CN111884980B - 一种无线光通信的广义索引调制光ofdm调制方法 - Google Patents

Abstract

一种无线光通信的广义索引调制光OFDM的调制方法，在进行信号映射之前，先依据信道状态信息，得到子载波分配方式的变换矩阵，然后根据频域和调制符号的映射规则，进行频域和调制符号映射、接收信号的检测与解映射。其中，频域映射是完成每个子载波块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，最后结合子载波分配方式，得到新的发送信号矢量。并根据光通信采用光强进行调制的特点，对生成的复信号做进一步的变换，得到单实信号，并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。

Description

一种无线光通信的广义索引调制光OFDM调制方法

技术领域

本发明属于无线光通信技术领域。

背景技术

随着工业的发展和移动网络在全球的部署，每年接入到无线通信系统的用户数量在急剧增加。同时智能手机和笔记本电脑也越来越受欢迎。在视频流和其他各种带宽需求较大的应用的驱动下，预计今年，无线网络处理的IP数据量将增长超过100倍。从而使得人们对通信流量的需求呈爆炸式增长。无线光通信(WOC)作为新兴的接入网技术，由于其具有接入方式灵活、信息容量大，抗电磁干扰能力强，保密性好，不占用频率资源、传输速率高等优点，成为一种最有发展前途的通信方式。但是，在无线光通信系统的信号传输中，由于大气信道的随机性，光信号经过信道时将受到严重干扰，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。但是，在高速场景下，子信道间的正交性会受到多普勒频移的破坏而引起载波间干扰，并且会导致较高的峰均比(PAPR)，这些缺点使得光OFDM不适用于高速场景，从而制约了光OFDM技术的应用。因此，设计一种具有开创性的调制技术成为当务之急，近年来出现的索引调制(IndexModulation,IM)技术则为该瓶颈提供了一个突破口，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。

索引调制的思想最初来源于无线通信MIMO中的空间调制，并首次应用于射频通信中,且随着索引调制在射频通信领域中的研究与发展，许多学者尝试将索引调制引入到无线光通信领域当中，并与光OFDM相结合来进一步提高无线光通信系统的性能。目前，有关无线光通信中索引调制光OFDM技术的研究才刚刚起步，其理论与方法尚未成熟和完善。基于此，我们将广义索引调制与传统的ACO-OFDM调制技术相结合，同时根据收发端的信道状态信息(CSI)，加入子载波分配算法(SubcarrierAllocationAlgorithm,SAA)，发明了一种适合于无线光通信的非对称限幅光OFDM广义索引调制(ACO-OFDM-GIM)方法，在保证误码性能的同时实现超高速率的通信目标。

发明内容

本发明的目的是提供一种无线光通信的广义索引调制光OFDM调制方法。

本发明是一种无线光通信的广义索引调制光OFDM调制方法，其特征是通过对每个子载波块选择激活一到多个数目可变的子载波额外携带一部分信息，且这部分额外携带的信息不消耗或只需耗极少的能量；同时，可通过灵活调整激活的子载波数目来实现频谱效率和系统性能的折中；另外，依据信道状态信息，加入子载波分配算法，进一步降低系统的误码率。接收端利用最大似然检测方法对信号进行检测和解映射，恢复出原始比特信息。

本发明的有益之处在于：针对无线光通信系统对更高速传输速率技术的要求，提出一种广义索引调制的光OFDM调制方法。这种调制方法能有效地提高系统的传输性能，实现大容量、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，是未来在光通信领域研究的的关键技术之一。

附图说明

图1为ACO-OFDM-GIM的系统模型，图2为广义索引调制内部结构图，图3为本发明所述方法的流程示意图，图4为ACO-OFDM-GIM与ACO-OFDM-IM和ACO-OFDM的误码性能，图5为ACO-OFDM-GIM与ACO-OFDM-IM、ACO-OFDM的频谱效率和计算复杂度，图6为ACO-OFDM-GIM与ACO-OFDM-IM、ACO-OFDM的PAPR。

具体实施方式

本发明是一种无线光通信的广义索引调制光OFDM调制方法，通过对每个子载波块之间选择激活数目可变的子载波额外携带一部分信息，且这部分额外携带的信息不消耗或只需耗极少的能量；同时，可通过灵活调整激活的子载波数目来实现频谱效率和系统性能的折中；另外，依据信道状态信息，加入子载波分配算法，实现系统误码性能的优化。接收端利用最大似然检测方法对信号进行检测和解映射，恢复出原始比特信息。

以上所述的无线光通信的广义索引调制光OFDM调制方法，其步骤为：

步骤1：在广义索引调制光OFDM调制方案中，假设每帧OFDM-GIM符号有N个子载波，并将其均分为r个子载波块，且每个子载波块有n＝N/r个子载波，通过对每个子载波块选择激活少量且数目不等的子载波去传输调制符号；其中每个子载波块总的发送比特数为

为每个子载波块中要激活的子载数的集合，

表示每组要激活的子载波数，

表示向下取整运算m_g(δ)表示第g个子载波块内激活δ个子载波时所需的比特数，M表示QAM的调制阶数，

为二项式系数，表示每个子载波块内从n个子载波中激活k(δ)个子载波传输QAM调制符号；

步骤2：将每个子载波块输入的二进制信息流划分为可变的两部分z＝z₁+z₂，并依据频域和调制符号映射规则分别将z₁和z₂比特信息映射到子载波索引号和调制符号上；其中频域映射规则为，将z₁比特二进制转换成十进制，与所对应激活k(δ)个子载波时的第一种组合方式所对应的z₁比特的十进制数相减

输出的

的值对应所激活的子载波的所有组合的其中一组；其中，

表示将z₁比特二进制转换成十进制数的值，

表示每组激活k(δ)个子载波时第一种组合方式所对应的z₁比特二进制转换成十进制数的值；然后依据调制符号映射规则，采用4QAM调制方式将z₂＝k(δ)log₂M比特二进制信息映射成星座调制符号，并将其加载到激活的子载波上；之后合并所有子载波块的数据集并生成N×1维的OFDM信号矢量X；

步骤3：依据信道状态信息，获得子载波分配方式的变化矩阵Ω。其具体方法为：首先将信道状态信息

按升序排列，得到新的信道增益系数H＝Ω₁H，并将其H均分为r组，然后保持偶数组的数据不变，将奇数组数据倒序排列。再将每组第一个系数取出作为第一个子载波块的信道增益系数，将每组第二个系数取出作为第二个子载波块的信道增益系数，以此类推，得到更新后的信道增益系数

那么Ω＝Ω₂Ω₁；

步骤4：将OFDM信号矢量X通过X＝ΩX变换后得到最终的发送信号；

步骤5：选择只在奇数子载波传输数据，并使得映射到奇数子载波上的频域信号向量满足厄米特对称；经快速傅里叶逆变换和限幅处理后实现复数信号向正实数信号的转换，并将其由激光器发送出去；

步骤6：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实数/复数信号；通过逆映射的方式，在ACO-OFDM-GIM系统中提取出快速傅里叶变换后输出的前r/2组的信号，并将其扩大一倍；

步骤7：最后利用最大似然(ML)检测准则估计出每个子载波块上激活的子载波索引号和调制符号，并经解映射后即可恢复出原始比特信息。

本发明提出了一种适合于湍流信道的广义索引调制光OFDM的调制方法，这种方法通过每个子载波块激活的子载波数不同实现系统的灵活应用，下面结合附图以具体实施来详细说明本发明。

本发明通过如下技术措施来达到：本发明为一种适用于无线光通信的广义索引调制光OFDM的调制方法，其目的是依据信道状态信息，对每个子载波块选择激活少量且数目不等的子载波，实现传输速率的进一步提高。

本发明详细技术如下：

本发明是将广义索引调制和常见的ACO-OFDM技术结合，构建一种非对称限幅广义索引调制光OFDM系统，其模型如图1所示。不同于传统的索引调制光OFDM调制方法，本专利所发明的调制方法在每个子载波块中激活的子载波数是不等的，同时根据收发端信道状态信息，采用一种简单子载波分配算法，在提高传输速率的同时，实现误码性能的优化。

下面将结合图2和图3详细说明其实现过程。假设一帧OFDM-GIM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组，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。由于每个子载波块有着同样的处理过程，因此以第g个子载波块为例来详细说明具体实现过程。

在进行频域映射和调制符号映射之前，首先定义每个子载波块中要激活的子载数的集合

其中

表示每组要激活的子载波数。然后将每组发送的二进制信息比特

分为可变的两部分z＝z₁+z₂，其中

表示向下取整运算。然后根据索引和调制符号映射规则分别进行索引和调制符号映射。首先依据索引映射规则完成索引映射。其具体映射过程如下；将z₁比特转换成十进制数

并将其与每组待激活k(δ)个子载波时第一种组合方式所对应的十进制数

相减，即

依据

的值设定待激活k(δ)个子载波索引号的组合，其映射关系可以用一个1×n维的向量

来表示，即

其中，非零元素的位置

表示激活子载波的索引号，且

为激活子载波索引号的所有备选组合。然后依据调制符号映射规则，将z₂比特二进制信息映射成k(δ)个QAM星座调制符号。假设映射后的星座调制符号集合为

其中，

表示M-QAM的所有星座点集合。在完成调制符号的映射之后，将其加载在第g个子载波块中激活的子载波上。此时，第g个子载波块上的数据集

为

为了便于更直观的理解整个广义索引调制的映射过程，我们以n＝4,

调制阶数M＝4为例。则每组发送的二进制信息比特数

其中，每个子载波块中激活的子载波的所有可能结果如表1和表2所示。其中，z_d表示每个子载波块传输的二进制字符串的十进制形式，以其中一组为例来说明：若z_d＝2，则d'_z1＝0-0＝0，我们选择激活第2子载波来传输所对应的调制符号10→{1-i}，相应该子载波块的数据集为[1-i,0,0,0]

其中表2为每组激活两个子载波时的所有可能结果。以其中一组为例来说明：若z_d＝40，则

所对应的第2和第4个子载波被激活来传输调制符号1000→{1-i,-1-i}，相应该子载波块上的数据集为[0,0,1-i,-1-i]。

完成所有子载波块的广义索引调制映射后，合并各子载波块上的信号，生成N×1维的OFDM-GIM频域信号向量。将其表示为

由于该方法不止一个子载波被激活去传输调制符号，所以不可避免的会出现同一子载波块内相邻子载波被同时激活，导致信道间的码间干扰(ISI)增大。为了减小ISI，降低接收端的出错概率，本文引入子载波分配算法。其核心思想是依据信道状态信息，首先计算出子载波分配方式的变化矩阵Ω，其具体方法为：假设收发两端信道状态信息已知H＝[H₁,H₂,…,H_N]^T，将信道信息H按升序排列，得到新的矩阵H，此时

H＝Ω₁H (2)

再将H等分成r组，每组包含n＝N/r个参数，保持偶数组的数据不变，将奇数组数据倒序排列。将每一组第一个系数取出作为第一个子载波块的信道信息，将每组第二个系数取出作为第二个子载波块的信道信息，以此类推，得到更新后的信道信息为

此时

满足

那么

Ω＝Ω₂Ω₁ (4)

将变换矩阵Ω与频域信号X相乘，得到OFDM-GIM频域信号向量为

X＝ΩX (5)

得到最终的发送信号。

在无线光通信系统中，通常采用强度调制，所以需要将双极性复数信号转化为非负的实信号。为了实现这一功能，我们只选择在奇数子载波传输数据，同时使得映射到奇数子载波上的频域信号向量满足厄米特对称，然后进行逆傅里叶变换(IFFT)。此时IFFT和FFT变换的归一化因子不再是

和

而变为

和

随后经IFFT变换后得到实数信号x，可表示为

其中，(·)^H表示矩阵共轭转置，L_N是N×N的离散傅里叶变换矩阵。经过逆快速傅里叶变换后，再对该实数信号进行限幅，将最终得到的非负实信号由激光器发送出去。

接收端，假设其探测器接收到的信号为

y＝ηh·x+w (7)

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维的信道信息矩阵。

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，从经过快速傅里叶变换处理的信号中提取出前r/2组的信号，并将信号扩大一倍。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个子载波块激活k(δ)个子载波时检测到激活子载波的索引号和星座调制符号，其中

Y_g(γ)分别表示第g个子载波块相应的信道信息和接收信号矢量。

为了进一步验证本方法的正确性，采用蒙特卡洛(Monte Carlo)方法对其进行仿真实验。其中仿真条件为：η＝0.5，总的子载波数N＝256，M＝4，指数威布尔信道的参数如表3所示。同时为了描述方便，用(n,k)A-OFDM-IM和[k(1)，…，k(δ)])A-OFDM-GIM分别表示不同参数的ACO-OFDM-IM和ACO-OFDM-GIM系统。

表3：指数威波尔湍流信道的参数

图4为ACO-OFDM-GIM与ACO-OFDM-IM,ACO-OFDM系统的误码性能对比，由仿真曲线可得，当SE＝0.75bits/s/Hz时，ACO-OFDM-GIM系统的误码率在SNR≤5dB比时高于ACO-OFDM-IM和ACO-OFDM，当SNR>5dB时，ACO-OFDM-GIM的误码率开始优于ACO-OFDM-IM和ACO-OFDM。同时随着湍流强度的增大，误码性能逐渐变差，此时ACO-OFDM-GIM的优势更加明显。

图5为ACO-OFDM-GIM与ACO-OFDM-IM和ACO-OFDM系统频谱效率和计算复杂度对比。其中总的子载波N＝256，且都采用4QAM调制。从图表中可以看出，当频谱效率相同时，ACO-OFDM-GIM的计算复杂度都比ACO-OFDM-IM的高，且每组激活的子载波数不等的情况越多计算复杂度越高，且越来越接近传统的ACO-OFDM，结果表明这种方案是以增大接收端的计算复杂度来提高系统的频谱效率。

图6为ACO-OFDM-GIM与ACO-OFDM-IM和ACO-OFDM的PAPR对比。对比仿真曲线可得，ACO-OFDM-GIM系统的PAPR总是低于传统的ACO-OFDM系统，而当频谱效率相同时ACO-OFDM-GIM系统的PAPR低于ACO-OFDM-IM系统，当随着所要激活的子载波组合长度增加，ACO-OFDM-GIM系统的PAPR也相应的增大。

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广义索引调制光OFDM调制方法，其特征是通过在每个子载波块选择激活数目不等的子载波额外携带部分信息，且这部分额外携带的信息不消耗或只需耗极少的能量；同时，可通过灵活调整激活的子载波数目来实现频谱效率和系统性能的折中；另外，依据信道状态信息，加入子载波分配算法，实现系统误码性能的进一步提升； 接收端利用最大似然检测方法对信号进行检测和解映射，恢复出原始比特信息；

其步骤为：

步骤1：在广义索引调制光OFDM调制方案中，假设每帧OFDM-GIM符号有N个子载波，并将其均分为r个子载波块，且每个子载波块有n＝N/r个子载波，通过对每个子载波块选择激活少量且数目不等的子载波去传输调制符号；其中每个子载波块总的发送比特数为：

为每个子载波块中要激活的子载数的集合，δ＝1,…,l，l表示每组要激活的子载波数，

表示向下取整运算，其中，m_g(δ)表示第g个子载波块内激活δ个子载波时所需的比特数，M表示QAM的调制阶数，

为二项式系数，表示每个子载波块内从n个子载波中激活k(δ)个子载波传输QAM调制符号；

步骤2：将每个子载波块输入的二进制信息流划分为可变的两部分z＝z₁+z₂，并依据频域和调制符号映射规则分别将z₁和z₂比特信息映射到子载波索引号和调制符号上；其中频域映射规则为，将z₁比特二进制转换成十进制，与所对应激活k(δ)个子载波时的第一种组合方式所对应的z₁比特的十进制数相减

输出的

的值对应所激活的子载波的所有组合的其中一组；其中，

表示将z₁比特二进制转换成十进制数的值，

表示每组激活k(δ)个子载波时第一种组合方式所对应的z₁比特二进制转换成十进制数的值；然后依据调制符号映射规则，采用4QAM调制方式将z₂＝k(δ)log₂M比特二进制信息映射成星座调制符号，并将其加载到激活的子载波上；之后合并所有子载波块的数据集并生成N×1维的OFDM信号矢量X；

步骤3：依据信道状态信息，获得子载波分配方式的变化矩阵Ω； 其具体方法为：首先将信道状态信息

按升序排列，得到新的信道增益系数H＝Ω₁H，并将其H均分为r组，然后保持偶数组的数据不变，将奇数组数据倒序排列； 再将每组第一个系数取出作为第一个子载波块的信道增益系数，将每组第二个系数取出作为第二个子载波块的信道增益系数，以此类推，得到更新后的信道增益系数

那么Ω＝Ω₂Ω₁；

步骤4：将OFDM信号矢量X通过X＝ΩX变换后得到最终的发送信号；

步骤5：选择只在奇数子载波传输数据，并使得映射到奇数子载波上的频域信号向量满足厄米特对称；经快速傅里叶逆变换和限幅处理后实现复数信号向正实数信号的转换，并将其由激光器发送出去；

步骤6：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实数/复数信号；通过逆映射的方式，在ACO-OFDM-GIM系统中提取出快速傅里叶变换后输出的前r/2组的信号，并将其扩大一倍；

步骤7：最后利用最大似然(ML)检测准则估计出每个子载波块上激活的子载波索引号和调制符号，并经解映射后即可恢复出原始比特信息。

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