超奈奎斯特速率无线光MIMO通信系统误码性能分析

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无线激光通信(Optical Wireless Communication,OWC)的传播介质是自由空间和大气。它具有频谱不受限、灵活性强、通信带宽高、安装便捷等优势,是未来实现高速率宽带无线接入的可行性方法之一。另一方面,20世纪70年代Mazo首次提出了超奈奎斯特(Faster-Than-Nyquist,FTN)速率传输的概念,突破了奈奎斯特准则,以人为设计和引入码间干扰的方式在相同带宽可以下多传输约25%的数据,且信号间的最小欧氏距离不会减小。因此,将FTN技术引入到OWC系统中可以进一步提高其频谱效率。然而OWC通信系统在信息传输过程中,由于大气的散射、吸收和大气湍流等原因,携带FTN信号的激光束会受到信道严重的影响,出现光斑漂移、光强闪烁等问题,从而降低了目前常见的单输入单输出(Single-input Single-output,SISO)OWC系统的传输可靠性。本文针对将超奈奎斯特传输技术引入OWC系统后导致的信号符号间干扰(Inter Symbol Interference,ISI)问题以及激光信号在大气信道传播时受到的大气湍流效应、微粒子折射、散射等因素的影响导致的衰落问题开展研究。主要研究内容如下:首先构建了基于脉冲振幅调制(Pulse Amplitude Modulation,PAM)的多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)无线光超奈奎斯特传输系统,给出了多天线条件下发射机与接收机的系统模型。在此基础上,推导了MIMO-FTN-OWC系统的理论误码率(Bit Error Rate,BER)。仿真分析了不同湍流信道下MIMO-FTN-OWC系统的误码性能,其结果表明,与SISO-FTN-OWC系统相比,MIMO-FTN-OWC系统能够有效减弱系统接收信号的光强起伏,抑制大气湍流造成的干扰,提高系统的误码性能。其次,考虑到实际应用中,信号角扩展较小以及天线元素间距有限等因素造成的发射信号与接收信号存在空域衰落的相关性,从而影响MIMO-FTN-OWC系统的可靠性这一问题。将空间相关性考虑进MIMO-FTN-OWC系统中,推导了相关条件下该系统在Log-normal湍流信道下的理论误码率,并通过对比独立信道以及部分相关信道和完全相关信道下的系统误码率,分析了不同相关条件对MIMO-FTN-OWC系统误码性能的影响。结果表明:MIMO-FTN-OWC系统的误码率随相关系数的增大而增大;当系统部分相关时,发送相关和接收相关在相同条件下的误码率曲线基本重合,且误码性能较两端完全相关的情况优势明显;当收发两端完全相关且相关系数较大时,系统传输性能会受到严重影响,2×4 MIMO-FTN-OWC系统的误码性能较2×2 MIMO-FTN-OWC系统更差;在相关系数较小时,系统的误码性能优于SISO-FTN-OWC系统。
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