CN113852419A - 一种基于光ppm符号删除的抗衰落速率自适应传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于空间光通信抗衰落自适应传输技术领域，特别涉及一种基于光PPM符号删除的抗衰落速率自适应传输方法及系统。本发明首先根据备选的传输模式在没有湍流时的误码性能曲线，以传输速率最大为筛选标准，按照最佳传输方式划分光功率间，然后将光功率区间和传输模式的对应关系以查找表的形式存储在收发两端，地面接收端对每帧信号光功率进行估计判断，并根据实际光功率按查找表选择PPM调制阶数和PPM符号删除样式，最后将传输模式信息经过反馈信道反馈到发射端，实现传输速率自适应。相比于传统的自适应调制编码方案，本发明易于硬件实现，对传输速率进行了更为精细的划分，在保证信号传输质量的前提下，提高了系统的平均吞吐量。

Description

一种基于光PPM符号删除的抗衰落速率自适应传输方法及 系统

技术领域

本发明属于空间光通信抗衰落自适应领域，特别涉及一种基于光PPM符号删除的抗衰落自适应传输方法及系统。

背景技术

空间激光通信具有传输速率高、天线尺寸小、保密性好等诸多优点，现在已广泛应用于军事场所、应急通信、最后一公里接入等通信场景。但其发展也面临着许多挑战，最主要的影响因素就是大气湍流带来的大气衰减和光强波动起伏，会导致光信号在传输时的光束质量变弱。

目前主要从物理层和数据链路层两个方面两个层面来抑制大气湍流的影响，物理层采用的多种技术包括：自适应调制编码(Adaptive Modulation and Coding，AMC)、自适应光学 (Adaptive optics,AO)、部分相干光传输、大孔径接收技术；而数据链路层主要采用纠错编码技术、混合自动请求重传(Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ)技术。由于大气湍流的影响，光信号在空间中传输时很容易受到严重干扰而产生深度衰落，这种衰落信道会导致信号发生长串的突发错误，超出一般纠错码的纠错的范围。可以通过交织和混合自动请求重传改善系统的抗衰落能力，但会引入时延，在码长较长时尤为明显。

在早期的空间光通中，为了保证通信的整体质量，需要选择在最恶劣的信道条件下依然能够正常传输的调制编码方案，这就使得在信道质量较好时浪费了部分信道资源，降低了频带利用率。AMC技术可以有效解决频带利用率低的问题，目前主流的AMC技术包括自适应调制、自适应编码、自适应调制编码以及自适应功率控制，这些方案能够根据信道状态信息选择合适的调制编码方案，但是仅仅通过改变调制阶数和编码码率来实现的离散速率并不够精细，因此需要一种在不过多增加系统复杂度的前提下实现传输速率更为精细化的抗衰落自适应方案。

发明内容

为了增强光通信系统对时变湍流信道的自适应能力，在对抗湍流引起的衰落的同时充分利用光功率，本发明提出了一种基于光PPM符号删除的抗衰落自适应传输方法及系统，根据备选的传输模式在没有湍流时的误码性能曲线，以传输速率最大为标准筛选各个光功率区间内低于系统要求误码率的传输模式，将光功率区间和传输模式的对应关系以查找表的形式存储在收发两端；地面接收端通过光功率估计模块对每帧信号经过湍流光强起伏后的光功率进行估计，根据估计的光功率，在接收端的查找表中选择PPM调制阶数和PPM符号删除样式，最后将传输模式信息经过反馈信道反馈到发射端，实现传输速率自适应。具体包括以下步骤：

S1、离线的数据预处理模块，建立“光功率-传输模式”查找表；

S2、光功率估计模块对下一帧信号光功率进行估计，并选择合适的PPM调制阶数和PPM 符号删除样式，完成对传输模式的选定；

S3、经过反馈信道，将选定的传输模式发往发送端，发射端在下一帧传输时更新传输模式。

下面是详细的技术方案步骤：

1.离线的数据预处理模块，建立“光功率-传输模式”查找表，具体包含如下子步骤：

S1-1，选择合适的传输模式：结合距离地面30km的高空平台到地面的通信场景，本发明备选的传输模式由一下方式得到：原始未经过删除的8PPM和16PPM，并在次基础上进行等步长删除，为了实现变速率的均匀性，将步长选择为20、10、7、5、4、3。PPM符号的单位时隙时间为0.32ns，在PPM阶数为8删除步长为3时，可实现1.72Gb/s的传输速率。

通过删除PPM符号，可以提高信息传输速率。以8PPM按照步长4进行删除符号为例进行说明：

M阶PPM的信息传输速率可以表示为：

式中，R_b为信息传输速率；M为PPM调制阶数；T_s为单位时隙时间。

M阶PPM以固定步长n进行删除的具体过程：对一帧数据内总符号数为N的PPM符号，每经过n个PPM符号时，就将此时的PPM符号剔除，只发送剩余的PPM符号。即传输相同的信息比特，减少了N/n个PPM符号的时间，若N/n不整除，将最后一个步长之后的不整除部分的PPM符号都保留。通过以上删除样式，可以提高系统传输速率。

步骤S1-2，得出选定传输模式在无湍流条件下的误码性能曲线：以误码率小于10^-5为系统可以容忍的最大误码率，找出所有传输方式在误码率小于10^-5条件下的光功率区间，以传输速率最大为限定条件，选择给定光功率下的最佳传输方式。

步骤S1-3，将光功率区间与最佳传输模式一一对应，并制作成查找表，存储在发送端和接收端作为已知信息，至此离线的数据预处理模块已经完成。

2.光功率估计模块对下一帧信号光功率进行估计，并选择合适的PPM调制阶数和PPM 符号删除样式，完成对传输模式的选定。在接收端，光功率估计模块对大气湍流进行信道估计，预估下一帧时刻的光强起伏值，然后计算经过大气湍流影响后的光功率，并根据接收端的查找表选择对应的传输模式。

3.经过反馈信道，将步骤2得到的传输模式信息传往发送端。

本发明还提出一种基于光PPM符号删除的抗衰落自适应传输系统，包括SCPPM编码、 PPM调制、光探测器和SCPPM译码，还包括光功率估计、反馈信道、查找表和根据删除样式删除对应符号模块，其中：

光功率估计单元，对经过湍流影响后的下一帧信号光功率进行估计；

反馈信道，用于发送PPM调制阶数及PPM符号删除信息给接收端；

根据删除样式删除对应符号模块，存储本发明的PPM删除样式；

SCPPM编码，用于对随机产生的二进制用户数据进行编码，增强鲁棒性；

PPM调制，用于将原始信号进行PPM映射，增强鲁棒性；

光探测器，用于探测经过大气湍流后光信号；

SCPPM译码，用于对软信息迭代解调译码，根据各个比特的似然比的值进行译码。

其中光功率估计、反馈信道、查找表、PPM调制和根据删除样式删除对应符号这五个模块为本发明速率自适应方案的主体。

本发明基于PPM符号删除，相较于传统的只改变调制阶数的速率自适应方案，在误码率满足系统给定的条件下(<10^-5)，能够更好地适应时变的湍流信道，且硬件实现复杂度低，具有较高实用价值。

附图说明

图1是传统的AMC传输方案框图。

图2是本发明的基于PPM符号删除的速率自适应传输方案框图。

图3是两种湍流场景下大气湍流功率谱图。

图4是两种湍流场景下归一化光强起伏图。

图5是8PPM不同删除符号步长与原始4PPM对应的误码率仿真。

图6是16PPM不同删除符号步长与原始8PPM对应的误码率仿真。

图7是本发明中删除PPM符号方案在两种湍流场景下的误码率对比仿真。

图8是现有技术自适应调制和本发明删除PPM符号方案的吞吐量对比仿真。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例为了进一步提升串行级联脉冲位置调制(Serial Concatenated PulsePosition Modulation,SCPPM)空间激光通信系统在时变的大气湍流信道下的吞吐量，在传统的AMC 传输方案基础上提出了基于PPM符号删除的速率自适应改进方案，包括以下步骤：

S1、离线的数据预处理模块，建立“光功率-传输模式”查找表；

S2、光功率估计模块对下一帧信号光功率进行估计，并选择合适的PPM调制阶数和PPM 符号删除样式，完成对传输模式的选定；

S3、经过反馈信道，将选定的传输模式发往发送端。

大气湍流会使激光传输介质发生折射率随机变化，还会造成接收端光强起伏，是影响空间光通信的主要因素之一。早期的光通信系统，为了对抗湍流引起的光强起伏，通常选用鲁棒性较强但传输速率较低的调制编码方案，浪费了大部分光功率。

传统的AMC通信系统如图1所示，画虚线框的部分为自适应调制编码模块，主要通过改变纠错码码型和码率以及调制方式和调制阶数来实现多种可选传输速率，要实现比较精细的可选传输速率，就要尽可能多地选择纠错码码型和码率、调制方式和调制阶数，会使硬件实现变得过于复杂。

在传统AMC通信系统的基础上，本发明方案提出了一种基于光PPM符号删除的抗衰落自适应传输系统，如图2所示：只改变PPM的调制阶数和对PPM符号按删除样式进行一定数量的剔除，就能实现速率自适应，对于弱湍流下的通信场景，切换调制阶数的次数在整个通信过程中占比较小，大部分速率自适应过程以PPM符号删除实现，相比传统AMC系统，可以降低成本。

步骤S1的离线数据预处理的查找表获取方法如下：

由图5和图6可以得到所选的传输模式在误码率小于10^-5时的光功率区间，以符号信息比特传输速率最大为筛选基准，选择各个光功率区间内最佳的传输模式，结果如表1所示，其中“16PPM-20”表示16PPM以固定步长20为删除样式进行删除。

进一步的，接收端计算经过光强起伏后的光功率，参照表1选择合适的传输模式，实现对时变湍流信道的自适应。本发明的速率自适应传输系统在不同湍流场景下的误码率仿真如图7所示，图8为本发明实施例的有益结果图。

表1不同光功率区间最佳传输模式(无湍流)

本发明从调制符号入手，提出了一种基于PPM符号删除的速率自适应传输方案，在不过多提高系统复杂度的前提下能更好地适应时变湍流信道，提升系统吞吐量，系统框图如图2 所示，其中光功率估计、反馈信道、查找表、PPM调制和根据删除样式删除对应符号这五个模块在图中用虚线框标出，为本发明方案的速率自适应模块。

本发明基于SCPPM编译码系统，不仅提高了数据传输的吞吐量，实现了高速率的光PPM 通信的接收系统，传输距离较远(在反馈信道往返时延和湍流时变性的限制下最远通信距离为30km)，而且在天气条件较差、信噪比较低时仍具有较强的纠错性能，可以应用于平流层高空平台对地、地对地的通信，适用于对吞吐量要求较高的业务，具有较高的实用价值

图1是传统的AMC传输方案图，主要通过改变编码码型、编码码率、调制方式和调制阶数来实现不同的传输速率。当系统实现速率要求较精细的条件下复杂度较高。

图2是本发明的基于PPM符号删除的速率自适应传输方案框图。

图3是两种湍流场景下的湍流功率谱，其中仿真参数设置为：发射端高空平台距离地面 H＝30km；地面接收天线直径D＝0.2m；采样时间间隔τ＝0.1ms；对流顶层风速v_t＝21m/s；近地面风速v_g＝10m/s。在以上参数都相同的条件下，场景一：λ＝1550nm，

场景二：λ＝850nm，

图4是两种湍流场景下归一化光强起伏图，由功率谱反演方法得到，仿真参数设置同图3，从图4可以看出，场景二的光强起伏程度强于场景一。

图5是8PPM不同删除符号步长与原始4PPM对应的误码率仿真，其中仿真参数设置为：每一次对每一帧数据独立仿真，单帧数据量为15120，译码最大迭代次数为9，背景光数设置为0.001，单位时隙时间为0.32ns，在每个PPM符号前添加一个保护时隙。横坐标代表单位时间内的信号光平均到达率，等效为光功率，纵坐标为误码率。从图5可以看出，随着符号删除步长减少，满足误码率低于10^-5所需要的光功率也随之增加，删除PPM符号会降低系统的鲁棒性，在输入光功率充足时删除带来的抗衰性损失可以接受。图5中三条虚线分别表示原始8PPM符号、8PPM按照步长4进行删除和4PPM符号，根据实施例步骤S1-3的信息传输速率计算方式，8PPM按照步长4进行删除的信息传输速率与4PPM相同，但所需的光功率比4PPM低了0.5dB。仿真时单位时隙宽度保持不变，因此高阶PPM信息传输速率更低。

图6是16PPM不同删除符号步长与原始8PPM对应的误码率仿真，仿真参数同图5，图6中三条虚线依次表示原始16PPM、8PPM和16PPM按照步长3删除，按照具体实施例步骤 S1-3的信息传输速率计算方式，16PPM按照步长3删除后信息比特传输速率与8PPM相同。与图5的情况相反，16PPM按照步长3删除的符号后相较于8PPM损失了约1dB的光功率。

图7为本发明中删除PPM符号速率自适应方案在两种湍流场景下的误码率仿真，其中光强起伏模拟的仿真参数同图3，MATLAB误码率仿真参数同图5。从图7中可以看出，光功率从-5dB到-1dB，场景一的误码率始终低于场景二，这是由于场景一的光强起伏程小于场景二，但本发明的自适应方案在两种场景下误码率都低于10^-5，小于系统可以容忍的最高误码率。

图8为本发明删除PPM符号速率自适应方案与现有技术自适应调制在两种湍流场景下的吞吐量对比仿真。仿真参数同图7，每次仿真2000帧数据，并计算平均吞吐量，其中平均吞吐量的表达式为：

式中：η表示平均吞吐量；i表示数据帧编号；R_i表示第i帧的信息传输速率；P_i表示第i帧的误比特率。

从图8可以看出：随着光功率的增加，本发明方案平均吞吐量随之增加，而自适应调制方案的平均吞吐量先增加后收敛，这是由于本发明方案在光功率较高时对PPM符号进行了删除，使系统获得较高的传输速率，充分利用了光功率，而自适应调制方案改变信息传输速率的方式是通过改变调制阶数，离散速率的间隔较大，当光功率处于两种调制方式光功率区间内时，自适应调制方案为了保证传输质量选择传输速率较低的调制阶数，所以随着光功率增加，本发明中的速率自适应方案的吞吐量优势更为明显；本发明中的速率自适应方案在两种湍流场景下吞吐量相差不大，这是由于光强闪烁大小只会改变光强起伏的程度，不会影响平均光功率，场景二的光强起伏方差大于场景一，一方面会带来更高的光功率增益，另一方面会带来更强的光功率衰落，两者相抵，表现在平均吞吐量上区别不大，自适应调制方案在光功率较低时可选的传输模式只有鲁棒性更好的16阶PPM，浪费了大部分光功率，场景二的光强起伏更大，所以在较低光功率(小于-4.2dB)时，平均吞吐量低于场景一。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种基于光PPM符号删除的抗衰落速率自适应传输方法及系统，其特征在于：根据备选的传输模式在没有湍流时的误码性能曲线，以传输速率最大为标准筛选各个光功率区间内低于系统要求误码率的传输模式，将光功率区间和传输模式的对应关系以查找表的形式存储在收发两端；地面接收端通过光功率估计模块对每帧信号经过湍流光强起伏后的光功率进行估计，根据估计的光功率，在接收端的查找表中选择PPM调制阶数和PPM符号删除样式，最后将传输模式信息经过反馈信道反馈到发射端，实现传输速率自适应。

包括以下步骤：

S1、离线的数据预处理模块，建立“光功率-传输模式”查找表；

S2、光功率估计模块对下一帧信号光功率进行估计，并选择合适的PPM调制阶数和PPM符号删除样式，完成对传输模式的选定；

S3、经过反馈信道，将选定的传输模式发往发送端，发射端在下一帧传输时更新传输模式。

2.根据权利要求1所述的抗衰落速率自适应传输方法及系统，其特征在于：信号经过PPM调制后，依次按照固定的步长对PPM调制符号进行删除，只发送剩余的PPM符号到激光器，空出的部分用新的用户数据代替，M阶PPM的信息传输速率可以表示为：

式中，R_b为信息传输速率；M为PPM调制阶数；T_s为单位时隙时间。M阶PPM以固定步长n进行删除的具体过程：对一帧数据内总符号数为N的PPM符号，每经过n个PPM符号时，就将此时的PPM符号剔除，只发送剩余的PPM符号。即传输相同的信息比特，减少了N/n个PPM符号的时间，若N/n不整除，将最后一个步长之后的不整除部分的PPM符号都保留。通过以上删除样式，可以提高系统吞吐量。

3.一种基于光PPM符号删除的抗衰落速率自适应传输系统，包括SCPPM编码、PPM调制、光探测器和SCPPM译码，其特征在于，还包括光功率估计、反馈信道、查找表和根据删除样式删除对应符号模块，其中：

光功率估计单元，对经过湍流影响后的下一帧信号光功率进行估计；

反馈信道，用于发送PPM调制阶数及PPM符号删除样式信息给接收端；

根据删除样式删除对应符号模块，存储本发明的PPM删除样式；

查找表，存储“光功率-传输模式”对应关系，传输模式包括PPM调制阶数和PPM符号删除样式这两个信息；

SCPPM编码，用于对随机产生的二进制用户数据进行编码，增强鲁棒性；

PPM调制，用于将原始信号进行PPM映射，增强鲁棒性；

光探测器，用于探测经过大气湍流后光信号；

SCPPM译码，用于对软信息迭代解调译码，根据各个比特的似然比的值进行译码。

其中光功率估计、反馈信道、查找表、PPM调制和根据删除样式删除对应符号这五个模块为本发明速率自适应方案的主体。

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