏈路，根據(jù)其不同的通信傳輸信道可分為星際激光通信、大氣激光通信和水下激光通信三大類。光的有線傳輸已使用很多，但無線傳輸卻很少運(yùn)用，特別是終端消費(fèi)性領(lǐng)域，幾乎都停留在IR紅外線遙控器階段。這幾年開始有人提倡可見光的無線通信VLC，預(yù)計(jì)未來數(shù)年將有新發(fā)展。

當(dāng)通信鏈路位于大氣層之外的自由空間時(shí)，激光通信被稱為自由空間光通信（free space optical communication，F(xiàn)SO），又稱為無線光通信（Wireless Optical Communication），它是利用光束作為載波在空間（陸地或外太空）直接進(jìn)行語音、數(shù)據(jù)、圖像信息雙向傳送的一種技術(shù)。MIMO系統(tǒng)最早于1908年被Marconi提出，相對(duì)于一般的SISO系統(tǒng)，MIMO相當(dāng)于在收發(fā)端采用多個(gè)天線，這樣就在收發(fā)端建立了多個(gè)信道，能有效地抑制信道衰落，同時(shí)提高了信道容量。它的核心思想是將收發(fā)端的信號(hào)進(jìn)行分組及合并，從而使MIMO用戶的傳信質(zhì)量和數(shù)據(jù)速率得到改善。

為何無線光通信將開始嶄露頭角？因?yàn)楝F(xiàn)有WiFi的2.4GHz頻譜資源幾乎已壓榨到極限，想要更快的速率，幾乎都往5GHz頻段考慮，IEEE 802.11ac即是如此，LTE-U也是如此，但5GHz并不是全球通行的頻段，有些國家無法使用，或僅能部分使用、有條件使用（不能室外用，或不得超過多少發(fā)送功率）。除2.4GHz外，另一個(gè)全球通行可用的頻段是60GHz，但因?yàn)轭l段太高，相關(guān)設(shè)計(jì)都高度困難，目前仍在發(fā)展中。加上LED的普及，人們開始考慮用無線光通信來加速區(qū)域內(nèi)的傳輸。

歐洲空間局從二十世紀(jì)七十年代已經(jīng)開始進(jìn)行空間激光通信。例如基礎(chǔ)技術(shù)研究計(jì)劃，以及衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)和技術(shù)研究的ASTP計(jì)劃，1989年的半導(dǎo)體激光星間鏈路實(shí)驗(yàn)SILEX（Semiconductor laser Inter-satellite Link Experiment）使空間局在衛(wèi)星激光通信方面領(lǐng)先其他國家。同時(shí)歐洲航天署的其他相關(guān)研究也在進(jìn)行中，此外他們還致力于一些能夠使衛(wèi)星間通信民用化的的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵元件的研發(fā)，并取得了一些階段性成果，例如高速率相干光接收機(jī)、捕獲和跟蹤元件等。

2 空時(shí)網(wǎng)格碼（STTC）

無線光通信另有兩個(gè)好處，一是不受電磁波干擾，雖然現(xiàn)行航空法規(guī)允許乘客在飛機(jī)上使用電子產(chǎn)品，以及醫(yī)院內(nèi)重要的醫(yī)療設(shè)備使用房間，在墻壁內(nèi)都埋有銅網(wǎng)以避免手機(jī)干擾，但仍有可能產(chǎn)生干擾，在這些敏感場(chǎng)所改用光無線通信，則可避免干擾發(fā)生。另一個(gè)是省電，驅(qū)動(dòng)LED亮滅來傳遞信號(hào)，比用RF無線射頻方式傳遞信號(hào)更省電，手持式裝置電池電力有限，用光無線通信傳輸反而更有利。不過光無線通信也有缺點(diǎn)，例如一旦被遮光就無法收發(fā)，如人走動(dòng)，也無法穿墻通信，除非墻壁能透光。

因此，在激光通信中，選擇一種性能高且可靠的調(diào)制技術(shù)是提高速率傳輸和降低誤碼率的重要手段。目前有兩類適合于激光調(diào)制的技術(shù)，一種是適合直接檢測(cè)（MI/DD），比如PPM、OOK、PIM等。另一類是適合于相關(guān)檢測(cè)，如 PSK、QAM等。（IM/DD）檢測(cè)方法一直是FSO使用的主要檢測(cè)方式。OOK和PPM是兩種基本的激光調(diào)制方式，但在背景噪聲較強(qiáng)的時(shí)候OOK調(diào)制技術(shù)容易受到影響，因此無法滿足數(shù)據(jù)的可靠和高速傳輸。PPM比OOK具有更強(qiáng)的抗噪聲影響能力，它能夠憑借很好的功率利用率，滿足激光傳輸?shù)男枨蟆?/p>

空時(shí)編碼是空時(shí)信號(hào)處理的一類關(guān)鍵技術(shù)，是未來無線通信系統(tǒng)必然選擇的技術(shù)之一?？諘r(shí)碼的主要思想是利用空間和時(shí)間上的編碼實(shí)現(xiàn)一定的空間分集和時(shí)間分集，從而降低誤碼率。使用空時(shí)編碼是達(dá)到或接近MIMO無線信道容量的一種可行、有效的方法。

隱分集指的是在信號(hào)的處理中加入一些編碼方式或者利用交織等技術(shù)。顯分集技術(shù)是指在發(fā)射端通過發(fā)射多組相同的信號(hào)。交織技術(shù)指把一條消息中的相繼比特分散開的方法。無線通信系統(tǒng)中對(duì)抗衰落的基本技術(shù)是分集技術(shù)，它能夠提高衰落信道的可靠性，同時(shí)降低誤碼率。分集技術(shù)的基本原理：分集技術(shù)可以通過多個(gè)信道接收到載有信息的的多個(gè)副本，這些信道可以是時(shí)間，頻率或者空間，而由于副本強(qiáng)度具備可比性，所以多個(gè)信號(hào)的衰落通常會(huì)呈現(xiàn)出獨(dú)立性。

Wittneben先提出了延遲發(fā)送分集方案，繼而Tarokh Seshadri對(duì)其理論進(jìn)一步研究，提出了基于發(fā)射分集的空時(shí)網(wǎng)格碼。對(duì)于空時(shí)網(wǎng)格碼，編碼器將二進(jìn)制數(shù)據(jù)映射為調(diào)制符號(hào)，雖然空時(shí)網(wǎng)格碼能夠獲得更大的編碼增益和分集增益，但其傳輸速率低。在傳輸數(shù)據(jù)的過程中，單個(gè)符號(hào)包含比特?cái)?shù)不斷增多，譯碼器復(fù)雜程度成指數(shù)上升，因而制約了空時(shí)網(wǎng)格碼的傳輸速率。眾所周知，空間激光通信系統(tǒng)主要通過大氣傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，由于存在大氣湍流這一干擾因素，傳輸過程不順利。為了克服這一難題，業(yè)界研究開發(fā)了一種非相干光束疊加技術(shù)——多光束傳輸技術(shù)。該機(jī)是由若干個(gè)激光束經(jīng)各自的傳輸路徑向遠(yuǎn)場(chǎng)接收端傳輸信號(hào)、數(shù)據(jù)，各激光束之間不存在疊加干擾，因此該技術(shù)也是以平滑接收信號(hào)光強(qiáng)起伏的發(fā)射分集技術(shù)。

大氣無線信道中存在的空間損耗、光強(qiáng)閃爍、大氣衰減等多種干擾因素，會(huì)使信號(hào)傳輸功率大打折扣。而且大氣溫度的升高或降低會(huì)使大氣湍流及光束發(fā)生波前扭曲，并產(chǎn)生折射率。在大氣湍流的干擾下，接收信號(hào)電平會(huì)任意波動(dòng)，使得有效噪聲增大，誤碼率升高。

目前，為規(guī)避大氣湍流干擾作用應(yīng)運(yùn)而生的多光束傳輸技術(shù)，已在空間激光通信系統(tǒng)中被推廣應(yīng)用。前文已對(duì)其技術(shù)原理進(jìn)行了闡述，在這里不再贅述。

3 小結(jié)

文章首先介紹了MIMO技術(shù)的發(fā)展概況進(jìn)行簡(jiǎn)單概述，其次對(duì)MIMO中的各種分集技術(shù)以及復(fù)用技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，繼而對(duì)無線光MIMO空時(shí)網(wǎng)格碼的系統(tǒng)模型，發(fā)射信號(hào)模型以及其編譯碼原理和過程進(jìn)行了討論，并在最后對(duì)該系統(tǒng)中不同收發(fā)天線數(shù)目和閃爍因子時(shí)的的誤碼率性能進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示在采用STTC后，系統(tǒng)的誤碼率比未采用STTC的系統(tǒng)明顯減小，并且不同收發(fā)天線數(shù)時(shí)，誤碼率也隨收發(fā)天線數(shù)目的增加而減小。在有線寬帶技術(shù)發(fā)展出現(xiàn)瓶頸時(shí)，人們正如瞎子摸象般嘗試無線光通信的各種可能應(yīng)用，相信不久的將來必有收獲。

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