CN111010255B - 基于极化码编码im/dd传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于极化码编码PS‑64‑QAM IMDD传输方法及系统。本发明一种基于极化码编码PS‑64‑QAM IMDD传输方法，用于发射端中，包括：将均匀分布的二进制比特输入到PS编码器中，创建传输方式查找表，从而产生K个数据比特和M个选择比特。接着，先将K比特进行伪随机交织操作，再输入到系统极化码编码器中。本发明的有益效果：本发明提出并通过实验证明了在IM/DD 64‑QAM OFDM传输系统中，通过概率整形和PAPR抑制，并结合系统极化码纠错，实现了对系统性能的较大的提升。可以看出本发明方案在FEC之前和FEC之后，BER为3.8×10^‑3下获得了7dB和4dB的性能提升。并且，PS和SLM的冗余信息都被巧妙的放进在了极化码的冻结位中，从而保证了整个传输系统中，冗余度都是固定不变的。

Description

基于极化码编码IM/DD传输方法及系统

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及一种基于极化码编码IM/DD传输方法及系统。

背景技术

随着近年来数字通信的快速发展，人们对光网络中高速数据传输的需求不断提升。为了保证系统的可靠高效、稳定长距离传输，概率整形技术凭借其灵活的信息速率和优秀的OSNR容限，具备了很好的应用前景。

强度调制直接检测(IM/DD)正交频分复用(OFDM)由于其配置简单并且成本低廉，成为下一代无源光网络(NG-PON)非常有希望的候选者。但是，厄米对称性的要求几乎使频谱效率减半。与16-QAM信号相比，64-QAM信号可以将频谱效率提高四倍，但同时更容易受到各种噪声的影响。此外，作为多载波技术的OFDM还存在严重的问题，即由于每个载波的重叠传输而导致更高的峰均功率比(PAPR)。

对于光功率受限的系统，为了实现系统容量的最大化，从而对输入信号的星座图进行整形，获得整形增益。2016年德国慕尼黑工业大学Georg Bicherer教授提出了一种恒定成分分布匹配器(CCDM)，能够实现将均匀分布的信息序列变成为特定概率分布的信息序列，使传输信号近似高斯信号来达到香农极限。Lvan教授提出的二进制LDPC码结合霍夫曼编码进行概率整形和T.Yoshida提出的脉冲幅度调制系统的后概率整形方案，都获得了不同程度的增益。PS可以有效地索引最低能量的星座点，并增加出现这些星座点的可能性，从而增强信号对各种噪声的鲁棒性。但是，CCDM需要较长的块长度，并且对并行处理多个块具有挑战性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于极化码编码IM/DD传输方法及系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于极化码编码IM/DD传输方法，用于发射端中，包括：

将均匀分布的二进制比特输入到PS编码器中，创建传输方式查找表，从而产生K个数据比特和M个选择比特。

接着，先将K比特进行伪随机交织操作，再输入到系统极化码编码器中。系统极化码编码器如式(1)所示

其中，信源比特可以分为信息位u_A和冻结位

G_A和

是生成矩阵G_N的子矩阵，而

是二进制矩阵F＝[1 0；1 1]的n倍Kronecker幂；B_N为一个N×N比特翻转矩阵；

选择将需要传输的K个数据比特放置在极化码编码器的信息位中，将M个选择比特放置在信道质量相对较差的冻结位中，其余的冻结位依然用0表示；

在经过系统极化码编码之后，原来的概率分布已经被打乱，需要再通过一次反交织操作还原传输信息的概率分布特性，在经过星座映射之后，选择PAPR最低的数据进行光纤传输。

在其中一个实施例中，传输方式查找表如下：

在其中一个实施例中，利用SLM算法选择PAPR最低的数据进行光纤传输。

一种基于极化码编码IM/DD传输方法，用于接收端中，包括：

先将接收到的信号进行除去最佳相位序列操作，LLR计算和64QAM解调；为了使SC译码器能够正确识别并解码，再进行一次解反交织操作；解反交织之后的数据分布则和系统极化码编码器输出的数据在比特分布上达成了一致；

在通过SC译码器之后,便可以成功解出K个数据比特，M个选择比特和等同数量的0比特；之后，利用M个选择比特作为判决信息，将K个数据比特打入到PS解码器中，便可以成功还原出均匀分布的二进制比特。

一种基于极化码编码IM/DD传输方法，包括：

在发射端中：

将均匀分布的二进制比特输入到PS编码器中，创建传输方式查找表，从而产生K个数据比特和M个选择比特。

接着，先将K比特进行伪随机交织操作，再输入到系统极化码编码器中。系统极化码编码器如式(1)所示

其中，信源比特可以分为信息位u_A和冻结位

G_A和

是生成矩阵G_N的子矩阵，而

是二进制矩阵F＝[1 0；1 1]的n倍Kronecker幂；B_N为一个N×N比特翻转矩阵；

选择将需要传输的K个数据比特放置在极化码编码器的信息位中，将M个选择比特放置在信道质量相对较差的冻结位中，其余的冻结位依然用0表示；

在经过系统极化码编码之后，原来的概率分布已经被打乱，需要再通过一次反交织操作还原传输信息的概率分布特性，在经过星座映射之后，选择PAPR最低的数据进行光纤传输；

在接收端中：

先将接收到的信号进行除去最佳相位序列操作，LLR计算和64QAM解调；为了使SC译码器能够正确识别并解码，再进行一次解反交织操作；解反交织之后的数据分布则和系统极化码编码器输出的数据在比特分布上达成了一致；

在通过SC译码器之后,便可以成功解出K个数据比特，M个选择比特和等同数量的0比特；之后，利用M个选择比特作为判决信息，将K个数据比特打入到PS解码器中，便可以成功还原出均匀分布的二进制比特。

在其中一个实施例中，利用SLM算法选择PAPR最低的数据进行光纤传输。

在其中一个实施例中，传输方式查找表如下：

一种基于极化码编码IM/DD传输系统，包括：极化码编码的信息作为传输系统中的起始数据；首先被编成64-QAM OFDM信号，通过串并转换(S/P)，64-QAM星座映射和基于SLM算法的PAPR抑制之后，再进行快速傅里叶逆变换(IFFT)，添加循环前缀(CP)，并行到串行转换(P/S)；然后，将具有最小PAPR的12.5-Gbuad OFDM信号加载到50-GS/s的任意波形发生器(AWG)中，再将OFDM电信号通过一个Mach-Zehnder调制器(MZM)加载到连续波(CW)激光中进行传输；之后，光OFDM信号被发射到标准单模光纤(SSMF)中；来自SSMF的输出信号的噪声电平由可变光衰减器(VOA)和掺铒光纤放大器(EDFA)控制，以进行BER评估；在接收器中，光电检测器(PD)用于将光信号转换为电信号；最后，通过50-GS/s实时示波器获取数据；发送器的反操作在接收器中离线实现，以恢复数据。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现任一项所述方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现任一项所述方法的步骤。

一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行任一项所述的方法。

本发明的有益效果：

本发明提出并通过实验证明了在IM/DD 64-QAM OFDM传输系统中，通过概率整形和PAPR抑制，并结合系统极化码纠错，实现了对系统性能的较大的提升。可以看出本发明方案在FEC之前和FEC之后，BER为3.8×10^-3下获得了7dB和4dB的性能提升。并且，PS和SLM的冗余信息都被巧妙的放进在了极化码的冻结位中，从而保证了整个传输系统中，冗余度都是固定不变的。经过分析，本发明证实了该方案的正确性和可行性。

附图说明

图1是本发明基于极化码编码IM/DD传输方法的示意图。

图2是本发明基于极化码编码IM/DD传输方法中查表法的3D概率质量函数的示意图。

图3是本发明基于极化码编码IM/DD传输系统的结构示意图。

图4是本发明基于极化码编码IM/DD传输方法中的不同接受光功率下BER曲线。

图5是在BER＝3.8×10^-3情况下，图4对应的星座图和波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

PAPR抑制在OFDM系统变得尤为重要，选择性映射(SLM)可以将不同的相位序列与相同的OFDM信号相乘，从而选择最小的PAPR相对应的相位序列进行传输。而且，与LDPC码相比，极性码以较低的复杂度为代价从而达到香农极限，并且没有错误底限。因此，将基于查找表和极性编码的概率整形串联起来用于提高PS-64-QAM系统的性能是很有吸引力的。

图1显示了极化码PS系统体系结构。首先，将均匀分布的二进制比特输入到PS编码器中，创建传输方式查找表，详见下表，从而产生K个数据比特和M个选择比特。

产生的K个数据比特的3D概率质量函数(PMF)如图2所示。从图2中可以看到低功率信号的概率是最高的，而四周的高功率信号则相对低了很多，这样保证了信号分布是符合高斯分布的，从而证明了该概率整形方案的正确性。

接着，先将K比特进行伪随机交织操作，再输入到系统极化码编码器中。系统极化码编码器如式(1)所示

其中，信源比特可以分为信息位u_A和冻结位

G_A和

是生成矩阵G_N的子矩阵。而

是二进制矩阵F＝[10；1 1]的n倍Kronecker幂；B_N为一个N×N比特翻转矩阵。本发明选择将需要传输的K个数据比特放置在极化码编码器的信息位中，将M个选择比特放置在信道质量相对较差的冻结位中，其余的冻结位依然用0表示，这样灵活高效的使用了系统极化码的冻结位，从而很好的控制了冗余信息。在经过系统极化码编码之后，原来的概率分布已经被打乱，需要再通过一次反交织操作还原传输信息的概率分布特性，在经过星座映射之后，利用SLM算法选择PAPR最低的数据进行光纤传输。

在接收端，先将接收到的信号进行除去最佳相位序列操作，LLR计算和64QAM解调。为了使SC译码器能够正确识别并解码，再进行一次解反交织操作。解反交织之后的数据分布则和系统极化码编码器输出的数据在比特分布上达成了一致。因此，在通过SC译码器之后,便可以成功解出K个数据比特，M个选择比特和等同数量的0比特。之后，利用M个选择比特作为判决信息，将K个数据比特打入到PS解码器中，便可以成功还原出均匀分布的二进制比特。这样，就是本发明一套完整的利用系统极化码纠错，概率整形和SLM提高增益的原理过程。

图3显示了极性编码的PS-64-QAM IM/DD OFDM传输系统的实验设置，其中极化码编码的信息(也就是图1中映射mapping之前)作为实验设置中的起始数据。首先被编成64-QAM OFDM信号，通过串并转换(S/P)，64-QAM星座映射和基于SLM算法的PAPR抑制之后，再进行快速傅里叶逆变换(IFFT)，添加循环前缀(CP)，并行到串行转换(P/S)。然后，将具有最小PAPR的12.5-Gbuad OFDM信号加载到50-GS/s的任意波形发生器(AWG)中，再将OFDM电信号通过一个Mach-Zehnder调制器(MZM)加载到波长为1550.116nm的连续波(CW)激光中进行传输，确保输出功率为4.5dBm。之后，光OFDM信号被发射到30公里标准单模光纤(SSMF)中。来自SSMF的输出信号的噪声电平由可变光衰减器(VOA)和掺铒光纤放大器(EDFA)控制，以进行BER评估。在接收器中，光电检测器(PD)用于将光信号转换为电信号。最后，通过50-GS/s实时示波器获取数据。发送器的反操作在接收器中离线实现，以恢复数据。图中64-QAM星座图则为未进行任何解调恢复操作时的数据，其中颜色越蓝的部分表示此处离散点的密集程度越低，越黄色的部分表示离散点越密集，从图中可以看出，64-QAM信号大部分的点位于星座图低功率位置，只有少部分的点位于星座图的外部，从而看出本发明设计方案与结果符合预期。

图4显示了在图3的OFDM传输系统中，uniform-64-QAM，PS-64-QAM和具有SLM算法的PS-64-QAM在有无极化码纠错码情况下的BER曲线。图中实线和虚线分别是背对背(BTB)和30km SSMF传输的测量结果，可以看出30km SSMF传输只会造成微不足道的功率损失。就以硬判决门限BER＝3.8×10^-3而言，PS-64-QAM信号比均匀分布的64-QAM信号大概提高了5dB的功率损，如圆圈标记曲线和正方形标记曲线所示。并且，使用SLM算法来抑制PAPR的PS-64-QAM曲线，在BER＝3.8×10^-3处额外提供了2dB的功率损失改善，如正方形标记的曲线和绿色三角形标记的曲线所示。同时，基于极性编码的FEC可以大大提高BER性能，如图4中的灰色三角形标记曲线，菱形标记曲线和红色三角形标记曲线所示，其中信号传输过程中，冗余一直保持在了50％。在经过FEC处理的情况下，与传统的64-QAM信号相比，PS和SLM 64-QAM信号分别获得了3dB的功率损失和1dB的功率损失改善结果。图5显示了uniform-64-QAM，PS-64-QAM和具有SLM算法的PS-64-QAM在BER＝3.8×10^-3情况下，有无极化码纠错码时的星座图和波形图，可以看出，通过极性编码之后，大大提高了64-QAM信号的噪声容忍度，并且有效地实现了PAPR的压制。

本发明提出并通过实验证明了在IM/DD 64-QAM OFDM传输系统中，通过概率整形和PAPR抑制，并结合系统极化码纠错，实现了对系统性能的较大的提升。可以看出本发明方案在FEC之前和FEC之后，BER为3.8×10^-3下获得了7dB和4dB的性能提升。并且，PS和SLM的冗余信息都被巧妙的放进在了极化码的冻结位中，从而保证了整个传输系统中，冗余度都是固定不变的。经过分析，本发明证实了该方案的正确性和可行性。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种基于极化码编码IM/DD传输方法，其特征在于，用于发射端中，包括：

将均匀分布的二进制比特输入到PS编码器中，创建传输方式查找表，从而产生K个数据比特和M个选择比特；

接着，先将K比特进行伪随机交织操作，再输入到系统极化码编码器中；系统极化码编码器如式(1)所示

其中，信源比特可以分为信息位u_A和冻结位

G_A和

是生成矩阵G_N的子矩阵，而

是二进制矩阵F＝[1 0；1 1]的n倍Kronecker幂；B_N为一个N×N比特翻转矩阵；

选择将需要传输的K个数据比特放置在极化码编码器的信息位中，将M个选择比特放置在信道质量相对较差的冻结位中，其余的冻结位依然用0表示；

在经过系统极化码编码之后，原来的概率分布已经被打乱，需要再通过一次反交织操作还原传输信息的概率分布特性，在经过星座映射之后，选择PAPR最低的数据进行光纤传输。

2.如权利要求1所述的基于极化码编码IM/DD传输方法，其特征在于，传输方式查找表如下：

3.如权利要求1所述的基于极化码编码IM/DD传输方法，其特征在于，利用SLM算法选择PAPR最低的数据进行光纤传输。

4.一种基于极化码编码IM/DD传输方法，其特征在于，用于接收端中，包括：

先将接收到的信号进行除去最佳相位序列操作，LLR计算和64QAM解调；为了使SC译码器能够正确识别并解码，再进行一次解反交织操作；解反交织之后的数据分布则和系统极化码编码器输出的数据在比特分布上达成了一致；

在通过SC译码器之后，便可以成功解出K个数据比特，M个选择比特和等同数量的0比特；之后，利用M个选择比特作为判决信息，将K个数据比特打入到PS解码器中，便可以成功还原出均匀分布的二进制比特。

5.一种基于极化码编码IM/DD传输方法，其特征在于，包括：

在发射端中：

将均匀分布的二进制比特输入到PS编码器中，创建传输方式查找表，从而产生K个数据比特和M个选择比特；

接着，先将K比特进行伪随机交织操作，再输入到系统极化码编码器中；系统极化码编码器如式(1)所示

其中，信源比特可以分为信息位u_A和冻结位

G_A和

是生成矩阵G_N的子矩阵，而

是二进制矩阵F＝[1 0；1 1]的n倍Kronecker幂；B_N为一个N×N比特翻转矩阵；

选择将需要传输的K个数据比特放置在极化码编码器的信息位中，将M个选择比特放置在信道质量相对较差的冻结位中，其余的冻结位依然用0表示；

在经过系统极化码编码之后，原来的概率分布已经被打乱，需要再通过一次反交织操作还原传输信息的概率分布特性，在经过星座映射之后，选择PAPR最低的数据进行光纤传输；

在接收端中：

先将接收到的信号进行除去最佳相位序列操作，LLR计算和64QAM解调；为了使SC译码器能够正确识别并解码，再进行一次解反交织操作；解反交织之后的数据分布则和系统极化码编码器输出的数据在比特分布上达成了一致；

在通过SC译码器之后，便可以成功解出K个数据比特，M个选择比特和等同数量的0比特；之后，利用M个选择比特作为判决信息，将K个数据比特打入到PS解码器中，便可以成功还原出均匀分布的二进制比特。

6.如权利要求5所述的基于极化码编码IM/DD传输方法，其特征在于，利用SLM算法选择PAPR最低的数据进行光纤传输。

7.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1到6任一项所述方法的步骤。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1到6任一项所述方法的步骤。

9.一种处理器，其特征在于，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行权利要求1到6任一项所述的方法。

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