CN110324086A - 一种无线光通信的双空间调制方法 - Google Patents

Abstract

一种无线光通信的双空间调制方法，其目的是利用PPM调制和PAM调制建立一种无线光通信的双空间调制方法，从而提高无线光通信系统的传输速率。该方法主要通过每次同时激活两个激光器来分别发送脉冲位置调制(PPM)和脉冲幅度调制(PAM)，进而提高系统传输速率。首先，发射端利用激光器映射向量、M‑PPM调制符号和L‑PAM调制符号的特点构建了发射信号矩阵，然后发送的光信号经湍流信道后到达接收端由光探测器接收。假设接收端已知信道状态信息，即在H已知的情况下，采用最大似然译码算法进行信号检测，恢复出原始比特信息。在此基础上利用联合界技术推导了该方法在对数正态信道下的理论误码率上界。

Description

一种无线光通信的双空间调制方法

技术领域

本发明涉及一种无线光通信的双空间调制方法，通过每次同时激活两个激光器来分别发送脉冲位置调制和脉冲幅度调制，提高系统传输速率，属于无线光通信技术领域。

背景技术

无线光通信由于其保密性好、性价比优等特点，成为一种新型宽带接入技术。随着数据传输业务量的急剧增加，人们对无线光通信系统的容量和传输速率提出了更高的要求；同时，大气湍流的存在会严重影响无线光通信系统的有效性和可靠性。而光空间调制技术不仅采用传统数字调制星座(即数字域)传递信息，而且还通过激光器索引号(即空间域)携带信息，可有效解决无线光通信中面临的问题。为此，学者围绕如何设计高效的光空间调制方案展开了广泛研究。

早期的光空间调制起源于室内可见光通信。与开关键控和PPM相比，光空间调制的提出将频谱效率分别提高了2倍和4倍。与PAM相比，二者具有相同的频谱效率，但光空间调制能提供更高的能量效率。光空间调制以其优良的性能引起了研究者的广泛关注。其中，Fath教授等人采用PAM调制提出了不同的光空间调制，实现了频谱效率的提高，但却带来了能量损失。Poves教授等人利用PPM调制构建了OSM方案，获得了较高的能量效率和较好的误码性能，但其频谱效率较低。教授等人将OSM和脉冲位置幅度调制(Pulse PositionAmplitude Modulation，PPAM)相结合，构建了一种适合于无线光通信的空间调制方案，实现了频谱效率和能量效率间的折中。

但在上述研究中，每次传输时仅激活了一个激光器，虽然这有效的消除了信道间干扰和发送激光器同步问题，但其要求激光器数必须为2的整数次幂，同时由于每次仅激活一个激光器而大大限制了空间资源的利用率。为此，研究者们通过同时激活少量的激光器而构建了一种室内的光广义空间调制(OGSM)。该方案的提出不仅解决了激光器数必须为2的整数次幂的不足，而且大大提高了系统的频谱效率和传输速率。但OGSM的误码性能还不够理想，并且仅仅分析了其在室内可见光通信中的性能。鉴于此，本发明通过同时激活两个激光器分别发送PPM和PAM调制符号，提出了一种无线光通信的双空间调制(DSM)方法。

发明内容

本发明的目的是利用PPM调制和PAM调制建立一种无线光通信的双空间调制方法，从而提高无线光通信系统的传输速率。

本发明是一种无线光通信的双空间调制方法，发送端通过每次同时激活两个激光器来分别发送脉冲位置调制(PPM)和脉冲幅度调制(PAM)，且激活的激光器携带不同的信息，接收端采用最大似然译码(ML)检测信号；并采用联合界技术推导了该方法在对数正态信道下的理论误码率上界。

本发明的益处在于：同时激活两个激光器分别发送PPM调制和PAM调制符号，不仅提升了系统的频谱效率和传输速率，并以少许的复杂度增加为代价，有效的改善了系统的误码性能，且解决了激光器数必须为2的整数次幂的问题。这为构建大容量、高速率的光空间调制系统提供了一种有效措施。具有一定的参考价值。

附图说明

图1为无线光通信中DSM系统信号传输模型，图2为本发明所述方法的流程图，图3为不同DSM系统的理论误码率和仿真误码率对比，图4为传输速率为5bpcu时不同参数下DSM的误码率，图5为传输速率为5bpcu时DSM和传统OSM方案的误码率，图6为传输速率为5bpcu时DSM和OGSM的误码率，图7为传输速率为6bpcu时不同OSM方案的频谱效率和复杂度。

具体实施方式

本发明是一种无线光通信的双空间调制方法，发送端通过每次同时激活两个激光器来分别发送脉冲位置调制(PPM)和脉冲幅度调制(PAM)，且激活的激光器携带不同的信息，接收端采用最大似然译码(ML)检测信号；并采用联合界技术推导了该方法在对数正态信道下的理论误码率上界。

本发明的具体步骤为：

步骤1：假设总激光器数为N_t，每次激活的激光器数为2，则从N_t个激光器中激活2个的组合数有种。由于所使用的激光器组合数必须为2的整数次幂，所以只需从种组合中选取其中的种即可，其中，表示向下取整运算。

步骤2：发射端利用激光器映射向量、M-PPM调制符号和L-PAM调制符号的特点构建了发射信号矩阵：式中，和均是一个N_t×1维的激光器映射向量，且非零元素的位置表示激活激光器的序号。(1≤j≤M表示发送脉冲的位置)是一个1×M维的M-PPM映射向量。(1≤l≤L表示发送脉冲的幅度)是L-PAM的映射向量。其中，M和L分别表示M-PPM调制的阶数和L-PAM调制的阶数。

步骤3：发送端发送的信号经大气湍流信道后由光探测器接收。设光探测器接收到的信号为：

其中，是均值为零、方差为的加性高斯白噪声，η是光电转换效率，H是N_r×N_t维信道衰落矩阵。对于弱到中等的大气湍流而言，信道衰落系数h常服从对数正态分布，其概率密度函数为：

式中，如果对衰落强度进行归一化处理，即E[h]＝1，则均值方差其中，表示信道衰落变化的闪烁指数。

假设接收端已知信道状态信息，即在H已知的情况下，我们采用最大似然(MaximumLikelihood，ML)译码算法进行信号检测，恢复出原始比特信息。

其中，||·||_F表示F-范数,和分别代表检测到激活激光器的序号和发送的调制符号。

步骤4：由于DSM星座空间中的星座点是随着输入比特的不同而随机产生，因此可以通过联合界技术获得DSM误码率的理论上界。具体方法如下：

假设DSM的传输速率为m bits/s，每次发射端从2^m个可能的发射信号中选取一个信号进行发送。通过联合界技术可以获得采用ML检测算法时DSM系统误码率理论的上界为

其中，d_H(x_i,x_j)表示x_i和x_j之间的汉明距离，即将信号x_i错误判决为x_j时产生的错误比特数。P(x_i→x_j|H)表示接收端已知信道矩阵H时，发送符号x_i被误检测为符号x_j的成对错误概率。

由上式可知，DSM的误码率不仅与输入信号和检测到的信号有关，而且还与信道状态信息和传输速率有关。

本发明提出了一种无线光通信的双空间调制方法，该方法发送端通过每次同时激活两个激光器来分别发送脉冲位置调制(PPM)和脉冲幅度调制(PAM)，且激活的激光器携带不同的信息；接收端采用最大似然译码(ML)检测信号。下面结合附图以具体实施例来详细说明本发明。

本发明通过如下技术措施来达到：

本发明为一种无线光通信的双空间调制方法，其目的是利用PPM调制和PAM调制构建一种适合于无线光通信的高传输速率方法，并推导该方法的理论误码率上界，分析影响其传输速率、频谱效率以及复杂度的因素。

步骤1：假设系统中有N_t个激光器，N_r个探测器，采用M-PPM和L-PAM调制构建的DSM系统模型如图1所示。在DSM方案中，假设每次激活少量的激光器，即每次激活的激光器数为2，所以从N_t个激光器中激活2个的组合数有种。由于所使用的激光器组合数必须为2的整数次幂，所以只需从种组合中选取其中的种即可，其中，表示向下取整运算。首先，发送端将原始数据比特进行串/并变换，并将其分别映射为激活激光器的序号、M-PPM调制符号和L-PAM调制符号，由激活的两个激光器并经光学天线发送出去。该信号经过大气湍流信道传输后到达接收端，接收端需要从受到信道衰减和噪声干扰的接收信号中恢复出原始的发送信息。本发明中接收端采用最大似然(ML)检测方法，并分析了采用最大似然译码的理论误码率上界。检测后的信号再经逆映射后恢复为原始信息比特。

步骤2：在发射端，首先进行DSM信号的映射，具体包括如下步骤：

假设每次传输的信息比特为b，它经串并转换后分为b₁、b₂和b₃三部分。其中，b₁被映射为系统中激活激光器序号的组合(l₁,l₂)，其长度为比特。b₂被映射为传统M-PPM调制星座图中的某个调制符号，其长度为log₂M比特。b₃被映射为传统L-PAM调制星座图中的某个调制符号，其长度为log₂L比特。因此，双空间调制系统每次传输的比特数为例如，当N_t＝4、M＝4、L＝2时，每次可传输5比特的信息，假设传输的二进制信息比特为b＝[1 0 0 1 1]，经双空间调制后，b₁＝[1 0]被映射为激活激光器序号组合(1,4)，b₂＝[0 1]被映射为传统4-PPM调制的调制符号，b₃＝[1]被映射为传统2-PAM调制的调制符号。

在双空间调制映射中，假设b₁被映射为系统中激活激光器序号组合(l₁,l₂)，其映射关系可用两个N_t×1维的向量来表示，即其中，非零元素的位置表示激活激光器序号，[·]^T表示转置运算。依据传统M-PPM调制的特点，b₂的映射关系可以表示为一个1×M维的向量1≤j≤M，其中，S表示发送M-PPM调制符号的平均光强。那么，激活激光器l1上发送的信号可表示为同理，依据传统L-PAM调制的特点，b₃的映射关系可以表示为1≤l≤L，其中，I_o代表发送L-PAM调制符号的平均光强。那么激活激光器l₂上发送的信号可表示为

经比特映射后的调制符号将会由激活的2个激光器发送出去，则发射信号可表示为：

步骤3：当信号经大气湍流信道传输后，接收端探测器接收到的信号可表示为：

其中，是均值为零、方差为的加性高斯白噪声，η是光电转换效率，H是N_r×N_t维信道衰落矩阵。对于弱到中等的大气湍流而言，信道衰落系数h常服从对数正态分布，其概率密度函数为：

式中，如果对衰落强度进行归一化处理，即E[h]＝1，则均值方差其中，表示信道衰落变化的闪烁指数。

在接收端，如何从受到衰落和噪声干扰的输出信号中估计出原始发射符号是信号检测的关键。假设接收端已知信道状态信息，即在H已知的情况下，我们采用最大似然(Maximum Likelihood，ML)译码算法进行信号检测。ML通过穷尽搜索的方式来检测出激活激光器的序号和调制符号，能够使系统获得最优的误码性能，其准则为：

其中，||·||_F表示F-范数,和分别代表检测到激活激光器的序号和发送的调制符号。将(4)式的输出结果经DSM解映射后恢复出原始比特

步骤4：为了验证本发明的正确性，我们推导了其在最大似然检测下的理论误码率上界，其具体步骤如下：

在DSM星座空间中，如果星座点间的距离越小，则其错误检测的几率就越高，导致系统的误码性能就越差，即传输信号星座点间的欧氏距离是系统错误概率的决定性因素。由于DSM星座空间中的星座点是随着输入比特的不同而随机产生，所以我们可以通过联合界技术获得DSM误码率的理论上界。

假设DSM的传输速率为mbpcu，每次发射端从2^m个可能的发射信号中选取一个信号进行发送。通过联合界技术可以获得采用ML检测算法时DSM系统误码率理论的上界为：

其中，d_H(x_i,x_j)表示x_i和x_j之间的汉明距离，即将信号x_i错误判决为x_j时产生的错误比特数。P(x_i→x_j|H)表示接收端已知信道矩阵H时，发送符号x_i被误检测为符号x_j的成对错误概率，可表示为：

依据信道模型(2)，式(6)可表示为：

其中，由于H、x_i、x_j均是一个固定的矩阵，而n是一个由均值为零、方差为的高斯变量组成的矩阵，所以D是服从均值E(D)＝0、方差的高斯随机变量。因此，式(6)能够写为：

其中，将其带入式(8)可得：

将式(9)代入(5)可得DSM的误码率上界为：

由(10)式可得，DSM的误码率不仅与输入信号和检测到的信号有关，而且还与信道状态信息和传输速率有关。

为了验证该方案的正确性，我们利用蒙特卡罗仿真方法进行了仿真分析。仿真条件为：假设接收端已知信道状态信息，系统总功率不变，闪烁指数光电转换效率η＝0.5，接收端采用ML检测，而且广义空间脉冲位置调制(GSPPM)和广义空间脉冲幅度调制(GSPAM)方案均只激活两个激光器。为了方便区分，采用(N_t,N_r)-MPPM-LPAM来标注DSM系统的参数。

图3为不同DSM系统的理论误码率和仿真误码率对比。其中，调制方式采用4-PPM和2-PAM。由图可见，当信噪比较低时，DSM系统的实际误码率低于理论上界；而当信噪比较大时，二者基本重合。

图4为不同参数下DSM方案的误码率，其中，N_r＝4，传输速率为5bpcu。由图可见，当传输速率相同时，随着PPM调制阶数的增加，DSM方案的误码率逐渐减小，但会带来频谱效率的损失；随着PAM调制阶数的增加，DSM系统的频谱效率逐渐增大，但会导致系统的误码性能恶化。

图5为DSM和传统OSM方案的误码率，其中，N_r＝4，传输速率为5bpcu，DSM选取图4中误码率最大和最小的系统。可以发现，合理的设计DSM系统，不仅可以获得较高的频谱效率和传输速率，而且其误码性能也可得到较好的改善。

图6为DSM和OGSM的误码率曲线，其中，N_r＝4，传输速率为5bpcu,DSM选取图3中误码率最大和最小的系统。可以发现，在综合考虑误码性能、传输速率和频谱效率的情况下，DSM方案相比于OGSM方案更加适合于无线光通信。

图7为不同OSM方案的频谱效率和复杂度，其中，传输速率为6bpcu，N_t＝4，N_r＝4。可以发现，GSPAM方案的频谱效率最高，SPPM方案的频谱效率最低，DSM方案的频谱效率虽然略低于GSPAM和SPAM，但其提供了更好的误码性能。SPPM方案的复杂度最高，GSPAM方案的复杂度最低。DSM方案的复杂度仅低于SPPM方案，虽然DSM方案的复杂度略有增加，但它却提供了更高的频谱效率和较好的误码性能，而且增加的这些复杂度就现在的高速信号处理技术而言是值得的。因此，DSM更适合于高速率、大容量的无线光通信。

通过以上实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可以用软件或通过硬件来实现。基于以上理解，本发明的技术方法对现有技术的贡献部分可以通过软件或硬件来执行本发明实施例所述的方法。

Claims (2)

1.一种无线光通信的双空间调制方法，其特征在于，通过每次同时激活两个激光器来分别发送脉冲位置调制和脉冲幅度调制，且激活激光器携带不同的信息来提高系统的传输速率；接收端利用最大似然检测方法对信号进行检测和解映射，恢复出原始比特信息；并采用联合界技术推导了该方法在对数正态信道下的理论误码率上界。

2.根据权利要求1所述的无线光通信的双空间调制方法，其特征在于，其具体步骤为：

步骤1：假设总激光器数为N_t，每次激活的激光器数为2，则从N_t个激光器中激活2个的组合数有种；所使用的激光器组合数必须为2的整数次幂，从种组合中选取其中的种，其中，表示向下取整运算；

步骤2：发射端利用激光器映射向量、M-PPM调制符号和L-PAM调制符号的特点构建了发射信号矩阵：式中，和均是一个N_t×1维的激光器映射向量，且非零元素的位置表示激活激光器的序号；(1≤j≤M表示发送脉冲的位置)是一个1×M维的M-PPM映射向量；1≤l≤L表示发送脉冲的幅度，是L-PAM的映射向量；其中，M和L分别表示M-PPM调制的阶数和L-PAM调制的阶数；

步骤3：发送端发送的信号经湍流信道后由光探测器接收；设光探测器接收到的信号为：

其中，是均值为零、方差为的加性高斯白噪声，η是光电转换效率，H是N_r×N_t维信道衰落矩阵；对于弱到中等的大气湍流而言，信道衰落系数h常服从对数正态分布，其概率密度函数为：

式中，如果对衰落强度进行归一化处理，即E[h]＝1，则均值方差其中，表示信道衰落变化的闪烁指数；

假设接收端已知信道状态信息，即在H已知的情况下，我们采用最大似然-MaximumLikelihood译码算法进行信号检测，恢复出原始比特信息；

其中，||·||_F表示F-范数,和分别代表检测到激活激光器的序号和发送的调制符号；步骤4：由于DSM星座空间中的星座点是随着输入比特的不同而随机产生，能够通过联合界技术获得DSM误码率的理论上界；具体方法如下：

假设DSM的传输速率为m bits/s，每次发射端从2^m个可能的发射信号中选取一个信号进行发送；通过联合界技术能够获得采用ML检测算法时DSM系统误码率理论的上界为：

其中，d_H(x_i,x_j)表示x_i和x_j之间的汉明距离，即将信号x_i错误判决为x_j时产生的错误比特数；P(x_i→x_j|H)表示接收端已知信道矩阵H时，发送符号x_i被误检测为符号x_j的成对错误概率。