CN111049589B - 一种超大星座尺度下的强截断光子压缩系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超大星座尺度下的强截断光子压缩系统和方法，将超大星座尺度降为小尺度星座进行光传输。本发明通过改变压缩参数，改变整体星座的压缩程度，从而使得星座的尺寸大大减小。在压缩过程中，由于星座点概率呈现麦克斯韦玻尔兹曼分布，中心概率最高，两侧概率逐渐降低，因而较原始的超大星座尺度下的信号具有更低的发射功率，节省了光通信整体的成本。不同的压缩参数能改变星座尺寸的大小，形成不同概率分布的星座图，而信息熵会随概率分布的不同而不同，在波特率不变的情况下，传输的比特率会随信息熵改变。在接收端，若接收到不同压缩参数的信号，接入的速率会有所不同，因而该光通信系统也具有一定的灵活性。

Description

一种超大星座尺度下的强截断光子压缩系统和方法
技术领域
本发明属于光调制传输技术领域，具体涉及一种超大星座尺度下的强截断光子压缩系统和方法。
背景技术
21世纪以来，随着全球信息技术的高速发展，如今来自云计算、物联网、多媒体业务以及其他多种新兴业务应用产生的网络流量增长十分迅猛，对通信网络带宽以及容量的要求越来越高。科技的高速发展推动了信息业务的不断增加，现有的低阶的数字调制格式将难以满足未来通信对带宽、信息容量以及传输速率的需求。超大容量的光通信系统亟需实现超高阶数字调制，然而超高阶数字调制格式的发射功率往往很大，不满足光通信系统的经济性要求；除了发射功率的因素以外，对于如何提升超高阶数字调制格式的信噪比也是一个值得深入研究的课题。
传统数据调制格式(如正交幅度调制QAM、正交相移键控QPSK等)的星座图是均匀分布的。星座尺度越大，所承载的传输容量越大。数字信号处理技术是目前有效降低高阶通信系统误码率，实现信号长距离传输的一种手段。结合各种数字信号处理技术的高阶正交幅度调制(QAM)格式的研发正在不断进行中。然而，随着星座尺度的增加，传输的信噪比会大大降低，从而导致传输误码率的增加。为了提高传输的性能，目前多采用信道均衡以及色散补偿等数字信号处理技术，然而这些技术会导致系统的复杂度大大地增加。目前结合各种数字信号处理技术最高可实现1024QAM的传输。当星座尺度超过1024QAM时，系统将会无法正常解码获得原始信息。
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，提供一种超大星座尺度下的强截断光子压缩系统和方法，根据不同的压缩参数，利用星座概率分布实现光子压缩以及数据投影，采用强截断的方法降低星座尺度，使得超大星座转化为小星座尺度，从而实现超大星座尺度数据可在现有的光传输系统中无误码传输。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种超大星座尺度下的强截断光子压缩系统，包括星座概率分布匹配器单元、光子压缩与数据投影单元、光子截断与数据调制单元、信道估计单元、信道反馈单元、概率自适应单元、载波调制单元、光调制器单元、信道单元、光放大器单元、光电探测器单元、信道盲均衡单元、概率解匹配器单元和星座解映射单元；
所述星座概率分布匹配器单元用于根据用户的实际需求，进行星座概率的分布匹配；
所述光子压缩与数据投影单元用于将经过串并变换的数据流分别进行压缩调制和数据投影；
所述光子截断与数据调制单元用于将光子压缩和数据投影后的超大星座尺度信号进行强截断，并对截断后的星座进行传输；
所述信道估计单元用于在接收端根据接收二进制数据与原始二进制数据进行比较，估计信道的情况；
所述信道反馈单元用于根据信道估计单元的信道估计的情况，及时发送信息反馈到概率自适应单元；
所述概率自适应单元用于根据信道反馈单元反馈的信道情况，对概率进行自适应调整，从而反馈给星座概率分布匹配器；
所述载波调制单元用于将调制后的小尺度数据进行多载波成形，扩大系统的传输容量；
所述光调制器单元为光通信器件，用于将电信号转化为光信号；
所述信道单元为标准的单模光纤；
所述光放大器单元用于将单模光纤传输后的信号进行功率放大，防止信号的失真；
所述光电探测器单元用于将光信号转变为电信号，在接收端用于光信号的识别；
所述信道盲均衡单元用于对接收到的信号进行色散补偿和信道均衡，恢复原始信号的相位和幅度信息；
所述概率解匹配器单元用于根据星座概率分布匹配器单元的压缩参数对接收到的信号进行解码和解压缩，恢复原始的信息；
所述星座解映射单元用于将解压缩后的信号进行解映射，恢复原始的超大星座尺度下的信号。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的星座概率分布匹配器单元包括星座分区模块、概率映射模块、分布匹配器和二进制标签模块；
所述星座概率分布匹配器单元根据用户的实际需求，调整星座概率分布匹配器的概率参数；根据星座分区模块对概率映射模块进行概率映射分配，从而在分布匹配器处对数据流进行分布匹配，二进制标签模块对分布匹配后的数据添加二进制标签，从而得到星座概率分布的映射规则。
上述的星座概率分布匹配器中的压缩参数v是概率质量函数中的参数，其中概率质量函数表达式为：
Figure GDA0002813828460000031
其中，v表示压缩参数，x是信息数据的符号值，P(xi)表示信息数据xi处的概率值。
星座概率分布匹配器通过调节压缩参数v改变每个星座点的概率值，从而改变星座整体的概率分布。
上述的星座分区模块根据每个星座点与原点之间的欧式距离的大小划分星座区域。
上述的概率映射模块将星座概率分布匹配器调整后的参数映射到星座分区模块划分好的各个星座区域内，使得传送信号的星座点概率呈现类似于麦克斯韦玻尔兹曼分布，使得符合高斯分布的信道。
上述的分布匹配器将系统中传输的数据流根据概率映射模块的概率映射规则进行数据映射，使其星座图符合概率分布。
上述的二进制标签模块制定传输的数据的二进制标签的标记规则，以便后续的传输信息的调制解调。
上述的光子压缩与数据投影单元中，光子压缩是利用将N进制的数据进行概率映射调制压缩，数据投影是根据星座概率分布匹配器的星座概率映射规则对压缩后的数据一一投射到星座点上。
一种超大星座尺度下的强截断光子压缩方法，所述方法具体为：
步骤1：二进制数据经过串并变换后，光子压缩与数据投影单元根据星座概率分布匹配器单元的分布参数对原始数据进行光子压缩和数据投影，得到概率分布的非均匀的星座图；
步骤2：光子截断与数据调制单元对光子压缩与数据投影单元得到的星座图进行强截断，并对截断后的星座进行传输；
步骤3：载波调制单元对调制后的数据进行波束成形，以扩展系统的传输容量；
步骤4：光调制器单元将电信号转化为光信号并发射到信道单元的信道中进行传输；
步骤5：光放大器单元对传输后的光信号进行放大整形处理；
步骤6：光电探测器单元将光信号转化为电信号，便于后续的数字信号处理；
步骤7：信道盲均衡单元对接收到的信号进行信道盲均衡；
步骤8：概率解匹配器单元将压缩后的信号进行解调恢复，通过星座解映射单元将信号恢复为二进制数据。
上述的方法还包括信道估计单元对接收到的二进制数据与原始二进制数据进行比较估计信道的情况，并在信道反馈单元处进行信道反馈，利用概率自适应单元对概率进行调整，反馈给星座概率分布匹配器单元，以便及时调整星座概率分布从而适应信道的变化。
本发明具有以下有益效果：
本发明提出的能够实现超大星座尺度下的数据传输技术，将超大星座尺度降为小尺度星座进行光传输。通过改变压缩参数，改变整体星座的压缩程度，从而使得星座的尺寸大大减小，从而使得超大星座尺度的信号转变为小尺度星座图进行光传输。
在压缩过程中，由于星座点概率呈现麦克斯韦玻尔兹曼分布，中心概率最高，两侧概率逐渐降低，因而较原始的超大星座尺度下的信号具有更低的发射功率，节省了光通信整体的成本。不同的压缩参数能改变星座尺寸的大小，形成不同概率分布的星座图，而信息熵会随概率分布的不同而不同，在波特率不变的情况下，传输的比特率会随信息熵改变。在接收端，若接收到不同压缩参数的信号，接入的速率会有所不同，因而该光通信系统也具有一定的灵活性。
附图说明
图1是本发明一种超大星座尺度下的强截断光子压缩系统的结构示意图；
图2是本发明16384QAM信号超大星座尺度均匀分布的星座图；
图3是本发明星座概率分布匹配器单元原理图；
图4是本发明强截断光子压缩后的16384QAM星座图；
图5是本发明基于超大星座尺度下的强截断光子压缩方法的PON系统图；
图6是本发明常规16384QAM与强截断光子压缩后信号的BER随SNR变化曲线图；
图7是本发明不同压缩参数下的16384QAM的BER随SNR变化曲线图；
图8是本发明不同压缩参数下16384QAM信号的接收星座图：(a)v＝0,(b)v＝0.1,(c)v＝0.2,(d)v＝0.3。
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。
实施例对超大星座尺度下的16384QAM信号(星座图如图2所示)进行强截断光子压缩调制。
参照图1，本发明的一种超大星座尺度下的强截断光子压缩系统，可将超大规模的星座转化为非均匀分布的小尺度星座，从而实现信号的可靠传输，具体包括星座概率分布匹配器单元、光子压缩与数据投影单元、光子截断与数据调制单元、信道估计单元、信道反馈单元、概率自适应单元、载波调制单元、光调制器单元、信道单元、光放大器单元、光电探测器单元、信道盲均衡单元、概率解匹配器单元和星座解映射单元；
所述星座概率分布匹配器单元用于根据用户的实际需求，进行星座概率的分布匹配；
所述光子压缩与数据投影单元用于将经过串并变换的数据流分别进行压缩调制和数据投影；
所述光子截断与数据调制单元用于将光子压缩和数据投影后的超大星座尺度信号进行强截断，并对截断后的星座进行传输；
所述信道估计单元用于在接收端根据接收二进制数据与原始二进制数据进行比较，估计信道的情况；
所述信道反馈单元用于根据信道估计单元的信道估计的情况，及时发送信息反馈到概率自适应单元；
所述概率自适应单元用于根据信道反馈单元反馈的信道情况，对概率进行自适应调整，从而反馈给星座概率分布匹配器；
所述载波调制单元用于将调制后的小尺度数据进行多载波成形，扩大系统的传输容量；
所述光调制器单元为光通信器件，用于将电信号转化为光信号；
所述信道单元为标准的单模光纤；
所述光放大器单元用于将单模光纤传输后的信号进行功率放大，防止信号的失真；
所述光电探测器单元用于将光信号转变为电信号，在接收端用于光信号的识别；
所述信道盲均衡单元用于利用盲均衡等算法对接收到的信号进行色散补偿和信道均衡，恢复原始信号的相位和幅度等信息；
所述概率解匹配器单元用于根据星座概率分布匹配器单元的压缩参数对接收到的信号进行解码和解压缩，恢复原始的信息；
所述星座解映射单元用于将解压缩后的信号进行解映射，恢复原始的超大星座尺度下的信号。
参照图3，实施例中，所述星座概率分布匹配器单元包括星座分区模块、概率映射模块、分布匹配器和二进制标签模块；
所述星座概率分布匹配器单元根据用户的实际需求，调整星座概率分布匹配器的概率参数；根据星座分区模块对概率映射模块进行概率映射分配，从而在分布匹配器处对数据流进行分布匹配，二进制标签模块对分布匹配后的数据添加二进制标签，从而得到星座概率分布的映射规则。
具体的，实施例中，所述星座概率分布匹配器中的压缩参数v是概率质量函数(麦克斯韦玻尔兹曼分布)中的参数，其中概率质量函数表达式为：
Figure GDA0002813828460000061
其中，v表示压缩参数，x是信息数据的符号值，P(xi)表示信息数据xi处的概率值。
星座概率分布匹配器通过调节压缩参数v改变每个星座点的概率值，从而改变星座整体的概率分布。
实施例中，所述星座分区模块根据每个星座点与原点之间的欧式距离的大小划分星座区域。在超大星座尺度下，将每个星座点的欧式距离存为一个集合，集合元素是相当多的。星座分区的主要目的是将该集合划分为各个子集，每个子集中的元素值相差很小，相当于将星座划分区域，以便进行概率映射。
实施例中，所述概率映射模块将星座概率分布匹配器调整后的参数映射到星座分区模块划分好的各个星座区域内，使得传送信号的星座点概率呈现类似于麦克斯韦玻尔兹曼分布，使得符合高斯分布的信道。
实施例中，所述分布匹配器将系统中传输的数据流根据概率映射模块的概率映射规则进行数据映射，使其星座图符合概率分布。
实施例中，在分布匹配器分布匹配的过程中，系统中传输的数据流数据映射过程中需要添加二进制标签进行标记，以便对概率映射后的数据进行区分。所述二进制标签模块制定传输的数据的二进制标签的标记规则，以便后续的传输信息的调制解调。
实施例中，所述光子压缩与数据投影单元中，光子压缩是利用将N进制的数据进行概率映射调制压缩，数据投影是根据星座概率分布匹配器的星座概率映射规则对压缩后的数据一一投射到星座点上，得到的星座图如图4所示。从图4可以看出压缩参数越大，压缩程度越大，得到的星座尺度越小。
本发明的一种超大星座尺度下的强截断光子压缩方法，所述方法具体为：
步骤1：二进制数据经过串并变换后，光子压缩与数据投影单元根据星座概率分布匹配器单元的分布参数对原始数据进行光子压缩和数据投影，得到概率分布的非均匀的星座图；
步骤2：光子截断与数据调制单元对光子压缩与数据投影单元得到的星座图进行强截断，并对截断后的星座进行传输；
步骤3：载波调制单元对调制后的数据进行波束成形，以扩展系统的传输容量；
步骤4：光调制器单元将电信号转化为光信号并发射到信道单元的信道中进行传输；
步骤5：光放大器单元对传输后的光信号进行放大整形处理；
步骤6：光电探测器单元将光信号转化为电信号，便于后续的数字信号处理；
步骤7：信道盲均衡单元对接收到的信号进行信道盲均衡；
步骤8：概率解匹配器单元将压缩后的信号进行解调恢复，通过星座解映射单元将信号恢复为二进制数据。
实施例中，所述方法还包括信道估计单元对接收到的二进制数据与原始二进制数据进行比较估计信道的情况，并在信道反馈单元处进行信道反馈，利用概率自适应单元对概率进行调整，反馈给星座概率分布匹配器单元，以便及时调整星座概率分布从而适应信道的变化。
基于超大星座尺度下的强截断光子压缩方法的PON简单的系统图如图5所示。
在发射端，将输入数据根据用户需求和系统反馈进行QAM概率映射，对概率映射后的数据进行光子截断压缩，星座尺度变小，系统发射功率降低，形成非均匀的小星座尺度的数据，通过多载波调制技术将数据加载到载波上；
利用任意波形发生器将发射端的信号发送出去；
经过光调制器将电信号转变为光信号并送入光纤链路中，用光放大器进行中继。在接收端，用可调光衰减器调节接入光功率并测量信号的误码率，光电探测器用于检测光信号，示波器用于接收数据；
接收后的数据经过多载波解调、光子解压缩、QAM概率解映射，从而获得原始数据。
利用MATLAB软件进行仿真实验，实验过程中为了简化系统，采用高斯白噪声信道代替光纤传输链路。
图6给出了常规未进行强截断光子压缩的16384QAM以及v＝0.1时光子压缩后两者数据的误码率(BER)随信噪比(SNR)的曲线变化图，其中包括SNR＝14时的星座图。从图6可以看出经过强截断光子压缩，传输系统的误码率可以明显得到改善，通过星座图可以清晰看出压缩程度，压缩后的信号不再是均匀分布，而是呈现中间大两边小的状态分布，因而强截断光子压缩后的数据具有更低的发射光功率，可以节约系统成本。
不同压缩参数下的曲线变化图如图7所示，可以看出压缩参数越大，传输系统的误码率改善效果越明显，从图8中可以得到压缩参数越大，星座压缩程度越大，发射光功率降低更显著。
综上所述，本发明通过数据压缩以及星座强截断，降低了系统的发射功率，提高了系统的抗噪声性能，最终实现了超大星座尺度下的光通信传输，可以应用于光传输网络的大数据的数据调制。
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 (9)

1.一种超大星座尺度下的强截断光子压缩系统，其特征在于，包括星座概率分布匹配器单元、光子压缩与数据投影单元、光子截断与数据调制单元、信道估计单元、信道反馈单元、概率自适应单元、载波调制单元、光调制器单元、信道单元、光放大器单元、光电探测器单元、信道盲均衡单元、概率解匹配器单元和星座解映射单元；
所述星座概率分布匹配器单元用于根据用户的实际需求，进行星座概率的分布匹配；
所述光子压缩与数据投影单元用于将经过串并变换的数据流分别进行压缩调制和数据投影；
所述光子截断与数据调制单元用于将光子压缩和数据投影后的超大星座尺度信号进行强截断，并对截断后的星座进行传输；
所述信道估计单元用于在接收端根据接收二进制数据与原始二进制数据进行比较，估计信道的情况；
所述信道反馈单元用于根据信道估计单元的信道估计的情况，及时发送信息反馈到概率自适应单元；
所述概率自适应单元用于根据信道反馈单元反馈的信道情况，对概率进行自适应调整，从而反馈给星座概率分布匹配器；
所述载波调制单元用于将调制后的小尺度数据进行多载波成形，扩大系统的传输容量；
所述光调制器单元为光通信器件，用于将电信号转化为光信号；
所述信道单元为标准的单模光纤；
所述光放大器单元用于将单模光纤传输后的信号进行功率放大，防止信号的失真；
所述光电探测器单元用于将光信号转变为电信号，在接收端用于光信号的识别；
所述信道盲均衡单元用于对接收到的信号进行色散补偿和信道均衡，恢复原始信号的相位和幅度信息；
所述概率解匹配器单元用于根据星座概率分布匹配器单元的压缩参数对接收到的信号进行解码和解压缩，恢复原始的信息；
所述星座解映射单元用于将解压缩后的信号进行解映射，恢复原始的超大星座尺度下的信号；
所述星座概率分布匹配器单元包括星座分区模块、概率映射模块、分布匹配器和二进制标签模块；
所述星座概率分布匹配器单元根据用户的实际需求，调整星座概率分布匹配器的概率参数；根据星座分区模块对概率映射模块进行概率映射分配，从而在分布匹配器处对数据流进行分布匹配，二进制标签模块对分布匹配后的数据添加二进制标签，从而得到星座概率分布的映射规则。
2.根据权利要求1所述的一种超大星座尺度下的强截断光子压缩系统，其特征在于，所述星座概率分布匹配器中的压缩参数v是概率质量函数中的参数，其中概率质量函数表达式为：
Figure FDA0002813828450000021
其中，v表示压缩参数，x是信息数据的符号值，P(xi)表示信息数据xi处的概率值；
星座概率分布匹配器通过调节压缩参数v改变每个星座点的概率值，从而改变星座整体的概率分布；
所述m是指第m个符号值。
3.根据权利要求1所述的一种超大星座尺度下的强截断光子压缩系统，其特征在于，所述星座分区模块根据每个星座点与原点之间的欧式距离的大小划分星座区域。
4.根据权利要求1所述的一种超大星座尺度下的强截断光子压缩系统，其特征在于，所述概率映射模块将星座概率分布匹配器调整后的参数映射到星座分区模块划分好的各个星座区域内，使得传送信号的星座点概率呈现类似于麦克斯韦玻尔兹曼分布，使得符合高斯分布的信道。
5.根据权利要求1所述的一种超大星座尺度下的强截断光子压缩系统，其特征在于，所述分布匹配器将系统中传输的数据流根据概率映射模块的概率映射规则进行数据映射，使其星座图符合概率分布。
6.根据权利要求1所述的一种超大星座尺度下的强截断光子压缩系统，其特征在于，所述二进制标签模块制定传输的数据的二进制标签的标记规则，以便后续的传输信息的调制解调。
7.根据权利要求1所述的一种超大星座尺度下的强截断光子压缩系统，其特征在于，所述光子压缩与数据投影单元中，光子压缩是利用将N进制的数据进行概率映射调制压缩，数据投影是根据星座概率分布匹配器的星座概率映射规则对压缩后的数据一一投射到星座点上。
8.一种超大星座尺度下的强截断光子压缩方法，其特征在于，所述方法具体为：
步骤1：二进制数据经过串并变换后，光子压缩与数据投影单元根据星座概率分布匹配器单元的分布参数对原始数据进行光子压缩和数据投影，得到概率分布的非均匀的星座图；
步骤2：光子截断与数据调制单元对光子压缩与数据投影单元得到的星座图进行强截断，并对截断后的星座进行传输；
步骤3：载波调制单元对调制后的数据进行波束成形，以扩展系统的传输容量；
步骤4：光调制器单元将电信号转化为光信号并发射到信道单元的信道中进行传输；
步骤5：光放大器单元对传输后的光信号进行放大整形处理；
步骤6：光电探测器单元将光信号转化为电信号，便于后续的数字信号处理；
步骤7：信道盲均衡单元对接收到的信号进行信道盲均衡；
步骤8：概率解匹配器单元将压缩后的信号进行解调恢复，通过星座解映射单元将信号恢复为二进制数据。
9.根据权利要求8所述的一种超大星座尺度下的强截断光子压缩方法，其特征在于，所述方法还包括信道估计单元对接收到的二进制数据与原始二进制数据进行比较估计信道的情况，并在信道反馈单元处进行信道反馈，利用概率自适应单元对概率进行调整，反馈给星座概率分布匹配器单元，以便及时调整星座概率分布从而适应信道的变化。
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