大气激光通信中增强型广义空间调制技术的研究

The transmission rate and error performance of atmospheric laser communications are not optimal due to the atmospheric turbulence and the limitations of electronic devices speed. Therefore, it is difficult to meet the demands of large-capacity and high-rate communications in the future. The generalized spatial modulation uses both the digital modulation constellation and the transmission antenna index number to carry information. This provides a new solution for the system to improve the spectral efficiency and the error performance. We intend to carry out the research of generalized spatial modulation in atmospheric laser communication with the APPM modulation format. An enhanced generalized spatial modulation scheme combining generalized spatial modulation with multiplexing, precoding, and grid code techniques will be proposed. Moreover, some key technologies such as optimal constellation mapping, antenna selection algorithms and decoding algorithms will be studied. Subsequently, a joint optimization scheme will be proposed according to the research results. Thereafter, a generalized spatial modulation scheme for three-dimensional joint mapping will be constructed by synthetic considering the modulation mapping and the signal constellation design with APPM modulation. Furthermore, the compressed sensing theory will be utilized to construct an improved decoding algorithm by taking the sparseness of spatially modulated signals into account. Finally, the feasibility of the proposed enhanced generalized space modulation will be evaluated by experimental verifications. The research results will provide theoretical basis and valid means to large-capacity, high-bit-rate atmospheric optical communications.

受到大气湍流和电子器件速率的限制，大气激光通信系统的传输速率和误码性能不理想，难以满足未来通信系统对大容量和高速率的需求。广义空间调制在利用数字调制星座携带信息的基础上，还利用发送天线索引号携带信息，这为系统提升频谱效率、改善误码性能提供了一种新思路。本项目拟针对APPM调制方式开展大气激光通信中广义空间调制的研究，将广义空间调制与复用、预编码以及网格码等技术相结合，提出增强型广义空间调制方案。同时，对最优星座映射、天线选择算法、译码算法等关键技术进行研究，根据研究结果提出联合优化设计方案。联合考虑APPM调制方式下的调制映射与信号星座图设计，构建适合于大气光通信的三维联合映射的广义空间调制方案，并利用空间调制信号的稀疏性，采用压缩感知理论提出改进译码算法。最后，构建增强型广义空间调制的实验测试平台，验证其可行性。项目的研究成果将为实现大容量、高速率的大气光通信提供理论依据和有效手段。

受到大气湍流和电子器件速率的限制，大气激光通信系统的传输性能不理想，难以满足未来通信系统对大容量和高速率的需求。广义空间调制在利用数字调制星座携带信息的基础上，还利用发送天线索引号额外携带信息，因此，本课题主要研究大气激光通信的增强型广义空间调制的构建方法和联合优化技术。项目完成了计划任务书中规定的预期目标，研究结果为学者们继续研究和设计无线光通信系统提供参考，也锻炼了队伍，凝聚了课题组，为进一步研究奠定了基础。本课题取得的主要研究成果：.①研究了大气激光通信中广义空间调制技术，通过增加层映射，设计了适合于强度调制的复用型广义空间调制方案。同时，利用天线选择算法优化信号星座映射图，实现误码率的降低。给出了设计复用型广义空间调制系统的理论依据，指出了构建系统的关键。.②研究将激活激光器索引映射为正交空时弥散矩阵的方法，并结合PPM调制提出了几种光空间调制方案，指出了影响性能的关键因素。同时，引入压缩感知理论，提出了几种改进型正交匹配追踪算法。大幅提升了系统的传输速率和误码性能，有效降低了系统的建设成本和复杂度。.③研究已有差分空间调制构造机理，探索了基于脉冲位置调制（PPM）调制的差分空间调制构造方法。在此基础之上，通过构造高维度的差分光空间调制来提高空间资源利用率。指出了影响性能的关键因素，有效避免了复杂的信道估计，同时实现了误码性能和频谱效率的有效折中。.④研究已有光空间调制的特点，并利用空间调制和PPM调制信号的稀疏性，提出了基于压缩感知、k-means和DNN 的译码检测算法，在降低复杂度的基础之上，大幅提升了系统的误码性能。.⑤研究了单光束和多光束的传输机理，建立了多个因素影响下多光束传输时的信道模型。并针对不同的调制方式，研究了光 MIMO 系统的信道容量与误码率特性，讨论了各因素对光MIMO系统性能的影响，为开展光空间调制技术的研究奠定了基础。