文献综述(无线光通信中的空时编码研究进展)(DOC)

1、文献综述无线光通信中的空时编码研究进展摘要：对无线光通信中的时空编码的研究概况及研究进展进行了调查研究， 介绍 了正交空时码、空时网格码、酉空时码、差分空时码、混合空时码五种时空编码 方式在不同发射天线接收天线数目、大气湍流强度与系统误码率之间的关系， 分析比较了级联正交空时编码、 级联分层空时码、 TPC+OSTBC 级联空时编码三 种级联空时编码方式的原理及优缺点， 介绍了大气湍流效应和建筑物摆动对无线 光通信的影响。关键词： 无线光通信； 空时编码； 进展； 级联空时码 一课题的提出与研究的意义 无线光通信是以大气作为传输介质，所以受到气候环境方面的影响是巨大 的，尤其是大气湍流效应导致

2、在传输过程中产生严重的误码， 导致信息传输质量 下降，而空时编码方式对抑制大气湍流效应有着非常有效地效果， 对改善系统的 误码性能， 提高信息传输速率有着显著的作用。 因此，无线光通信技术作为未来 信息传递发展的主要方向， 作为现在最主要的 “最后一千米 ”技术，无论是在理论 和应用上都有深刻的研究意义。二本课题国内外的研究现状分析文献1 ，柯熙政等人介绍了空时编码的研究概况，评述了国内、国外有关 无线光MIMO技术的研究进展 ,对无线光 MIMO的提出背景进行了详细分析， 最后 通过多光束发射系统组成及实验和多孔径接收系统构成及相关实验，得出结论： 多光束发射系统和多孔径接收系统要比单光束发

3、射、 单孔径接收系统更能有效地 抑制湍流效应给激光传输带来的影响。说明了 MIMO 对大气湍流的抑制效应。实 验结果表明 :无线光MIMO 不但使空间成为一种资源 ,提高了无线光通信的信道容 量 ,而且可以抑制大气湍流效应 ,扩大了无线光通信的应用场合。文献2 ，柯熙政等人在分层空时编码方面的做了若干研究并介绍了其研究 进展。对无线光通信中的分层空时编码进行了仿真分析， 分析了误码率特性与发 射接收天线数目、 检测算法之间的关系， 比较了水平分层空时码、 螺旋分层空 时码、对角分层空时码和垂直分层空时码不同的编码方案， 以及不同检测算法对 不同的湍流强度的抑制作用。 经分析得出： 三种分层空时

4、编码性能最好的是对角 分层空时编码，其次是螺旋分层空时编码，最后是水平分层空时编码。文献3 ，柯熙政等人对差分空时码进行了研究，为了在保证通信质量的前 提下进一步提高信息传输速率，在正交空时码、空时网格码、酉空时码、差分空 时码、混合空时码五种空时编码分别进行了研究。 采用类脉冲位置调制定义了负 数、共轭、求补等运算，将编码矩阵转化为一个用脉冲位置表示的实数矩阵。分 析了不同发射天线 /接收天线数目、大气湍流强度与系统误码率之间的关系。讨 论了差分空时码、 酉空时码在不同大气湍流条件下的误码率特性； 将分层空时码 和空时分组码相结合进行合理的折中，提出了一种适合于 IM/DD 式光通信的混 合

5、空时编码方案。文献4 ，柯熙政等人介绍了 RS码、 LDPC 码与空时码的级联方案，以及在 不同大气湍流条件下的误码率特性， 并对其进行了仿真分析。 结果表明： 级联空 时码可以极大地改善大气激光通信系统的性能， 抑制大气湍流效应， 有利于获得 编码增益， 进一步改善系统的误码性能。 级联编码是一种提高系统纠错能力以逼 近香农限的高效编码方式。当信道编码与空时编码结合使用时性能会大大提升， 因此级联空时码研究成为空时编码研究的重要方向之一。文献 5，徐建武等人在正交空时分组码（ OSTBC）基础上，分析了 Turbo 乘积码（ TPC）和OSTBC 级联方案的可行性，提出了一种采用 TPC+

6、OSTBC级 联的空时编译码方案，分别仿真分析了不同 TPC 分量码、不同接收天线数目下 系统的差错性能，并对采用 OSTBC 和 TPC+ OSTBC 级联方法系统的差错性能进 行了对比分析。 仿真结果表明 :该级联空时编码方法可同时获得全分集和全速率， 且差错性能明显优于只采用 OSTBC。文献6 ，Shlomi Arnon介绍了无线光通信系统被认为是 “最后一千米 ”技术但 是由于 动态风荷载，热膨胀，和地震等造成的建筑物摇晃和 大气湍流效应的影响 。 造成发射器和接收器之间的对准发生扭曲， 从而导致指向误差， 结果接收到的是 衰落信号。三空时编码3.1 正交空时编码BCOSTBC：将空

7、时编码和调制技术相结合，利用二进制比特元之间的关系（即二进制码元 “0和”“1的”补码关系）构造了在 O-PPM 调制之前首先进行比特 求补的一种编码方法。1. 在系统总功率不变、信道参数已知的情况下，利用 Monte Carlo 方法对 11、 12、2l 和 22 系统的误码性能进行仿真。仿真参数为：光电转化效率 =0.，5 总发射功率 R=1。（1）当闪烁因子 SI=0.6时 4-PPM 调制的 BCOSTBC 码误字率，仿真后得出采（2）用 BCOSTBC编码后，系统的误码性能明显优于 11 系统的误码性能。当 SI=1.0时不同调制方式下 BCOSTBC 码的误字率。仿真后可以看出：

8、 在不同的调 制方式下，随着信噪比的增加，系统的误字率逐渐减小，而且在同一种系统中， 系统的误字率随着 Q 数量的增加而减小。2. 利用 Monte Carlo 方法对 1l、l 2、2l 和 22 系统的误码性能进行仿真。在 系统总功率不变的情况下。仿真参数为： SI=0.6， =l 550nm， =0.，5 Q=4。（1）当无背景辐射、无衰落时，仿真后可以看出：增加探测器的数量相当于增 大了接收孔径， 有利于改善系统性能。 但在总功率不变的情况下 增加激光器的 数目后系统的误码性能并未得到改善。（2）当无背景辐射、有衰落时，仿真后可以看出：当激光器数目不变时，增加 探测器的数目有利于系统误

9、码性能的改善。 当激光器数目变化时， 随着激光器数 目的增加，系统的误码性能并未得到改善。3.2 空时网格编码1. 在 2 根发射天线下采用不同接收天线数时误码率随着信噪比的变化情况。 仿真了不同接收天线和不同闪烁因子下的误码率曲线。 可以看出， 随着接收天 线数的增加，误码率性能得到明显改善；同时在相同噪声情况下采用 STTC 4-PPM系统能够取得比 4-PPM调制更好的误码率性能； 在 SI=0.9、SNR=20dB 时， 24系统比 23 系统的误码率高出一个数量级。2. 在 3 根发射天线下采用不同接收天线数目时随着信噪比变化对误码率影响。 仿真后可以看出 3 天线系统也具有和 2

10、天线相同的优点。误码率随着发射天线 数目的增加而减小。3.3 差分空时编码利用 Monte-Carlo 方法分别对 2l，22，23，4l。42，43，44 系统的 误比特率进行了仿真。仿真参数 SI=0.5，采用二进制脉冲位置调制 （BPPM）调制 方式，即 Q=2，二进制数据流样本值为 l000000。（ 1）当采用对数正态分布模型、 SI=0.4 时 2 根发射天线的差分空时编码的误比 特率。可以看出，随着接收孔径数目的增加，系统的性能也在逐渐改善。 （2）当湍流模型采用 -分布模型、 SI=0.9时 2根发射天线的差分空时编码的 误比特率。可以看出，在误比特率为 10 的情况下。 2

11、个接收孔径相对于单个的 减少了约 l0dB；3个接收孔径相对于单个和 2个的分别减少了约 15dB和 5dB。（3）当湍流模型采用 -分布模型，SI=1.12时 2根发射天线的差分空时编码的 误比特率。可以看出，在误比特率接近 10 情况下。2 个接收孔径相对于单个的 减少了约 14dB；3个接收孔径相对于单个和 2 个的分别减少了约 20dB和 6dB。（4）当湍流模型采用 - 分布模型， SI=0.9 时差分空时编码和由 Simon 和 Vilnrotter 改进后的 Alamouti 码的误比特率对比。可以看出，差分空时编码方法 和改进的 Alamouti 编码方法的性能曲线平行，说明差

12、分方案可以实现和改进的 Alamouti 编码完全的发射分集；在误比特率为 l0 的情况下，差分编码和改进的 Alamouti 编码相比约差 5dB，但差分编码方案的 2l，22 系统明显优于未使用 编码的 l l，l 2 系统。（5）当为采用对数正态分布湍流模型、 SI=0.4时 2 根发射天线和 4根发射天线 的差分空时码误比特率对比。可以看出：a. 在误比特率为 10 时， 4l 系统的误码性能相对于 2l 的系统改善了约 6dB；在 误比特率为 10 时。42 系统的误码性能相对于 22 系统改善了约 3.5dB。b. 在误比特率为 10 时。 22系统的误码性能性对于 2l 系统改善

13、了约 8dB；在 误比特率为 l0 时，42系统的误码性能相对于 4l 系统改善了约 7.5dB。c. 对于两个不同的 MIMO 系统。在发射天线数 M 与接收天线数 M 的乘积 MN 相等的情况下， 采用 22系统的差分空时码的误比特性能明显优于 4l 系统。在 误比特为 l0 时， 22系统的误码性能相对于 4l 系统改善了约 3dB。（ 6）当湍流模型采用对数正态分布模型、 SI=0.6 时，发射天线数为 4、接收天 线数分别为 1、2、3和 4 时的差分空时码的误比特率随信噪比。可以看出，随着 接收天线数目的增加，系统的性能越好。3.4 酉空时编码设总发射功率不变，取归一化值为 1，根

14、据泰勒的冻结场理论，假定信道参 数在连续的两个发送码矩阵块内保持不变，光电转换效率=0.5，取样本数为100000。分别在 SI=0.4（弱湍流）和 SI=0.8（中湍流）的情况下对 42 和 4l 系统进 行误码率的测试。在 SI=0.4 、误比特率为 10 的情况下，42 系统和 4l 系统的信噪比相差 5dB。 表明随着接收机孔径数目的增加。 酉空时编码方案的性能有很大改善。当信噪比取 25 dB 时，无论是弱湍流情况下还是中湍流情况下。 两种湍情况 下系统的误比特率相差不多。当信噪比取 20dB 时， 表明需要信道估计的系统 抑制湍流影响能力强。3.5 混合空时编码1. 在总发送功率不

15、变、信道衰减系数确定的条件下， 利用 Monte Carlo 方法对 44 系统的误码性能进行了仿真。仿真参数为： Q=4，SI=0.6， 7=0.5，混合编码方案 中采用一个 22 的 STBC 编码块。仿真后：（1）说明 STBC 系统在损失了部分复用增益的情况下能获得较大的分集增益。（ 2）说明混合空时编码的误码性能明显优于传统的 BLAST 码的性能。（3）说明在分层空时编码中引入 STBC 码后增加了最先译出层的分集度，保证 了首层的正确性，减小了错误传播。（4）说明 44 混合空时编码系统既获得了接收分集增益，又获得了发送分集增 益。2. 对传统 BLAST 系统和混合空时编码系统

16、分别采用 MMSE 和 ZF 检测算法进行 分析。仿真后：（1）在混合空时编码系统中采用 MMSE 译码算法时 也体现出该方案的误码性 能明显优于传统 BLAST 系统的误码性能。（2）在传统的 BLAST 系统中， MMSE 算法由于考虑了噪声对信号的影响，采 用 MMSE 算法时的性能明显优于采用 ZF 算法时的性能。但是在混合空时编码 系统中，采用两种算法时的误码性能非常接近。四级联空时码级联码能够是在不增加系统硬件实现复杂度的条件下， 提高系统纠错能力使 系统的性能接近香农限的高效编码方式。级联空时码在不同的大气湍流环境下，都能提高系统的误码率。级联空时码可以极大地改善大气激光通信系统

17、的性能， 抑制大气湍流效应，有利于获得编码增益，进一步改善系统的误码性能。4.1 级联正交空时编码级联空时分组编码模型如图 1所示，由 RS码和正交空时编码级联得到。信源经过串并变换后， PPM调制符号可直接将外编码器的输出送入交织器进 行交织；交织后的信息符号直接送入 STBC编码器进行编码。接收端将接收到的 PPM调制符号先送入 STBC译码器，然后经解交织后直接进入 RS译码器进行解 码。交织技术可把突发性错误转化为随机性错误， 可进一步提高系统的纠错能力。图 1 级联空时分组编码的原理4.2 级联分层空时码图2 是LDPC-BLAST 系统的基本结构图2 LDPC-BLAST 系统模型

18、 信源发出信息 c后 ,笔者对该信息进行 LDPC (lowdensity parity-check, LDPC) 编码，将 c变成具有更好码距的码字 x。对编码后的码字 x进行串并转换后进行分 层空时编码，随后依据 PPM 调制的原则对码字进行调制，之后通过 N个激光器 组成的阵列发射。在接收端，通过 M 个探测器接受信号，再对接收到的信号进行 PPM 解调，解调之后的信号再进行检测和译码得到码字，并串转换得到码字 y 后对码字进行 BP译码算法得出最终的信息 c忆。最终比对信源发出的信息 c和在 接收端获得的信息 c忆，计算出相应的误码率，根据误码率的来判断该系统的性 能。分别采用最大似然

19、检测算法、迫零检测算法和最小均方误差检测算法对 D-BLAST 与T-BLAST 编码的 LDPC+BLAST 级联系统进行仿真分析。1. LDPC+D-BLAST 系统的仿真（ 1） LDPC+D-BLAST （LDPC 码与D-BLAST 级联）系统在弱湍流情况下：四 发多收的系统在信噪比为 25 dB时，误码率已经为 10-6而两发多收的系统需要信噪 比加大到 30dB时误码率才能达到 10-6。与未加 LDPC编码的 D-BLAST 系统相比， LDPC+D-BLAST（LDPC 码与D-BLAST 级联）系统在弱湍流的情况下， 系统的性能 更好，对信噪比的要求也更低。（ 2）LDPC

20、+D-BLAST 系统在中强湍流情况下： 闪烁因子增强后对误码率产生比 较大的影响。 LDPC+D-BLAST 系统需要增加系统的信噪比才能获得弱湍流情况 时的误码率，即两发多收系统信噪比为 35dB时的误码率才能接近 10-6，这就增加 了系统对发射功率的要求。（ 3） LDPC+D-BLAST 系统在强湍流情况下：相同信噪比时袁强湍流情况下系 统的误码率比弱湍流下的误码率要大得多（信噪比 SNR=25dB时，弱湍流下的误 码率为 10-6，强湍流下的误码率为 10-4）。在强湍流时需要加大发射端的发射功率， 加大信噪比至 40dB，才能将系统的信噪比减小到接近 10-6。2. LDPC+T

21、-BLAST 系统（ 1）LDPC+T-BLAST 系统在弱湍流情况下：与 LDPC+D-BLAST 系统相似，在弱 湍流的情况下，两发多收的系统在信噪比为 30dB时的误码率接近 10-6 ，比 LDPC+D-BLAST 系统的误码率略小，这是因为对角分层空时编码的性能要优于 螺旋分层空时编码。但在四发多收的系统中，信噪比只要 25dB就能获得接近 10-6 的误码率。这说明增加收发天线数目可以使系统的性能得到明显改善。（ 2）LDPC+T-BLAST 系统在中强湍流情况下：大气湍流的强度会在一定程度上 影响系统的性能，在两发多收的系统中需要增加信噪比才能获得弱湍流情况下的 最小误码率；中强

22、湍流下信噪比为 35dB时系统的误码率接近 10-6。在四发多收的 系统中误码率也有所增大，增加信噪比到 30dB时误码率能下降至 10-6左右。（ 3）LDPC+T-BLAST 系统在强湍流情况下：强湍流情况下系统的性能变差了很 多袁同样的信噪比下的误码率值有所增加。在信噪比为25dB时两发多收系统的误码率由 10-4增加到 10-3，而44系统的误码率由 10-5 增加到 10-4。为了改善强湍 流对系统的影响需要增加系统的发射功率， 也就是增加信噪比； 在两发多收统中 信噪比需要增加到 40dB时，系统的误码率接近 10-6，而四发多收系统的信噪比则 需要增加到 35dB。LDPC码的加

23、入虽然增加了系统的复杂度， 但 LDPC+BLAST 系统的误码率明 显下降。说明 LDPC 码能够很明显地改善系统的误码率，使该系统优于单一的 BLAST 系统。弱湍流下在信噪比为 30dB时，两发多收系统的误码率从 10-4降到 10-6，说明加入 LDPC 编码的系统能够更好的克服噪声对系统的干扰，提高传输 信息的可靠性。 并且误码率随着信噪比的不断增加， LDPC-BLAST 系统的误码率 （BER）曲线的下降曲线的斜率很大，说明误码率的下降的速度快。4.3 TPC+OSTBC 级联空时编码基于外部 TPC信道编码和内部 OSTBC空时编码的多光束发射和接收 FSO通 信系统模型如图

24、3所示。图3 基于 TPC和OSTBC的FSO系统模型外部输入数据比特首先进行 Turbo乘积码编码，然后经过交织器交织后输入 给OSTBC编码器进行空时分组编码，然后通过多光束发射天线 （M 个）发射出去。 在接收端，多光束接收天线 （N个 ）接收到信号之后首先按照空时分组码译码规则 进行译码处理，然后通过 LLR 软信息计算、解交织，最后进行 TPC译码输出。无线激光信号在大气中传输时， 受大气衰减和大气湍流作用导致了传输距离 的有限以及传输误码率的急剧增大， TPC作为一种编译码相对简单且性能优异的 信道编码方式，它和正交空时分组码的结合，能提高 FSO系统的抗干扰能力，同 时降低系统的误码率，对改善无线光通信系统的性能具有积极意义。通过仿真分析，得出采用 TPC和OSTBC级联空时编码的系统误码性能明显要 优于只采用 OSTBC编码的系统；在 TPC+OSTBC级联空时编码中， TPC分量码的 选择对系统性能具有重要影响，如采用汉明距离为 4的扩展汉明码的误码性能比