CN110213188A - 基于循环位移选择性映射的峰均功率比抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于循环位移选择性映射的峰均功率比抑制方法，将待发送的二进制比特按照OFDM符号长度进行分块，分块后将每一个数据块复制成多份相同的二进制序列；生成随机性互斥的位移值S；每一个数据块进行循环移位，将数据块尾部的S位移到块起始位置，组成一个新的数据块；计算新的数据块中每个数据IFFT结果中PAPR数值，选择PAPR最小的数据发送。本发明大大降低了计算的复杂程度，提高了数据传输的效率。

Description

基于循环位移选择性映射的峰均功率比抑制方法

技术领域

本发明涉及一种峰均功率比抑制方法，特别是一种基于循环位移选择性映射的峰均功率比抑制方法。

背景技术

强度调制直接检测(IM/DD)正交频分复用(OFDM)是一种基于OFDM技术的光纤传输技术。将OFDM技术引入到光纤传输系统，具有抗色散、频谱效率高、可细粒度自适应调制的优势。然而，OFDM固有的峰均功率比(PAPR)过高的缺陷也被引入到IM/DD-OFDM系统中。传统抑制峰均功率比(PAPR)的方法主要分为编码类、预畸变类和概率类。编码类方法利用多个备用码组对同一数据块进行编码，计算不同码组的PAPR数值，进而选择使信号PAPR最低的码组编码。此类方法复杂度高，且当OFDM载波数较多时复杂度急剧升高，故该方法应用范围较小。预畸变算法是采用一些非线性变换技术直接改变信号的时域波形的方式降低PAPR。此方式由于引入不可逆失真，会降低系统的误码率(BER)性能。而概率类技术是一种无失真PAPR技术。典型的概率类抑制算法包括选择性映射(SLM)和部分传输(PTS)两种，其核心思想均是通过将数据与随机生成的相位因子矢量做乘法运算，进而选择PAPR最低的数据副本发送出去。PTS算法在逆快速傅里叶变换(IFFT)后完成乘法操作，而IM/DD-OFDM中发射信号均为实数，无法将其与相位因子相乘。故SLM算法更适合IM/DD-OFDM系统。

传统SLM算法需要将每个数据副本与相位因子矢量相乘来得到不同PAPR数值的信号，其结构图如图7所示。设定一帧OFDM数据中包含N个OFDM符号，每个符号由M个载波组成。根据前文描述，其算法复杂度为O(N·M)。该方法的计算复杂度比较高，对系统性能要求很高，并且降低了数据传输效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于循环位移选择性映射的峰均功率比抑制方法，降低计算复杂度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于循环位移选择性映射的峰均功率比抑制方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤一：将待发送的二进制比特按照OFDM符号长度进行分块，分块后将每一个数据块复制成多份相同的二进制序列；

步骤二：生成随机性互斥的位移值S；

步骤三：每一个数据块进行循环移位，将数据块尾部的S位移到块起始位置，组成一个新的数据块；

步骤四：计算新的数据块中每个数据IFFT结果中PAPR数值，选择PAPR最小的数据发送。

进一步地，所述步骤一具体为将原始待传输的二进制数据对应OFDM符号长度和调制格式中一个星座符号的比特数量进行分块，二进制数据块的长度为：

L_B＝K·N_dc

其中，K为对应调制格式中每个符号所携带的比特数量，N_dc则表示携带有效数据的载波数；分块后将每一个数据块复制成多份相同的二进制序列。

进一步地，所述步骤二具体为发送端与接收端存储着相同的移位数值表，表中位移值通过线下随机性生成得到，位移值取值范围是：-L_B～L_B-1。

进一步地，所述步骤三具体为

3.1步骤一中每一个数据块复制成max份相同的二进制序列，将每份二进制序列按照复制的顺序进行编号；

3.2判断当前二进制序列的序列号Iter是否小于max；若Iter小于max，则进入3.3；若Iter不小于max，则进入步骤四；

3.3查找发送端存储的位移数值表，并按照表格的位移值对每一个数据块进行循环移位和取反；

3.4将循环位移和取反后的数据块进行星座映射；

3.5将星座映射后的数据块进行IFFT计算。

进一步地，所述3.3具体为

采用有符号数作为移位指示信号；

当位移指示信号为正数时，查找发送端存储的位移数值表，并按照表格的位移值S，将数据块尾部的S位移到块起始位置，组成一个新的数据块；

当位移只是信号为负数时，查找发送端存储的位移数值表，并按照表格的位移值S，将数据块尾部的S位移到块起始位置，然后对移位部分进行按位取反操作，组成一个新的数据块。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明相比于传统的SLM算法，计算复杂度从O(N·M)下降为O(N)，大大降低了计算的复杂程度，提高了数据传输的效率；在降低复杂度的前提下，信号BER性能仅下降0.2～0.3dB，具有良好的市场应用前景；本发明可应用在基于OFDM技术的大容量光纤传输系统，尤其是低成本的IM/DD-OFDM系统，如短距离点对点光纤传输系统和OFDM无源光网络(PON)等，使用该算法可在没有增加过多复杂性的前提下，提高发射功率利用率、避免因信号幅度进入器件非线性区导致的信号失真。

附图说明

图1是本发明的基于循环位移选择性映射的峰均功率比抑制方法的流程图。

图2是本发明与传统SLM算法对比CCDF曲线图。

图3是本发明实施例验证实验结构及DSP操作流程图。

图4是本发明与传统SLM对比BER曲线图。

图5是本发明与传统SLM对比信号星座图。

图6是本发明的实施例的循环位移操作示意图。

图7是现有技术的SLM算法结构图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，本发明的一种基于循环位移选择性映射的峰均功率比抑制方法，包含以下步骤：

步骤一：将待发送的二进制比特按照OFDM符号长度进行分块，分块后将每一个数据块复制成多份相同的二进制序列。

将原始待传输的二进制数据对应OFDM符号长度和调制格式中一个星座符号的比特数量进行分块，二进制数据块的长度为：

L_B＝K·N_dc

其中，K为对应调制格式中每个符号所携带的比特数量，N_dc则表示携带有效数据的载波数；分块后将每一个数据块复制成多份相同的二进制序列。

步骤二：生成随机性互斥的位移值S；发送端与接收端存储着相同的移位数值表，表中位移值通过线下随机性生成得到，位移值取值范围是：-L_B～L_B-1。

步骤三：每一个数据块进行循环移位，将数据块尾部的S位移到块起始位置，组成一个新的数据块；

3.1步骤一中每一个数据块复制成max份相同的二进制序列，将每份二进制序列按照复制的顺序进行编号；

3.2判断当前二进制序列的序列号Iter是否小于max；若Iter小于max，则进入3.3；若Iter不小于max，则进入步骤四；

3.3查找发送端存储的位移数值表，并按照表格的位移值对每一个数据块进行循环移位和取反；

为了扩大随机资源池，也就是进一步增大处理后数据副本的随机性，采用有符号数作为移位指示信号；

当位移指示信号为正数时，查找发送端存储的位移数值表，并按照表格的位移值S，将数据块尾部的S位移到块起始位置，组成一个新的数据块；当移位位数等于4时，数据块移位前后结果如图6所示。

当位移只是信号为负数时，查找发送端存储的位移数值表，并按照表格的位移值S，将数据块尾部的S位移到块起始位置，然后对移位部分进行按位取反操作，组成一个新的数据块。

3.4将循环位移和取反后的数据块进行星座映射；

3.5将星座映射后的数据块进行IFFT计算。

步骤四：计算新的数据块中每个数据IFFT结果中PAPR数值，选择PAPR最小的数据发送。

本发明使用对二进制数据进行循环移位和按位取反的方式产生PAPR数值不同的数据副本，来降低算法复杂度。后文中提出算法简称为CS-SLM。相比于传统SLM算法，计算复杂度从O(N·M)下降为O(N)。其中N和M分别代表一帧数据中的OFDM符号个数和载波数。在降低复杂度的前提下，信号BER性能仅下降0.2～0.3dB。

下面通过仿真与实验对本发明的技术效果做进一步的说明：

我们一般采用互补累积分布函数(CCDF)描述PAPR性能，它表示PAPR数值大于设定门限的概率。现利用MATLAB仿真方式，对比本发明的CS-SLM与传统SLM算法的CCDF曲线。OFDM载波数取512，CS-SLM的位移数与SLM的随机相位数均取32。如图2所示，CS-SLM与传统SLM算法具有近乎重合的CCDF曲线，即PAPR抑制效果近乎相同。

现通过光纤传输实验分析经过该算法处理后的信号BER性能。实验结构及数字信号处理(DSP)操作步骤如图3。图中DSP操作的重点是发送端的CS-SLM映射和接收端CS-SLM解映射。发送端处理完毕后数字信号传入任意信号发生器(AWG)被转换为模拟信号，马赫增德尔(MZM)进一步将模拟信号转换成可在光纤中传输的光信号。

光纤链路中，有三个可调光衰减器(VOA)VOA1～VOA3和一个和掺铒光纤放大器(EDFA)四个光器件。其中VOA1和VOA3产生固定数值的光衰减使信号输入光纤和PD前的光功率保持不变，VOA2和EDFA用于控制光信噪比(OSNR)。

光信号经过接收端PD被转变为电模拟信号，通过示波器内ADC进一步产生数字信号。离线处理操作为发送端逆过程，依次是：符号定时同步、FFT、信道估计与均衡、星座解映射和CS-SLM移位解映射。最终计算多组BER数值取平均得到信号BER性能如图4。为了凸显PAPR问题并尽可能使BER计算准确，此处选定FFT点数为512，一帧数据有200个OFDM符号。以16QAM调制格式为例观察接收信号BER数值。

从实验结果可看出，采用两种PAPR抑制技术后，BER性能得到很大程度地改善。每种情况下，随着接收功率增大，OSNR随之上升，BER进而降低。BER结果相对于渐进线附近浮动，是因为受到随机噪声干扰以及调制器温漂等因素共同影响。传输30km光纤相比B2B传输，由于光纤色散等因素影响，BER性能整体上有1.5dB～1.8dB的衰减。

SLM与CS-SLM算法抑制PAPR后相比抑制前BER性能均有很大程度的改善。CS-SLM算法相比传统SLM算法来说，BER性能非常相近，仅有0.2dB～0.3dB的衰减。在接收功率为-20dBm附近，未抑制PAPR、SLM算法以及CS-SLM算法抑制PAPR后接收信号星座图如图5。从星座图可看出，SLM和CS-SLM抑制PAPR后，发射端电功率利用率提高，相对地提高了OSNR，接收信号星座图中点簇更加集中。

传统SLM算法中，接收端对每个OFDM符号的每个数据进行乘积运算，而CS-SLM算法抑制PAPR时，接收端在星座解映射后对每个OFDM符号对应的二进制比特块整体上进行一次移位取反操作，所以SLM和CS-SLM算法在接收端的计算复杂度依次是O(N·M)和O(N)。N和M分别表示一个数据帧中OFDM符号个数和有效载波数。综上，CS-SLM相比于SLM算法，接收端的计算复杂度较低，且在载波数较多时该算法有更明显的复杂度优势。

由上述实验内容可以看出，本发明相比于传统的SLM算法，计算复杂度从O(N·M)下降为O(N)，大大降低了计算的复杂程度，提高了数据传输的效率；在降低复杂度的前提下，信号BER性能仅下降0.2～0.3dB，具有良好的市场应用前景；本发明可应用在基于OFDM技术的大容量光纤传输系统，尤其是低成本的IM/DD-OFDM系统，如短距离点对点光纤传输系统和OFDM无源光网络(PON)等，使用该算法可在没有增加过多复杂性的前提下，提高发射功率利用率、避免因信号幅度进入器件非线性区导致的信号失真。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于循环位移选择性映射的峰均功率比抑制方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤一：将待发送的二进制比特按照OFDM符号长度进行分块，分块后将每一个数据块复制成多份相同的二进制序列；

步骤二：生成随机性互斥的位移值S；

步骤三：每一个数据块进行循环移位，将数据块尾部的S位移到块起始位置，组成一个新的数据块；

步骤四：计算新的数据块中每个数据IFFT结果中PAPR数值，选择PAPR最小的数据发送。

2.按照权利要求1所述的基于循环位移选择性映射的峰均功率比抑制方法，其特征在于：所述步骤一具体为将原始待传输的二进制数据对应OFDM符号长度和调制格式中一个星座符号的比特数量进行分块，二进制数据块的长度为：

L_B＝K·N_dc

其中，K为对应调制格式中每个符号所携带的比特数量，N_dc则表示携带有效数据的载波数；分块后将每一个数据块复制成多份相同的二进制序列。

3.按照权利要求1所述的基于循环位移选择性映射的峰均功率比抑制方法，其特征在于：所述步骤二具体为发送端与接收端存储着相同的移位数值表，表中位移值通过线下随机性生成得到，位移值取值范围是：-L_B～L_B-1。

4.按照权利要求1所述的基于循环位移选择性映射的峰均功率比抑制方法，其特征在于：所述步骤三具体为

3.1步骤一中每一个数据块复制成max份相同的二进制序列，将每份二进制序列按照复制的顺序进行编号；

3.2判断当前二进制序列的序列号Iter是否小于max；若Iter小于max，则进入3.3；若Iter不小于max，则进入步骤四；

3.3查找发送端存储的位移数值表，并按照表格的位移值对每一个数据块进行循环移位和取反；

3.4将循环位移和取反后的数据块进行星座映射；

3.5将星座映射后的数据块进行IFFT计算。

5.按照权利要求4所述的基于循环位移选择性映射的峰均功率比抑制方法，其特征在于：所述3.3具体为

采用有符号数作为移位指示信号；

当位移指示信号为正数时，查找发送端存储的位移数值表，并按照表格的位移值S，将数据块尾部的S位移到块起始位置，组成一个新的数据块；

当位移只是信号为负数时，查找发送端存储的位移数值表，并按照表格的位移值S，将数据块尾部的S位移到块起始位置，然后对移位部分进行按位取反操作，组成一个新的数据块。