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准正交空时分组编码(QOSTBC)是一种正交空时编码的变换编码结构,将时间分集和空间分集相结合,具有高效的分集利用率和编码效率。QOSTBC是解决大气湍流对光通信影响的有效手段之一。在研究了大气信道特性的基础上,提出一种基于QOSTBC结构和空间分集光通信系统的信道模型;介绍了QOSTBC原理,分析了系统的信道容量和误码率(BER);利用蒙特卡罗仿真比较了采用空时分集编码与未使用分集编码系统的容量及BER的情况。结果表明,使用QOSTBC系统的信道容量随发射天线数增加而递增,误码性能得到有效改善。QOSTBC与Alamouti编码系统相比系统信噪比节省约9 dB,说明该系统具有编码所提供的良好信道容量和误码性能,能够有效地抑制大气湍流对光通信所产生的光强起伏影响。
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书书书
第
39
卷
第
5
期
中
国
激
光
Vol.39
,
No.5
2012
年
5
月
犆犎犐犖犈犛犈犑犗犝犚犖犃犔犗犉犔犃犛犈犚犛
犕犪
狔
,
2012
基于准正交空时分组编码的空间激光通信
邢雪峰
李洪祚
(长春理工大学电子信息工程学院,吉林 长春
130022
)
摘要
准正交空时分组编码(
QOSTBC
)是一种正 交 空 时 编 码 的 变 换 编 码 结 构,将 时 间 分 集 和 空 间 分 集 相 结 合,具
有高效的分集利用率和编码效率。
QOSTBC
是解决大气湍 流 对 光 通 信 影 响 的 有 效 手 段 之 一。在 研 究 了 大 气 信 道
特性的基础上,提出一种基于
QOSTBC
结构和空间分集光通信 系 统 的 信 道 模 型;介绍了
QOSTBC
原理,分 析 了 系
统的信道容量和误码率(
BER
);利用蒙特卡罗仿真比较了采用空时分集编码与未使用分集编码系统的容量及
BER
的情况。结果表明,使用
QOSTBC
系统的信道容量随发射天线数增加而递增,误码性能得到有效改善。
QOSTBC
与
Alamouti
编码系统相比系统信噪比节省约
9dB
,说明该系统具有编码所提供的良 好 信 道 容 量 和 误 码 性 能,能 够
有效地抑制大气湍流对光通信所产生的光强起伏影响
。
关键词
光通信;空时分组编码;多发多收;大气信道;蒙特卡罗仿真
中图分类号
TN929.12
文献标识码
A
犱狅犻
:
10.3788
/
犆犑犔201239.0505004
犛
狆
犪犮犲犔犪狊犲狉犆狅犿犿狌狀犻犮犪狋犻狅狀狊犅犪狊犲犱狅狀
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犵
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犔犻犎狅狀
犵
狕狌狅
(
犆犺犪狀
犵
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狔
狅
犳
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犵狔
,
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犵
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,
犆犺犪狀
犵
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,
犑犻犾犻狀
130022
,
犆犺犻狀犪
)
犃犫狊狋狉犪犮狋
犙狌犪狊犻狅狉狋犺狅
犵
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犵
(
犙犗犛犜犅犆
)
犻狊犪狋狉犪狀狊犳狅狉犿犪狋犻狅狀犪犾狊狋狉狌犮狋狌狉犲狅犳狅狉狋犺狅
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狆
犪犮犲犱犻狏犲狉狊犻狋
狔
狋犲犮犺狀犻
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狔
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狆
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,
犙犗犛犜犅犆犻狊犪狀狅
狆
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狔
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狔
狅犳狋犺犲
犪狋犿狅狊
狆
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,
犪犙犗犛犜犅犆 犿狅犱犲犾犫犪狊犲犱狅狀狊
狆
犪狋犻犪犾犱犻狏犲狉狊犻狋
狔
狅
狆
狋犻犮犪犾犮狅犿犿狌狀犻犮犪狋犻狅狀犻狊
狆
狉狅
狆
狅狊犲犱.
犜犺犲
狆
狉犻狀犮犻
狆
犾犲狅犳犙犗犛犜犅犆犻狊犻狀狋狉狅犱狌犮犲犱.犜犺犲犮犺犪狀狀犲犾犮犪
狆
犪犮犻狋
狔
犪狀犱犫犻狋犲狉狉狅狉狉犪狋犲
(
犅犈犚
)
犪狉犲犪狀犪犾
狔
狕犲犱.犝狊犻狀
犵
犕狅狀狋犲
犆犪狉犾狅狊犻犿狌犾犪狋犻狅狀犿犲狋犺狅犱
,
狋犺犲犮犺犪狀狀犲犾犮犪
狆
犪犮犻狋
狔
犪狀犱狋犺犲犅犈犚犫犲狋狑犲犲狀犱犻狏犲狉狊犻狋
狔
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狔
犮狅犱犻狀
犵
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狔
狊狋犲犿 犪狉犲
犮狅犿
狆
犪狉犲犱.犜犺犲狉犲狊狌犾狋狊狊犺狅狑狋犺犪狋犫
狔
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犵
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狊狋犲犿′狊犮犺犪狀狀犲犾犮犪
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狋狉犪狀狊犿犻狋犪狀狋犲狀狀犪狊.犜犺犲犲狉狉狅狉
狆
犲狉犳狅狉犿犪狀犮犲犻狊犻犿
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狉狅狏犲犱犲犳犳犲犮狋犻狏犲犾
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狔
狊狋犲犿狊犻
犵
狀犪犾狀狅犻狊犲狉犪狋犻狅
(
犛犖犚
)
狉犲犱狌犮犲狊9犱犅
犮狅犿
狆
犪狉犻狀
犵
犙犗犛犜犅犆犪狀犱犃犾犪犿狅狌狋犻犮狅犱犻狀
犵
狊
狔
狊狋犲犿
,
狑犺犻犮犺犻狀犱犻犮犪狋犲狊狋犺犪狋狋犺犲犮狅犱犻狀
犵
狊
狔
狊狋犲犿犺犪狊
狆
狉狅狏犻犱犲犱犪狑犲犾犾犮犺犪狀狀犲犾
犮犪
狆
犪犮犻狋
狔
犪狀犱犲狉狉狅狉
狆
犲狉犳狅狉犿犪狀犮犲.犜犺犲犮狅犱犻狀
犵
狊
狔
狊狋犲犿 犮犪狀犲犳犳犲犮狋犻狏犲犾
狔
犻狀犺犻犫犻狋狅
狆
狋犻犮犪犾犻狀狋犲狀狊犻狋
狔
犳犾狌犮狋狌犪狋犻狅狀狅犳狅
狆
狋犻犮犪犾
犮狅犿犿狌狀犻犮犪狋犻狅狀犪犳犳犲犮狋犲犱犫
狔
犪狋狅犿狊
狆
犺犲狉犻犮狋狌狉犫狌犾犪狀犮犲.
犓犲
狔
狑狅狉犱狊
狅
狆
狋犻犮犪犾犮狅犿犿狌狀犻犮犪狋犻狅狀狊
;
狊
狆
犪犮犲狋犻犿犲 犫犾狅犮犽 犮狅犱犻狀
犵
;
犿狌犾狋犻犻狀
狆
狌狋 犿狌犾狋犻狅狌狋
狆
狌狋
;
犪狋犿狅狊
狆
犺犲狉犻犮犮犺犪狀狀犲犾
;
犕狅狀狋犲犆犪狉犾狅狊犻犿狌犾犪狋犻狅狀
犗犆犐犛犮狅犱犲狊
060.4510
;
200.2606
;
130.6750
收稿日期:
20111123
;收到修改稿日期:
20120113
基金项目:国家
863
计划(
2008AA01Z225
)和吉林省自然科学基金(
20092DGG007
)资助课题。
作者简介:邢雪峰(
1982
—),男,博士研究生,主要从事分集激光通信方面的研究。
Email
:
xin
g
.xf
@
163.com
导师简介:李洪祚(
1953
—),男,教授,主要从事空间激光通信方面的研究。
Email
:
lihon
g
zuo
@
sohu.com
1
引
言
空间激光 通信作 为一种 新型的 通信手 段,具 有
高速率、抗干扰和保密性强等特点,世界各国都将其
作为 未 来空 间 通信 发 展的 一 个重 要 研究 方 向
[
1
~
4
]
。
近
10
年来,空间激光通信在光纤通信和微波通信的
基础上得到了快速的 发展,但 空间 光 通信 受 到大 气
湍 流 和 散 射 影 响 严 重,甚 至 会 导 致 通 信 链 路 中
断
[
5
,
6
]
。为了有效抑制 大气 信 道对 空 间光 通 信的 影
05050041
中
国
激
光
响,可使用大口径接收、自适应光学和分集技术等技
术,其中分集技术凭借 其低 成 本和 低 复杂 度 的优 势
成为近年 来 的 研 究 热 点
[
7
~
16
]
。 空 时 编 码 是 分 集 通
信的核心技术之一,其概念由
Foschini
[
17
]
在
1996
年
提出,之后被广 泛 应 用 于 无 线 移 动 通 信 中,
1998
年
Alamouti
提
[
18
]
出 一 种 双 发 单 收 空 时 分 组 编 码
(
STBC
),并以自己的名字为其命名。
Simon
[
19
]
中讨
论了激光 直 接 调 制 系 统
Alamouti
空 时 编 码 方 案。
GarcíaZambrana
[
20
]
分析了采用开关 键控(
OOK
)调
制 方 式
STBC
结 构 的 误 码 率 (
BER
)。
Abou
R
j
eil
y
[
21
]
研究 了 正 交 空 时 编 码 的 自 由 空 间 通 信 性
能,得出正交空时编码 可以 有 效提 高 自由 空 间光 通
信(
FSO
)系 统 性 能,并 且 适 用 于
OOK
调 试 方 式 的
结论。
Gore
等
[
22
]
提出在 接收 端 已知 详 细信 道 增益
的情况下,使系统获得 最大 化 编码 增 益和 分 集增 益
的方法,并对多发 多 收(
MIMO
)通信 系 统 的 正 交 空
时编码 算 法 进 行 了 性 能 分 析。
Cho
q
uease
等
[
23
]
和
Via
等
[
24
]
分别对 盲信道 进行了 编码分 析和研 究,其
中
2011
年
Cho
q
ueuse
等
[
23
]
提出了一种无需信道 信
息的空时编码 信道统 计方案。
2011
年
Zhu
等
[
25
]
提
出一种快速递归
GSTBC
方案,其通 过 等概 率 信道
矩阵对
Alamouti
编码结构进行了优化,降低了运算
的复杂度;
Carfield
等
[
26
]
对 单 发 单 收 (
SISO
)、多 发
单收(
MISO
)与
MIMO
空时编码光通信系统性能进
行了比较,并提出
2×2
系统可 以有效 降低
BER
,提
高可用码速率。
本文提出一种适合空间光通信的准正交空时分
组编码(
QOSTBC
)方 案,该方 案 具有 空 时编 码 结构
所具有的较高的信道 容量 和 较强 的 抗衰 落 特性,通
过使用
QOSTBC
抑制 大 气信 道 对空 间 激光 通 信的
影响,有效地降低了系统的
BER
并提高了通信系统
的稳定性。
2
信道模型
在空间激 光通信 中,激 光束经 过大气 信道会 受
到云、雨、雾和湍流的影响,发生散射、折射、吸收、光
束漂移、光强闪烁和到达角起伏等现象,引起一定的
空间损耗,损耗范围一般在
10
~
40dB
,光 强分布 被
严重改变时,通 信 链 路 将 会 发 生 中 断,中 断 时 间 最
长,可达数毫秒
[
3
]
。目前 国 际上 应 用最 为 广 泛 的 大
气湍 流 模 型 主 要 有
Lo
g
normal
模 型 和
Gamma
g
amma
模型,这两种模型都被广泛地应用 于大气 建
模与 仿 真 ,其 中
Lo
g
normal
模 型 主 要 用 于 描 述 弱 湍
流的情形
[
6
]
;
Andrews
等
[
27
]
提出
Gamma
g
amma
模
型可以有效地用于描 述 强湍 流 和弱 湍 流光 强 闪烁。
Gamma
g
amma
模型所使用的建模参数与系统实际
参数更为接近,例如通信距离、通信波长和海拔高度
等
[
28
]
,因 此 本 文 选 用
Gamma
g
amma
进 行 信 道 建
模。
Gamma
g
amma
模型的光束强度起伏 概率密 度
函数可以表示为
犳
(
犐
)
=
2
(
α
β
)
(
α
+
β
)/
2
Γ
(
α
)
Γ
(
β
)
犐
(
α
+
β
)/
2
犓
α
-
β
(
2
α
β
槡
犐
), (
1
)
式中
犐
表示信号 光强度,
Γ
(
·
)表 示
g
amma
函数,
犓
表示贝叶斯方程解,其中参数
α
和
β
可以表示为
α
=
ex
p
0
.49
σ
2
犚
(
1
+
1.11
σ
12
/
5
犚
)
7
/
[ ]
6
-
{ }
1
-
1
β
=
ex
p
0.51
σ
2
犚
(
1
+
0.69
σ
12
/
5
犚
)
5
/
[ ]
6
-
{ }
1
-
烅
烄
烆
1
, (
2
)
式中
σ
2
R
表示闪烁方差,其数学模型为
[
29
]
σ
2
R
=
1.23
犆
2
狀
犽
7
/
6
犔
11
/
6
, (
3
)
式中
犽
=
2
π
/
λ
,
犔
为通信距离,
犆
2
狀
为大气结构参数,
其表达式为
[
29
,
30
]
犆
2
狀
=
8.2
×
10
-
16
犠
2
(
犺
/
10
)
10
ex
p
(
-
犺
)
+
2.7
×
10
-
16
ex
p
(
犺
/
10
)
+
犃
ex
p
(
犺
/
0.1
),(
4
)
式中
犃
表 示 地 面 水 平 结 构 常 数,
犠
表 示 均 方 根 风
速,
犺
表示海拔高度。
3
系统模型
基于空时编码的
MIMO
空间光通信系统,主要
由信道编码、串并转 换器、分 集编 码 器、激光 器 及调
制器、掺铒光 纤 放 大 器 (
EDFA
)、探 测 器、空 时 译 码
器、并串转换器和 信 道译 码 器组 成。高速 串 行数 据
被信道编码,编码后的数据经过串并转换,输出多路
并行数据,对并行数据进行空时编码,将编码信号加
载到调制器调制成为 激光 信 号,调制 后 的光 信 号经
过
EDFA
进行 放 大,放 大 后 的 光 信 号 分 别 由
犕
副
发射天线同时 发 送。接 收 端 使 用
犖
副 接 收 天 线 分
集接收,将
犖
路分 集 信 号 分 集 译 码,译 码 后 信 号 经
并串变换合并为单路 高速 信 号,最后 由 信道 解 码还
原为原始高速数据流。由于分组空时译码需要使用
信道 特 性 (
CSI
),因 此 接 收 端 需 要 进 行 信 道 估 计。
其系统模型如图
1
所示。
对于一个 有
犕
副 发 射 天 线 (激 光 器 及 光 学 天
线)和
犖
副接收天线(光电探测器及光学天线)的多
输入多输出系统,假设系统总的发射功率为
犈
,每副
发射天线上的 发 射功 率 等于
犕
等 分 发 射 功 率。 在
发射端,所有发射天线发射的信号矩阵表示为
05050042
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