CN111431617B - 一种无线光通信的非对称限幅光ofdm-im调制方法 - Google Patents

Abstract

一种无线光通信的非对称限幅光OFDM‑IM调制方法，对二进制信息块进行频域映射和调制符号映射、接收信号的检测与解映射、以及非对称限幅光OFDM‑IM系统理论误码率的计算。其中，频域映射是完成每一组激活子载波索引号的选择，调制符号映射则是按照选择的调制方式将二进制信息比特映射成星座调制符号，并将其加载到激活的子载波上，然后合并各组信息生成OFDM数据块。该信号经过非对称限幅光OFDM调制后，由光学天线发送出去，同时经大气湍流信道、接收光学天线后由光电探测器转换为电信号。接收端再利用最大似然译码检测算法完成子载波索引号和调制符号的检测，并经解映射后恢复出发端的比特信息。

Description

一种无线光通信的非对称限幅光OFDM-IM调制方法

技术领域

本发明属于无线光通信技术领域，具体是针对服从对数正态分布的弱湍流信道提出的非对称限幅光OFDM-IM调制方法，与传统的ACO-OFDM(ACO—非对称限幅光)系统相比，本发明大大提升了系统的误码性能和传输速率。

背景技术

随着5G时代的到来，用户终端数和数据业务量迅猛增长，人们对无线光通信系统的容量和传输速率提出了更高要求，高速率和高频谱效率已成为未来无线光通信系统着重追求的目标。虽然大气激光通信具有无线接入方式灵活、信息容量大，抗电磁干扰能力强，不占用频率资源、传输速率高等优点，也受到了国内外学者的广泛关注。但是，当光信号在湍流信道中传输时，易受多径效应的影响导致接收信号衰落严重，这使得光通信的速率难以达到其理论值。因而寻找一种提高无线光通信系统传输速率的技术已迫在眉睫。光OFDM技术对湍流信道中的深度衰落具有较高的耐受性，可有效降低湍流对光信号传输的影响。但光OFDM技术也存在一些不足：例如，当多个子载波信道的相位一致时，存在PAPR较高的问题，这严重影响光OFDM系统的误码性能。光OFDM技术中另一致命缺点是高速移动环境下，光OFDM技术对频偏和相位噪声过于敏感，子载波间正交性会被破坏产生信道间干扰(ICI)，这极大地限制了系统传输速率的进一步提高，成为光OFDM技术在无线光通信中进一步发展的瓶颈。

索引调制作为一种新型的调制技术，它通过扩展频谱资源，利用子载波索引号额外携带部分信息实现了传输速率的提高。与传统的调制技术相比，索引调制的实质是利用子载波索引号额外携带部分信息，这样充分利用频谱资源不仅进一步提高了传输速率，而且额外传输的信息也不需要消耗或只需消耗极少的能量；同时，非激活的一部分子载波还可有效降低PAPR和ICI。这些优点促使索引调制被广泛应用，同时成为无线通信研究的热点之一。为了提高大气激光通信系统的传输速率，我们将索引调制与传统的非对称限幅光OFDM相结合，发明了一种适合于无线光通信的非对称限幅光OFDM-IM方法，为实现超高速率、高可靠性、低能耗的通信目标提供了一种有效途径。

发明内容

本发明的目的是通过拓展频谱维度，实现无线光通信系统的传输速率和误码性能的提升。

本发明是一种无线光通信的非对称限幅光OFDM-IM调制方法，不仅通过激活一部分子载波来传输调制符号，而且还通过同时激活子载波的索引号来携带部分信息；除此之外，本调制方法还可通过灵活调整激活的子载波数目实现频谱效率和系统性能之间的折中；在接收端，采用最大似然检测方法完成信号的检测，并经解映射后即可恢复出原始比特信息；最后采用分段式界的方法推导了其在对数正态信道下的理论误码率表达式；具体步骤如下：

步骤1：在发送端，首先对各子块的二进制信息比特流进行频域映射和符号域映射；其中，频域映射是利用部分信息进行每一组激活子载波索引号的选择，而且这部分信息隐含在子载波索引号中，不参与实际的传输；符号域映射则是按照选择的调制方式M-QAM将二进制信息比特映射成星座调制符号，并将其加载到激活的子载波上。将映射后的各子块合并生成OFDM数据块X；

步骤2:只选择奇数子载波进行数据传输，并使得映射到奇数子载波上的频域向量满足厄米特对称；该信号经IFFT变换后实现复数/负数信号向实数信号的转换；同时，对该实数信号进行限幅，消去其中的负值后由激光器发送出去；

步骤3：接收端将光电探测器输出的电信号，通过N点的快速傅里叶变换后可将其变为复数/负数信号；通过逆映射的方式，提取出FFT输出的前r/2组的信号，并利用最大似然(ML)检测准则估计出每个子块上激活的子载波索引号和调制符号，最后经解映射后即可恢复出原始比特信息；

步骤4：利用分段式界技术获得了非对称限幅光OFDM-IM系统总的理论误码率表达式，即：

表示第g个子载波块中子载波索引号检测错误，而调制符号检测正确的概率；表示第g个子载波块中子载波索引号和调制符号均检测错误的概率；/>表示第g个子载波块中子载波索引号检测正确，而调制符号检测错误的概率。

本发明的益处在于：针对无线光通信系统对更高速传输速率技术的要求，将索引调制技术与现有的ACO-OFDM技术相结合，提出非对称限幅光OFDM-IM调制方法。该方法能有效地提高系统的传输性能，实现大容量、高速率、高质量的信息通信，为无线光通信系统实现高速率、高可靠性、低能耗的通信目标提供了一种有效途径，是未来智能泛在网中光通信的关键技术之一。

附图说明

图1为非对称限幅光OFDM-IM的系统模型，图2为本发明所述方法的流程示意图，图3为非对称限幅光OFDM-IM系统误码率的理论结果与仿真结果，图4为非对称限幅光OFDM-IM与ACO-OFDM的误码性能对比，图5为非对称限幅光OFDM-IM与ACO-OFDM系统的频谱效率和计算复杂度，图6为非对称限幅光OFDM-IM与ACO-OFDM的PAPR。

具体实施方式

本发明为一种无线光通信的非对称限幅光OFDM-IM方法，其目的是将索引调制与传统的ACO-OFDM相结合，构建一种适合于无线光通信能满足更高速率和可靠性的实现方法。

本发明详细技术如下：

将索引调制和ACO-OFDM技术结合，构建ACO-OFDM-IM系统，其模型如图1所示，下面将结合图2具体说明其实现过程。

假设一帧OFDM-IM发送的信息比特总数和子载波总数分别为m和N，且分别被分成r个子块，那么每个子载波块中包含的子载波数和信息比特数分别为n＝N/r和z＝m/r。由于同时利用子载波索引号和星座调制符号传递信息，所以每个子载波块的比特信息z＝z₁+z₂由两部分组成，即频域映射比特和符号域映射比特。其中，z₁比特信息用来选择各子载波块中要激活的子载波索引号，z₂比特信息用于进行星座调制。首先用比特信息选择各子载波块中激活的子载波索引号。其中，/>表示向下取整，k表示激活的子载波数。假设采用M进制的QAM调制对信号进行符号域映射，即将z₂＝klog₂M比特信息映射成k个M-QAM调制星座符号，并分别加载在激活的子载波上。完成信号映射后，将各子载波块上的信号进行合并，形成N×1维的OFDM-IM频域信号向量。它可被表示为：

X＝[X₁X₂…X_r]^T (1)

其中X_g(g＝1,2,…,r)表示第g个子载波块的数据集。

在光无线通信系统中，通常采用强度调制，所以需要将复数信号转化为非负的实信号。为了实现这一功能，我们选择只在奇载波上传输数据，同时要求奇载波上的信号满足厄米特对称特性。将具有厄米特对称性的频域信号经IFFT后转换为实数信号x，可表示为：

其中，(·)^H表示矩阵共轭转置，K＝rk表示整个系统所激活的子载波数，L_N是N×N的离散傅里叶变换矩阵。经过IFFT后，实现了复数信号向实数信号的转化，但是该信号仍为双极性信号，所以对其进行限幅来消除负值信号，从而得到单极性实数信号。

假设其探测器接收到的信号为：

y＝ηh·x+w (3)

其中，η∈[0～1]是光电转换效率，w是服从均值为0，方差为σ_0,t的加性高斯白噪声矢量。h是N×N维的信道系数矩阵。当信道为弱湍流时，其服从对数正态分布。其中，闪烁指数S.I.的典型值为S.I.∈[0.4～1.0]。

此时，光电检测器输出的电信号是正实数信号，不能直接对其进行索引调制的解映射，需要将该信号转换为复数/负数信号。为此，采用N点的快速傅里叶变换来实现这一功能，转化后的信号可表示为：

通过逆映射的方式，从经过FFT变换处理的信号中提取出前r/2组的信号Y'＝[Y₁,Y₂,...,Y_r/2]，并将信号扩大一倍得到信号向量Y”＝2Y'。这是因为发射端采用限幅技术后致使接收端信号的幅值仅为原始信号幅值的一半。之后，采用最大似然检测准则(ML)估计出每组激活子载波索引号与调制符号，再经解映射后即可恢复出原始比特信息。最大似然检测准则为：

式中，||·||_F表示F-范数，和/>分别代表第g个子载波块检测到激活子载波的索引和星座调制符号，其中/>Y″_g分别表示第g个子载波块相应的信道系数和接收信号矢量。

在非对称限幅光OFDM-IM系统中，依据映射规则，同时考虑索引信息与调制信息间的影响，将所有错误分为三类情况。即，第一类，子载波索引号检测错误而调制符号检测正确的情况；第二类，子载波索引号检测错误且调制符号检测错误的情况；第三类，子载波索引号检测正确而调制符号检测错误的情况。那么，可定义非对称限幅光OFDM-IM系统的误比特率为：

(6)式中，第一项表示第一类情况出错的概率，第二项表示第二类情况出错的概率，第三项表示第三类情况出错的概率。表示第g个子载波块中子载波索引号检测错误而调制符号检测正确的概率；/>表示第g个子载波块中子载波索引号和调制符号均检测错误的概率；/>表示第g个子载波块中子载波索引号检测正确而调制符号检测错误的概率。由公式(6)可知，计算ABEP的关键在于根据错误类型，得到的/>的表达式。

以第g个子载波块为例，在第g个子载波块的信道状态信息(CSI)已知的情况下，以表示第一类错误情况中发送符号X_g被错误检测为/>的条件概率，此时其对应的成对错误概率为APEP_{e_i}。那么采用并集界理论，第g个子载波块错误概率的上界可以表示为：

其中，d_{e_i}表示将激活子载波索引号β错误检测为时的比特数，即X_g与/>两者之间的汉明距离。这时可将接收端频域信号表示为Y″_g＝[ω_g,1,…,H_g,βS_g,β+ω_g,β,…,ω_g,n]，那么：

为了描述方便，令：

根据大气湍流信道模型，可转换为：

而是服从均值/>方差/>的高斯随机变量。因此,成对错误概率APEP_{e_i}可以化简为：

其中那么最终/>的表达式为：

那么，第二类APEP_{e_i&m}和第三类APEP_{e_m}均可由(11)式近似表示，其中APEP_{e_i&m}的均值均值/>其中/>APEP_{e_m}的均值/>均值/>其中/>相应的：

因此，ACO-OFDM-IM系统的误码率为：

其中，d_{e_i&m}＝log₂M/2表示子载波索引号检测错误、调制符号比特由非激活子载波来恢复时出错的比特数；d_{e_m}＝log₂MP_MQAM，P_MQAM表示子载波索引号检测正确时激活子载波上的调制符号检测错误的概率，即M-QAM的误码率。

为了进一步验证本方法的正确性，采用蒙特卡洛(MonteCarlo)方法对其进行仿真实验。其中仿真条件为：S.I.＝0.6,η＝0.8,总的子载波数N＝256。同时为了描述方便，用(n,k)ACO-OFDM-IM-M表示不同参数的ACO-OFDM-IM系统。

图3为ACO-OFDM-IM系统平均误码率的理论结果与仿真结果。由图3可知：随着信噪比的增大，系统误码率逐渐减少，且理论曲线与仿真曲线逐渐趋与吻合，说明了理论推导的正确性。

图4为ACO-OFDM-IM与ACO-OFDM系统的误码性能。此时对应的参数为每组的子载波总数n＝8，且子载波都采用4QAM调制。由仿真曲线可得，在子载波组数相同的情况下，随着每组上激活子载波数的增加系统的误码率会逐渐增大，但此时每符号上传输的比特数明显逐渐增多；当每组上激活的子载波数≤3时，ACO-OFDM-IM系统的误码率均小于ACO-OFDM，此时仅有(8,1)ACO-OFDM-IM系统每符号上传输的比特数小于ACO-OFDM系统，其余均大于ACO-OFDM系统。因此，合理的选择激活的子载波数，不但可以提高系统的传输速率，而且还可以改善系统的误码性能。

图5为ACO-OFDM-IM与ACO-OFDM系统频谱效率和计算复杂度对比。从图表中ACO-OFDM-IM系统的总子载波数为N＝256，ACO-OFDM系统总的子载波N＝14。不同参数下ACO-OFDM-IM的计算复杂度和频谱效率明显优于ACO-OFDM系统。因此，ACO-OFDM-IM系统在保证高速传输的情况下，不仅可以达到计算复杂度和频谱效率之间的折中，还可以满足低能耗、低成本的要求。

图6为ACO-OFDM-IM与ACO-OFDM的PAPR对比。对比仿真曲线可得，ACO-OFDM系统的PAPR总是高于ACO-OFDM-IM系统，而且激活的子载波越少ACO-OFDM-IM系统的PAPR越低，从而提升了系统的性能。

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 (1)

1.一种无线光通信的非对称限幅光OFDM-IM调制方法，其特征在于，通过扩展频域的维度，利用部分激活子载波的索引号额外携带一部分信息来提高系统的传输速率，并通过灵活调整激活的子载波数目来实现频谱效率和系统误码性能的折中，而构建了一种非对称限幅光OFDM-IM调制；接收端利用最大似然检测方法对信号进行检测，并经解映射后即可恢复出原始比特信息；最后，采用分段式界推导了该方法在对数正态信道下的理论误码率；其具体步骤为：

步骤1：发送端首先对各子块的二进制信息比特流z进行分组，将其分为z＝z₁+z₂两部分组成，其中z₁比特被映射为各子载波块中激活子载波的索引号，z₂比特被映射为星座调制符号；设采用M-QAM调制对信号进行符号域映射，即将z₂比特信息映射为M-QAM调制星座符号，并分别加载在激活子载波上；

步骤2:之后，合并各子载波块上的信号并选择奇数子载波进行数据传输，该信号经厄米特对称、IFFT变换以及限幅后由激光器发送出去；

步骤3:接收端直接提取出N点FFT变换后的前r/2组信号进行检测，并利用最大似然(ML)检测准则分别估计出每个子块上激活子载波的索引号和调制符号，再经解映射后即可恢复出原始比特信息；

步骤4：计算发送符号与其估计值之间的成对错误概率以及误判时的错误比特数，并利用分段式界技术获得了非对称限幅光OFDM-IM系统总的理论误码率表达式，即

式中，r表示子载波块个数，n表示每个子载波块包含的子载波数，m表示一次传输的二进制比特数，表示第g个子载波块中子载波索引号检测错误，而调制符号检测正确的概率；/>表示第g个子载波块中子载波索引号和调制符号均检测错误的概率；/>表示第g个子载波块中子载波索引号检测正确，而调制符号检测错误的概率。