無線光MIMO技術及空時編碼研究進展

柯熙政 楊尚君 吳加麗 孫玉歆

無線光MIMO技術及空時編碼研究進展

柯熙政1,2,3楊尚君1吳加麗1孫玉歆1

（1.西安理工大學 自動化與信息工程學院，陜西 西安 710048；2.陜西省智能協同網絡軍民共建重點實驗室，陜西 西安 710048；3.陜西理工大學 物理與電信工程學院，陜西 漢中 723001）

對前人已有的工作進行轉述與概括，其中包括作者自己的看法。多輸入多輸出（multiple input multiple output，MIMO）技術充分利用空間資源，可以抑制信道特性對光信號傳輸的影響。從提高無線光通信信道容量與頻譜利用率出發，詳細敘述了無線光MIMO在國內外的演進與發展。分類介紹了空時編碼的原理。最后歸納了無線光MIMO系統所面臨的關鍵技術問題。

無線光多輸入多輸出系統；空時編碼；研究進展

近年來人們的研究興趣越來越多集中在多輸入多輸出（multiple input multiple output，MIMO）技術及其相關的空時編碼技術上，通過多載波調制技術﹑智能天線、自適應編碼等以提高頻譜利用率[1-4]。MIMO利用空間資源以提高無線光系統容量和頻譜利用率。

1 無線激光通信

無線激光通信是以激光束作為信息傳輸的載體，能實現點對點、點對多點的通信。無線光通信無電磁干擾，可實現各種形式的組網，可傳輸多種速率的數據、語音、圖像等。無線光通信是解決“最后一公里”問題的方案之一。隨著光源和光電探測技術的發展，無線光通信得到了長足的發展[5-10]，但也面臨著挑戰，主要表現在：

1）無線光通信系統的穩定程度與系統的功率裕量密切相關[11]，大氣湍流對光信號產生衰減，其衰減幅度從0.1 dB/km到300 dB/km；

2）大氣湍流會引起光斑的隨機漂移和光強閃爍。特別是在強湍流情況下，使誤碼率升高或通信中斷，影響無線光通信系統的可靠性；

3）由于光色散等原因，光信號傳輸速率常常被限制到10 Gb/s以下；

4）窄光束使得捕獲對準跟蹤（acquisition，pointing and tracking，APT）技術存在一定的難度；

5）考慮到人眼安全使發射光功率受限。

為了抑制大氣湍流的影響，人們采用提高發射功率、大孔徑接收、自適應光學技術、信道編碼[12]、部分相干光傳輸[13]、光MIMO[14]技術等。出于對人眼安全的考慮，發射功率受到一定的限制。人們利用大孔徑接收來抑制光強起伏[15]。傳統上人們采用級聯RS碼、Turbo碼、LDPC碼[11-18]等抑制湍流的影響，但其對強湍流及濃霧的抑制能力差，人們考慮采用部分相干光能抑制湍流效應[13]。光MIMO技術是通過多個相互不相干的光束經過不同路徑到達多個接收端進行非相干疊加的一種技術[14]。光MIMO技術實現簡單、成本低、便于工程應用，但其理論和模型尚不完善，需要對其進一步研究和探索[19]。

人們常采用波分復用（wavelength division multiplexing，WDM）[15]、偏振分復用（polarization division multiplexing，PDM）[20]、成像通信[21]、MIMO[22-24]、先進調制技術[25-26]和LDPC碼、RS碼、TURBO編碼[5,12,17,22,27-29]等。相對于MIMO技術而言，其他幾種技術不能有效抑制大氣湍流。MIMO通過同時獲得分集增益獲得更高的頻譜利用率，以提高通信系統的信道容量。

APT技術能提高通信系統誤碼率性能，包含自適應光學系統[30]等。在相同條件下光MIMO較光單輸入單輸出（single input single output，SISO）系統的信道容量更高，人們將空時編碼的思想引入無線光通信以解決無線激光通信所面臨的挑戰[14]。

2 光MIMO技術的研究現狀

2.1 國外發展現狀

1960年起人們對無線光通信展開了廣泛的研究[12,31-34]。從事無線光通信研究的機構有，ESA）、通信望遠鏡實驗室（Communications telescope laboratory，CTL）、NASDA）、美國國家航空和航天局（National aeronautics and space administration，NASA）等。1995年林肯實驗室進行了高碼率的衛星通信實驗[34]。1993年美國空軍進行了地面站與激光星間傳輸實驗（Laser intersatellite transmission experiment，LITE）系統之間的半雙工光鏈路通信[32]。Astro Terra公司研制了全雙工無線光通信系統，ESA對衛星光通信的有關單元技術進行了驗證[31,33]。隨著波分多址（wavelength division multiple access，WDMA）、摻鉺光纖放大器（erbium doped fiber amplifier，EDFA）等技術的成熟，20世紀90年代無線光通信在信道容量、通信距離等方面有了較大的改善。1995年日本進行了衛星—地面之間的光通信實驗。1984年，Divsalar等[35]將編碼和調制技術引入光通信領域。后來人們將RS碼[36]、TCM碼[37]、BCH碼[38]、TURBO碼[39-40]、LDPC碼[41]、交織技術[42]、級聯碼[43-44]應用于無線光通信。

1997年，Wilson等[45]將多光束發射的概念引入到無線光通信領域，人們提出了多光束發射的概念。噴氣推進實驗室（Jet propulsion laboratory，JPL）進行了多次多光束的傳輸實驗[46-49]。1997年10月，美日聯合驗證了多光束傳輸抑制大氣湍流效應的有效性[50]。Kim等[46]進行了大氣閃爍測量實驗。文獻[51-52]給出了大氣湍流中光束傳輸的理論模型，但其實際應用尚存在困難。1996年Ibrahim等[53]研究了采用接收分集技術的無線光通信性能。2000年貝爾實驗室研制了其原型系統[54]。2002年，JPL開展了46.8 km的多光束光傳輸實驗[55]，采用空間分集接收后，JPL進行了外場試驗[56-58]。2001年，JPL和美國斯坦福大學的激光通信研究組在分集接收和光信號檢測方面進行了深入研究，并取得了較好的成果[59]。Haas等[60]針對對數正態衰減大氣信道（弱起伏湍流）模型，提出了大氣激光通信的空時編碼準則，推導了其誤碼性能極限。相干檢測需要接收機本振光頻率和發射光的頻率非常穩定，影響了其實用化進程[61-62]。文獻[63]給出了空時編碼準則和誤碼性能極限，該方法不適合直接檢測的光通信系統。

2002年，Zhu等[64-65]將射頻通信中的分集接收技術應用到無線光通信中。2003年，Simon等[66]對Alamouti碼進行改進，得到修正的Alamouti碼。Alqudah等[67]針對室內無線光信道提出一種正交空時編碼。2005年，Pan等[68]討論多光束傳輸能有效抑制大氣湍流引起的光強起伏。Wilson等[69]研究量化脈沖位置調制體制（quantized pulse position modulation system，QPPM）調制MIMO光通信的誤碼性能。Brandt-Pearce 等[70]分析了在相同的條件下采用PPM調制的誤碼性能極限。2005年，Simon等[71]提出了基于直接檢測（intensity modulation direct detection，IM/DD）的空時編碼方案。2006年，Anguita等[72]發現多光束模式均能獲得比單光束傳輸更高信噪比增益。2007年，Anguita等[73]分析了傳輸距離、湍流條件、發射器間距和接收器孔徑等對通信系統性能的影響。Navidpour等[74]推導出了收發端同時采用分集技術時的誤碼率計算公式。Cao等[75]設計了脈沖位置調制（palse position modulation，PPM）光MIMO系統，García-Zambrana分析了Simon空時分組碼在強湍流信道中誤碼性能[76]，空時分組碼能抑制大氣湍流，但以降低了復用增益為代價。

2008年，Cvijetic等[77]推導出了多光束發射-多探測接收的光通信鏈路的性能邊界；文獻[78]分析了泊松衰落信道中IM/DD的MIMO系統中斷容量，但未考慮熱噪聲IM/DD調制無線光通信MIMO系統的性能[75]。文獻[78-79]研究了不同情況下系統的性能，但未對如何采用最優傳輸機制實現MIMO傳輸的最大信道容量進行研究。Safari等[80]研究了通斷鍵控（on off key，OOK）調制重復碼和空時編碼的性能，在強湍流情況下二者的誤碼率性能非常接近，而在弱湍流的情形下前者性能優于后者。Zaidi等[81]提出了一種交叉編碼方案，采用MAC層和正交空時編碼相結合的方法。2009年Ntogari等[82]研究了室內環境下空時編碼的性能，發現空時分組碼能提高信道容量。2010年Bayaki等[83]采用兩個激光器和任意探測器接收，得到了空時編碼成對錯誤概率的封閉表達式。García-Zambrana等[84]提出了一種空時網格碼，并分析了強湍流信道誤碼性能。

2.2 國內發展現狀

1999年，西北核技術研究所研究發現多光束傳輸時比單光束傳輸光強提高了兩倍[85]。2003年，電子科技大學研究驗證了多光束傳輸抑制大氣湍流效應的特性[86-87]。2004年，國防科技大學[88-90]研究了多光束傳輸的信道模型、空時編碼等，上海光學精密機械研究所實現了基于多發射器的通信系統[91]。該系統采用了發射分集，而未采用接收分集和空時編碼。2005年，華中光電技術研究所[92]、燕山大學[93]也研究了分集技術。安徽大學[94]、北京航空航天大學[95]也有類似報道。2006年武漢大學通過仿真驗證了無線光空時編碼的性能[96]。自2007年起，西安理工大學柯熙政教授團隊展開了空時編碼的相關研究，2019年開展了多光束100公里傳輸實驗。華中科技大學[97-98]、長春理工大學[99-100]也開展了空時編碼的相關研究。

3 光MIMO系統

由于射頻通信和無線激光通信存在著差異，這使得原有MIMO技術的理論和模型與無線激光通信系統有很大差異[14]。光MIMO可以有效抑制大氣湍流效應，提高信道容量。

3.1 光MIMO系統的組成

光MIMO系統就是綜合考慮編碼、調制、分集合并，將其進行有機融合，如圖1所示。

圖1　光MIMO通信系統的組成

光MIMO將信源的數據按某種規則分組，經星座映射后得到多個調制符號。然后進行空時編碼得到相應的編碼矩陣。在接收端將光信號轉換成相應的電信號，經解碼后轉換成多路子數據流，以提高系統的信道容量和抗衰落能力[101]。

3.2 光MIMO技術的分類

3.2.1 分集技術

分集是無線通信系統中抑制衰落的基本技術[14]，能抑制信道的衰落，提高系統的可靠性[102]。分集技術從多個不同信道接收到多個信號序列，其衰落通常會呈現出某種獨立性。空間分集[14]采用多天線實現，其性能優于時間分集和頻率分集；接收分集的抗干擾能力有限，必須輔之以其他抗干擾方法[103]。時間分集[14]將時間交織和信道編碼結合，對慢衰落作用有限但對快衰落很有效。時間分集在接收端的信號中含有大量因糾錯編碼而帶來的冗余信號[103]。空間分集[14]多個天線在空間上錯開一定的距離排列，可使各個天線接收的信號互不相關[104]。

3.2.2 分集合并技術

將分集技術引入無線光通信可以有效地抑制大氣湍流產生的衰落[105]。分集技術將同一信號進行同時多路傳輸，避免所有信號同時受到大氣衰減的影響[106]。

1）等增益合并接收分集

等增益合并接收分集框圖如圖2所示，假設接收天線數目≥2個，個接收天線總接收孔徑面積為R，每個接收天線的孔徑面積為R/，且為等增益合并。假設與無分集SISO的接收孔徑面積相等。

圖2　等增益合并接收分集框圖[106]

2）發射和接收分集等增益合并

如圖3所示，假設發射天線數目≥2，接收天線數目≥2，每個發射孔徑面積為T/，發射功率是無分集單端發射單端接收系統發射功率的1/，每個接收天線面積為R/。

圖3 等增益合并發射和接收分集框圖[106]

文獻[107]證明：圖2中的單發射接收分集與圖3的空間分集中使用×個接收天線的在效果上是等價的，且功率增益也相同。

3.2.3 MIMO系統的空間復用技術

空間復用示意圖如圖4所示，各種分層空時碼都是利用空分復用的方法來提高信道容量，空間復用的接收端譯碼算法主要有迫零算法（zero forcing algorithm，ZF）、最小均方誤差算法（minimum mean square error algorithm，MMSE）、最大似然解碼算法（maximum likelihood algorithm，ML）[108]。

空間復用每個子流從不同的天線發送出去，這與分集傳輸相似，不同的是在獨立同分布瑞利信道上具有完全相同的各態歷經性[109]，但不能提供和MIMO分集相同的分集增益，需要在速率和可靠性之間進行合理折中。MIMO系統的本質是系統錯誤概率與系統數據傳輸率的折中[14]，提高空間分集增益就會使空間復用增益降低。

圖4 空間復用示意圖

BLAST算法[14]分為D-BLAST和V-BLAST算法。V-BLAST將個比特流進行編碼、映射和交織后通過在個天線處獨立發射出去，能最大限度發揮分集作用，并且所有的信息流都會被獨立檢測出來[110-113]。D-BLAST在編碼和調制方式及順序上和V-BLAST的基本上一致，只是在信號處理完后被分成不同的塊信號，這些信號塊被同時分配給不同的天線發送，因此對于一條線路傳輸不太理想時，整個信號傳輸的效果不受到太大的影響，但是系統的復雜度會相應地復雜許多[114-115]。BLAST能夠充分利用稀缺的頻譜資源，但對于下行鏈路來說卻不太可行，因為在BLAST中要求發射天線的個數小于或者等于接收天線的個數；此外，因為所有的天線發送的都是不同的信號，所以每條鏈路中的信息都是獨一無二的，當一個鏈路被破壞時，信號的完整性就得不到保證[116-117]。

4 從SISO信道到MIMO信道的演變

SISO無線信道模型是一切衍生信道的基礎，很少涉及到對空間特性的研究。MIMO信道模型區別SISO的關鍵點就是無線信道的空間特征[118]，根據空間特征，并以SISO信道向量模型為基礎，衍生出MIMO系統的矢量模型[119]。

SISO無線信道系統即單發單收天線通信系統，其信道沖激響應為

發射端為1個天線，接收端為個接收天線的信道模型稱為SIMO，根據文獻[1]，SIMO信道可被當作個SISO標量信道合并而成的，其信道的沖激響應為

其中，第個分量為

將SIMO信道與SISO信道進行對比，標量信道實現了拓展到向量信道這一思想，從而展現出系統的空間信道特征。

MISO信道采用了個發射天線和單個接收天線，將該信道視為個SISO標量信道組合而成的向量信道[120]，可得到MISO信道沖激響應為

其中，(,)表示去波方向。依據SIMO與MISO的形成思想，采用收發天線數分別為和的MIMO信道可以看作×個SISO標量信道組合而成的矩陣信道。

5 FSO-OFDM亟待解決的問題

由于射頻正交頻分復用（radio frequency orthogonal frequency division multiplexing，RF-OFDM）與無線光正交頻分復用（free space optical orthogonal frequency division multiplexing，FSO-OFDM）的區別，以及FSO技術自身存在的缺點，將其結合勢必會存在很多問題需要解決：

1）RF-OFDM和光OFDM原理相同，但存在本質差異，不能簡單地將OFDM系統模型應用于光OFDM。

2）信源編碼及信道編碼[121-124]能顯著提高通信系統的抗干擾能力。由于FSO不能直接傳輸復數形式的信號[125]，因此需要對編碼方式進行改進。

3）FSO-OFDM系統需要滿足載波同步、符號同步和樣值同步。由于OFDM信號是由多個相互正交的子載波信號疊加構成的，確保這種正交性對于OFDM系統是至關重要的。

4）由于FSO-OFDM信道會受到灰塵、雨滴、霧等粒子的散射影響，在OFDM中引入了循環保護間隔，接收端可以采用簡單的頻域均衡技術消除大氣散射引起的多徑干擾，但在頻域均衡前必須知道每個子載波上準確的信道頻率響應。

OFDM技術在無線光領域中的研究才剛剛開始，其理論和技術還不完善，迫切需要進行深入研究，以便更好地發揮各自技術的潛力。

[1]Jr Joseph C .Liberti.無線通信中的智能天線：IS-95和第3代CDMA應用[M].馬涼,等,譯北京:機械工業出版社, 2002.

[2]黃浩學,吳嗣亮.基于均勻圓陣的信號源DOA和多普勒頻率估計算法[J].電子學報.2001, 29(5):619-621.

[3]Khalighi M A, Brossier J M, Jourdain G, et al.Water Filling Capacity of Rayleigh MIMO Channels[C]. 12th IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications. 2001, A: 155-158.

[4]高杰.MIMO技術在超寬帶系統中的應用[D].西安:西安電子科技大學,2008.

[5]DJORDJEVIC I B, VASIC B, AND NEIFELD M A. LDPC Coded OFDM Over the Atmospheric Turbulence Channel [J]. Optics Express, 2007, 15(10):6336-6350.

[6]Paterson C. Atmospheric Turbulence and Orbital Ang- ular Momentum of Single Photons for Optical Communi- cation[J]. Physical Review Letters, 2005, 94(15):153901-1-4.

[7]Polishuk A, Arnon S. Optimization of A Laser Satellite Communication System with An Optical Preamplifier[J]. Journal of the Optical Society of America A, 2004, 21(7): 1307-1315.

[8]Ricklin J C, Davidson F M. Atmospheric Optical Communication with A Gaussian Schell Beam[J]. Journal of the Optical Society of America A, 2003, 20(5):856-866.

[9]Tang Y, Shieh W, Yi X W, et al. Optimum Design for RF-to-Optical Up-Converter in Coherent Optical OFDM Systems[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2007, 19 (7):483-485.

[10]王惠琴,柯熙政.基于垂直分層空時編碼的自由空間光通信[J].中國激光, 2008, 35(6):874-878.

[11]陳俊,黃德修,元秀華.基于雙模Turbo碼的自由空間光通信系統特性分析[J]. 中國激光, 2006, 33(11):1532-1536.

[12]柯熙政,殷致云.無線激光通信系統中的編碼理論[M].北京:科學出版社,2009.

[13]柯熙政,鄧莉君.無線光通信中的部分相干光傳輸理論[M],北京:科學出版社,2016.

[14]柯熙政.無線光MIMO系統中的空時編碼理論[M].北京:科學出版社,2014.

[15]柯熙政,鄧莉君.無線光通信[M].北京:科學出版社,2014.

[16]Sahuguede S, Julien-Vergonjanne A, Cances J P. Soft Decision LDPC Decoding over Chi-square Based Optical Channels[J]. Journal of Lightwave Technology, 2009, 27(16):3540-3545.

[17]Sahuguede S, Fafchamps D, Julien-Vergonjanne A, et al. LDPC Code Design and Performance Analysis on OOK Chi-Square-Based Optical Channels[J]. IEEE Photon- ics Technology Letters, 2009, 21(17):1190-1192.

[18]何小梅,李曉峰,張冬云,等.高效糾錯編碼技術在無線光通信中的性能分析[J].光子學報,2008,37(12):2427-2429.

[19]項鵬,王榮.WDM-TDM光網絡中的動態波長路由與時隙分配算法研究[J].電子與信息學報,2009,31(3):679-683.

[20]周光濤,張曉光,席麗霞,等.40Gb/s光時分復用系統中兩級偏振模色散自適應補償實驗研究[J].光學學報,2005,25 (1):15-20.

[21]潘衛清,劉立人,劉錫民.成像光通信系統及編解碼方案[J].中國激光,2006,33(2):213-220.

[22]Djordjevic I B. LDPC-coded MIMO Optical Commu- nication Over the Atmospheric Turbulence Channel Using Q-ary Pulse-position Modulation[J].Optics Express,2007,15 (16):10026-10032.

[23]Wilson S G,Brandt-Pearce M,Cao Q L, et al. Free- Space Optical MIMO Transmission with Q-ary PPM[J]. IEEE Transactions Communications,2005,53(8): 1402-1412.

[24]Awan M S, Brandl P, Leitgeb E, et al.Transmission of High Data Rate Optical Signals in Fog and Snow Conditions [C]. International Conference on Wireless Com- munication, 2009: 702-706.

[25]Feng B, Fan G, Min Y. Dynamic probabilistic packet marking based on PPM[C]. Proceedings of the 2009 2nd Pacific-Asia Conference on Web Mining and Web-Based Application, 2009: 289-292.

[26]Javornik T, Jelov?an I, Muhammad S S, et al. Simplified Soft Value Extraction for M-PPM-modulated Signals in FSO systems[J]. International Journal of Electro- nics and Communications, 2009, 63: 595-599.

[27]Huang J F, Yang C C, Huang C M. On Analyzing Quasi-Cyclic LDPC Codes Over Modified Welch–Costas- Coded Optical CDMA System [J]. Journal of Lightwave Technology, 2009, 27(12): 2150-2158.

[28]Kiasaleh K. Turbo-Coded Optical PPM Communi- cation Systems[J]. Journal of Lightwave Technology, 1998, 16(1):18-26.

[29]Kim J Y, Poor H V. Turbo-Coded Optical Direct- Detection CDMA System with PPM Modulation [J]. Journal of Lightwave Technology, 2001, 19(3):312-323.

[30]劉丹平.空間光通信中高精度對準信息獲取方法研究[D]. 成都:電子科技大學, 2005.

[31]Laurent B, Planche G. SILEX Overview after Flight Terminals Campaigh[C]. Proceedings of SPIE - The Intern- ational Society for Optical Engineering, 1997, 2990: 10-22.

[32]Fenner W R. Future Trends in Crosslink communications [C]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 1993, 1866:1-8.

[33]Oppenhauser G. SILEX Program Status-a Major Milestone is Reached[C]. Proceedings of SPIE - The Interna- tional Society for Optical Engineering, 1997, 2990:2-9.

[34]Bondurant R S, Boroson D M. Overview of Lasercom Program at Lincoln Laboratory[C]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 1995, 2381:2-3.

[35]Divsalar D, Gagliardi R M, Yuen J H. PPM Performance for Rees-solomon Decoding Over an Optical- RF Relay Link[J]. IEEE Transactions on Communications, 1984, 32(3):302-305.

[36]Koh Y T, Davidson F. Interleaved Concatenated Coding for the Turbulent Atmospheric Direct Detection Optical Communication Channel[J]. IEEE Transactions on Communications, 1989, 37(6):648-651.

[37]Park H, Barry J R. Trellis-Coded Multiple-Pulse- Position Modulation for Wireless Infrared Communications [J]. IEEE Transactions on Communications, 2004, 52(4): 643-651.

[38]Seki K, ,Mikami K, Katayama A, et al. Single-chip FEC Codec Using a Concatenated BCH Code for 10 Gb/s Long-Haul Optical Transmission Systems[C]. IEEE Custom Integrated Circuits Conference, 2003: 279-282.

[39]Cai Y, Morris J M, Adali T, et al. On Turbo Code Decoder Performance in Optical-Fiber Communication Systems With Dominating ASE Noise [J]. Journal of Lightwave Technology, 2003, 21(3):727-734.

[40]Chitra K, Ravichandran V C. Turbo-coding of Coherence Multiplexed Optical PPM CDMA System with Balanced Detection[J]. American Journal of Applied Scien- ces, 2007, 4(5):264-268.

[41]Sahuguede S, Fafchamps D, Julien-Vergonjanne A, et al. LDPC Code Design and Performance Analysis on OOK Chi-Square-Based Optical Channels [J]. IEEE Photo- nics Technology Letters, 2009, 21(17):1190-1192.

[42]Davidson F M, Koh Y T. Interleaved Convolution Coding for the Turbulent Atmospheric Optical Communi- cation Channel[J]. IEEE Transactions on Comm- unications, 1988, 36(9): 993-1003.

[43]Magarini M, Essiambre R J, Basch B E, et al. Concatenated Coded Modulation for Optical Communications Systems[J]. IEEE photonics technology letters, 2010, 22(16): 1244-1246.

[44]Djordjevic I B, Xu L, Wang T. Reverse Concatenated Coded Modulation for High-Speed Optical Communication [J]. IEEE Photonics Journal, 2010, 2(6): 1034-1039.

[45]Wilson K E, Leatherman P R, Cleis R, et al. Res- ults of the Compensated Earth-Moon-Earth Retro-reflector Laser Link (CEMERLL) experiment[R]. TDA Progress Report 42-131, 1997:1-13.

[46]Kim I. I, Hakakha H, Adhikari P, et al. Scintillation Reduction Using Multiple Transmitters[C]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 1997, 2990:102-113.

[47]Kim I I, Woodbridge E, Chan V, et al. Scintillation Measurements Performed During the Limited-visibility Lasercom Experiment[C]. Proceedings of SPIE - The Intern- ational Society for Optical Engineering, 1998, 3266: 209- 220.

[48]Kim I I, Mitchell M, Korevaar E. Measurement of Scintillation for Free Space Laser Communication at 785nm and 155 nm[C]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 1999, 3266:49-62.

[49]Kim I I, Koontz J, Hakakha H, et al. Measurement of Scintillation and Link Margin for the Terralink Laser Communication System[C]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 1998, 3232: 100-118.

[50]Wilson K E, Jeganathan M, Lesh J R, et al. Results from Phase-l and Phase-2 GOLD Experiments[R]. TDA Progress Report 42-128. 1997:1-13.

[51]Strohbehn J W. Laser Beam Propagation in the Atmosphere[M].Berlin,Heidelberg:Springer Berlin Heidelberg, 1978.

[52]Tatarskii V I. Wave Propagation in a Turbulent Medium [M]. New York: McGraw, 1961.

[53]Ibrahim M M, Ibrahim A M. Performance Analysis of Optical Receivers with Space Diversity Reception[J]. IEEE Proceedings - Communications, 1996, 143(6):369-372.

[54]Nykolak G, Szajowski P F, Cashion A, et al. A 40Gbps DWDM Free Space Optical Transmission Link Over 4.4 km[C]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2000, 3932:16-20.

[55]Biswas A, Wright M W. Mountain-Top-to-Mountain-Top Optical Link Demonstration[R]. Part I. IPN Progress Report, 2002: 42-149.

[56]Vilnrotter V, Lau C W, Andrews K, et al. Real-time Combining of Optical Array Signals[C]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2006, 6105:610508-1-11.

[57]Vilnrotter V A, Lau C W, Andrews K, et al. Two-element Optical Array Receiver Concept Demonstr- ation[C]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2005, 5712:225-239.

[58]Vilnrotter V, Lau C W, Srinivasan M, et al. Optical Array Receiver for Communication Through Atmos- pheric Turbulence[J]. Journal of Lightwave Technology, 2005, 23(4):1664-1675.

[59]Vilnrotter V, Srinivasan M. Optical Communicat- ions through Atmospheric Turbulence Using Photodetector Arrays[C]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2001, 4272:282-292.

[60]Haas S M, Shapiro J H. Capacity of Wireless Optical Communications [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2001, 21(8):1346-1357.

[61]馬東堂,魏急波,莊釗文.空間激光通信及應用[J]. 半導體光電, 2003, 24(2): 139-144.

[62]柯熙政,吳加麗.無線光相干通信原理及應用[M],北京:科學出版社,2019.

[63]Haas S M, Shapiro J H, Tarokh V. Space-Time Codes for Wireless Optical Channels[C]. IEEE International Symposium on Information theory, 2001: 244.

[64]Zhu X M, Kahn J M, Wang J. Mitigation of Turbulence-Induced Scintillation Noise in Free-Space Optical Links Using Temporal-Domain Detection Techniq- ues [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2003, 15(4): 623-625.

[65]Zhu X M, Kahn J M. Free-Space Optical Communication Through Atmospheric Turbulence Channels [J]. IEEE Transactions on Communications, 2002, 50(8): 1293-1300.

[66]Simon M K, Vilnrotter V A. Alamouti-Type Space–Time Coding for Free-Space Optical Communication With Direct Detection [J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2005, 4(1):35-39.

[67]Alqudah Y A, Kavehrad M. Orthogonal Spatial Coding in Indoor Wireless Optical Link Reducing Power and Bandwidth Requirements[C]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2003, 5285: 237-245.

[68]Pan F, Ma J, Tan L Y, et al. Scintillation characterization of multiple transmitters for ground-tosatellite laser communi- cation[C]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2005, 5640:448-454.

[69]Wilson S G , Brandt-Pearce M , Cao Q , et al. Optical MIMO Transmission Using Q-ary PPM for Atmo- spheric Channels[C]. IEEE Conference on Signals, Systems & Computers, 2003: 1090-1094.

[70]Brandt-Pearce M, Wilson S, Cao Q L, et al. Code Design for Optical MIMO Systems Over Fading Channels [C]. Proceedings of the 38th Asilomar conference on signals, systems & computers 2004: 871-875.

[71]Simon M K, Vilnrotter V A. Alamouti-type Space- time Coding for Free-space Optical Communication with Direct Detection[J]. IEEE Transactions on Wireless Comm- unications, 2005, 3(1):35-39.

[72]Anguita J A, Neifeld M A, Vasic B V. Multi-Beam Space-Time Coded Systems for Optical Atmospheric Channels[C]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2006, 6304: 63041B-1-9.

[73]Anguita J A, Neifeld M A, Vasic B V. Spatial Correlation and Irradiance Statistics in A Multiple-beam Terrestrial Free-space Optical Communication Link [J]. Applied Optics, 2007, 46(26): 6561-6571.

[74]Navidpour S M, Uysal M, and Kavehrad M. BER Performance of Free-Space Optical Transmission with Spatial Diversity [J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2007, 6(8): 2813-2819.

[75]Cao Q, Brandt-Pearce M, Wilson S G. Free Space Optical MIMO System Using PPM Modulation and a Single Optical Amplifier[C]. International Conference on Communications & Networking in China. IEEE, 2007.

[76]García-Zambrana A. Error Rate Performance for STBC in Free-space Optical Communications through Strong Atmospheric Turbulence[J]. IEEE Communications Letters, 2007, 11(5):390-392.

[77]Cvijetic N, Wilson S G, Brandt-Pearce M. Performance Bounds for Free-Space Optical MIMO Systems with APD Receivers in Atmospheric Turbulence[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2008, 26(3):3-12.

[78]Chakraborty K, Dey S, Franceschetti M. Outage Capacity of MIMO Poisson Fading Channels [J]. IEEE transactions on information theory, 2008, 54(11):4887-4907.

[79]Letzepis N, Holland I, Cowley W. The Gaussian Free Space Optical MIMO Channel with Q-ary Pluse Position Modulation[J]. IEEE Transactions on Wireless Communica- tions, 2008, 7(5): 1744-1753.

[80]Safari M, Uysal M. Do We Really Need OSTBCs for Free-space Optical Communication with Direct Detection [J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2008, 7(11):4445-4448.

[81]Zaidi S R, Hafeez M. Cross Layer Design for Orthogonal Space Time block Coded Optical MIMO Systems[C]. Ifip International Conference on Wireless & Optical Communications Networks, 2008.

[82]Ntogari G, Kamalakis T, Sphicopoulos T. Performance Analysis of Space Time Block Coding Techniques for Indoor Optical Wireless Systems[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2009, 27(9):1545-1552.

[83]Bayaki E, Schober R. On Space-time Coding for Free-space Optical Systems[J]. IEEE Transactions on Communications, 2010, 58(1):58-62.

[84]García-Zambrana A, Castillo-Vázquez C, and Castillo-Vázquez B. Space-time Trellis Coding with Transmit Laser Selection for FSO Links over Strong Atmospheric Turbulence Channels[J]. Optics Express, 2010, 18(6): 5356-5366.

[85]強希文,王鐵良,吳乃清.多光束激光大氣傳輸[J].光電子技術,1999,19(3):167-172.

[86]劉維慧,吳健.大氣信道間距與光束數目對光強起伏的影響[J].光學與光電技術,2003,1(4): 15-17.

[87]劉維慧,吳健. 多束部分相干光通過強湍流對光強閃爍的影響[J].光電工程,2004,31(4):5-8.

[88]馬東堂. 大氣激光通信中的多光束發射和接收技術研究[D].長沙:國防科學技術大學,2004.

[89]馬東堂,華衛令,魏急波.多光束大氣激光通信中激光光源的溫度場分析[J].光電子激光,2004,15(12):1449-1451.

[90]馬東堂,魏急波,莊釗文.大氣激光通信中多光束傳輸性能分析和信道建模[J].光學學報,2004,24(8):1020-1024.

[91]陳剛,董作人,耿健新,等.155/ 622 Mb/s多發射器激光通信系統[J].中國激光,2004,31(5):583-587.

[92]鄧代竹,郭華福.多發射機在大氣激光通信中的應用[J].光學與光電技術,2005,3(4):13-15.

[93]吳長奇,潘繼敏,于榮金.大氣光通信中應用最優選擇分集[J].紅外與激光工程,2005,34(1):114-126.

[94]何健,胡艷軍.基于SVD算法的無線光MIMO系統的性能分析[J].安徽大學學報(自然科學版),2007,31(3):34-37.

[95]鄭錚,李寧.激光通信中分集檢測技術[J].北京航空航天大學學報,2008,34(3):280-284.

[96]Tian Z R, Zhou H B. Structure and Performance of Space-Time Block Code[C] International Conference on Wireless Communications, Networking and Mobile Compu- ting,2006.

[97]陳建文.激光大氣傳輸的信道及性能研究[D].武漢:華中科技大學,2007.

[98]鄧天平.自由空間光通信系統關鍵技術研究[D].武漢:華中科技大學,2007.

[99]張洪亮. 大氣激光通信中基于發射分集的空時編碼的研究[D].長春:長春理工大學,2008.

[100]陳純毅.無線光通信中的大氣影響機理及抑制技術研究[D].長春:長春理工大學,2009.

[101]王惠琴,柯熙政. MIMO大氣激光通信及其關鍵技術[J].激光雜志,2008,29(3):52-54.

[102]Simon M K, Alouini M S. Digital Communication over Fading Channels: A Unified Approach to Performance Analysis [M].John Wiley&Sons, 2000:31-97.

[103]Naguib A F, Calderbank R. Space-Time Coding and Signal Processing for High Data Rate Wireless Communications[M]. Springer US, 2002.

[104]趙亞男,張祿林,吳偉陵.MIMO技術的發展與應用[J].電訊技術.2005(1): 7-11.

[105]任立剛,宋梅,郗松楠,等.移動通信中的MIMO技術[J].現代電信科技,2004(1):42-45.

[106]張賢達,保錚.通信信號處理[M].北京:國防工業出版社, 2000.

[107]Gesbert D, Akhtar J. Breaking the Barriers of Shannon's Capacity: An Overview of MIMO Wireless System[J]. Telenor’s Journal: Telektronikk . 2002:1-9.

[108]Telatar E. Capacity of Multi-antenna Gaussian Channels[J]. European Transactions on Telecommunications, 1999, 10(6):585-595.

[109]Branka Vucetic, Jinhong yuan.空時編碼技術[M].王曉海,等,譯.北京:機械工業出版社,2004,1:80-129.

[110]Alamouti S M. A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 1998, 16(8):1451-1458.

[111]Koike-Akino T, Popovski P, Tarokh V. Optim- ized Constellations for Two-way Wireless Relaying With Physical Network Coding[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2009, 27(5):773-787.

[112]Tarokh V, Jafarkhani H, Calderbank A R. Space-time Block Codes from Orthogonal Designs[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 1999, 45(5):1456- 1467.

[113]Larsson E G, Stoica P. Space-time Block Coding for Wireless Communications [M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2003.

[114]Foschini G J. Layered Space-time Architecture for Wireless Communication in A Fading Environment When Using Multi-element Antennas[J]. Bell Labs Technical Journal, 1996, 1(2):41-59.

[115]Foschini G J, Chizhik D, Gans M J, et al. Analysis and Performance of Some Basic Space-Time Architectures [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 2003, 21(3):303-320.

[116]楊曦.MIMO空時編碼技術比較研究[J].信息技術, 2008(6):103-105.

[117]Tarokh V, Seshadri N, Calderbank A R. Space-time Codes for High Data Rate Wireless Communication: Performance Criterion and Code Construction [J]. IEEE Transactions Information Theory, 1998, 44(2): 744-765.

[118]陳剛,蔡燕民,陳高庭,等.空間激光通信技術若干問題的討論[J].紅外與激光工程,2000,29(3): 44-48.

[119]Mecherle G S, Henderson R J. Homodyne PSK Receivers with Laser Diode Sources[C]. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, 1991, 1417:99-107.

[120]黃浩學, 吳嗣亮. 基于均勻圓陣的信號源DOA和多普勒頻率估計算法[J].電子學報,2001,29(5):619-621.

[121]趙黎.大氣激光通信DPPM調制解調研究[D].西安:西安理工大學.2006

[122]安亞青,李文田,無線光通信技術與應用分析[J],電力系統通信,2005,26(150),4-6

[123]陳淑英,韓玉寧.無線光通信技術綜述[J].廣西通信技術, 2001,(1),39-41

[124]許琳莉,MIMO信道建模研究[D],南京:南京理工大學, 2009.

[125]劉鑫,MIMO中的空時編碼技術[D],上海:上海交通大學, 2006.

TN929.12

A

1673-2219（2021）05-0025-08

2020-08-07

陜西省科研計劃項目（18JK0341）；西安市科技創新引導項目（201805030YD8CG14 (12)）；陜西省重點產業創新項目（2017ZDCXL-GY-06-01）。

柯熙政（1962－），男，陜西臨潼人，博士，教授，研究方向為無線光通信。

楊尚君（1991－），男，河南開封人，博士研究生，研究方向為無線光通信。吳加麗（1994－），女，陜西興平人，博士研究生，研究方向為無線光通信。孫玉歆（2000－），女，陜西西安人，西安理工大學2017級通信工程專業學生，研究方向為無線光通信。

（責任編校：宮彥軍）