CN111163030A

CN111163030A - 一种基于密集星座降阶索引的光概率成形方法

Info

Publication number: CN111163030A
Application number: CN201911313611.0A
Authority: CN
Inventors: 刘博�; 张丽佳; 毛雅亚; 吴翔宇; 徐星; 任建新; 忻向军; 孙婷婷; 赵立龙; 吴泳锋; 刘少鹏; 宋真真; 王俊锋; 哈特; 沈磊; 李良川; 王光全
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2020-05-15

Abstract

本发明公开了一种基于密集星座降阶索引的光概率成形方法，包括以下步骤：单路二进制比特经过串并转换后输出五路并行二进制流信号；降阶索引概率分布匹配器对于该数据进行识别和添加降阶索引符号，并对降阶索引添加子集信息标识比特进行重排，然后对映射点与索引信息混排输出；在QAM星座映射中，结合类蜂巢型的星座图构建方式，实现降阶索引概率成形与类蜂巢型星座图的编码调制；在接收端，信号依次经过放大器进行功率调整，解调器将光信号变换为电信号，QAM调制器解调不规则多边形QAM信号以及解分布匹配器将中心化的信号逆匹配得到原输入信号。本方法更好地降低信号的峰均功率比以及平均功率，在相同欧式距离的情况下降低传输系统的噪声影响。

Description

一种基于密集星座降阶索引的光概率成形方法

技术领域

本发明属于光传输通信技术领域，具体涉及一种基于密集星座降阶索引的光概率成形方法。

背景技术

随着大数据，云计算，虚拟现实在社会生活中的广泛应用与不断发展，现有的4G通信网络已经难以满足承指数级增长的数据传输与处理要求，高传输速率，高数据利用率，高使用灵活性的5G通信提供了良好的解决方案。前传(fronthaul)连接技术，作为重点之一，需要联合接入网，多载波与多入多出(MIMO)等技术，并且综合考虑低复杂度，低功耗，高通信容量，高交换容量与高数据处理能力等要求。直调直检技术(IMDD)，无载波幅相调制(CAP)，离散多音调制技术(DMT)，波分复用(WDM)等技术由于满足相应的特点成为前传技术的备选方案。前传系统主要以波分复用(WDM)为结构主体，近年来针对TWDM-PON，WDM-PON的前传系统做了广泛的研究。然而WDM-QAM系统在数据处理速度上依然是短板。无载波幅相调制摆脱了傅里叶变换的限制极大地降低了数据处理地的复杂度，去除了载波限制简化了设备空间，提高了设备集成度，体现了在前传方面极大地应用前景。目前，基于OOFDM-CAP，WDM -CAP的短距离高速通信系统研究已经初见成效，3维CAP调制，多维CAP调制的逐渐成熟，加速了对于WDM为主体的前传系统的替代与优化。

但是，高阶多维调制格式的应用无疑会增大数据处理难度，降低数据吞吐量，损伤系统的传输容量，而且高阶调制格式会引起信道容量降低，系统灵活性变差，误码率升高等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于密集星座降阶索引的光概率成形方法。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于密集星座降阶索引的光概率成形方法，其中：包括以下步骤：

步骤一：输入端，单路二进制比特流到串并转换单元，经过串并转换后输出五路并行二进制流信号；

步骤二：降阶索引概率分布匹配器对于生成的五路二进制数据进行识别和添加降阶索引符号，并对降阶索引添加子集信息标识比特进行重排，然后对映射点与索引信息混排输出，同时实现了输出信号中降低能量大的信号的出现概率，增大能量小的信号出现的概率；

步骤三：在QAM星座映射中，结合类蜂巢型的星座图构建方式，在满足最小欧式距离的要求下，通过缩紧多余空间，进一步降低信号的平均功率，经过概率成形的星座收缩与过滤性使得星座图变成类蜂巢型，实现信号成形的性能最大化，从而完成了降阶索引概率成形与类蜂巢型星座图的编码调制；

步骤四：在接收端，信号依次经过放大器进行功率调整，解调器将光信号变换为电信号， QAM调制器解调不规则多边形QAM信号，以及解分布匹配器将中心化的信号逆匹配得到原输入信号。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的步骤二具体为：降阶索引概率分布匹配器将输入的信号进行相似性选择，对选择后的信号记录索引值，索引集合表示添加于信息点后作为索引的比特信息，索引映射集合表示具有重叠信息点的集合，将索引映射集合作为成形信息空间的子集进行索引，然后对索引集合中每隔i比特添加k-i(k＞i)位子集信息标识比特，使其满足运算封闭性，最后对索引信息与成形区域信息进行混合交织后传输。

上述的降阶索引概率分布匹配器的标记方式是一一对应的、可逆的，所以反之容易得到相应的降阶索引概率分布匹配器解码方式。

上述的步骤三中类蜂巢型星座图构建方法具体为：在星座点的最小欧式距离一定的情况下，在圆环上与圆心取间隔相同的星座点，得到蜂巢型星座图，使得星座图上所有点与相邻星座点的欧式距离都是相同大小。

本发明的有益效果：

本发明通过将原始二进制序列经过概率成形和星座图改进后信号的能量集中度有了极大的提高，基本达到了成形对于降低信号发射功率的要求。专利提出了一种降阶索引的概率成形匹配方案，使得索引编码集合相当于闭合的完备集，降低了冗余信息的添加量，降低了编码速率。也正是因为信号平均能量的降低，也就意味着同等信号发送功率条件下，经过星座成形后的信号分到的能量值要远大于未经过成形的信号能量，这样从相对的角度提高了信号的信噪比，提高了信道容量值。本专利的降阶索引概率成形结合密集星座，可以在降低星座扩张比地情况下，更好地降低信号的峰均功率比，降低信号的平均功率，在相同欧式距离的情况下降低传输系统的噪声影响，对于系统误码率的降低有了明显的贡献。

附图说明

图1是密集星座调制与降阶索引概率成形映射方案流程框图；

图2是密集星座调制与降阶索引概率成形映射方案原理概述图；

图3是降阶索引概率成形映射方案原理概述图；

图4是64点成形为31点降阶索引概率成形映射方案原理概述图；

图5是蜂巢形31点星座图的星座构造与星座点信息设计；

图6是方形的64点与32点星座图；

图7是均匀分布64点星座图、降阶索引概率成形类蜂巢型31点星座图与均匀方形32星座的误码率对比图；

图8是降阶索引概率成形类蜂巢型31点星座调制方案实验原理框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

参见图1、图2、图3和图4，本发明提出了一种星座降阶索引的概率成形方式，可以减免概率成形导致的信号集不完备对于信号索引的影响，减少信息索引的数量，提升信号的编码效率。同时，为了进一步降低信号的平均功率，运用正六边形7点等距的特性，通过对星座图的信息点的判决区域进行合理规划。降阶索引概率成形结合密集星座，可以在降低星座扩张比地情况下，更好地降低信号的峰均功率比，降低信号的平均功率，在相同欧式距离的情况下降低传输系统的噪声影响。在本专利中我们应用密集星座降阶索引的概率成形的方式实现了将64QAM信号映射到31QAM星座图中，显著地降低了传输系统地误码性能。

本发明包括以下步骤：

步骤四：在接收端，信号依次经过放大器进行功率调整，解调器将光信号变换为电信号，QAM调制器解调不规则多边形QAM信号，以及解分布匹配器将中心化的信号逆匹配得到原输入信号。

本发明专利主要部分是降阶索引概率分布匹配器与QAM信号密集星座映射方式两个部分。降阶索引概率分布匹配器的功能是将输入的任意信号进行相似性选择，对选择后的信号记录索引值，然后索引值与信息位合并输出。由于成形后保留的独立信号点并不满足2的幂指数倍数，也就是说信号集并不是一个运算闭合的完备集，也就增加了信号索引集设计的复杂性。为此我们提出用索引降阶的方式得到完备的索引集进行，例如进行31信息点的映射， 31点不是完备集，但是可以采用其中的子集16点信息作为完备的信息索引集合。通过16点子集合索引可以降低索引长度，提高信号码率。密集星座映射密集星座映射的方法，进一步优化了信号判决区域利用的不均衡性，运用正六边形顶点与中心等距的特性，使得各信息点的判决区域均匀且等面积。两者联合运用提高了通信系统的抗噪能力与非线性容限。

主要部分的具体工作流程如下：

一、降阶索引概率成形分布匹配器

概率成形通过降低能量大的信号的出现概率，增大能量小的信号出现的概率，降低信号的平均能量值，提高系统的增益指数，降低误码率。然而信源产生的信号是等概率的，所以经过概率成形出现多概率信息是需要通过生成多项式直接或间接添加冗余位的，然而大多数的成形使得压缩后的信号点数不是2的幂指数倍，对于标签或索引的编码提出了较高的要求，增加了冗余信息的添加量，降低了编码速率。降低索引信息的冗余量的基本方法是使得索引编码集合是闭合的完备集。为此，本专利提出了一种降阶索引的概率成形匹配方案。

首先定义索引集合表示添加于信息点后作为索引的比特信息；索引映射集合表示重叠的信息点的集合。假设信源信息比特位数是m，信号成形后的信号点数为num，需要进行信号点叠加的信号点数为num_left，则满足公式

num_left＝2^m-num

2^k-1≤num≠2^k≤2^k，k∈N

其中：k表示成形后的信号空间中每个信息的比特数目。

这就意味着成形后的信号空间很难成为闭合运算集合，索引信号的集合不能简单的运用二进制信号的全集模式，必须进行限制编码，增加索引信息的比特位。为此可以将索引映射集合选择为成形信息空间的子集，使子集空间满足运算封闭性。如果索引映射集合的比特数为i，则满足

2ⁱ≤2^k-1，i∈N

也就是说子集的元素个数只要不超过成形空间元素个数即可，这种减少幂指数的子集选择方式，就是降阶选择。这样，索引信息的映射集合满足了映射的封闭性。d表示索引信息的比特数目，即索引信息数最大为2^d，索引信息是可以包含最大信息点叠加数目的二进制数集合。然而这样的索引信息尚需要进行修正。因为索引集合的比特数目i与成形后信号的比特数目不相等，在索引信息映射的时候为了保证映射的信息都能约束在子集空间内，需要在索引集合中每隔i比特添加k-i位的子集信息标识比特。

本专利以原始信息空间64点经过概率成形为，成形空间31点为例，选取31点中的16 点作为索引映射的闭合集，为了增大中心的概率降低平均功率，设置16点中最大重叠点数为 8。也就是

其中：d表示索引信息的比特数目，依托上述的参数就可以得出64点信号经概率成形将数据进行压缩为31点的信号，具体情况如图3所示。首先31点的信息是由32点信息去掉全 1码变化得来的。为了保障索引映射区域的运算闭合性，选择其中的最高位比特为0的16个比特为索引映射区域，其中最高位的“0”比特就是索引映射集合的子集标志。下一步对信息点进行重叠，选取8次重叠的信息点1个，4次重叠的信息点7个，2次重叠的信息点5个，也就是有7×1+3×7+1×5＝33，正好能够重叠33个信息点，完成64到31点的压缩。同时对于没有重叠信息的成型区域统一添加全零码作为索引。由于索引映射区域是5个比特的信息，存在1比特的子集标记位，索引集合如果单纯按照5位或4位比特进行映射会由于成型区域的不完备性导致系统误码，所以为了体现与成形区域的编码一致性，所以将索引集合中的每4 比特信息添加“0”作为子集标记。最后对于索引信息与成形区域信息进行混合交织后传输。

由于在信息输入概率成形匹配器前，“0”“1”是均匀分布的，即

其中P_i表示成形前的64个信息出现的概率，P_t表示成形后的64个信号出现的概率。由于通过成形，33个信息将会重叠映射，所有信息将添加索引信息。针对包括添加的索引信息与成形信息混合后信息的概率，可以用如下公式说明：

其中P_l表示成形区域每个信息点的出现概率，l表示31个信息点，t表示每一个信息点的比特表示。第一项

表示成形区域没有添加索引信息的码字中出现相应信息点的概率，N_i∈t表示出现的数量，这一部分的目的是统计重叠信息点出现的概率；第二项

表示索引信号区域出现相应信息点的概率，由于索引信息是3比特，映射成为成形区信息需要经过两两组合，t₁，t₂表示两组索引信息所代表的原始信息，

表示出现对应的信息点的组合数量，这样就可以得到索引信息中出现相应信息点的概率。如下所示，可以看出通过概率成形匹配器后，星座图中的星座点已经不是原先的均匀分布了，分布的规则基本是秉承了码重低的区域出现概率高，反之概率少。

(2)星座优化与调制

在加性高斯白噪声信道中，信号的误码率公式可以表示为

其中：p_e表示信号的误码率，A表示与调制格式和调制阶数有关的常数，Q表示互补累计分布函数，E_b表示信号的平均功率或平均能量值，d_min表示最小欧式距离，N_o表示信号的噪声，从公式可以看出，

在确定的加性高斯白噪声系统中是一个常数，系统的误码率主要的影响因数就是

所以有了关于二维星座图增益指数的定义：

其中CFM(C)表示星座图的增益指数，a_i表示星座点距离原点的欧式距离与最小欧式距离的比值，j表示星座点个数。参考误码率公式可知CFM(C)值越大。从其中可以看出，在星座图确定的情况下，CFM(C)中d_min是一个确定的值，并且和E_b有关，为了提高系统的增益指数，最基础的两种方法就是概率成形与星座图优化。目前的星座图普遍应用最广的是MQAM， MASK MPSK星座图，相对来说MQAM星座图较其他星座图在2维空间上进行了一定的合理分布，然而在最内圈的星座点分布尚不是最优。如此说来，在假定星座点的最小欧式距离一定的情况下，若在圆环上与圆心取间隔相同的星座点，根据几何学，可以得知最优的方式是圆环上的同心六边形。由于正方形单元组成的星座图中星座点与相邻的对角线上的点欧式距离大于最小欧式距离，造成星座判决区扩大，不能更加密集地分配星座点。这种蜂巢式的结构使得边上6点与中心一点距离相等，使得星座图上所有点与相邻星座点的欧式距离都是相同大小，可以进一步密集星座点判决区域，从而可以得到如图5所示的星座图。

从图6中可以看出经过正六边形判决区域的设计，使得单位面积区域内的星座点个数增多，在一定程度上降低了系统的平均功率。假设系统信源发射的信号是等概的单纯考虑星座图的优势，

类蜂巢31点星座图的增益指数为：

而方形32QAM星座图的增益指数为：

从数据对比上也可以看出，蜂巢式的设计方式确实能够降低信号的平均功率，提高增益指数，进而降低系统误码率。从几何理论上分析，由于类蜂巢型的星座图构建方式，在最小欧式距离一定地情况下，增加了单位空间内星座点的数量，降低了星座图功率最高的星座点的欧式距离。同时，由于星座图的外围星座点相对于原点是共圆的，类似于圆形边界，进一步提高了星座图的空间效率。

通过概率成形，结合提出的64点到31点的降阶索引概率成形方式，可以得到经过成形后的31点类蜂巢形的增益指数是

其中S表示经过降级索引概率成形方案。为了突出对比性，我们将降阶索引概率成形运用于方形32点QAM星座图，通过公式可以得到

由于系统是从64点经过概率成形转换而来，相对来说64点应该作为对比的参考项。通过公式可得，均匀分布64点系统的增益指数为

两者对比可以看出通过概率成形与星座优化可以极大地提高系统性能。概率成形由于对于星座的压缩程度更大使得星座图最外圈的星座点被映射到的概率极大减少，这对于增益指数增大的贡献程度是要大于星座优化的。

为了更加明显地突出概率成形与星座优化地优势，分别对均匀分布的方形64星座图，降阶索引概率成形的方形32点星座图与降阶索引概率成形的类蜂巢型31点星座图通过加性高斯白噪声信道的误码性能。图7中的(b)(c)(d)分别是均匀分布的方形64星座图，降阶索引概率成形的方形32点星座图与降阶索引概率成形的类蜂巢型31点星座图的具体呈现。从图7 中可以看出由于降阶索引概率成形实现了星座图中64点到32点的压缩，使得信号的误码率得到了极大的降低，同时相对于方形的32点星座图，类蜂巢形的星座图由于几何结构的优化进一步降低了信号的误码率，提高了系统传输性能。本专利的降阶索引概率成形的类蜂巢型 31点星座图映射方式弥补了单独成形或单独映射的不足之处，对于系统误码率的降低有了明显的贡献。而且结合上文的分析可以看出，这样的结果符合理论分析。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于密集星座降阶索引的光概率成形方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于密集星座降阶索引的光概率成形方法，其特征在于：所述步骤二具体为：降阶索引概率分布匹配器将输入的信号进行相似性选择，对选择后的信号记录索引值，索引集合表示添加于信息点后作为索引的比特信息，索引映射集合表示具有重叠信息点的集合，将索引映射集合作为成形信息空间的子集进行索引，然后对索引集合中每隔i比特添加k-i(k>i)位子集信息标识比特，使其满足运算封闭性，最后对索引信息与成形区域信息进行混合交织后传输。

3.根据权利要求1所述的一种基于密集星座降阶索引的光概率成形方法，其特征在于：所述降阶索引概率分布匹配器的标记方式是一一对应的、可逆的，所以反之容易得到相应的降阶索引概率分布匹配器解码方式。

4.根据权利要求1所述的一种基于密集星座降阶索引的光概率成形方法，其特征在于：所述步骤三中类蜂巢型星座图构建方法具体为：在星座点的最小欧式距离一定的情况下，在圆环上与圆心取间隔相同的星座点，得到蜂巢型星座图，使得星座图上所有点与相邻星座点的欧式距离都是相同大小。