CN111064516A - 一种基于六边形星座成型迭代的光载无线通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于六边形星座成型迭代的光载无线通信方法，包括以下步骤：输入端，原始信号通过串并变换转换为多路二进制数据流，对二进制数据流进行识别和添加标签；将处理后的信号通过概率匹配器进行星座压缩，将32QAM星座图压缩成25QAM星座图；对星座压缩后的信号进行逐次迭代从而得到最优星座压缩比，然后进行星座映射，得到19QAM星座图；将星座映射后的信号通过调制器调制成两路频带不同的光信号，然后依次进入光纤放大器调整信号功率、然后通过单模光纤传输到光衰减器进行处理、光电转换器进行光信号到电信号的转换、电功率放大器调整电信号的功率，最后进行无线传输；接收端，接收到信号依次进行星座解映射、模数转换、并串变换得到原始数据。

Description

一种基于六边形星座成型迭代的光载无线通信方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于六边形星座成型迭代的光载无线通信方法。
背景技术
5G时代的到来也推动着未来无线通信向着多媒体移动通信如高清视频业务、远程学习办 公和电视等新型业务方向发展。然而，无线信道在传输的过程中，存在着功率损耗较大以及 频谱匮乏等问题，很难满足各种新型多媒体移动业务的要求。
然而，光纤的非线性效应包括：散射效应(受激布里渊散射SBS和受激拉曼散射SRS等)、与折射率密切相关的自相位调制SPM、交叉相位调制XPM、四波混频效应 FWM等，尤其是四波混频和交叉相位调制严重影响了信号传输的质量。为了降低光纤非线性 效应对通信系统的影响，一种方式是升级光纤和收发器，可是这种方式非常难以实现。
作为未来接入网的关键技术之一的ROF(radio over fiber)技术结合了光纤传输带宽 大以及无线网络的高灵活性等优点，可以有效解决这一问题。
除此之外，近些年概率成型技术(PS)发展飞快，逐渐趋于成熟。传统的星座映射体系 当中，每一个星座点都占据相同的比特数，每一个星座点都以同样的概率发射，而由于各个 星座点位置不同，它们所具备的欧氏距离也不尽相同，于是各个星座点发射所需要的发射能 量也存在不同。欧氏距离越大的星座点发射所需要的能量越高，而同时，欧氏距离越小的星 座点发射所需要的能量也越低。
概率成型技术彻底打破了这种均匀分布的星座映射规则，它通过对不同星座点的映射概 率进行优化处理，缩短外圈星座点的欧式距离，改变各个星座点的映射概率从而把发射能量 较高的星座点映射到发射能量相对较低的星座点处，从而实现各个星座点的概率重新分布， 从而起到了降低总体发射能量的作用。
此外，因为概率成型的一系列优势，研究者们提出了各种各样的算法以优化概率成型技 术在光纤通信中的应用，如降低系统的误码率以及无记忆非线性相位噪声。例如，遗传算法， 机器学习，卷积算法，模拟退火算法等。
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，提供一种基于六边形星座成型 迭代的光载无线通信方法。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于六边形星座成型迭代的光载无线通信方法，其中：包括以下步骤：
步骤一：输入端，原始信号通过串并变换转换为多路二进制数据流，对于生成的二进制 数据流进行识别，并且对识别后的信号进行添加标签；
步骤二：将处理后的信号通过概率匹配器进行星座压缩，将32QAM星座图压缩成25QAM 星座图，从而达到提高能量较低的星座点出现概率，降低能量较低的星座点出现概率的作用；
步骤三：对星座压缩后的信号进行逐次迭代从而得到最优星座压缩比，然后进行星座映 射，得到19QAM星座图；
步骤四：对星座映射后的信号进行上采样，对采样后的信号实部虚部进行相加后通过任 意波形发生器传输到马赫增德尔调制器进行调制；调制后的信号通过标准单模光纤进行传输， 用光衰减器处理光信号进行预期的衰减，然后通过光电转换器进行光信号和电信号的转换。 将调制好的电信号通过天线发射到接收端；
步骤五：接收端，接收到信号依次进行星座解映射、模数转换、并串变换得到原始数据。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的步骤二具体为：将正八边形的32QAM星座图中两条边映射到星座中心，选择七个 星座点(01010 10010 11010 00111 01111 10111 11111)将他们全部映射到点00010处，然 后将星座点00010通过概率整形的方式移动到星座图中心，对需要进行映射的星座点添加冗 余，得到四圈25QAM六边形星座图。
上述的用逐次迭代算法计算出最优压缩比具体为：设置概率分布，计算光纤信道，然后 产生随机概率分布，并计算对应的误码率，比较此时的误码率和原误码率，如果误码率更小， 那么替代原误码率，否则用蒙特卡罗准则决定是否保留原分布，通过改变K值来控制迭代次 数，直到输出最佳压缩比。
上述的星座映射得到19QAM星座图具体步骤为：用逐次迭代算法计算出最优压缩比，然 后将最外圈的星座点以概率X1∶X2∶X3分别映射到由内而外的第一圈，第二圈和第三圈，分 别添加冗余11，01，10；将处在第三圈星座点以概率Y1∶Y2进行映射到第一圈和第三圈，对 于映射到第一圈的星座点在前面添加10，对于映射到第三圈的星座点，在最前面添加00；把 第二圈的星座点以Z1：Z2的概率分别映射到第一圈和第二圈，对于映射到第一圈的星座点， 在前面添加01，对于映射到第二圈的点，添加冗余00；对于第一圈的星座点添加00冗余， 仍然映射到它的本身，将四圈25QAM六边形信号压缩为三圈19QAM六边形信号，对于压缩 后的星座图，我们将第二圈星座点顺时针旋转π/6，增加星座点之间的欧式距离，以此来减 少码间串扰。
上述的步骤五具体为：将接收到的19QAM符号信息进行星座解映射，还原出32QAM符 号信息，通过模数转换器转换为数字信号，然后通过并串变换，将并行的多路比特数据还原 成一路，恢复原始信号。
本发明的有益效果：
本发明的逐次迭代星座压缩的信号调制解调方法，通过概率成型方式将原本的32QAM信 号整形成25QAM的六边形信号，通过星座压缩有效降低了系统的平均发射功率，同时，整形 后的星座点之间的欧式距离增加，从而起到了降低了系统的误码率的作用。
通过使用逐次迭代的方法，对25QAM信号按照一定的比例再次压缩，得到一种全新的六 边形19QAM信号，对压缩后的信号进行进一步概率整形，以获得更好地传输性能，进一步降 低系统的平均发射能量，提高系统的传输速率，可以得出在不同情况下对应的系统的最优星 座压缩比。
附图说明
图1是本发明的流程结构示意图；
图2是逐次迭代算法的光子星座压缩示意图；
图3是逐次迭代算法的光子星座压缩编码示意图；
图4是逐次迭代算法的光子星座压缩迭代编码示意图；
图5是逐次迭代流程图；
图6是压缩整形后19QAM星座图；
图7是星座压缩前32QAM星座图；
图8星座压缩后的25QAM星座图；
图9是星座压缩整形后的19QAM星座图。
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。
如图1所示，以32QAM格式为例，本发明为一种基于六边形星座成型迭代的光载无线通 信方法，在输入端，原始信号通过串并变换转换为六路二进制数据流，对于生成的二进制数 据流进行识别，并且对识别后的信号进行添加标签；将处理后的信号通过概率匹配器进行星 座压缩，将32QAM星座图压缩成25QAM星座图，从而达到提高能量较低的星座点出现概率， 降低能量较低的星座点出现概率的作用；对星座压缩后的信号进行逐次迭代从而得到最优星 座压缩比，然后进行星座映射，得到19QAM星座图；将星座映射后的信号通过调制器调制成 两路频带不同的光信号，然后发送到光电转换器进行光信号到电信号的转换，最后进行无线 传输；接收端，接收到信号依次进行星座解映射、模数转换、并串变换得到原始数据。
如图2(a)所示，该调制解调过程主要为星座压缩和压缩迭代，得到最优星座压缩比两 个部分。输入信号一般按照均匀概率分布，每个星座点出现的概率相等。然而，在实际传输 过程中，由于不同的星座点所具有的欧氏距离不同，因此发射这些星座点所需要的能量也各 不相同，当然，对于处在同一圈星座点它们所需要的发射能量相同。概率成型技术通过星座 映射的方式，改变星座分布，从而提高靠近中心的星座点的传输概率，降低距离中心较远的 外圈星座点的传输概率，从而降低平均传输能量，同时，他还可以改变星座形状，增加星座 点之间的欧氏距离，从而获得更高的非线性容忍，降低误码率，提高星座点的传输质量。
(1)星座压缩设计阶段：
图二展示了星座压缩的主要步骤，对于如图2(a)所示的星座图，越靠近星座图中心的 星座点发射能量越低，因此将八条边中的两条映射到星座中心，具体分为两步进行。首先， 选择七个星座点(01010 10010 11010 00111 01111 10111 11111)将他们全部映射到点00010 处，此时，原本32个星座点变为25个星座点，得到如图2(b)所示的星座图，然后将星座 点00010通过概率整形的方式移动到星座图中心，得到如图2(c)所示的星座图。
由于概率成型方式多为多点对一点映射，因此，为了解调端解调出对应信号，对需要进 行映射的星座点添加冗余，具体如图3所示。
对于图2(a)到图2(b)过程，我们在需要映射的星座点前分别添加三位冗余，然后映 射到点00010处。然后对得到的星座图做进一步处理。
此时，原本的32QAM星座图变成了如图2(c)所示的四圈六边形星座图，对比原来的八 边形星座图，星座点之间的欧氏距离显著增加，有效降低了系统的误码率，同时吧，通过将 外圈八个星座点映射到能量最低的星座中心，有效的降低系统的平均发射能量。
(2)压缩迭代，得到最优星座压缩比
如图5所示，首先，将信号输入系统，设置概率分布，接着计算光纤信道，然后产生随 机概率分布，并计算对应的误码率，比较此时的误码率和原误码率，如果误码率更小，那么 替代原误码率，否则用蒙特卡罗准则决定是否保留原分布，通过改变控制因子T可以控制迭 代次数，通过合理的设置玻尔兹曼常数K来控制循环，直到输出最佳压缩比。
然后对于图2(c)所示的星座图，用逐次迭代算法计算出的最优压缩比将四圈六边形信 号压缩为三圈六边形信号。
具体映射规律及添加冗余情况如图4所示。任取一条边为例，对于处于最内圈的点0000， 在前面加两位冗余00映射到本身。对于处于第二圈的点01000，分别按照比例Z1:Z2映射到 第一圈和第二圈，对于映射到第一圈的星座点，在前面添加01，对于映射到第二圈的点，添 加冗余00。第三圈同理吗，按照Y1；y2的比例将星座点分别映射到第一圈和第三圈，对于映 射到第一圈的星座点在前面添加10，对于映射到第三圈的星座点，在最前面添加00。对于第 四圈的星座点，分别按照比例X1:X2:X3映射到第一圈，第二圈和第三圈，分别添加冗余 11,01,10。得到了一个全新的六边形19QAM星座图，如图2(d)所示。
如图6所示，对于压缩后的星座图，我们将第二圈星座点顺时针旋转π/6，旋转是为了 增加星座点之间的欧式距离，以此来减少码间串扰，进一步降低系统的误码率，提高信号的 传输质量。
可以发现，对信号进行压缩迭代之后，输出信号相较于初始压缩信号得到了优化。星座 图内圈出现概率相较于迭代之前增加，信号点集中在能量较低的中心区域，因此，同等发射 功率的条件下，迭代处理后的信号分到了更多的能量，从而提高了系统的信噪比，同时提高 了信道容量。但与此同时，增加的冗余被控制在一定的范围之内，从而实现了最优压缩。
如图7、8、9所示，通过仿真模拟和测试，分别得到了压缩迭代前后系统接收端的星座。 可以看出，经过压缩迭代后得到的信号质量优于迭代前的信号，星座点的概率分布符合专利 所提出的光子星座压缩迭代的要求。
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 (5)

1.一种基于六边形星座成型迭代的光载无线通信方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：输入端，原始信号通过串并变换转换为多路二进制数据流，对于生成的二进制数据流进行识别，并且对识别后的信号进行添加标签；
步骤二：将处理后的信号通过概率匹配器进行星座压缩，将32QAM星座图压缩成25QAM星座图，从而达到提高能量较低的星座点出现概率，降低能量较低的星座点出现概率的作用；
步骤三：对星座压缩后的信号进行逐次迭代从而得到最优星座压缩比，然后进行星座映射，得到19QAM星座图；
步骤四：对星座映射后的信号进行上采样，对采样后的信号实部虚部进行相加后通过任意波形发生器传输到马赫增德尔调制器进行调制；调制后的信号通过标准单模光纤进行传输，用光衰减器处理光信号进行预期的衰减，然后通过光电转换器进行光信号和电信号的转换。将调制好的电信号通过天线发射到接收端；
步骤五：接收端，接收到信号依次进行星座解映射、模数转换、并串变换得到原始数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于六边形星座成型迭代的光载无线通信方法，其特征在于：所述步骤二具体为：将正八边形的32QAM星座图中两条边映射到星座中心，选择七个星座点(01010 10010 11010 00111 01111 10111 11111)将他们全部映射到点00010处，然后将星座点00010通过概率整形的方式移动到星座图中心，对需要进行映射的星座点添加冗余，得到四圈25QAM六边形星座图。
3.根据权利要求1所述的一种基于六边形星座成型迭代的光载无线通信方法，其特征在于：用逐次迭代算法计算出最优压缩比具体为：设置概率分布，计算光纤信道，然后产生随机概率分布，并计算对应的误码率，比较此时的误码率和原误码率，如果误码率更小，那么替代原误码率，否则用蒙特卡罗准则决定是否保留原分布，通过改变K值来控制迭代次数，直到输出最佳压缩比。
4.根据权利要求1所述的一种基于六边形星座成型迭代的光载无线通信方法，其特征在于：星座映射得到19QAM星座图具体步骤为：用逐次迭代算法计算出最优压缩比，然后将最外圈的星座点以概率X1：X2：X3分别映射到由内而外的第一圈，第二圈和第三圈，分别添加冗余11,01,10；将处在第三圈星座点以概率Y1：Y2进行映射到第一圈和第三圈，对于映射到第一圈的星座点在前面添加10，对于映射到第三圈的星座点，在最前面添加00；把第二圈的星座点以Z1：Z2的概率分别映射到第一圈和第二圈，对于映射到第一圈的星座点，在前面添加01，对于映射到第二圈的点，添加冗余00；对于第一圈的星座点添加00冗余，仍然映射到它的本身，将四圈25QAM六边形信号压缩为三圈19QAM六边形信号，对于压缩后的星座图，我们将第二圈星座点顺时针旋转π/6，增加星座点之间的欧式距离，以此来减少码间串扰。
5.根据权利要求1所述的一种基于六边形星座成型迭代的光载无线通信方法，其特征在于：所述步骤五具体为：将接收到的19QAM符号信息进行星座解映射，还原出32QAM符号信息，通过模数转换器转换为数字信号，然后通过并串变换，将并行的多路比特数据还原成一路，恢复原始信号。
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