CN107026683A - 一种基于空间分集自适应的mimo‑fso*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于空间分集自适应的MIMO‑FSO***，包括：发射端、接收端、自适应控制单元以及反馈链路单元；其中，发射端采用N条发射天线进行信息的发送，而接收端采用M条发射天线进行信息的接收；在接收端和发射端都设置有反馈链路和信道估计单元，反馈链路采用RF通信链路；自适应控制单元位于发射端，用于使得发射端可以根据反馈链路所得到的信道状态信息自适应的调节发射功率大小、信道编码长度和调制方式。采用本发明的技术方案，解决自由空间光通信***在大气信道中性能较差，以及资源利用低的问题。

Description

一种基于空间分集自适应的MIMO-FSO***

技术领域

本发明属于无线光通信(FSO)领域，尤其涉及一种基于空间分集自适应的MIMO-FSO***。

背景技术

随着科技的发展，社会的进步，人们已经进入了信息时代，对于高速便捷的互联网需求与日俱增。而采用激光作为光源的自由空间光通信***以其保密性好、容量大、灵活性高等特点成为新时代无线通信领域研究的热点。虽然自由空间光通信被人们广泛关注，但其还存在一些急需解决的问题①传输速率受限，传输距离受限。②大气信道干扰误码率高。为了提高FSO的应用性和可靠性，必须采取克制大气效应的传输技术。

1、自适应传输技术

自适应传输技术是指***根据当前获取的信道信息，自适应地调整***传输参数，通过采用自适应传输技术可以很好的提高数据传输速率和频谱利用率；通常自适应传输技术包括自适应调制和编码技术，功率控制技术等。

自适应调节技术前提是发射端需要得到信道状态信息，这可以通过反馈链路给出。自适应调节的目的是最大化利用***已有的资源，从数学模型角度上说是一种给定优化目标和约束条件的最优化问题。

2、多输入多输出(MIMO)技术

多输入多输出(MIMO)就如字面意思是一种多发射端多接收端的传输技术，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高***信道容量，对于改善通信质量具有很好的优势。

MIMO技术大致可以分为两类：空间分集和空间复用。空间分集是指利用多发射端将具有相同信息的信号通过不同路径发送出去，同时在接收端获得同一数据符号的多个独立衰落信号，从而获得分集提高的接受可靠性。空间复用则不同，在发射端将具有不同信号通过不同路径发送出去，在接收端获得不同数据符号的独立衰落信号，从而在不增加带宽和发送功率的情况下，可以有效提高频率利用率。

在基于空间分集的MIMO-FSO***中，发射功率和调制格式的大小以及编码长度都是固定不变的，因此为了保证***的可靠性，必须以信道质量最差为基础设计MIMO-FSO***的发射功率大小和调制格式大小以及编码方式。这样势必会造成***资源的浪费，因为在晴朗的天气下，信道质量非常好，但是***参数都是以信道质量最差为基准设计的，因此会造成***性能无法达到最优化。

在基于空间分集的MIMO-FSO***中，大多数情况都是根据奇异值分解(SVD)来设计MIM0***自适应方案.在这类算法中，MIMO***需要获得精确的信道状态信息矩阵并对其进行复杂度较高的SVD分解得到各等价子信道的奇异值，发射端再据此自适应的分配各发射天线功率和选择各天线编码及调制方式，并对每一时隙的调制符号矢量进行线性预变换，再分解为各路数据送入各发射天线。虽然该算法具有最优的***平均频谱利用率性能，但由于SVD分解的计算复杂度过高，且线性预变换会增加发射端的硬件实现复杂度，且该方法会受到反馈链路质量的极大影响，因此不适于实际应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种基于空间分集自适应的MIMO-FSO***，解决自由空间光通信***在大气信道中性能较差，以及资源利用低的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案：

一种基于空间分集自适应的MIMO-FSO***，包括：发射端、接收端、自适应控制单元以及反馈链路单元；其中，发射端采用N条发射天线进行信息的发送，而接收端采用M条发射天线进行信息的接收；在接收端和发射端都设置有反馈链路和信道估计单元，反馈链路采用RF通信链路；自适应控制单元位于发射端，用于使得发射端可以根据反馈链路所得到的信道状态信息自适应的调节发射功率大小、信道编码长度和调制方式。

作为优选，自适应单元，用于当通过反馈链路获得的信道参数h，经过信号处理单元分别输出三路信号标，分别为S₀信号，S₁信号，S₂信号；所述这三路控制信号都是关于信道状态信息参数h的函数；当大气湍流强弱不同时，根据RF反馈信道得到大气湍流强度的状态信息h，可以自适应调节调制方式以及编码方式和激光器光功率。

作为优选，自适应单元调制过程包括以下步骤：

1、预先设定***的性能约束条件，即中断概率最大值为PO,***能容忍的最大误码率为P_th，根据求出当***发生中断时所对应的信道状态参数ε；

2、接收端根据最大功率接收策略对多个接收天线的信号进行数字处理，将一部分信息送到反馈信号处理单元并将信道估计的结果以RF信号的形式发送到接收端；

3、接收端的决策器接收到反馈链路的信道状态信息值h，首先将h与ε对比，若h<ε，则进行第4步，反之进行第5步；

4、保持发射功率不变，根据h的大小判断当前湍流强度的大小，并根据不同强度湍流的信道状态选择对应的调制格式和编码方式，重复第3步，

5、在保持发射功率不超过安全的功率峰值时，增加20％的发射功率，不改变调制格式和编码方式，重复第3步；

6、反馈链路的持续工作，使***不断的进行自适应调节参数。

附图说明

图1为基于多输入多输出的自由空间光通信自适应传输***；

图2为自适应传输控制单元示意图；

图3为自适应传输算法的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种基于空间分集自适应的MIMO-FSO***，由发射端、接收端、自适应控制单元以及反馈链路单元四部分组成。结合传统自由空间光通信***的结构组成，基于多输入多输出的自适应传输自由空间光通信的组成结构如图1所示，该***中自适应控制单元位于发射端，且主要控制的是发射端的发射功率、信道编码长度、调制格式这三个发射参数。发射端采用N条发射天线进行信息的发送，而接收端采用M条发射天线进行信息的接收，N和M的值可以相同也可以不同。在接收端和发射端都设置有反馈链路和信道估计单元，反馈链路采用RF通信链路。在采用空间分集技术的MIMO-FSO***中，引入自适应控制单元，使得发射端可以根据反馈链路所得到的信道状态信息自适应的调节发射功率大小、信道编码长度和调制方式，从而使得***的可靠性更高，而且在保证通信质量的同时增加频谱利用率和编码速率，减少平均发射功率，进而使得***更加高效。自适应控制单元的主要结构设计示意图如图2所示。当通过反馈链路获得的信道参数h，经过信号处理单元分别输出三路信号标，分别为S₀信号，S₁信号，S₂信号。这三路控制信号分别控制调制方式不、编码方式以及激光器发射功率大小。这三路控制信号都是关于信道状态信息参数h的函数。当大气湍流强弱不同时，根据RF反馈信道得到大气湍流强度的状态信息h，就可以自适应调节调制方式以及编码方式和激光器光功率。其中自适应调制策略的主要方法步骤为：

1.对***的通信性能指标进行条件约束；如***性能约束参数选择中断概率，即当误码率P_b大于一个特定值P_th时***通信中端的概率。中断概率表达式为P_out＝P{P_b＞P_th}因此可以通过最大的误码率P_b确定一个***可以接收的最低信噪比SNR；为了保持***的可靠通信，中断概率必须小于我们预先定义的***中断概率的值。

2.根据反馈链路信息采用最小二乘法(LS)的信道估计方法获取信道状态信息h；接收部分采用的是多个天线接收，因此在接收端的反馈决策单元中需对多个天线的接收信号进行整合，采用最大增益接收原则，获取接收端的信噪比，从而根据大气信道的数学模型进行信道状态信息估计；因此h可以表示湍流强度大小。

3.根据反馈所得的信道状态信息自动调整调制格式方式、发射功率大小以及信道编码长度。

为简化且明确的描述具体的调制步骤，本发明采用启发式推理算法，当不采用自适应调制方案传输时，固定的发射功率和固定的调制格式大小都必须要满足在最差情况下的信道参数。然而，当采用自适应调制方案时，调制格式的大小、编码方式是根据信道条件参数变化的，因此我们可以将信道参数分成几段表示例如ε＝h_max≤h_max-1≤…≤h₂≤h₁＝+∞，则对应的M值也可以分段选取，例如：

发射功率P_t是关于信道状态参数h和调制格式M的函数。很明显若要保证可靠通信，接收端接收到的信噪比达到***约束的最小值即γhP_t＝SNR_min，则发射功率P_t需要尽可能取较大的值，而且还要低于发射功率限制的最大值。因此我们定义当h值极小时，我们假定发射功率P_t为零，即可得

这里可知发射功率P_t为信道状态参数h和调制格式大小M的函数，而且当h＜ε时***发生中断，因此可以得出中断概率表达式为：

当我们规定***的最高误码率为P_th，且对应的最大中断概率为PO，则我们可以根据P_out＝PO得出ε在通信发生中断时所对应的值。进而依据反馈链路确定信道参数h的值与ε的大小关系，就可以根据h值进行调制格式M的大小选择以及编码方式的选择和发射功率的调节，如表格1给出。

表1不同湍流强度下不同调制格式的误码率关系图

上面表格描述了在不同湍流强度下选择不同调制方式的误码率大小对比。针对编码方式的自动调节则需要参考下表则给出不同湍流强度下不同编码方式的误码率对比。

表2不同湍流强度下不同编码方式的误码率关系图

编码方式	无湍流情况下	湍流强度为弱湍流σ0 2＝0.1	湍流强度中等湍流σ0 2＝0.2
				无编码	＜10-9	＜3.6×10-5	＜4.8×10-4
RS(15,13)	≤10-9	＜10-9	＜8×10-6
				RS(15,9)	≤10-9	≤10-9	＜10-9

从上述两表中我们可以看出当我们通过反馈链路经过信道估计得出大气信道参数h，从而可以得出该信道的湍流强度大小，从而可以进行编码方式和调制格式的选择，当确定M的取值，则根据公式M_s/(γP_m)≤ε求得发射功率的大小。其中ε为误码率达到最大值，而且为***中断时信道参数的值，SNR_min为保证可靠通信所需的最小信噪比，γ表示采用MPPM调制格式时所对应的信噪比系数。因此完成整个自适应传输的过程如下：

1.多个接收天线依据最大增益合并，进行信道估计得出信道状态信息h；

2.根据得出的h大小确定湍流强度大小范围，从而选择合适的编码方式和调制格式的大小。

3.根据信道状态h和调制格式M依据公式2选择平均功率最小的功率值。

为了更好的说明本发明，以下参照附图3，对本发明的具体实施作进一步详细的描述：

1.预先设定***的性能约束条件，即中断概率最大值为PO,***能容忍的最大误码率为P_th，根据求出当***发生中断时所对应的信道状态参数ε。

2.接收端根据最大功率接收策略对多个接收天线的信号进行数字处理，将一部分信息送到反馈信号处理单元并将信道估计的结果以RF信号的形式发送到接收端。

3.接收端的决策器接收到反馈链路的信道状态信息值h，首先将h与ε对比，若h<ε，则进行第4步，反之进行第5步。

4.保持发射功率不变，根据h的大小判断当前湍流强度的大小，并根据不同强度湍流的信道状态选择对应的调制格式和编码方式。重复第3步。

5.在保持发射功率不超过安全的功率峰值时，增加20％的发射功率，不改变调制格式和编码方式，重复第3步。

6.反馈链路的持续工作，可以使***不断的进行自适应调节参数。

以上对本发明进行了详细的说明，但本发明的具体实现形式并不局限于此。对于本技术领域的一般技术人员来说，在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于空间分集自适应的MIMO-FSO***，其特征在于，包括：发射端、接收端、自适应控制单元以及反馈链路单元；其中，发射端采用N条发射天线进行信息的发送，而接收端采用M条发射天线进行信息的接收；在接收端和发射端都设置有反馈链路和信道估计单元，反馈链路采用RF通信链路；自适应控制单元位于发射端，用于使得发射端可以根据反馈链路所得到的信道状态信息自适应的调节发射功率大小、信道编码长度和调制方式。

2.如权利要求1所述的基于空间分集自适应的MIMO-FSO***，其特征在于，自适应单元，用于当通过反馈链路获得的信道参数h，经过信号处理单元分别输出三路信号标，分别为S₀信号，S₁信号，S₂信号；所述这三路控制信号都是关于信道状态信息参数h的函数；当大气湍流强弱不同时，根据RF反馈信道得到大气湍流强度的状态信息h，可以自适应调节调制方式以及编码方式和激光器光功率。

3.如权利要求1所述的基于空间分集自适应的MIMO-FSO***，其特征在于，自适应单元调制过程包括以下步骤：

1、预先设定***的性能约束条件，即中断概率最大值为PO,***能容忍的最大误码率为P_th，根据求出当***发生中断时所对应的信道状态参数ε；

2、接收端根据最大功率接收策略对多个接收天线的信号进行数字处理，将一部分信息送到反馈信号处理单元并将信道估计的结果以RF信号的形式发送到接收端；

3、接收端的决策器接收到反馈链路的信道状态信息值h，首先将h与ε对比，若h<ε，则进行第4步，反之进行第5步；

4、保持发射功率不变，根据h的大小判断当前湍流强度的大小，并根据不同强度湍流的信道状态选择对应的调制格式和编码方式，重复第3步，

5、在保持发射功率不超过安全的功率峰值时，增加20％的发射功率，不改变调制格式和编码方式，重复第3步；

6、反馈链路的持续工作，使***不断的进行自适应调节参数。