CN111541489A - 一种无线光通信中的完全广义空间调制方法 - Google Patents

Abstract

一种无线光通信中的完全广义空间调制方法，用于数据传输的激光器从仅激活一个激光器到激活多个甚至所有激光器而变化，这使得传输速率与激光器数量呈线性比例关系，显著提高了系统的传输速率。同时，为了充分利用激光器组合冗余，采用基于信道范数最大化选择算法完成了激活激光器的选择，有效改善了系统的误码性能。在此基础上利用联合界技术推导了该方法在对数正态信道下的理论误码率上界。相对于传统的光空间调制，本发明不仅实现了传输速率和激光器数量之间的线性关系，且解决了激光器数必须为2的整数次幂的问题，显著提升了系统的传输速率。同时，通过激光器选择算法的引入，有效的改善了系统的误码性能。

Description

一种无线光通信中的完全广义空间调制方法

技术领域

本发明涉及一种无线光通信中的完全广义空间调制方法，通过激活不同数量的激光器来传递信息，以此实现了传输速率和激光器数量之间的线性关系，属于无线光通信技术领域。

背景技术

大气激光通信由于其传输速率高、保密性好、无需频率许可等优势引起了研究者的广泛关注。虽然光载波的频率很高，光信号的带宽可以超过1THz。但在实际使用中，由于受大气衰减、瞄准误差、大气湍流以及电子器件速度的限制，传输速率常常被限制到10Gb/s或者更低。这就难以满足全业务以及互联网迅速发展所带来的对高速率、大容量的通信需求。如何提高大气激光通信系统的传输速率，同时加快其推广应用已迫在眉睫。

近年来，为了提高大气激光通信的传输速率、抵御大气湍流效应，光空间调制(Optical Spatial Modulation，OSM)应运而生。它是一种新型的光多输入多输出(OpticalMultiple Input Multiple Output，OMIMO)技术，可有效解决传统OMIMO中的不足。光空间调制不仅采用传统数字调制星座(即信号域)传递信息，而且还通过激光器索引(即空间域)额外携带信息。这样一来，激光器不仅是形成无线链路的媒介，而且还承载着信息本身。所以，它为提高系统的传输速率提供了一种有效措施。鉴于此，学者围绕如何设计高效的光空间调制展开了广泛研究。

早期的光空间调制起源于室内可见光通信。Thilo Fath等人采用脉冲幅度调制(Pulse Amplitude Modulation，PAM)提出了不同的光空间调制，通过提高频谱效率实现了传输速率的提升。但由于高阶PAM调制对接收机噪声和大气湍流非常敏感，所以导致其误码性能并不理想。鉴于此，Wasiu O.Popoola等人利用脉冲位置调制(Pulse PositionModulation， PPM)构建了光空间调制，获得了较好的误码性能。但当调制阶数较高时，保证激光器和探测器之间严格同步的难度大大增加。且在上述研究中，每次传输时仅激活了一个激光器，这虽然有效解决了信道间干扰和激光器同步困难等问题，但其由于每次仅激活一个激光器而明显限制了空间资源的利用率；而且它还要求激光器数必须为2的整数次幂。为此，S.P.Alaka 和Hammed G.Olanrewaju分别利用PAM和PPM调制，通过同时激活少量的激光器而构建了不同的光广义空间调制(Optical Generalized Spatial Modulation，OGSM)。该方案通过提高空间资源的利用率实现了系统传输速率的提升，同时还解决了激光器数必须为2的整数次幂的问题。

虽然上述研究都各具一定的特色，但它们存在一个共同的不足，即传输速率与激光器数量之间呈对数比例关系。这使得系统传输速率的提升受限，而且与垂直分层空时码(Vertical-BLAST，V-BLAST)的传输速率相比，还有较大的差距。为获得与V-BLAST相同的传输速率，OSM系统就需要额外增加激光器，造成空间资源的浪费。基于此，本发明在激光器总数不变的情况，充分利用所有可能的激光器组合，提出了一种无线光通信中的完全广义空间调制(Fully Generalized Spatial Modulation，F-GSM)方法。该方法实现了传输速率和激光器数量之间的线性关系，且解决了激光器数必须为2的整数次幂的问题。同时，采用基于信道范数最大化的算法选择激活激光器，有效的改善了F-GSM系统的误码性能。

发明内容

本发明的目的是通过激活不同数量的激光器建立一种无线光通信中的完全广义空间调制方法，以此实现传输速率和激光器数量之间的线性关系，从而提高无线光通信系统的传输速率。

本发明是提高无线光通信中传输速率的一种方法。其特征在于，通过激活不同数量的激光器来传递信息，以此实现了传输速率和激光器数量之间的线性关系。同时，为了充分利用激光器组合冗余，采用基于信道范数最大化选择算法完成了激活激光器的选择，有效改善了系统的误码性能。在此基础上利用联合界技术推导了该方法在对数正态信道下的理论误码率上界。其具体步骤为：

步骤1：假设系统中有N_t个激光器，N_r个探测器，且发射端每次激活N_u(N_u＝1，……,N_t)个激光器，所以从N_t个激光器中激活N_u个的备选组合数有

种。由于所使用的激光器组合数必须为2的整数次幂，所以只需从

种备选组合中选取其中的

种即可。由于激光器子集从仅激活一个激光器到激活多个或者所有激光器而变化，所以激光器索引携带的信息比特为

假设采用L阶的PAM调制，则每个PAM调制符号携带log₂(L)比特信息。因此，其传输速率为

发射端利用激光器组合映射向量和L-PAM调制符号的特点构建了发射信号矩阵：

式中，

是一个N_t×1维的激光器映射向量，其中， 1≤e＜f≤N_t，且非零元素的位置表示激活激光器的序号。

(1≤l≤L表示发送脉冲的幅度)是L-PAM的映射向量。

步骤2：假设收发两端均已知当前的信道状态信息，那么，发送端可根据当前的信道状态信息和激光器选择算法选出合适的激光器组合，并完成相应信息的映射。其中激光器选择算法采用基于最大化信道范数的方法来选择激活激光器。其基本思想是：选取信道范数最大的子信道来传递信息，其本质是接收信噪比最大。其对应的选择算法为

式中，P表示所有可能的激光器子集构成的集合，p表示根据算法选择的激光器子集构成的集合。

步骤3：设光探测器的输出信号为

式中，

是均值为零、方差为

的加性高斯白噪声，η是光电转换效率，H是N_r×N_t维的信道衰落矩阵，且信道衰落系数h服从对数正态分布。

假设接收端已知信道状态信息，即在H已知的情况下，我们采用最大似然译码算法进行信号检测，恢复出原始比特信息。

其中，||·||_F表示F-范数,

和

分别代表检测到激活激光器的序号和发送的调制符号。信号检测完成之后再按照映射规则进行解映射。

步骤4：在F-GSM星座空间中，传输信号星座点间的欧氏距离是系统错误概率的决定性因素。所以通过联合界技术获得F-GSM误码率的理论上界。具体方法如下：

假设F-SM的传输速率为R_F-GSM bits/s，每次发射端从

个可能的发射信号

中选取一个信号进行发送。通过联合界技术可以获得采用ML检测算法时 F-GSM系统误码率理论的上界为

其中，d_H(x_i,x_j)表示x_i和x_j之间的汉明距离，即将信号x_i错误判决为x_j时产生的错误比特数。 P(x_i→x_j|H)表示接收端已知信道矩阵H时，发送符号x_i被错误检测为符号x_j的成对错误概率。

本发明的益处在于：利用激活不同数量的激光器提出了一种无线光通信中的完全广义空间调制方法，以此实现了传输速率和激光器数量之间的线性关系，且解决了激光器数必须为 2的整数次幂的问题。同时，充分利用激光器组合冗余，采用基于信道范数最大化选择算法完成了激活激光器的选择，有效改善了系统的误码性能。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为无线光通信中F-GSM系统信号传输模型

图2为本发明所述方法的流程图

图3为采用激光器选择算法前F-GSM系统的理论误码率和仿真误码率

图4为传输速率相同时不同F-GSM系统的误码率

图5为传输速率相同时不同OSM方案的误码率

为了更完整的阐述实施例，现结合附图进行描述：

具体实施方式

本发明提出了一种无线光通信中的完全广义空间调制方法，该方法通过激活不同数量的激光器来传递信息，以此实现了传输速率和激光器数量之间的线性关系。同时，为了充分利用激光器组合冗余，引入天线选择算法，并采用基于信道范数最大化选择算法完成了激活激光器的选择，有效改善了系统的误码性能。下面结合附图以具体实施例来详细说明本发明。

本发明通过如下技术措施来达到：

本发明为一种无线光通信中的完全广义空间调制方法，其目的是利用激活不同数量的激光器构建一种适合于无线光通信的高传输速率方法。同时，采用基于信道范数最大化选择算法完成了激活激光器的选择，有效改善了系统的误码性能，并推导该方法的理论误码率上界。

步骤1：F-GSM系统如图1所示。假设系统中有N_t个激光器，N_r个探测器，且发射端每次激活N_u(N_u＝1，……,N_t)个激光器，所以从N_t个激光器中激活N_u个的备选组合数有

种。由于所使用的激光器组合数必须为2的整数次幂，所以只需从

种备选组合中选取其中的

种即可。当激活激光器选择好后，可将PAM调制符号同时加载在激活激光器上进行传递。

在该系统中，由于激光器子集从仅激活一个激光器到激活多个或者所有激光器而变化，所以激光器索引携带的信息比特为

假设采用L阶的PAM调制，则每个PAM调制符号携带log₂(L)比特信息。因此，其传输速率为

由式(1)可看出，F-GSM系统的传输速率与激光器数量成线性比例，这就显著提高了系统的传输速率。但是当我们仔细观察该方案的备选集合时，发现它存在一定的冗余，即

种冗余组合未采用；而且当N_t值越大，其冗余也越多。所以，如何从备选集合中合理的选取组合是一个关键。目前已有光空间调制方案大多都是采用随机选择的方法来选取激光器组合，这在某种程度上限制了系统的误码性能。值得注意的是，大气是一个时变的衰落信道。也就是说，光信号经过不同子信道时其受到的影响不同。所以，本文依据当前信道状态的好坏来选取激活激光器的组合，即采用基于信道范数最大化的方法来选取激活激光器，该方法可明显降低系统的误码率。

步骤2：假设收发两端均已知当前的信道状态信息，那么，发送端可根据当前的信道状态信息和激光器选择算法选出合适的激光器组合，并完成相应信息的映射。其中激光器选择算法采用基于最大化信道范数的方法来选择激活激光器。其基本思想是：选取信道范数最大的子信道来传递信息，其本质是接收信噪比最大。其对应的选择算法为

式中，P表示所有可能的激光器子集构成的集合，p表示根据算法选择的激光器子集构成的集合。

步骤3：在发射端，进行F-GSM信号的映射，具体包括如下步骤：

若此时输入的二进制比特流为b，经串并转换后分为b₁和b₂两部分。其中，b₁被映射为系统中激活激光器的索引，其映射关系可以用一个N_t×1维的向量x_Laser来表示，即

其中，1≤e＜f≤N_t，非零元素的位置表示激活激光器的索引，[g]^T表示转置运算。b₂被映射为传统L-PAM调制星座图中的某个调制符号，其映射关系可以表示为

其中，I_o表示发送L-PAM调制符号的平均光强。假设发端采用平均功率分配机制，当激活激光器的数量为N_u时，每个激活激光器的发送功率为总功率的

倍。此时F-GSM系统的发送信号可表示为

其中，发送的总功率满足E(xx^H)＝1，[g]^H表示共轭转置运算。假设系统的传输速率为 3bpcu，其中激光器数N_t＝3、调制阶数L＝2，且当前信道状态矩阵为

此时，F-GSM系统中所有激光器组合的备选集合为P＝{(1),(2),(3),(1,2),(1,3),(2,3),(1,2,3)}，计算所有可能组合的信道范数，并利用选定的天线选择方法选取范数最大的2^Nt-1＝4种激光器组合来传递信息，即p＝{(1,2,3),(1,3),(1,2),(1)}。

步骤4：发送端的信号调制完成之后，该调制信号经大气信道后由光探测器接收。设光探测器的输出信号为

式中，

是均值为零、方差为

的加性高斯白噪声，η是光电转换效率，H是N_r×N_t维信道衰落矩阵。对于弱到中等的大气湍流而言，信道衰落系数h常服从对数正态分布，其概率密度函数为

式中，如果对衰落强度进行归一化处理，即E[h]＝1，则均值

方差

其中，

表示信道衰落变化的闪烁指数。

在接收端，如何从探测器输出信号中正确检测出发端发送的信号是一个关键。目前，常用的方法是最大似然(Maximum Likelihood，ML)译码算法。ML译码算法通过穷尽搜索方式来检测激活激光器的索引和调制符号，其准则为

其中，||·||_F表示F-范数,

和

分别代表检测到激活激光器的序号和发送的调制符号。将(7) 式的输出结果经F-GSM解映射后恢复出原始比特

步骤5：为了验证本发明的正确性，我们推导了其在最大似然检测下的理论误码率上界，其具体步骤如下：

在F-GSM星座空间中，传输信号星座点间的欧氏距离是系统错误概率的决定性因素。所以本文通过联合界技术获得F-GSM误码率的理论上界。

假设接收端已知信道状态矩阵H，则发送符号x_i被错误检测为符号x_j的成对错误概率为

将式(5)带入(8)可得

其中，

是服从均值E(D)＝0、方差

的高斯随机变量。因此，式(9)能够写为

其中，

将其带入式(10)可得

所以，通过联合界技术可以获得采用ML检测算法时，F-GSM系统的理论误码率上界为

其中，

表示F-GSM系统中所有可能的发送符号集合，d_H(x_i,x_j)表示发送符号x_i和检测符号x_j之间的汉明距离。观察(12)式不难发现，F-GSM系统的误码率BER与信道状态矩阵H和传输速率R_F-GSM等有关。在R_F-GSM一定的情况下，H越大，则F-GSM系统的误码率BER越小。

为了验证该方案的正确性，我们利用蒙特卡罗仿真方法进行了仿真分析。仿真条件为：假设接收端已知信道状态信息，系统总功率不变，每个激活激光器的功率平均分配，接收端采用ML检测算法，闪烁指数

光电转换效率η＝0.5，GSPAM只激活两个激光器。

图3为采用激光器选择算法前时F-GSM系统的理论误码率和仿真误码率。其中，调制方式采用4-PAM。从仿真结果可看出：当信噪比较低时，F-GSM系统的实际误码率低于理论上界；而当信噪比较大时，二者基本重合。

图4为传输速率相同时不同F-GSM系统的误码率。其中，传输速率为5bpcu。从仿真结果可看出：在传输速率相同的情况下，增加激光器的数量(即降低PAM的调制阶数)会改善采用激光器选择算法前后两种F-GSM系统的误码性能。相对于采用激光器选择算法前的F-GSM系统而言，采用激光器选择算法后F-GSM系统误码性能的改善更为明显，而且激光器数量越多，性能改善的程度越明显。

图5表示传输速率相同时不同OSM方案的误码率。此时，传输速率为5bpcu。从仿真结果可看出：①当激光器数量相同、调制阶数不同时，在小信噪比的情况下，采用激光器选择算法前F-GSM方案的误码率介于SPAM和GSPAM之间；在大信噪比的情况下， F-GSM方案的误码率略低于SPAM和GSPAM。②当调制阶数相同、激光器数量不同时，在小信噪比的情况下，F-GSM方案的误码率略高于SPAM和GSPAM；在大信噪比的情况下，F-GSM方案的误码率小于GSPAM方案，而略大于SPAM方案。③采用激光器选择算法后F-GSM方案的误码性能明显优于其他方案。

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 (2)

1.一种无线光通信中的完全广义空间调制方法，其特征在于，通过激活不同数量的激光器来传递信息，以此实现了传输速率和激光器数量之间的线性关系。同时，为了充分利用激光器组合冗余，引入天线选择算法，并采用基于信道范数最大化选择算法完成了激活激光器的选择，有效改善了系统的误码性能。在此基础上利用联合界技术推导了该方法在对数正态信道下的理论误码率上界。

2.根据权利要求1所述的一种无线光通信中的完全广义空间调制方法，其具体步骤为：

步骤1：假设系统中有N_t个激光器，N_r个探测器，且发射端每次激活N_u(N_u＝1，……,N_t)个激光器，所以从N_t个激光器中激活N_u个的备选组合数有

种。由于所使用的激光器组合数必须为2的整数次幂，所以只需从

种备选组合中选取其中的

种即可。由于激光器子集从仅激活一个激光器到激活多个或者所有激光器而变化，所以激光器索引携带的信息比特为

假设采用L阶的PAM调制，则每个PAM调制符号携带log₂(L)比特信息。因此，其传输速率为

发射端利用激光器组合映射向量和L-PAM调制符号的特点构建了发射信号矩阵：

式中，

是一个N_t×1维的激光器映射向量，其中，1≤e＜f≤N_t，且非零元素的位置表示激活激光器的序号。

(1≤l≤L表示发送脉冲的幅度)是L-PAM的映射向量。

步骤2：假设收发两端均已知当前的信道状态信息，那么，发送端可根据当前的信道状态信息和激光器选择算法选出合适的激光器组合，并完成相应信息的映射。其中激光器选择算法采用基于最大化信道范数的方法来选择激活激光器。其基本思想是：选取信道范数最大的子信道来传递信息，其本质是接收信噪比最大。其对应的选择算法为

式中，P表示所有可能的激光器子集构成的集合，p表示根据算法选择的激光器子集构成的集合。

步骤3：设光探测器的输出信号为

式中，

是均值为零、方差为

的加性高斯白噪声，η是光电转换效率，H是N_r×N_t维的信道衰落矩阵，且信道衰落系数h服从对数正态分布。

假设接收端已知信道状态信息，即在H已知的情况下，我们采用最大似然译码算法进行信号检测，恢复出原始比特信息。

其中，||·||_F表示F-范数,

和

分别代表检测到激活激光器的序号和发送的调制符号。

步骤4：在F-GSM星座空间中，传输信号星座点间的欧氏距离是系统错误概率的决定性因素。所以通过联合界技术获得F-GSM误码率的理论上界。具体方法如下：

假设F-GSM的传输速率为R_F-GSMbpcu，每次发射端从

个可能的发射信号x₁,x₂,L,

中选取一个信号进行发送。通过联合界技术可以获得采用ML检测算法时F-GSM系统误码率理论的上界为

其中，d_H(x_i,x_j)表示x_i和x_j之间的汉明距离，即将信号x_i错误判决为x_j时产生的错误比特数。P(x_i→x_j|H)表示接收端已知信道矩阵H时，发送符号x_i被错误检测为符号x_j的成对错误概率。

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