CN110336614B - 一种适合于无线光通信的多层空间脉冲调制方法 - Google Patents

一种适合于无线光通信的多层空间脉冲调制方法 Download PDF

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Abstract

一种适合于无线光通信的多层空间脉冲调制方法，其目的是充分利用空域资源和PPM调制的高能量效率，在保证系统误码性能的前提下提高系统频谱效率和激光器的利用率，层映射是通过引入额外的几个激光器，将输入的比特信息分为多层，SPPM映射则是依据映射规则确定每层激活的LD序号以及脉冲位置，通过同时激活多个采用相同调制阶数的PPM的激光器来发送信息。接收端采用最大似然译码检测算法完成激光器序号和数字调制信号的检测，并经相应的反映射后即可恢复发端比特信息。在此基础上，推导了多层空间脉冲调制的误码率上界。该多层空间脉冲调制系统的构建有效的提高了激光器的利用率及系统频谱效率和传输速率。

Description

一种适合于无线光通信的多层空间脉冲调制方法
技术领域
本发明属于无线光通信技术领域。
背景技术
大规模光多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术因其高速可靠的优势已成为未来移动通信中的关键技术。空间调制(Spatial Modulation，SM)作为一种新型的MIMO传输技术，灵活地使用空间资源，即在二维信号星座图上外加一维空间星座图(发射天线序号)，这样不仅可以利用传统调制符号传输信息，而且还可利用发送天线的索引号(即空间域)携带部分信息。由于空间调制每一时刻只激活一根天线，克服了传统MIMO系统收发复杂度较高的问题，同时有效地降低了天线间干扰、避免了同步困难等问题，实现了频谱效率、能量效率与实现复杂度之间的有效折中，因而受到了学者的广泛关注，已成为大规模MIMO技术中具有应用前景的备选方案之一。
空间调制技术为提升通信系统的频谱效率和传输速率提供了一种有效手段。目前，已有大量学者致力于光空间调制技术的研究，并取得了丰硕的成果。例如将SM技术与脉冲位置调制(Pulse Position Modulation，PPM)结合，提出空间脉冲位置调制(SpatialPulse Position Modulation，SPPM)方案。虽然该方案有效提高了系统的误码性能和功率增益，但其频谱效率会随PPM阶数的增加而降低。鉴于此，有学者将脉冲幅度调制(PulseAmplitude Modulation，PAM)引入SPPM中，构建了一种空间脉冲位置-幅度调制(SpatialPulse Position and Amplitude Modulation，SPPAM)方案。但在该方案中，随着PAM调制阶数的增加会产生更高的峰均功率，使得发射器工作在其非线性区域，这将导致系统的误码率增大。为此，有人将极化移位键控(POLK)与SM结合提出了空间多级极化移位键控(Multilevel Polarization Shift Keying，SM-MPOLSK)调制方案。该方案充分利用偏振态携带了部分比特信息，有效地降低了PAM调制所需的阶数，从而提供了超过传统光通信系统的频谱效率、功率效率及误码性能。但上述方案均因仅激活一个激光器导致其频谱效率的提升有限。为此，广义光空间调制的概念被提出，它通过采取激光器组合的方式增大可选激活状态来提高频谱效率。但在这些组合方式中，真正可以利用的组合只有2的幂指数个，而且激光器数目较多时造成的浪费将会更多。因此难以充分利用空间资源获得更高的频谱效率。
为进一步提高激光器的利用率和频谱效率，本发明提出了一种适合于无线光通信的多层空间脉冲调制方法，将分层技术与光空间调制技术相结合，通过额外增加少量的几个激光器，并充分利用脉冲位置调制的特点构建一种多层空间调制系统，具有重要的研究意义和应用价值。
发明内容
为了尽可能的提高激光器的利用率，本发明提出了一种适合于无线光通信的多层空间脉冲调制方法。其目标在于充分利用空域资源和PPM调制的高能量效率，在保证系统误码性能的前提下提高系统频谱效率和激光器的利用率。
本发明是提高光空间调制中激光器利用率和传输速率的一种有效方法，其特征在于，发射端额外引入少量的几个激光器，并同时激活几个采用相同调制阶数的脉冲位置调制(PPM)的激光器，构建多层空间脉冲位置调制系统，提高光空间调制的频谱效率和激光器的利用率；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；计算湍流信道下多层空间脉冲位置调制系统的误码率上界。具体步骤如下：
步骤1：在发射端，对二进制信息比特流进行层映射、SPPM映射，将其转换成多层空间脉冲调制信号X，其表达式为：
Figure GDA0003130856710000021
式中，X为总的发射信号，
Figure GDA0003130856710000022
为每层采用LM-PPM的调制信号，其中
Figure GDA0003130856710000023
为Nt×1维的向量，表示激光器映射，ai为第i层激活激光器的序号，
Figure GDA0003130856710000024
为1×ML维的向量，表示PPM映射，其中L为调制层数，M为PPM的调制阶数，Am为PPM调制第j个时隙上的光强；
步骤2：在多层空间脉冲位置调制系统的接收端，每层激活激光器(LD)的序号与调制符号可通过最大似然检测准则联合译出并经逆映射后恢复出原始比特信息：
Figure GDA0003130856710000025
其中，
Figure GDA0003130856710000026
分别为激活LD的序号和脉冲位置的估计值，该信号经相应的解映射后即可恢复出原始比特信息；
步骤3：在信道状态已知的情况下，给出多层光空间脉冲位置调制系统基于最大似然检测准则时的误码率上界：
Figure GDA0003130856710000027
其中，Xi为发射信号，Xj为估计信号，dH(Xi，Xj)表示发射信号Xi和估计信号Xj映射标签之间的汉明距离，PEP(Xi→Xj|H)表示发送信号Xi被误判为信号Xj的概率，λ为LD索引号所携带的比特数，在LSPPM中，LD索引号出错的概率远大于调制方式出错的概率，因此λ＝Llog2Nt，ssk。
本发明的益处在于：将分层技术与脉冲位置调制相结合，通过同时激活每层采用PPM调制的激光器，构建了一种适合于无线光通信的多层空间脉冲调制系统，有效地提高了激光器利用率、系统频谱效率和传输速率。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为多层空间脉冲位置调制系统模型；
图2为本发明所述方法的流程示意图；
图3为多层空间脉冲位置调制系统的误码率理论性能与仿真性能对比；
图4为相同传输速率下多层空间脉冲位置调制方案与传统SPPM方案误码性能对比；
图5为不同配置下的多层空间脉冲调制方案误码性能对比；
为了更完整的阐述，现结合附图进行描述：
具体实施方式
本发明提出了一种适合于无线光通信的多层空间脉冲调制方法。该方法额外引入几个激光器并与分层技术相结合，通过同时激活几个采用相同调制阶数的PPM的激光器，极大的提高了激光器的利用率及系统的频谱效率和传输速率。下面结合附图以具体实施来详细说明本发明。
本发明通过如下技术措施来达到：
对于一个有Nt个激光器(LD)，Nr个光电探测器的多层空间脉冲位置调制(LOSM)系统，其系统模型如图1所示。发射端的二进制信息比特流经过层映射、激光器映射和PPM映射转换成多层调制信号。多层调制信号再经激光器后由光学发射天线发送出去。经过大气信道传输的信号，在接收端利用最大似然检测准则(ML)进行解映射，即可恢复出原始比特信息。
1、具体实施步骤
步骤1：在发射端，先对待发送的二进制比特进行层映射和SPPM映射(激光器映射和PPM映射)。
在层映射中，首先将输入的比特流划分成长度为n比特的数据块B，再对比特块B进行分层，即将B分割为B＝[b(1)b(2)…b(L)]T。其中，
Figure GDA0003130856710000031
表示第i层的发送数据，包含log2Nt，ssk+log2M个比特，其中M为PPM的调制阶数，Nt，ssk为每层空移键控(SpaceShift Keying，SSK)调制时需要的激光器数目。LSPPM每多一层需要在Nt基础上多增加一个激光器，若层数为L层，则LSPPM所需激光器数为Nt＝Nt，ssk+L-1个。
在SPPM映射中，首先进行第一层的LD映射。根据SSK调制原则，用b(1)中的前d＝log2Nt，ssk个比特确定激活LD的序号。假设第一层激活LD的序号为a1，那么，映射后的信号可用一个仅含有1个非零元素的Nt×1维向量来表示，即
Figure GDA0003130856710000032
同理，用b(i)中的前d个比特确定第i层激活LD的序号。假设第二层数据b(2)中前d个比特经映射后得到第二层激活LD的序号为a2，将a2与a1进行比较，若a2＜a1，则a2无需调整，若a2≥a1，则a2＝a2+1，即原来激活的LD序号向后移动一位，同时调整信号向量为
Figure GDA0003130856710000033
同理，第i层数据b(i)的前d个比特经调制后得到激活LD的序号为ai，将ai与前i-1层激活LD的序号aj(j∈(1，i-1))进行比较，每次比较若ai≥aj，则ai＝ai+1，而且第i层映射后的向量也相应调整为
Figure GDA0003130856710000034
b(i)中剩余比特用于确定M-PPM调制中的脉冲位置。为进行层区分，将M阶PPM调制扩展成阶数为LM的PPM调制。其中，第一层信号在1～M个时隙上传输，第二层信号在M+1～2M个时隙上传输，同理，第i层信号在(i-1)M+1～iM个时隙上传输。映射后的信号可用1×ML维的向量表示
Figure GDA0003130856710000035
(i-1)M+1≤j≤iM，Am为PPM调制第j个时隙上的光强。这样每层采用LM-PPM调制的信号可以表示为
Figure GDA0003130856710000036
那么，发射端发送的信号可表示为
Figure GDA0003130856710000037
步骤2：在LSPPM系统的接收端中，每层激活LD的序号与调制符号可通过最大似然检测准则联合译出，其表达式如公式(2)所示。
Figure GDA0003130856710000038
其中，
Figure GDA0003130856710000039
分别为激活LD的序号和脉冲位置的估计值。该信号经相应的解映射后即可恢复出原始比特信息。
步骤3：假设Xi为发射信号，Xj为估计信号，在信道状态已知的情况下，下面给出LSPPM系统基于最大似然检测准则时的误码率性能。LSPPM的平均误比特率(Average BitError Probability，ABEP)可以写成
Figure GDA0003130856710000041
其中，dH(Xi，Xj)表示发射信号Xi和估计值Xj映射标签之间的汉明距离，PEP(Xi→Xj|H)表示发送信号Xi被误判为信号Xj的概率，λ为LD索引号所携带的比特数。在LSPPM中，LD索引号出错的概率远大于调制方式出错的概率，因此λ＝Llog2Nt，ssk。
为了计算简化，用归一化噪声方差对公式(2)和公式(4)进行归一化处理，可得
Figure GDA0003130856710000042
Figure GDA0003130856710000043
在信道信息H给定的条件下其成对错误概率为：
Figure GDA0003130856710000044
将公式(4)带入公式(6)可得
Figure GDA0003130856710000045
定义
Figure GDA0003130856710000046
此时z服从均值为0，方差为
Figure GDA0003130856710000047
的高斯分布。那么公式(7)可以写成
Figure GDA0003130856710000048
因此，采用最大似然检测准则后，LSPPM系统的误码率上界可以写成
Figure GDA0003130856710000049
由公式(9)可见，LSPPM系统误码率取决于三维星座符号之间的欧氏距离和它们映射标签之间的汉明距离。
为了进一步说明本发明方法的正确性，采用蒙特卡洛(Monte Carlo)方法对其进行仿真验证。此时的仿真条件为：假设接收端已知信道状态信息，
Figure GDA00031308567100000410
r＝0.5。
图3为LSPPM系统的理论性能与仿真性能对比。由图可知：(1)随着信噪比的增加，LSPPM系统的误码率逐渐减小。(7，4，4，8)和(5，4，2，2)系统在信噪比分别为35dB和31dB时其误码率达到了10-3。(2)理论分析结果与实际仿真性能结果基本吻合。(7，4，4，8)、(5，4，2，2)和(5,5,2,2)系统在信噪比分别为30dB、25dB和22dB左右时开始重合。低信噪比下，理论误码率增大，使得其上界与实际仿真结果出现一定偏差，但实际的仿真误码率依然低于理论上界，验证了理论推导的正确性。(3)(5,5,2,2)系统的误码率明显小于(5,4,2,2)系统的误码率，这就说明可以通过增加探测器的数目来改善LSPPM系统的误码率。
图4为LSPPM与SPPM系统的仿真性能比较。由图可知：在相同的传输速率下，(7,4,4,8)-LSPPM系统的误码率明显优于(32,4,128)-SPPM系统的误码率。当BER＝10-3时，前者的信噪比比后者改善了约2.5dB，其频谱效率提高了16倍，且前者所需的激光器数目不到后者的1/4。在传输速率和频谱效率相同的情况下，(5,4,2,4)-LSPPM系统与(16,4,4)-SPPM系统的误码率曲线几乎完全重合，但前者需要的激光器数目仅为后者的1/3。这就说明在探测器数目和传输速率相同的条件下，LSPPM系统比SPPM系统在频谱效率和激光器的利用率上更具优势。
图5给出了不同LSPPM系统的误码率曲线。由图可知：(1)比较(9,4,2,4)和(5,4,2,4)系统、(7,4,4,8)和(5,4,4,8)系统可得，在探测器数目、调制层数和调制阶数相同的情况下，随着激光器数目的增加，LSPPM系统的频谱效率和传输速率得到了提升，但会导致LSPPM系统误码率的恶化。(9,4,2,4)比(5,4,2,4)系统的传输速率提高了1/3倍，但当BER＝10-3时，其信噪比恶化了约2.5dB。(2)比较(5,4,4,8)系统与(5,4,4,4)系统可得，在激光器数目、探测器数目和调制层数相同的情况下，虽然调制阶数的增加会引起其频谱效率的下降，但系统的传输速率提高了一倍，其误码率性能得到了改善。当BER＝10-3时，相对于后者，前者的信噪比改善了约1.5dB。因此，可以通过增加PPM的调制阶数来改善系统的误码性能。(3)比较(5,4,2,4)系统与(5,4,4,4)系统可得，在激光器数、探测器数和调制阶数相同的情况下，调制层数越多会导致系统误码率增大，而且其频谱效率和传输速率也不一定会得到提升，因此在LD数目确定的情况下，需合理分配调制层数及PPM调制阶数来达到频谱效率、传输速率和误码率之间的折中。
通过同时激活几个采用相同调制阶数的PPM的激光器，构建了一种适合于大气激光通信的多层空间脉冲调制系统，并推导了其误码率上界，与现有的SPPM方案相比极大的提高了系统的频谱效率和激光器的利用率，为实际无线光通信系统的设计和性能界的估计提供了一定的参考价值。

Claims (1)

1.一种适合于无线光通信的多层空间脉冲调制方法，其特征在于，发射端额外引入少量的激光器，并同时激活几个采用相同调制阶数的脉冲位置调制(PPM)的激光器，构建一种适合于无线光通信的多层空间脉冲位置调制系统，从而提高光空间调制的频谱效率和传输速率；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；计算湍流信道下多层空间脉冲位置调制系统的误码率上界；
其具体步骤为：
步骤1：在发射端，对二进制信息比特流进行层映射、SPPM映射，将其转换成多层空间脉冲调制信号X：
Figure FDA0003130856700000011
式中，X为总的发射信号，
Figure FDA0003130856700000012
为每层采用LM-PPM的调制信号，其中
Figure FDA0003130856700000013
为Nt×1维的向量，表示激光器映射，ai为第i层激活激光器的序号，
Figure FDA0003130856700000014
为1×ML维的向量，表示PPM映射，其中L为调制层数，M为PPM的调制阶数，Am为PPM调制第j个时隙上的光强，Nt是激光器的个数；
步骤2：在多层空间脉冲位置调制系统的接收端，每层激活LD的序号与调制符号可通过最大似然检测准则联合译出并经逆映射后恢复出原始比特信息：
Figure FDA0003130856700000015
其中，
Figure FDA0003130856700000016
分别为激活LD的序号和脉冲位置的估计值，该信号经相应的解映射后即可恢复出原始比特信息；
步骤3：在信道状态已知的情况下，给出多层光空间脉冲位置调制系统基于最大似然检测时的误码率上界：
Figure FDA0003130856700000017
其中，Xi为发射信号，Xj为估计信号，dH(Xi,Xj)表示发射信号Xi和估计信号Xj映射标签之间的汉明距离，PEP(Xi→Xj|H)表示发送信号Xi被误判为信号Xj的概率，λ为LD索引号所携带的比特数，在多层空间脉冲位置调制中，LD索引号出错的概率远大于调制方式出错的概率，因此λ＝Llog2Nt,ssk，N t,ssk为每层空移键控调制时需要的激光器数目。
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