CN109347782A - 基于不对称多边形调制与比特级本体标签的概率成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于不对称多边形调制与比特级本体标签的概率成形方法，本发明将原本的信号星座图进行了优化，在满足最小欧式距离的条件下，密集了星座图的空间优势，提出了不对称多边形QAM星座图。同时通过将之与提出的比特级本体标签概率成形方式相结合，从而简化了不对称多边形QAM星座图成为六边形星座图，相比于传统的方形或星形星座图，提高了输入信号低能量点的分布概率，使整个系统可获得较高的频谱效率和优良的传输性能。

Description

基于不对称多边形调制与比特级本体标签的概率成形方法

技术领域

本发明属于光传输技术领域，具体涉及基于不对称多边形调制与比特级本体标签的概率成形方法。

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发展不断，互联网数据中心的数据量呈指数级飞速增长，数据中心的数据流量占网络全部数据量的比例越来越大。大数据时代，为了满足对于短距离光互连超高速通信系统的低复杂度，低功耗，高通信容量，高交换容量，高数据处理能力的要求，各式各样的通信系统与复用调制互连技术层出不穷。脉冲幅度调制(PSK)，直调直检技术(IMDD)，无载波幅相调制(CAP)，离散多音调制技术(DMT)等，由于简单灵活高效的特点，在短距离光互连超高速通信系统中均有一定的应用。其中，无载波幅相调制由于系统架构灵活度高，数据处理复杂度低，功率损耗小的特点，在国际上受到广泛关注。目前，基于OOFDM－CAP，WDM－CAP的短距离光互连超高速通信系统研究已经初见成效。2016年，J Wei等人将56Gb/s的多波段CAP用于超高速光互连通信系统。随后，3维CAP调制，多维CAP调制，多级多维CAP调制逐渐实验成功，极大地丰富了光互连通信系统的组网多样性，同时提高了系统的通信性能。

为了进一步提高通信系统的信道容量和交换容量，如何最大程度的提高单信道载波的传输承载能力使之接近香农限成为了急需解决的问题。其中，概率成形具有接近香农极限的理论原型，动态可适应性的逻辑结构，弹性灵活的多级联合模式，因而概率成形成为国际上的热点话题并取得了长足的进步。2015年，Buchali F等人基于概率成形64-QAM实现了一个提高信道容量和速率可适应传输系统，使用概率整形实现数据速率和带宽的可控性调节。同年，Buchali F等人更加深入的对于概率成形QAM星座在高容量通信中的优势。2016年，Pan C等人WDM系统中的16-QAM概率成形，使系统性能有7.1％的改善。随后，概率成形QAM信号在非线性信道，广播信道，海底光缆信道中的性能依次得到研究。我们也研究过概率成形QAM信号星形星座与方形星座的性能对比等等。然而，常规的方形或星形QAM星座图使信号收敛于判决区域时存在较多的空间空隙，难以充分提升系统性能，更降低了概率成形的成形增益。因此，优化星座图构造迫在眉睫。

在本发明中，我们提出了一种基于比特级本体标签与不对称多边形星座概率成形方法。以函数一一对应，比特扩容的方式进行比特级本体标签概率成形，降低了概率成形的算法复杂度，提高了算法的灵活适应性，减少了信号的冗余。不对称多边形星座图充分利用了星座空间的欧式距离，减小了星座图间隙空间。比特级本体标签与六边形星座概率成形方式，充分综合了两者的优势，并将不对称多边形星座图简化为正六边形，最大程度的降低了信号的平均功率，提高了系统的传输速率，信道容量和系统的性能。

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，提供基于不对称多边形调制与比特级本体标签的概率成形方法。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

基于不对称多边形调制与比特级本体标签的概率成形方法，包括以下步骤：

步骤一：在输入端，输入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：比特级本体标签概率成形分布匹配器对于生成的五路二进制数据进行识别和整体转换，确认最终的输出信号，输出信号中星座点的分布已经达到了提升低能量星座点的分布概率、降低高能量星座点的分布概率的目的；

步骤三：在QAM星座映射中，结合不规则多边形映射的方式，在满足最小欧式距离的要求下，通过缩紧多余空间，进一步降低信号的总发射功率，经过概率成形的星座收缩与过滤性使得星座图变成正多边形，实现信号成形的性能最大化，从而完成了比特级本体标签概率成形与正六边形星座图的编码调制；

步骤四：在接收端，信号经放大器进行功率调整，以便于接收，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，最终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：

步骤二所述比特级本体标签概率成形分布匹配器的功能是将输入的任意信号进行类编码，通过给原信号信息添加标记的方式，使原输入信号的高能量信息点的出现概率降低，低能量点的出现概率升高。

上述的比特级本体标签概率成形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比特级本体标签概率成形分布匹配器解码方式。

步骤三所述不规则多边形映射包括以下步骤：

步骤1：将长方形星座图变成正方形星座图，具体为：中间4点作π/4旋转，左右两边的星座点转移到正方形的4个顶点，同时其中的一个星座点转移到星座原点，公式如下：

其中(X_t,Y_t)表示星座变化后的星座点坐标，表示原星座图的星座点与原点构成的相位角，r_i表示原星座图相应星座点的欧式距离；

步骤2：将正方形星座图偏转平移得到不规则多边形星座图，公式如下：

其中α表示旋转角度，(X₀，Y₀)表示星座点的原本坐标，(X_t，Y_t)表示星座点旋转后的坐标。

本发明具有以下有益效果：

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。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；本发明在满足最小欧式距离的条件下，密集了星座图的空间优势，提出了不对称多边形QAM星座图；同时通过将之与提出的比特级本体标签概率成形方式相结合，通过适当增加一定冗余，提高了输入信号低能量点的分布概率，提高了系统的传输性能；比特级本体标签概率成形和不对称多边形星座图映射相结合的成形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。虽然由于使用概率成形增加了一定的信息冗余，但是相比于误码率的降低，拥有相当的优势和应用前景。

附图说明

图1为本发明的方案流程框图；

图2为本发明的方案原理图；

图3为本发明的比特级本体标签概率成形分布匹配器映射标签图；

图4为本发明的比特级本体标签概率成形分布匹配器本体标签映射原理示意图；

图5为本发明的比特级概率成形前信号分布图(图左)与成形后信号分布图(图右)；

图6为本发明的方形8QAM星座图到不规则多边形星座图的演绎图；

图7为本发明的结合概率成形的星座图映射方式图(图左)和经过概率成形与星座映射后信号概率分布图(图右)；

图8为本发明的比特级本体标签概率成形后正六边形星座与均匀方形星座的误码率；

图9为本发明的比特级本体标签概率成形与不规则多边形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和图9，本发明提出了一种对于2维QAM信号星座图的改进设计方式，并将之与提出的比特级概率成形方式相结合。星座图改进方式是基于中心区域同等最小欧式距离为原则，边界区域星座点相对稀疏，概率成形的方式是通过将32星座点映射为7星座点，减少边缘区域星座点的出现几率实现的。本发明主要部分是比特级本体标签概率成形分布匹配器与QAM信号星座映射方式。比特级本体标签概率成形分布匹配器的功能是将输入的任意信号进行类编码，通过给原信号信息添加标记的方式，使原输入信号的高能量信息点的出现概率降低，低能量点的出现概率升高。同理，由于比特级本体标签概率成形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比特级本体标签概率成形分布匹配器解码方式。QAM信号星座映射方式，进一步优化了传统的星座图星座区域的平面冗余损耗，使得星座图较为全面的综合考虑了平面密铺与最小欧式距离的硬性约束，达到了比较理想的结构。

本发明包括以下步骤：

步骤一：在输入端，输入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：比特级本体标签概率成形分布匹配器对于生成的五路二进制数据进行识别和整体转换，确认最终的输出信号，输出信号中星座点的分布已经达到了提升低能量星座点的分布概率、降低高能量星座点的分布概率的目的；

步骤三：在QAM星座映射中，结合不规则多边形映射的方式，在满足最小欧式距离的要求下，通过缩紧多余空间，进一步降低信号的总发射功率，经过概率成形的星座收缩与过滤性使得星座图变成正多边形，实现信号成形的性能最大化，从而完成了比特级本体标签概率成形与正六边形星座图的编码调制；

步骤四：在接收端，信号经放大器进行功率调整，以便于接收，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，最终解分布匹配器将中心化的信号逆匹配得到原输入信号。

本发明主要部分是比特级本体标签概率成形分布匹配器与QAM信号星座映射方式两个部分。比特级本体标签概率成形分布匹配器的功能是将输入的任意信号进行类编码，通过给原信号信息添加标记的方式，使原输入信号的高能量信息点的出现概率降低，低能量点的出现概率升高；同理，由于比特级本体标签概率成形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比特级本体标签概率成形分布匹配器解码方式。QAM信号星座映射方式，进一步优化了传统的星座图星座区域的平面冗余损耗，使得星座图较为全面的综合考虑了平面密铺与最小欧式距离的硬性约束，达到了比较理想的结构。

该发明主要部分的具体工作流程如下：

(1)比特级本体标签概率成形分布匹配器

概率成形是减少信号强度大的星座点出现概率，增大信号强度低的星座点出现概率的方式，这样在不降低原先星座图星座点数量的情况下，只能选择合并边缘区域的星座点到中间区域星座点，如此将面临一个问题就是某些星座点的映射会成为多对一的映射，所以为了使映射重新变成可逆的一对一映射，必然会增加原有信息的冗余比特位。这样的概率成形的命题变成m比特输入n比特输出(n>m)的编码映射方式。如此而来，参考TenkasiV.Ramabadran提出的m输入n输出的方法，可以得到有公式为其中k代表输出的n比特中出现“1”的个数，并且有n/2≥k，这样的目的是为了确保输出的n比特中含“0”数目经可能多。显然，随着代表输入比特m值的提高，k值和n值中必定有一个值要尽量大，即k值过大代表输出比特中含“0”数目会相对降低，降低概率成形效果，n值过大代表输出比特相对于输入信息过于冗余，极大地降低了频谱效率。为此本发明提出了一种改进方式，可以用公式表示为显然这种改进方式的思想并不复杂，仅仅是在输出比特中对于“1”的个数做了改进，使“1”所占的比率不再固定，充分利用输出比特的闲置比特位。但是，这也只是一个理论说明，对于具体的m比特输入n比特输出，以及映射到何种星座图，需要对公式再做进一步的限制。

以32信息点通过概率成形映射到8星座点为实施例对于本文的概率成形方式进行阐述，

依据公式可知 如此可知应当是5比特输入6比特输出或者5比特输入7比特输出。再结合要将32信息点映射到8星座点，也即从概率成形的角度看，要将信号中“0”星座点尽量多，“1”星座点尽量少，结合8点星座图，虽然成形相应的提高了“000”出现的概率，但是在一定程度上不可避免的会增加“111”出现的概率，最后的结果是“0”与“1”的比例效果不会太好，除非提高n的数值。本实施例从8点星座图组成的2进制完备集中进行考虑，为了尽可能提高成形效果可知全“1”的信号点与2个比特“1”的比例要尽量少。进一步地，中含“1”比例极少，不存在2个比特“1”的星座点，即使是相互之间连续出现，在相连的边界出也不会出现2个比特“1”的星座点。中必然会出现2个比特“1”的星座点例如“110”“101”“011”，所以本发明的管控方式在于控制连续的两个输出码字，使其码字连接处不出现“111”的情况，具体采取的方式是使中不出现在边接处的连续“11”的情况，从而得到对于同上理可知，为了不使相邻两个码字和码字内部不存在“111”，也就是说系列的码字中除不能有“111”，边界处不能有“11”和“1”出现，这样的情况下有其中第二项表示码字边界处“11”和“1”出现码字，第三项表示“111”在码字边界处出现的情况。如此可知，当进行编码时实际的编码数目是 进而可知当n＝6时，有Σ₆＝22<32，Σ₇＝34>32，显然，只有在n＝7的情况下才可以达到成形要求，但是从中依然可以得出n＝6的情况下可以实现16点到8点的星座图概率成形映射。由此可以得出32点向8点映射的方式，具体情况如图3和图4所示。其中对于数组的编码码字时，由于所以只需要选择5个即可，由于输出比特7位，映射比特3位，除了在设计的时候有意的减少或消除了“111”出现的概率，其他诸如“110”“101”“011”出现的概率相差应该不大。由于在信息输入概率成形匹配器前，“0”“1”是均匀分布的，即P(0)＝0.5＝P(1)，进而有P_i＝1/2⁵＝P_t，其中P_i表示成形前的32个信息出现的概率，P_t表示成形后的32个信号，则映射为3比特星座点就会涉及到长比特信息的拆分，这样可以得到8星座点的出现概率为其中P_l表示每个8星座点的出现概率，l∈{1，2，3…8}，第一项∑_l∈t P_i×N_i∈t表示成型编码的码字中出现相应星座点的概率，N_i∈t表示出现的数量；同理第二项表示，由两个成型编码的码字边界共同合并成的相应星座点，表示出现的数量。由于这其中的概率计算过于繁琐，所以没有给出具体的数字，只是通过仿真给出了相应概率成形匹配器的最终结果的统计平均值，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)星座图优化

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，方程组求解的方式，可以得知最优的方式是圆环上的同心六边形。基于此，提出了8点不对称QAM星座图，参见图6。进一步分析，从星座图1到星座图3，容易发现，8点星座图的8个星座点所组成的边缘图形在一步一步地向中间区域缩进，使星座图一步一步趋向于圆形，这样可以使得星座图在相同最小欧式距离前提下星座图的有效面积进一步扩大，面积利用比进一步提升，提高星座点的中心集中度。从星座图1到星座图2的变化基本思路就是长方形星座图变成正方形星座图，具体操作就是中间4点作π/4旋转，左右两边的星座点转移到正方形的4个顶点，同时其中的一个星座点转移到星座原点

其中(X_t,Y_t)表示星座变化后的星座点坐标，表示原星座图的星座点与原点构成的相位角，r_i表示原星座图相应星座点的欧式距离。如图6所示，星座图2到星座图3就是简单的做了个图形的偏转平移复杂度不高，,可以得到如下公式：其中α表示旋转角度，(X₀，Y₀)表示星座点的原本坐标，(X_t，Y_t)表示星座点旋转后的坐标。这样的两种星座图转换方式实现简单，理论变换并不复杂，具有一定的实用性。新型的星座图比双二进制星座图的优势在于，同等模式识别范围内新型星座图的结构更加致密，增益效果更好。公式其中γ_c表示星座图的编码增益，d_min表示星座图的最小欧式距离，Λ表示星座图中的单元，V(Λ)表示星座图中的基本单元格的单位面积中星座点的倒数，n表示星座图维度。由于星座图3与星座图2的转换原理是最小欧式距离不变情况下的坐标旋转，使得星座图的面积比之双二进制图形有了一个cosα系数，同时中心单位圆比之原先星座图所容纳的星座点多了2个单位点，所以进一步可以有

由上面的公式可知相比编码增益，星座图3相对于星座图1有了一定的优势，编码的效率在改进的不规则星座图中有了一定的提高。

由上述公式可知，3种星座图中，星座图2的成形增益最高，星座3次之，星座1最小。得出结果的原因是由于边界不是圆形的，在星座图2的边界更趋近于圆形，这点在现有文献中已有证明，球形或圆形边界总有最大的成形增益。公式CFM(C)＝CFM₀×γ_C(Λ)×γ_s(R),其中CFM(C)表示星座图的增益，CFM₀表示星座图的原始增益，是与星座维度有关的常数，γ_c表示编码增益，γ_s表示成形增益，结合编码增益与成形增益得到的星座增益为

可见星座图3的设计相对于星座图2的总增益尚有一定的可取之处，但是比较而言星座图3的设计相对于星座图1有了不小的进步。

(3)概率成形分配与星座图的结合

参见图5和图7，概率成形是需要与星座图作结合才能发挥出成形最大的效果，这样可以尽可能的使信息出现概率大的点向星座图零点附近的单位圆集中，出现概率小的点向单位圆外扩散，以此来降低信号的发送功率，提高能量利用率。由于新型的星座图中间的原点能量值最小和单位圆中的6个点能量值次之且能量值均等，从能量利用最大化的角度，8点信号的分配就已经定局了，同时由于概率成形匹配器在设计过程中有意地避开了“111”星座点的生成，从而本来的8点星座图变成了7点星座图。其中除了星座图的原点位置，其余6个星座点与原点的欧式距离相等，而且在成形后“000”概率要高于其他星座点的出现概率，基本能够达到通过成形匹配器来降低发送信号基本功率的目的。

参见图8，本发明的比特级本体标签概率成形与不规则多边形星座映射方式结合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 (4)

1.基于不对称多边形调制与比特级本体标签的概率成形方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：在输入端，输入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：比特级本体标签概率成形分布匹配器对于生成的五路二进制数据进行识别和整体转换，确认最终的输出信号，输出信号中星座点的分布已经达到了提升低能量星座点的分布概率、降低高能量星座点的分布概率的目的；

步骤三：在QAM星座映射中，结合不规则多边形映射的方式，在满足最小欧式距离的要求下，通过缩紧多余空间，进一步降低信号的总发射功率，经过概率成形的星座收缩与过滤性使得星座图变成正多边形，实现信号成形的性能最大化，从而完成了比特级本体标签概率成形与正六边形星座图的编码调制；

步骤四：在接收端，信号经放大器进行功率调整，以便于接收，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，最终解分布匹配器将中心化的信号逆匹配得到原输入信号。

2.根据权利要求1所述的基于不对称多边形调制与比特级本体标签的概率成形方法，其特征在于：步骤二所述比特级本体标签概率成形分布匹配器的功能是将输入的任意信号进行类编码，通过给原信号信息添加标记的方式，使原输入信号的高能量信息点的出现概率降低，低能量点的出现概率升高。

3.根据权利要求2所述的基于不对称多边形调制与比特级本体标签的概率成形方法，其特征在于：所述比特级本体标签概率成形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比特级本体标签概率成形分布匹配器解码方式。

4.根据权利要求1所述的基于不对称多边形调制与比特级本体标签的概率成形方法，其特征在于：步骤三所述不规则多边形映射包括以下步骤：

步骤1：将长方形星座图变成正方形星座图，具体为：中间4点作π/4旋转，左右两边的星座点转移到正方形的4个顶点，同时其中的一个星座点转移到星座原点，公式如下：

其中(X_t,Y_t)表示星座变化后的星座点坐标，表示原星座图的星座点与原点构成的相位角，r_i表示原星座图相应星座点的欧式距离；

步骤2：将正方形星座图偏转平移得到不规则多边形星座图，公式如下：

其中α表示旋转角度，(X₀，Y₀)表示星座点的原本坐标，(X_t，Y_t)表示星座点旋转后的坐标。