MIMO自由空间光通信中联合分集接收的发射光径选择方法

摘要

MIMO自由空间光通信中联合分集接收的发射光径选择方法，属于MIMO自由空间光通信技术领域。它是对每个激光器到Nr个检测器等增益合并后的光强增益进行比较，从而获得光强增益值最大的激光器序号，然后通过一条低速的反馈信道将此激光器的序号反馈给发射端的光径选择器，以便使发射端选定并激活这个最优的激光器来发射光信号。本发明提出的方法对于基于OOK调制的MIMO自由空间光通信的系统性能有显著改善，而且采用联合等增益合并接收方法相比最大比合并接收在硬件实现上可降低复杂度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种MIMO自由空间光通信中联合分集接收的发射光径选择方法，属于MIMO 自由空间光通信技术领域。

背景技术

众所周知，自由空间光通信由于低成本、保密性好、安装方便、无须频率许可等优点， 在近距离高速率的无线通信中，受到人们的广泛关注。尤其是被用于解决“最后一公里”的 通信。然而，自由空间光通信会受到雨、雾、大气湍流的影响，接收信号的光强存在闪烁效 应，引起信号强度随机起伏变化，特别是在强湍流情况下，光信号会受到严重干扰，造成较 大的误码率或短时间通信链路中断。将空间分集的思想（比如发射分集技术有正交空时码、 重复码，接收分集技术有最大比合并等）引入自由空间光通信中能够有效对抗大气湍流造成 的信号衰落，提高通信的可靠性。

发射天线选择技术在多输入多输出（MIMO，multiple input-multiple-output）系统中 广泛研究，它在保持了多天线有效的空间自由度的基础上减少了射频链路的复杂度，而且通 过发射端获得的信道状态信息来降低系统的误码率。由于自由空间光信道可看作准静态平坦 衰落信道，发射端通过反馈信道获取信道状态信息是可行的，因此，2009年11月彼查兹·卡 斯蒂洛瓦兹奎（Beatriz Castillo-Vazquez）在《电子快报》（Electronics Letters）提出 了发射端利用信道状态信息选择光束传输路径（简称“光径”）的发射分集方法，研究表明在 强湍流条件下其性能优于传统的正交空时码和重复码发射分集技术。

然而，彼查兹·卡斯蒂洛瓦兹奎的方法主要是在发射端的Nt个激光器中，利用信道状态 信息选择最好的光径来发射光信号，接收端仅配有一个检测器，没有充分利用空间分集中的 接收分集技术。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种MIMO自由空间光通信中联合分集接收的发射光径 选择方法。本方法是一种强湍流MIMO自由空间光通信中联合等增益分集接收的发射光径选择 方法。

本发明的方法如下：

对一个Nt×Nr MIMO自由空间光通信系统，其中Nt为激光器数目，Nr为光检测器数目，假设 无对准误差错误的情况下，采用强度调制/直接检测的开关键控OOK调制方式，这里考虑的OOK 信号格式如彼查兹·卡斯蒂洛瓦兹奎文章中所描述：具有高斯脉冲形状和低的占空比，其平 均发射功率为P，OOK星座图中两个等概率信号点之间的欧式距离其中T_b是比特 周期，当采用kT_b周期的高斯脉冲时

1≤i≤Nt，1≤j≤Nr，第i个激光器到第j个检测器的光强增益I_ij的概率密度服从复指数分 布，即

$f_{I_{\mathrm{ij}}}\left(I_{\mathrm{ij}}\right)=e^{-I_{\mathrm{ij}}},I_{\mathrm{ij}}>0---\left(1\right)$

对于MIMO自由空间光通信环境，I_ij是一个慢衰落过程并且满足各分量间独立同分布；

在Nt×Nr MIMO自由空间光通信系统，本发明提出的联合等增益分集接收的发射光径选择 方法的数学表达式如下：

$I_{\max }=\underset{1\le i\le N_t}{\max }\{B_i=\underset{j=1}{\overset{N_r}{\Sigma }}{I}_{\mathrm{ij}}\}$$K=\underset{1\le i\le N_t}{\arg \max }\{B_i=\underset{j=1}{\overset{N_r}{\Sigma }}{I}_{\mathrm{ij}}\}---\left(2\right)$

其中，B_i代表第i个激光器到Nr个检测器经过等增益合并后的光强增益，因此联合等增 益分集接收的发射光径选择方法也就是通过比较B₁～B_Nt这Nt个等增益合并后的光强增益， 获取最大值I_max，然后通过反馈信道将此最大值所对应激光器的序号K传给发射端，从而使发 射端选定并激活这个最优的激光器来发射光信号。

彼查兹·卡斯蒂洛瓦兹奎的方法的数学表达式为

$I_m=\underset{1\le i\le N_t,j=0}{\max }{I}_{\mathrm{ij}}---\left(3\right)$

将（2）式与（3）式相比，可知I_max>I_m，上述两种方法下的条件误比特率P_b(e\I_max)、 P_b(e\I_m)为

$P_b(e\backslash I_{\max })=Q\left(\sqrt{2\gamma {I_{\max }}^2}\right)<P_b(e\backslash I_m)=Q\left(\sqrt{2\gamma {{\mathrm{\xi I}}_m}^2}\right)---\left(4\right)$

其中，Q指Q函数，平均信噪比γ＝P²T_b/N₀,N₀是高斯白噪声的单边功率谱密度。

进而，上述两种方法下的误比特率为

$P_{b,I_{\max }}={\int }_0^{\infty }{P}_b(e\backslash I_{\max })f\left(I_{\max }\right){\mathrm{dI}}_{\max }<P_{b,I_m}={\int }_0^{\infty }{P}_b(e\backslash I_m)f\left(I_m\right)d{I}_m---\left(5\right)$

其中，误比特率是条件误比特率与光强增益的概率密度函数乘积的积分，f(I_max)、f(I_m)分别是 I_max、I_m的概率密度函数。

（5）式表明，本发明提出的联合等增益分集接收的发射光径选择方法比彼查兹·卡斯蒂洛 瓦兹奎的方法误比特率低，也就是说明系统性能上有显著的改善。

本发明提出的方法相比彼查兹·卡斯蒂洛瓦兹奎的方法在系统性能上有显著的改善，而且 采用联合等增益合并接收方法比最大比合并接收方法在硬件实现上会降低其复杂度。

附图说明

图1为基于本发明的方法的自由空间光通信系统框图。

其中，1、OOK调制器，2、光径选择器，3、第1个激光器，4、第2个激光器，5、第1 个检测器，6、第2个检测器，7、第Nr个检测器，8、等增益合并接收器，9、判决器，

①是反馈信道。

图2为本发明的方法与彼查兹·卡斯蒂洛瓦兹奎的方法在采用高斯脉冲OOK调制、激光 器数目为2时误比特率的比较图。

图3为本发明的软件流程图。

具体实施方式

实施例：

以发射端激光器数目为2，接收端检测器数目为Nr=2或3的MIMO自由空间光通信系统为 例来介绍本发明。系统框图如图1所示：输入数据序列经过OOK调制器进行高斯 脉冲调制，然后通过光径选择器从两个激光器中选定最优的一条光径，并通过这条最优光径 所在的激光器发射。

最优光径的获得如下：

接收端已知信道状态信息，也就是已经知道光强增益I_ij，假设接收端光电转换效率为1， 第i个激光器到Nr个（Nr=2或3）检测器经过等增益合并后的光强增益如果B₁＜B₂,根据（2）式，可知第2个激光器的光径是最优的，因此将此激光器的序号通过 一条低速的反馈信道反馈给发射端的光径选择器，由此第2个激光器被选定并激活来发射， 反之，B₁>B₂，选定第1个激光器发射。

本发明以误比特率作为衡量系统性能的指标，将本发明提出的联合等增益分集接收的发 射光径选择方法与彼查兹·卡斯蒂洛瓦兹奎的方法进行比较。比较结果如图2所示，软件仿 真流程图如图3所示。

图2中，本发明的方法在接收端检测器数目为2或3时，明显看出，本发明的方法比彼 查兹·卡斯蒂洛瓦兹奎的方法误比特率低。