CN114039824B - 基于位操作和分层枚举球面成形的数据传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于位操作和分层枚举球面成形的数据传输方法及系统，该方法包括：根据混沌序列对原始信息序列进行位操作，获得第一比特序列；基于预设映射参数，将第一比特序列通过分层枚举球面成形映射，按照能量顺序索引到各层球面星座点的层内索引，通过枚举法输出各星座点对应的幅值序列，定义为第一幅值序列；将第一幅值序列输入信道；将从信道输出的幅值序列定义为第二幅值序列，基于预设映射参数，根据第二幅值序列确定各第二幅值序列的能量、所在球面层数和层内索引；将各层内索引转换为二进制序列并连接，获得第二比特序列；基于混沌序列，对第二比特序列进行对应位运算，获得原始信息序列。本发明降低了能耗同时提高了传输效率。

Description

基于位操作和分层枚举球面成形的数据传输方法及系统

技术领域

本发明涉及光传输技术领域，特别是涉及一种基于位操作和分层枚举球面成形的数据传输方法及系统。

背景技术

众多多媒体技术的发展带来了巨大的流量，促使了无源光网络(PON)的出现。全球范围内光接入网的大量部署和用户数量的急剧增长证明了其巨大的发展潜力。然而业务量的进一步增长对通信系统的速度和容量提出了更为严苛的要求，如何以更加系统的方式接近香农极限成为了学者们关注的问题。

在此背景下，概率成形作为一种简单有效的方法登上了历史舞台。目前主流概率成形方法有两种基本范式，其一为直接方法，即在低维星座直接实现目标概率分布，通常考虑麦克斯韦-波尔茨曼分布(MB)。其二为间接方法，通过改变高维星座的信号空间边界，在低维组成星座实现非均匀分布，从而获得较高的成形增益。对于第二种情况而言，球形边界是一种较为理想的选择。采用球形边界的间接概率成形被称为球面成形(Sphereshaping)，而枚举球面成形(Enumerative sphere shaping)是其中较为新颖的一种方案。目前的概率成形方法的能耗和计算速度有待提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于位操作和分层枚举球面成形的数据传输方法及系统，降低了能耗同时提高了传输效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于位操作和分层枚举球面成形的数据传输方法，包括：

根据混沌序列对原始信息序列进行位操作，获得比特序列，并定义为第一比特序列；

基于预设映射参数，将所述第一比特序列通过分层枚举球面成形映射，按照能量顺序索引到各层球面星座点的层内索引，通过枚举法输出各星座点对应的幅值序列，定义为第一幅值序列；

将所述第一幅值序列输入信道；

将从所述信道输出的幅值序列定义为第二幅值序列，基于所述预设映射参数，根据所述第二幅值序列，确定各第二幅值序列的能量、所在球面层数和层内索引；

将各所述层内索引转换为二进制序列并连接，将连接后得到的比特序列定义为第二比特序列；

基于所述混沌序列，对所述第二比特序列进行对应位运算，获得所述原始信息序列。

可选地，所述根据混沌序列对原始信息序列进行位操作，获得比特序列，并定义为第一比特序列，具体包括：

对所述原始信息序列进行串并变换，获得两路同时传输的二进制序列，记为第一序列和第二序列；

将所述第一序列与所述混沌序列进行与操作，输出第三序列；

将所述第二序列与所述混沌序列进行或非操作，输出第四序列；

将所述第一序列与所述第二序列进行异或操作，输出第五序列；

将所述第三序列、所述第四序列和所述第五序列进行并串变换，获得所述第一比特序列。

可选地，所述预设映射参数包括调制维数、分段比特数、球壳最高能量和映射字典；

所述基于预设映射参数，将所述第一比特序列通过分层枚举球面成形映射，按照能量顺序索引到各层球面星座点的层内索引，通过枚举法输出各星座点对应的幅值序列，具体包括：

以所述分段比特数为间隔对所述第一比特序列进行分割，获得各分割序列；

穷举出所述映射字典中幅值的所有所述调整维数的组合，并计算出各组合的能量；各组合的能量为组合中幅值的平方和；

剔除能量超过所述球壳最高能量的组合，将剔除后剩余的组合按照能量排序；将能量相同的组合视为位于同一球面上，将每个组合表示为一个星座点；

根据所述调制维数和各星座点对应的分割序列确定各星座点的层内索引；

根据各层球面的层内索引，通过枚举法输出各星座点对应的幅值序列。

可选地，所述根据所述调制维数和各星座点对应的分割序列确定各星座点的层内索引，具体包括：

初始化临时序列，层内索引i、临时参数k、临时参数t和码重a：i、k和t均初始化为0，a为所述分割序列中1的数量，所述临时序列为分割序列；

判断所述临时序列的最高位是否为0；

若所述临时序列的最高位不为0，则将所述临时序列向左移一位，所述临时序列的最高位溢出被舍弃，用舍弃后的序列更新所述临时序列，k＝k+1，i＝i+N-k-1；N表示所述调制维数；

若所述临时序列的最高位为0，则将所述临时序列向左移一位，所述临时序列的最高位溢出被舍弃，用舍弃后的序列更新所述临时序列，k＝k+1，t＝t+1；

判断t是否等于a；

若t不等于a，则返回步骤“判断所述临时序列的最高位是否为0”；

若t等于a，则输出i为该分割序列对应星座点的层内索引。

可选地，所述将所述第一幅值序列输入信道，具体包括：

将所述第一幅值序列中每两路分组进行无载波幅度相位调制产生实数信号；

将所述实数信号进行波分复用后输入信道。

可选地，所述将从所述信道输出的幅值序列定义为第二幅值序列，基于所述预设映射参数，根据所述第二幅值序列，确定各第二幅值序列的能量、所在球面层数和层内索引，具体包括：

根据各第二幅值序列确定星座点；

根据各第二幅值序列确定各第二幅值序列的能量，剔除能量超过所述球壳最高能量的第二幅值序列；

将剔除后剩余的各第二幅值序列进行能量排序，将能量相同的第二幅值序列对应的星座点视为位于同一球面上，确定各星座点所在球面层数；

根据各星座点所在球面层数和各星座点对应的第二幅值序列确定各星座点的层内索引。

可选地，所述混沌序列为优化后的logistic映射产生的混沌序列，所述优化后的logistic映射的表达式为:

其中，x_m和x_m+1均为所述混沌序列中元素，m表示x_m的序数，u表示控制参数，x_m的值域为(0,1)，u的取值范围为(0,4]。

本发明还公开了一种基于位操作和分层枚举球面成形的数据传输系统，包括：

位操作模块，用于根据混沌序列对原始信息序列进行位操作，获得比特序列，并定义为第一比特序列；

分层枚举球面成形映射模块，用于基于预设映射参数，将所述第一比特序列通过分层枚举球面成形映射，按照能量顺序索引到各层球面星座点的层内索引，通过枚举法输出各星座点对应的幅值序列，定义为第一幅值序列；

输入信道模块，用于将所述第一幅值序列输入信道；

分层枚举球面成形解映射模块，用于将从所述信道输出的幅值序列定义为第二幅值序列，基于所述预设映射参数，根据所述第二幅值序列，确定各第二幅值序列的能量、所在球面层数和层内索引；

第二比特序列获得模块，用于将各所述层内索引转换为二进制序列并连接，将连接后得到的比特序列定义为第二比特序列；

逆运算模块，用于基于所述混沌序列，对所述第二比特序列进行对应位运算，获得所述原始信息序列。

可选地，所述位操作模块，具体包括：

串并变换单元，用于对所述原始信息序列进行串并变换，获得两路同时传输的二进制序列，记为第一序列和第二序列；

第三序列输出单元，用于将所述第一序列与所述混沌序列进行与操作，输出第三序列；

第四序列输出单元，用于将所述第二序列与所述混沌序列进行或非操作，输出第四序列；

第五序列输出单元，用于将所述第一序列与所述第二序列进行异或操作，输出第五序列；

并串变换单元，用于将所述第三序列、所述第四序列和所述第五序列进行并串变换，获得所述第一比特序列。

可选地，所述预设映射参数包括调制维数、分段比特数、球壳最高能量和映射字典；

所述分层枚举球面成形映射模块，具体包括：

比特序列分割单元，用于以所述分段比特数为间隔对所述第一比特序列进行分割，获得各分割序列；

能量计算单元，用于穷举出所述映射字典中幅值的所有所述调整维数的组合，并计算出各组合的能量；各组合的能量为组合中幅值的平方和；

能量排序单元，用于剔除能量超过所述球壳最高能量的组合，将剔除后剩余的组合按照能量排序；将能量相同的组合视为位于同一球面上，将每个组合表示为一个星座点；

层内索引确定单元，用于根据所述调制维数和各星座点对应的分割序列确定各星座点的层内索引；

第一幅值序列输出单元，用于根据各层球面的层内索引，通过枚举法输出各星座点对应的幅值序列。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明基于位操作和分层枚举球面成形的数据传输方法，通过采用分层的枚举球面成形方法和索引计算方法避免使用直接查表映射，具有较高的计算速度、较少的计算量和存储量；使用位操作在球面成形前预处理信息序列的方法，能够提升低能量球壳上星座点发射概率，降低整体发送信号能量，提升抗噪声性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种基于位操作和分层枚举球面成形的数据传输方法流程示意图；

图2为本发明一种基于位操作和分层枚举球面成形的光通信系统简单流程示意图；

图3为本发明混沌序列位操作流程示意图；

图4为本发明混沌序列时间空间序列分析示意图；

图5为本发明分层枚举球面成形流程示意图；

图6为本发明层内索引数算法示意图；

图7为本发明分层枚举幅度框架示意图；

图8为本发明分层枚举球面成形解映射流程示意图；

图9为本发明混沌序列位操作逆操作流程示意图；

图10为本发明基于位操作和分层枚举球面成形WDM-PON系统框图；

图11为本发明实验仿真结果示意图；

图12为本发明一种基于位操作和分层枚举球面成形的数据传输系统结构示意图。

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。

本发明的目的是提供一种基于位操作和分层枚举球面成形的数据传输方法及系统，降低了能耗同时提高了传输效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明一种基于位操作和分层枚举球面成形的数据传输方法的光通信系统简单流程如图2所示，原始数据(原始信息序列)首先进行混沌序列位操作，得到非均匀分布的比特序列，混沌序列由在接收端与发送端由同样的参数生成；位操作输出的比特序列通过分层枚举球面成形映射，按能量顺序索引到球壳星座点；球面成形输出的多路信号每两路分组进行无载波幅度相位调制产生实数信号。产生的实数信号进行波分复用后被送入信道进行传输。在接收端，首先进行波分复用解复用，分解出每一路信号，然后进行离线数字信号处理。接收到的信号首先进行无载波幅度相位解调，然后进行球面成形解映射，输出的比特序列进行混沌序列位操作逆映射，还原出原始数据作为接收数据。为了衡量系统性能，可以将发送数据与接收数据进行比较，计算系统误码率等性能。

图1为本发明一种基于位操作和分层枚举球面成形的数据传输方法流程示意图，如图1所示，一种基于位操作和分层枚举球面成形的数据传输方法，包括：

步骤101：根据混沌序列对原始信息序列进行位操作，获得比特序列，并定义为第一比特序列。

步骤101主要作用为将原始信息序列串并变换为多路信号，采用独立产生混沌序列，并原始信息序列和混沌序列进行位操作，得到非均匀分布的比特序列，具体操作如图3所示。

原始数据为用户希望传输的二进制数据。原始数据序列首先串并变换，即将按时序逐位进行传输的一路二进制序列转换为两路同时传输的并行二进制序列(即图3中的序列1和序列2)，每一路的长度为转换前的一半。同时由优化后的logistic映射产生混沌序列，本步骤独立于原始数据的串并变换，与串并变换同时完成。

混沌序列为优化后的logistic映射产生的混沌序列，优化后的logistic映射的表达式为:

其中，x_m和x_m+1均为混沌序列中元素(通常为小数)，m表示x_m的序数，u表示生成表达式的控制参数，由用户任意选取，x_m的值域为(0,1)，u的取值范围为(0,4]。产生的混沌序列用{x_m}表示。混沌序列中第一个元素初值为0.001，即x₀＝0.001，u分别为0.001、0.8、3和4的空间序列和时间序列如图4所示。图4中(a1)表示u＝0.001时的空间序列分析图，(a2)表示u＝0.001时的时间序列分析图，(b1)表示u＝0.8时的空间序列分析图，(b2)表示u＝0.8时的时间序列分析图，(c1)表示u＝3时的空间序列分析图，(c2)表示u＝3时的时间序列分析图，(d1)表示u＝4时的空间序列分析图，(d2)表示u＝4时的时间序列分析图。

产生混沌序列后，通过设置阈值h将小数序列转换为二进制混沌序列。此处将阈值设置为h＝0.5。阈值的选取会影响位操作后的概率分布。表达式如下所示：

b_m表示二进制混沌序列的中一个元素，通过对{x_m}的元素设置阈值产生；m表示该元素的序数。产生的序列由{b_m}表示。二进制混沌序列与串并变换后的信息序列(即图3中的序列1和序列2)分别进行三次位操作。具体操作如表1所示：序列1和{b_m}相同序数的元素进行与操作，输出序列A；序列2和{b_m}相同序数的元素进行或非操作，得到序列B；序列1和序列2相同序数的元素进行异或操作得到序列C。序列A，B和C进行并串变换，即将同时传输的三路并行信号，按照交替顺序(例如：序列A的第一个元素，序列B的第一个元素，序列C的第一个元素，序列A的第二个元素，序列B的第二个元素，…以此类推)整合为一路按照时序逐个传输的串行信号，长度为序列A，B和C的总和。h＝0.5时，二进制混沌序列中0和1为等概率分布；同样因为原始数据中0、1为等概率分布，串并变换后得到的序列1和序列2也为等概率分布。与、或非、异或真值表如表2、3和4所示，计算输出比特序列的概率分布为P(0)＝8/12＝2/3，P(1)＝4/12＝1/3。

表1混沌序列位操作示意表

操作数1	操作数2	操作符	输出
				序列1第m位	二进制混沌序列第m位	与	序列A第m位
序列2第m位	二进制混沌序列第m位	或非	序列B第m位
				序列1第m位	序列2第m位	异或	序列C第m位

表2与操作真值表

操作数1	操作数2	输出
			0	0	0
0	1	0
			1	0	0
1	1	1

表3或非操作真值表

操作数1	操作数2	输出
			0	0	1
0	1	0
			1	0	0
1	1	0

表4异或操作真值表

其中，步骤101具体包括：

对原始信息序列进行串并变换，获得两路同时传输的二进制序列，记为第一序列(序列1)和第二序列(序列2)。

将第一序列与混沌序列进行与操作，输出第三序列(序列A)。

将第二序列与混沌序列进行或非操作，输出第四序列(序列B)。

将第一序列与第二序列进行异或操作，输出第五序列(序列C)。

将第三序列、第四序列和第五序列进行并串变换，获得第一比特序列，第一比特序列为非均匀分布的比特序列。

步骤102：基于预设映射参数，将第一比特序列通过分层枚举球面成形映射，按照能量顺序索引到各层球面星座点的层内索引，通过枚举法输出各星座点对应的幅值序列，定义为第一幅值序列。

层内索引为十进制数。

预设映射参数包括调制维数N、分段比特数t’、球壳最高能量E_max和映射字典A。

步骤102的作用为计算输出的比特序列索引数，并映射为多维符号，主要实现步骤如图5所示。输入的序列首先以t’为间隔进行分割，并转换为索引数。同时按照A、N和E_max确定使用的星座点，以及每层球壳的星座点数。按照索引数和每层球壳点数首先确定所在的球壳，然后使用枚举法计算出输出的幅度序列，完成映射。

其中，步骤102具体包括：

以分段比特数为间隔对第一比特序列进行分割，获得各分割序列。

穷举出映射字典中幅值的所有调整维数的组合，并计算出各组合的能量；各组合的能量为组合中幅值的平方和。

剔除能量超过球壳最高能量的组合，将剔除后剩余的组合按照能量排序。

将能量相同的组合视为位于同一球面上，将每个组合表示为一个星座点，并计算出每个球面上的星座点数量。

根据调制维数和各星座点对应的分割序列确定各星座点的层内索引。

根据各层球面的层内索引，通过枚举法输出各星座点对应的幅值序列。

根据所述调制维数和各星座点对应的分割序列确定各星座点的层内索引，具体包括：

初始化临时序列，层内索引i、临时参数k、临时参数t和码重a：i、k和t均初始化为0，a为分割序列中1的数量，临时序列为分割序列。

判断临时序列的最高位是否为0。

若临时序列的最高位不为0，则将临时序列向左移一位，临时序列的最高位溢出被舍弃，用舍弃后的序列更新临时序列，k＝k+1，i＝i+N-k-1；N表示调制维数。

若临时序列的最高位为0，则将临时序列向左移一位，临时序列的最高位溢出被舍弃，用舍弃后的序列更新临时序列，k＝k+1，t＝t+1。

判断t是否等于a。

若t不等于a，则返回步骤“判断临时序列的最高位是否为0”。

若t等于a，则输出i为该分割序列对应星座点的层内索引。

作为具体实施例，以N＝4，t’＝4，E_max＝28，A＝{1,3,5,7}为例进行详细阐述。首先计算出可用球壳星座点：输入为A、N和E_max，穷举出使用字典A中的幅值的所有N维组合，并计算出每个组合的能量(组合包含的幅度的平方和)，舍弃所有能量超过E_max的组合。再根据能量顺序排列，能量相同的N维组合视为位于同一球壳上，每个组合表示一个星座点，并计算出每个球壳上可用星座点数，如表5所示。计算得第零层球壳(能量为4)有1点，第一层球壳(能量为12)有4点，第二层球壳(能量为20)有6点，第三层球壳(能量为28)有8点。存储每层球壳星座点数。

表5球壳星座点及能量

输入序列为步骤101输出的序列(第一比特序列)。以t’为间隔对输入信息序列进行分割，并按照码重(码重即每段序列中“1”的个数)，找到所在的球壳层次，码重和球壳层次序数对应，再计算出层内索引数，算法如图6所示。下面以1010为例说明球壳层次和层内索引数计算方法。1010码重为2，在第二层球壳，再计算层内索引数。将层内索引数、临时参数k和t分别初始化为0，a初始化为码重2。第一次判断第一位是否为0，答案为否，因此将1010左移一位，第一位溢出被舍弃，序列变为010，k＝k+1＝1，i＝0+3-1＝2，t＝0保持不变，不满足t＝2，循环继续；第二次判断第一位是否为0，答案为是，因此左移一位，第一位溢出被舍弃，序列变为10，k＝k+1＝2，t＝t+1＝1，i＝2保持不变，不满足t＝2，循环继续；第三次判断第一位是否为0，答案为否，因此左移一位，序列变为0，k＝k+1＝3，i＝i+3-k＝2，t＝1保持不变，不满足t＝2，循环继续；第四次判断第一位是否为0，答案为是，序列左移一位，k＝k+1＝3，t＝t+1＝2，i＝2保持不变，满足t＝2，循环终止。i被输出作为1010的层内索引数。

计算单层枚举幅度框架如图7所示，因第零层只有一个星座点，故没有画出。图7中(a)表示第一层球壳(球面)的枚举幅度框架，(b)表示第二层球壳的枚举幅度框架，(c)表示第三层球壳的枚举幅度框架。

图7中结点圆圈内左侧数字

为从当前结点到最终结点路径数，右侧数字(e)为从初始结点到当前结点累计能量，n为框架列数。点划线表示幅值为1，实线表示幅值为3，虚线表示幅值为5。i表示前文计算所得层内索引数，令i₁＝i，a_n,b∈A，n＝1,2，…N，通过枚举法按照对应球壳框架，选择并输出幅度a_n＝b满足下式：

最终输出幅度序列a₁,a₂,…a_N。该N维幅度序列即为以分段比特数为间隔分割输入信息序列(第一比特序列)所得序列片段对应的星座点坐标。

步骤103：将第一幅值序列输入信道。

其中，步骤103具体包括：

将第一幅值序列中每两路分组进行无载波幅度相位调制产生实数信号；

将实数信号进行波分复用后输入信道。

步骤104：将从信道输出的幅值序列定义为第二幅值序列，基于预设映射参数，根据第二幅值序列，确定各第二幅值序列的能量、所在球面层数和层内索引。

步骤104的主要作用为在接收端将输入N维幅度序列转换为索引数，并映射到对应二进制序列，将其连接后输出，如图8所示。与步骤102相同，以N＝4，t’＝4，E_max＝28，A＝{1,3,5,7}为例进行详细阐述。首先计算出可用球壳星座点：输入为A、N和E_max，穷举出使用字典A中的幅值的所有N维组合，并计算出每个组合的能量(组合包含的幅度的平方和)，舍弃所有能量超过E_max的组合。再根据能量顺序排列，能量相同的N维组合视为位于同一球壳上，每个组合表示一个星座点，并计算出每个球壳上可用星座点数，同表5。计算得第零层球壳(能量为4)有1点，第一层球壳(能量为12)有4点，第二层球壳(能量为20)有6点，第三层球壳(能量为28)有8点。存储每层球壳星座点数以及球壳对应能量。

其中，步骤104具体包括：

根据各第二幅值序列确定星座点。

根据各第二幅值序列确定各第二幅值序列的能量，剔除能量超过球壳最高能量的第二幅值序列。

将剔除后剩余的各第二幅值序列进行能量排序，将能量相同的第二幅值序列对应的星座点视为位于同一球面上，确定各星座点所在球面层数。

根据各星座点所在球面层数和各星座点对应的第二幅值序列确定各星座点的层内索引。

输入N维幅度序列(即一个星座点的坐标)，计算对应的能量(即幅度序列的平方和)，根据能量和上一步骤存储的每层球壳能量找到对应的球壳层次，并选择相应的分层枚举幅度框架(与步骤102中相同，框架见图7)。再依据幅度序列和分层枚举幅度框架计算出层内索引数。

下面介绍层内索引数计算方法。设输入幅度序列为a₁,a₂,…,a_N，初始化i_N+1为0.令b∈A，n＝N,N-1,…,1,对下式进行迭代：

得到i＝i₁，即为层内索引数，并将其转换为二进制序列。连接每一段二进制序列作为输出。

步骤105：将各层内索引转换为二进制序列并连接，将连接后得到的比特序列定义为第二比特序列。

步骤106：基于混沌序列，对第二比特序列进行对应位运算，获得原始信息序列。

步骤106的作用为将第二比特序列结合混沌序列进行与步骤101相对应的逆操作，还原出原始发送序列。

主要实现步骤如下：二进制序列(第二比特序列)首先串并变换，即由原本按时序逐位传输的一路二进制信号序列，转换为三路同时传输的二进制信号序列(序列A，序列B，序列C)，每一路长度为输入的三分之一。同时生成混沌序列，混沌序列的产生表达式及各项参数与步骤101中混沌序列完全相同，长度与序列A、序列B和序列C相同，此处不再赘述。位操作具体方法如下式所示。

R₁(m)＝(b'(m)&B'(m)&C'(m))|A(m)|(B(m)&C(m))；

R₂(m)＝(b(m)'&B'(m))|(A(m)&B'(m)&C'(m))|(b(m)&A'(m)&C(m))

其中R₁、R₂分别表示输出二进制序列1和序列2；A、B、C分别为上一步骤串并变换所得序列A、序列B和序列C，公式中’表示按位取反操作；b表示混沌序列；m表示元素在序列中的序数。输出的二进制序列1，序列2经过并串变换后由并行传输的两路信号转换为按时序逐位传输的一路二进制序列，即系统输出。

基于位操作的分层枚举球面成形PON仿真系统图如图10所示。以四维信号为例，在发送端经过位操作和球面成形的信号，每两维进行无载波幅度相位调制(CAP)调制，形成一路实数信号。输出的信号经过串并变换，送入任意波形发生器进行数字-模拟转换，然后由电放大器进行线性放大。电放大器输出的电信号被送入马赫-增德尔调制器。线宽为100kHz的外腔激光器产生波长间隔为50GHz的WDM(波分复用)下行信道，在保偏光耦合器输出端进行强度调制。然后用掺铒光纤放大器对传输功率进行补偿。下行WDM信号传输到光分配网的25km标准单模光纤链路。为了实现信道选择，采用了光可调滤波器。光网络单元中包含一个可变光衰减器，用于将接收端光功率调整到合适的范围。接着光电二极管被用来检测光信号，并使用50G Sa/s混合信号示波器完成模数转换。最后采用离线数字信号处理对原始信息进行恢复，包含分层枚举球面成形解映射和混沌序列位操作逆操作。

为了验证所提出的基于位操作和分层球面成形的概率成形系统的优越性，利用MATLAB仿真软件对提出的成形系统和传统的枚举球面成形分别进行了模拟。在模拟中使用高斯白噪声信道，计算信噪比(SNR)在0至30之间的误码率，结果如图11所示。可以看到本发明提出的系统由于平均能量的降低，误码率性能优于传统的枚举球面成形系统。

本发明通过二进制信息序列(原始信息序列)与比特序列相同序数元素的混沌序列进行位操作得到非均匀分布的比特序列，在通过特定算法索引到球壳，实现高维球壳及低维组成星座信号点的非均匀概率分布，降低信号平均功率，提升误码率性能和信道容量。本发明方法实现简单，计算量较低，且可以实现对发送信息的加密。

本发明提出了基于位操作和分层枚举球面成形的概率成形方法。首先将信息序列与混沌序列进行位操作，调整其概率分布，然后将其转换为十进制索引并通过分层枚举方法映射到对应球壳，提高低能量球壳星座点出现概率，降低发送信号的平均功率。信息序列与混沌序列位操作的方法可以对信息进行加密，提升了系统的安全性能。成形后的信号更符合光纤信道模型，球形星座边界可以带来更高的成形增益。较低的发送平均功率可以提升信道容量，改善误码率，优化通信系统传输性能。同时本发明采用的枚举方法和索引计算方法避免使用直接查表映射，因此具有较高的计算速度、较少的计算量和存储量。

图12为本发明一种基于位操作和分层枚举球面成形的数据传输系统结构示意图，如图12所示，一种基于位操作和分层枚举球面成形的数据传输系统，包括：

位操作模块201，用于根据混沌序列对原始信息序列进行位操作，获得比特序列，并定义为第一比特序列。

分层枚举球面成形映射模块202，用于基于预设映射参数，将第一比特序列通过分层枚举球面成形映射，按照能量顺序索引到各层球面星座点的层内索引，通过枚举法输出各星座点对应的幅值序列，定义为第一幅值序列。

输入信道模块203，用于将第一幅值序列输入信道。

分层枚举球面成形解映射模块204，用于将从信道输出的幅值序列定义为第二幅值序列，基于预设映射参数，根据第二幅值序列，确定各第二幅值序列的能量、所在球面层数和层内索引。

第二比特序列获得模块205，用于将各层内索引转换为二进制序列并连接，将连接后得到的比特序列定义为第二比特序列。

逆运算模块206，用于基于混沌序列，对第二比特序列进行对应位运算，获得原始信息序列。

位操作模块201，具体包括：

串并变换单元，用于对原始信息序列进行串并变换，获得两路同时传输的二进制序列，记为第一序列和第二序列。

第三序列输出单元，用于将第一序列与混沌序列进行与操作，输出第三序列。

第四序列输出单元，用于将第二序列与混沌序列进行或非操作，输出第四序列。

第五序列输出单元，用于将第一序列与第二序列进行异或操作，输出第五序列。

并串变换单元，用于将第三序列、第四序列和第五序列进行并串变换，获得第一比特序列。

预设映射参数包括调制维数、分段比特数、球壳最高能量和映射字典；

分层枚举球面成形映射模块202，具体包括：

比特序列分割单元，用于以分段比特数为间隔对第一比特序列进行分割，获得各分割序列。

能量计算单元，用于穷举出映射字典中幅值的所有调整维数的组合，并计算出各组合的能量；各组合的能量为组合中幅值的平方和。

能量排序单元，用于剔除能量超过球壳最高能量的组合，将剔除后剩余的组合按照能量排序；将能量相同的组合视为位于同一球面上，将每个组合表示为一个星座点，并计算出每个球面上的星座点数量。

层内索引确定单元，用于根据所述调制维数和各星座点对应的分割序列确定各星座点的层内索引。

第一幅值序列输出单元，用于根据各层球面的层内索引，通过枚举法输出各星座点对应的幅值序列。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于位操作和分层枚举球面成形的数据传输方法，其特征在于，包括：

根据混沌序列对原始信息序列进行位操作，获得比特序列，并定义为第一比特序列；

基于预设映射参数，将所述第一比特序列通过分层枚举球面成形映射，按照能量顺序索引到各层球面星座点的层内索引，通过枚举法输出各星座点对应的幅值序列，定义为第一幅值序列；

将所述第一幅值序列输入信道；

将从所述信道输出的幅值序列定义为第二幅值序列，基于所述预设映射参数，根据所述第二幅值序列，确定各第二幅值序列的能量、所在球面层数和层内索引；

将各所述层内索引转换为二进制序列并连接，将连接后得到的比特序列定义为第二比特序列；

基于所述混沌序列，对所述第二比特序列进行对应位运算，获得所述原始信息序列；

所述根据混沌序列对原始信息序列进行位操作，获得比特序列，并定义为第一比特序列，具体包括：

对所述原始信息序列进行串并变换，获得两路同时传输的二进制序列，记为第一序列和第二序列；

将所述第一序列与所述混沌序列进行与操作，输出第三序列；

将所述第二序列与所述混沌序列进行或非操作，输出第四序列；

将所述第一序列与所述第二序列进行异或操作，输出第五序列；

将所述第三序列、所述第四序列和所述第五序列进行并串变换，获得所述第一比特序列；

所述预设映射参数包括调制维数、分段比特数、球壳最高能量和映射字典；

所述基于预设映射参数，将所述第一比特序列通过分层枚举球面成形映射，按照能量顺序索引到各层球面星座点的层内索引，通过枚举法输出各星座点对应的幅值序列，具体包括：

以所述分段比特数为间隔对所述第一比特序列进行分割，获得各分割序列；

穷举出所述映射字典中幅值的所有所述调制维数的组合，并计算出各组合的能量；各组合的能量为组合中幅值的平方和；

剔除能量超过所述球壳最高能量的组合，将剔除后剩余的组合按照能量排序；将能量相同的组合视为位于同一球面上，将每个组合表示为一个星座点；

根据所述调制维数和各星座点对应的分割序列确定各星座点的层内索引；

根据各层球面的层内索引，通过枚举法输出各星座点对应的幅值序列。

2.根据权利要求1所述的基于位操作和分层枚举球面成形的数据传输方法，其特征在于，所述根据所述调制维数和各星座点对应的分割序列确定各星座点的层内索引，具体包括：

初始化临时序列，层内索引i、临时参数k、临时参数t和码重a：i、k和t均初始化为0，a为所述分割序列中1的数量，所述临时序列为分割序列；

判断所述临时序列的最高位是否为0；

若所述临时序列的最高位不为0，则将所述临时序列向左移一位，所述临时序列的最高位溢出被舍弃，用舍弃后的序列更新所述临时序列，k＝k+1，i＝i+N-k-1；N表示所述调制维数；

若所述临时序列的最高位为0，则将所述临时序列向左移一位，所述临时序列的最高位溢出被舍弃，用舍弃后的序列更新所述临时序列，k＝k+1，t＝t+1；

判断t是否等于a；

若t不等于a，则返回步骤“判断所述临时序列的最高位是否为0”；

若t等于a，则输出i为该分割序列对应星座点的层内索引。

3.根据权利要求1所述的基于位操作和分层枚举球面成形的数据传输方法，其特征在于，所述将所述第一幅值序列输入信道，具体包括：

将所述第一幅值序列中每两路分组进行无载波幅度相位调制产生实数信号；

将所述实数信号进行波分复用后输入信道。

4.根据权利要求1所述的基于位操作和分层枚举球面成形的数据传输方法，其特征在于，所述将从所述信道输出的幅值序列定义为第二幅值序列，基于所述预设映射参数，根据所述第二幅值序列，确定各第二幅值序列的能量、所在球面层数和层内索引，具体包括：

根据各第二幅值序列确定星座点；

根据各第二幅值序列确定各第二幅值序列的能量，剔除能量超过所述球壳最高能量的第二幅值序列；

将剔除后剩余的各第二幅值序列进行能量排序，将能量相同的第二幅值序列对应的星座点视为位于同一球面上，确定各星座点所在球面层数；

根据各星座点所在球面层数和各星座点对应的第二幅值序列确定各星座点的层内索引。

5.根据权利要求1所述的基于位操作和分层枚举球面成形的数据传输方法，其特征在于，所述混沌序列为优化后的logistic映射产生的混沌序列，所述优化后的logistic映射的表达式为:

其中，x_m和x_m+1均为所述混沌序列中元素，m表示x_m的序数，u表示控制参数，x_m的值域为(0,1)，u的取值范围为(0,4]。

6.一种基于位操作和分层枚举球面成形的数据传输系统，其特征在于，包括：

位操作模块，用于根据混沌序列对原始信息序列进行位操作，获得比特序列，并定义为第一比特序列；

分层枚举球面成形映射模块，用于基于预设映射参数，将所述第一比特序列通过分层枚举球面成形映射，按照能量顺序索引到各层球面星座点的层内索引，通过枚举法输出各星座点对应的幅值序列，定义为第一幅值序列；

输入信道模块，用于将所述第一幅值序列输入信道；

分层枚举球面成形解映射模块，用于将从所述信道输出的幅值序列定义为第二幅值序列，基于所述预设映射参数，根据所述第二幅值序列，确定各第二幅值序列的能量、所在球面层数和层内索引；

第二比特序列获得模块，用于将各所述层内索引转换为二进制序列并连接，将连接后得到的比特序列定义为第二比特序列；

逆运算模块，用于基于所述混沌序列，对所述第二比特序列进行对应位运算，获得所述原始信息序列；

所述位操作模块，具体包括：

串并变换单元，用于对所述原始信息序列进行串并变换，获得两路同时传输的二进制序列，记为第一序列和第二序列；

第三序列输出单元，用于将所述第一序列与所述混沌序列进行与操作，输出第三序列；

第四序列输出单元，用于将所述第二序列与所述混沌序列进行或非操作，输出第四序列；

第五序列输出单元，用于将所述第一序列与所述第二序列进行异或操作，输出第五序列；

并串变换单元，用于将所述第三序列、所述第四序列和所述第五序列进行并串变换，获得所述第一比特序列；

所述预设映射参数包括调制维数、分段比特数、球壳最高能量和映射字典；

所述分层枚举球面成形映射模块，具体包括：

比特序列分割单元，用于以所述分段比特数为间隔对所述第一比特序列进行分割，获得各分割序列；

能量计算单元，用于穷举出所述映射字典中幅值的所有所述调制维数的组合，并计算出各组合的能量；各组合的能量为组合中幅值的平方和；

能量排序单元，用于剔除能量超过所述球壳最高能量的组合，将剔除后剩余的组合按照能量排序；将能量相同的组合视为位于同一球面上，将每个组合表示为一个星座点；

层内索引确定单元，用于根据所述调制维数和各星座点对应的分割序列确定各星座点的层内索引；

第一幅值序列输出单元，用于根据各层球面的层内索引，通过枚举法输出各星座点对应的幅值序列。

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