專利名稱：一種多輸入多輸出的光通信系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多輸入多輸出(MIMO)光通信系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法，包括光纖信道及自由空間信道條件下的MIMO光通信系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
無線通信中，多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)利用多發(fā)射和多接收天線來實(shí)現(xiàn)空分復(fù)用，在有限的頻譜資源和不增加發(fā)射功率的前提下，以較小的系統(tǒng)復(fù)雜度換取通信速率的線性提升。MIMO技術(shù)實(shí)質(zhì)上是利用空間資源的信號處理技術(shù)，包括空間復(fù)用技術(shù)和發(fā)射分集技術(shù)。其基本原理在于經(jīng)歷不同衰落的多徑信號僅僅是部分相關(guān)的，為獲得良好的分集性能，要求分集支路之間的相關(guān)性盡可能小。MIMO技術(shù)利用了無線信道多徑傳播的固有特性。無線通信中，在發(fā)送端與接收端同時(shí)采用多天線系統(tǒng)，能夠提供空間分集、極化分集和角度分集、陣列分集、編碼分集等。但由于空間的限制，多天線系統(tǒng)勢必造成信號空域相關(guān)性，天線單元互耦以及通道的互耦，這都將影響MIMO系統(tǒng)性能。光纖通信中，波分復(fù)用、偏振復(fù)用和高階調(diào)制等技術(shù)的使用，使得光纖的傳輸容量已經(jīng)接近其香農(nóng)極限?？辗謴?fù)用是解決該問題的方法之一。多模光纖中的多模傳輸和模間耦合類似于無線通信中的多徑和散射環(huán)境，可以利用其多種模式并行承載待傳送數(shù)據(jù)，接收端將各個(gè)傳輸模式分開實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)。波分復(fù)用、偏振復(fù)用、模式復(fù)用分別利用了光載波及光纖的某一自由度進(jìn)行復(fù)用， 但在光發(fā)射端需要精確控制光載波的波長、偏振態(tài)、及入射光纖的傳輸模式，在光接收端需采用復(fù)雜的解復(fù)用器將波長、偏振態(tài)、及傳輸模式分離開來以恢復(fù)傳輸數(shù)據(jù)。上述復(fù)用方式在恢復(fù)數(shù)據(jù)時(shí)實(shí)際上已通過解復(fù)用將各傳輸信道分離，在各探測器上轉(zhuǎn)換的是各發(fā)射信道的信息，而不是多個(gè)信道傳輸耦合后的信息，這一點(diǎn)與無線MIMO技術(shù)實(shí)質(zhì)有很大差別。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是光通信提供一種簡單可行的多輸入多輸出調(diào)制實(shí)現(xiàn)手段，同時(shí)提供光纖信道及自由空間信道條件下的MIMO光通信系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思是采用具有光譜差異的多個(gè)光源及具有光譜響應(yīng)特性差異的多個(gè)光探測器構(gòu)建光通信系統(tǒng)，光源光譜的差異及光探測器的光譜響應(yīng)差異使得各發(fā)射機(jī)光源到各接收機(jī)光電探測器的信道沖擊響應(yīng)彼此不相關(guān)，由此可得到多輸入多輸出系統(tǒng)的信道傳輸矩陣，根據(jù)MIMO解調(diào)原理恢復(fù)原始傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)集中式的多輸入多輸出光通
fn °本發(fā)明具體技術(shù)方案如下一種多輸入多輸出的光通信系統(tǒng)，其特征在于，光發(fā)射機(jī)端，光發(fā)射機(jī)采用復(fù)數(shù)個(gè)光源構(gòu)成光學(xué)天線發(fā)射陣，所述光源相互之間具有不同的光譜特性，光接收機(jī)端，采用復(fù)數(shù)個(gè)光電探測器構(gòu)成多光學(xué)天線多通道接收機(jī)，光電探測器相互之間具有不同的光譜響應(yīng)特性；所述光發(fā)射機(jī)的復(fù)數(shù)個(gè)光源與光接收機(jī)的復(fù)數(shù)個(gè)光電探測器之間，滿足信道沖擊響應(yīng)所獲得的信道傳輸矩陣可求逆。這樣，光接收機(jī)端不需要波分復(fù)用和解復(fù)用器，接收光經(jīng)功分器分成多路供多個(gè)光探測器進(jìn)行并行光電轉(zhuǎn)換，結(jié)合通過訓(xùn)導(dǎo)序列所獲得的信道矩陣進(jìn)行數(shù)據(jù)處理恢復(fù)傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)。所述復(fù)數(shù)個(gè)光源可以較大距離分散分布，也可集中布置；所述復(fù)數(shù)個(gè)探測器可分散布置，也可集中布置。所述光發(fā)射機(jī)端調(diào)制的多路光經(jīng)耦合器耦合到一根光纖中，其后在光纖中或后續(xù)的自由空間傳輸。或者，所述光發(fā)射機(jī)端調(diào)制的多路光直接出射并經(jīng)自由空間多徑傳輸。所述光源為激光器，或發(fā)光二極管，其光譜為窄光譜或?qū)捁庾V，各光源光譜之間至少部分不相互重疊。所述光電探測器的光譜響應(yīng)特性至少部分不相互重疊。本發(fā)明還提出了上述多輸入多輸出的光通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，包括以下步驟所述光發(fā)射機(jī)端多組信息對復(fù)數(shù)個(gè)光源進(jìn)行并行調(diào)制；所述發(fā)射機(jī)出射光經(jīng)同一傳輸信道進(jìn)行傳輸；所述光接收機(jī)端采用多個(gè)光電探測器對接收光進(jìn)行并行光電轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行多輸入多輸出解調(diào)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下所述一、以簡單、可靠手段實(shí)現(xiàn)多輸入多輸出光通信波分復(fù)用、偏振復(fù)用、模式復(fù)用等提高光通信通信速率的方式需精確控制光載波的波長、偏振態(tài)、及傳輸模式，在光接收端需采用復(fù)雜的解復(fù)用器將波長、偏振態(tài)、及傳輸模式分離開來以恢復(fù)傳輸數(shù)據(jù)。本發(fā)明不需復(fù)雜的復(fù)用與解復(fù)用光器件，通過合理設(shè)計(jì)調(diào)制光源及光探測器實(shí)現(xiàn)類似無線通信中的分集發(fā)射與分集接收，被調(diào)制光共用信道進(jìn)行傳輸，以MIMO原理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解調(diào)。二、對光源及探測器的要求低現(xiàn)有波分復(fù)用、偏振復(fù)用等方式對光源及探測接收都有嚴(yán)格要求。而本發(fā)明對光源及探測器的光譜間隔發(fā)明無特殊要求，可以利用寬光譜光源，光譜可在一定程度上重疊； 光電探測器可以在寬光譜范圍內(nèi)具有響應(yīng)，對濾光片的帶寬要求低。三、為實(shí)現(xiàn)集中式MIMO自由空間光通信提供了新方法已有的MIMO自由空間光通信在發(fā)射端將光源盡可能分散，在接收端通過成像方式或控制光接收器的角度來實(shí)現(xiàn)ΜΙΜ0，實(shí)際應(yīng)用時(shí)受使用條件或環(huán)境制約難以實(shí)施，且通信質(zhì)量受發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的位置影響嚴(yán)重。而本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)集中式的MIMO光通信，且通信質(zhì)量幾乎不受接收機(jī)位置影響。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體說明。圖1是本發(fā)明多輸入多輸出的光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2為光纖信道條件下本發(fā)明的實(shí)施方式?！?030〕圖3為自由空間信道條件下本發(fā)明的實(shí)施方式。
〔0031〕圖中
〔0032〕11、發(fā)射終端111、光源
〔0033〕12、接收終端121、光探測器
〔0034〕21、光發(fā)射機(jī)211、光源
^00353212、光源偏置模塊213、1110調(diào)制模塊
〔0036〕214、光耦合器
〔0037〕22、光纖
〔0038〕23、光接收機(jī)231、分波器
〔0〇39〕232、光探測器233、1110解調(diào)模塊
〔0040〕31、光發(fā)射機(jī)311、光源
^00413312、光源偏置模塊313、1110調(diào)制模塊
〔0042〕32、自由空間
〔0043〕33、光接收機(jī)331、光探測器
〔0044〕332、1110 解調(diào)模塊
具體實(shí)施例方式
〔0045〕 如圖1所示，光發(fā)射端11包含有…個(gè)光學(xué)發(fā)射天線111-1 …，主要由光源，含 驅(qū)動電路和光學(xué)器件構(gòu)成，光源具有不同的光譜特性。光接收端12包含有I個(gè)光學(xué)接收 天線121-1 !！,，主要由光電探測器，含驅(qū)動電路，和光學(xué)器件構(gòu)成，光電探測器具有不同的 光譜響應(yīng)特性。~不大于…。
〔0046〕 具體工作時(shí)，原始的高速數(shù)據(jù)流首先經(jīng)空時(shí)編碼形成多個(gè)并行的數(shù)據(jù)子流，數(shù)據(jù) 子流數(shù)目不大于發(fā)射天線的數(shù)目仏，每個(gè)數(shù)據(jù)子流由光學(xué)天線發(fā)射陣的某一個(gè)光學(xué)天線并 行發(fā)射出去；經(jīng)光纖丨自由空間多徑信道傳輸后，如果信道工作良好，接收到的信號就是發(fā) 射信號線性無關(guān)的合并結(jié)果；I個(gè)光學(xué)天線多通道接收機(jī)將多路接收信號經(jīng)空時(shí)處理算法 分離數(shù)據(jù)流并解碼，以實(shí)現(xiàn)近于最佳的處理。詳細(xì)說明如下
〔0047〕 &時(shí)刻發(fā)送的數(shù)據(jù)信號矢量表示為
權(quán)利要求
1.一種多輸入多輸出的光通信系統(tǒng)，其特征在于，光發(fā)射機(jī)端，光發(fā)射機(jī)采用復(fù)數(shù)個(gè)光源構(gòu)成光學(xué)天線發(fā)射陣，所述光源相互之間具有不同的光譜特性；光接收機(jī)端，采用復(fù)數(shù)個(gè)光電探測器構(gòu)成多光學(xué)天線多通道接收機(jī)，光電探測器相互之間具有不同的光譜響應(yīng)特性；所述光發(fā)射機(jī)的復(fù)數(shù)個(gè)光源與光接收機(jī)的復(fù)數(shù)個(gè)光電探測器之間，滿足信道沖擊響應(yīng)所獲得的信道傳輸矩陣可求逆。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多輸入多輸出的光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述光發(fā)射機(jī)端調(diào)制的多路光經(jīng)耦合器耦合到一根光纖中，其后在該光纖中或后續(xù)的自由空間傳輸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多輸入多輸出的光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述光發(fā)射機(jī)端調(diào)制的多路光直接出射并經(jīng)自由空間多徑傳輸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的多輸入多輸出的光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述復(fù)數(shù)個(gè)光源可以較大距離分散分布，也可集中布置；所述復(fù)數(shù)個(gè)探測器可分散布置，也可集中布置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所要求的多輸入多輸出的光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述光源為激光器，或發(fā)光二極管，其光譜為窄光譜或?qū)捁庾V，各光源光譜之間至少部分不相互重疊。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所要求的多輸入多輸出的光通信系統(tǒng)，其特征在于，所述光電探測器的光譜響應(yīng)特性至少部分不相互重疊。
7.—種權(quán)利要求1-3之一所述的多輸入多輸出的光通信方法，其特征在于，包括以下步驟所述光發(fā)射機(jī)端多組信息對復(fù)數(shù)個(gè)光源進(jìn)行并行調(diào)制；所述發(fā)射機(jī)出射光經(jīng)同一傳輸信道進(jìn)行傳輸；所述光接收機(jī)端采用多個(gè)光電探測器對接收光進(jìn)行并行光電轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行多輸入多輸出解調(diào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多輸入多輸出(MIMO)的光通信系統(tǒng)及方法，采用具有光譜差異的多個(gè)光源及具有光譜響應(yīng)特性差異的多個(gè)光探測器構(gòu)建光通信系統(tǒng)，光源光譜的差異及光探測器的光譜響應(yīng)差異使得各發(fā)射機(jī)光源到各接收機(jī)光電探測器的信道沖擊響應(yīng)彼此不相關(guān)，得到多輸入多輸出系統(tǒng)的信道矩陣，實(shí)現(xiàn)集中式的多輸入多輸出光通信。本發(fā)明不需借助復(fù)雜的光學(xué)器件就可在光纖信道或自由空間信道中實(shí)現(xiàn)多入多出光通信，提高光通信速率及可靠性。
文檔編號H04B10/12GK102571208SQ20111038769
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月28日
發(fā)明者劉德明, 劉陳 申請人:華中科技大學(xué)