CN114039830A - 一种分层对称型三维星座映射调制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分层对称型三维星座映射调制方法，包括：将星座点在三维空间内的几何分布按Z轴数值划分为不同层数，在固定最小欧式距离的条件下，以最大化星座图CFM指数为目标，依次在各层次上设计出相应的星座点二维分布，得到分层对称型三维星座图；根据星座点所需要的不同发射功率将导入的数据分为四个不同的能量层次，使数据从原本的二进制比特流转化成经过概率整形计算后的分布形式，最后映射成三维空间内包含信息的空间坐标。本发明极大地简化了星座图的结构的，在不增加系统硬件复杂程度的前提下降低模分复用系统发射功率与误码率，极大地提升系统传输性能。

Description

一种分层对称型三维星座映射调制方法和系统

技术领域

本发明涉及通信领域的光编码调制技术领域，具体而言涉及一种分层对称型三维星座映射调制方法和系统。

背景技术

现代科技的不断发展使得物联网、大数据、智慧城市等新型业务不断兴起，网络用户也日益增长，这一切都对网络通信容量提出了更高的要求。然而经过二十多年的发展，传统单模光纤的通信容量已经接近非线性香农极限，从新的维度提升系统的传输能力是必然的途径。其中，空分复用技术从空间维度增加新的通信信道，从而得到越来越多的关注。模分复用是空分复用技术中的一种，在一根光纤中传输多个不同模式的信号，把每个模式作为一个单独的通信信道使用，并且可以与已有的波分复用等技术同时使用，打开了提升通信容量的新途径，极大地提升了系统的传输能力。

模分复用技术虽然是容量问题的解决办法之一，但模式复用器件的运用提高了系统硬件的复杂度，并且对系统的抗噪性能提出了更高的要求。星座映射是信号调制的基础单元，高维星座图调制和几何/概率整形技术从编码算法方面降低系统误码率，不会额外增加器件。在条件允许的情况下，采用三维星座映射能更好地降低系统误码率，因为在相同最小欧氏距离的情况下，三维星座图比二维星座图有更小的平均功率，而在相同平均功率下，三维星座图各星座点之间最小欧氏距离比二维星座图更大。几何整形技术通过改变映射使用星座图中星座点的位置，使它们更加靠近中心原点，从而提高星座图性能指标(CFM)数值，降低误码率和发射功率，在调制阶数较低时效果更加明显。概率整形技术改变原本星座点均等的出现概率，使能量高的星座点出现的概率低，能量低的星座点出现的概率高，经过整形后的信号呈高斯分布，更加适合信道传输。概率整形技术有效地提升系统抗噪声能力和信号的传输距离，在高阶调制时尤为明显。

专利号为CN111163031A的发明中提出一种三维概率成型无载波幅度相位调制方法，以最大化CFM为设计原则，输入的原始数据首先进入几何成型概率成型单元，进行以正四面体作为基元的三维星座几何成型，以及依据麦克斯韦玻尔兹曼分布的概率成型，让星座点尽可能向内部聚集，进一步降低星座的平均能量，增大星座的CFM；通过几何成型与概率成型的结合作用有效提升调制体系的误码率性能。但该发明中的不规则三维结构较为复杂，构建难度大；同时该发明中调制方法和系统应用于单模传输，不太适用于少模传输。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种分层对称型三维星座映射调制方法和系统，从编码调制方面展开，以最大化星座图CFM指数为目标对星座图进行优化升级。该方案可以与现有的其他调制编码技术同时使用，实现在不增加系统硬件复杂程度的前提下降低模分复用系统发射功率与误码率，极大地提升系统传输性能。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明实施例提出了一种分层对称型三维星座映射调制方法，所述调制方法包括以下步骤：

S1，将星座点在三维空间内的几何分布按Z轴数值划分为不同层数，在固定最小欧式距离的条件下，以最大化星座图CFM指数为目标，依次在各层次上设计出相应的星座点二维分布，得到分层对称型三维星座图；其中，同层任意三个相邻星座点之间构成正三角形，该正三角形的三个点与临近层最近的一个星座点构成正四面体；

S2，根据星座点所需要的不同发射功率将导入的数据分为四个不同的能量层次，能量低的星座点给予更高的发射概率，能量高的星座点给予更低的发射概率，使数据从原本的二进制比特流转化成经过概率整形计算后的分布形式，最后映射成三维空间内包含信息的空间坐标；星座点的概率分布服从麦克斯韦玻尔兹曼分布；

S3，使映射后的数据按不同维度分别进入上采样模块后送入相互正交的三个整形滤波器，整形滤波后合成一路信号进入传输系统；

S4，信号经传输系统传输完成后送入相应匹配滤波模块中进行匹配滤波，再导入下采样模块进行下采样，按发送端的逆过程将调制后的信号重新恢复成二进制比特流。

进一步地，步骤S1中，所述以最大化星座图CFM指数为目标，依次在各层次上设计出相应的星座点二维分布，得到分层对称型三维星座图的过程包括以下步骤：

将正三角形作为基础单元，以原点为中心做正三角形，三个顶点构成了第一个能量层次的星座点，以三条边为底边向外做三个正三角形，它们的三个顶点就是第二个能量层次的星座点，这两个能量层次的六个星座点组成了中平面；

以新得到的三个正三角形为底面向上下分为做一个正四面体，得到的六个顶点是第三个能量层次的星座点；

六个星座点在上平面和下平面各构成一个正三角形，以任意的两条边为底边向外再做正三角形，得到的四个顶点是最后一个能量层次的星座点，与上一能量层次星座点组成了对称的上下平面，完成16个星座点的三维空间内几何整形。

进一步地，步骤S1中，固定最小欧氏距离为2。

进一步地，步骤S2中，星座点的概率分布服从麦克斯韦玻尔兹曼分布是指满足下述公式：

式中，

为星座点的概率，x为星座点；v为关键参数缩放因子，它的值是一个在0到1之间的标量，用来表示概率整形的程度和信息熵H：

令v的值为0.35995，此时的信息熵为3.6000，从低能量层次到高能量层次的概率分别为0.1556、0.0604、0.0376、0.0146。

第二方面，本发明实施例提出了一种基于前述调制方法的分层对称型三维星座映射调制系统，所述调制系统包括几何整形结构优化单元、概率整形星座映射单元、上采样单元、整形滤波单元、传输系统、匹配滤波单元、下采样单元、星座解映射单元和概率整形解码单元；

所述几何整形结构优化单元用于对数据进行几何整形；其中，星座点在三维空间内的几何分布按Z轴数值划分为不同层数，同层任意三个相邻星座点之间构成正三角形，该正三角形的三个点与临近层最近的一个星座点构成正四面体；

所述概率整形星座映射单元用于对几何整形后的数据进行概率整形和星座映射，使数据从二进制比特流变成非均等概率分布的信号，按不同维度分别进入上采样模块；

所述上采样单元用于对数据进行M倍上采样，在星座点坐标后插入M个数值后送入相互正交的三个整形滤波器，整形滤波后由一个加法器单元将三路信号合并成一路信号进入传输系统；

所述匹配滤波单元用于将经过传输后的信号先分离成三个维度上的坐标信息，分别送入与相应整形滤波器对应的匹配滤波器，得到经过整形滤波前的信号；

所述下采样单元，用于对经过三个正交的匹配滤波器的信号合成一路后进行M倍下采样，去除在数据中添加的数值；

所述星座解映射单元用于按几何整形星座映射单元给出的映射规则将星座点坐标解映射；

所述概率整形解码单元用于根据接收端编码规则将数据解码，从而获得原始的二进制数据流，完成信号解调。

本发明用分层的想法设计出一种新型三维星座图。将三维空间内星座点按Z轴数值分为不同层次，使同一层的任意三个相邻星座点形成正三角形，与临近层次的最近点构成正四面体，同时利用概率整形技术实现传输信息的星座点非均匀分布，有效提升星座图CFM，提高了系统抗噪性能的同时降低了需要的发射功率。

本发明的有益效果是：

相较同类型三维星座映射设计方法，本发明先将星座点在三维空间内的几何分布按Z轴数值划分为不同层数，之后在各层次上设计出最大化CFM的星座点二维分布，最终组合成三维图形，极大地简化了星座图的结构。本发明在固定最小欧式距离的条件下分层设计星座点位置，同层任意三个相邻星座点之间构成正三角形，三个点与临近层最近的一个星座点构成正四面体，从而使它们的位置紧靠在原点周围。保持星座点位置不变的同时再运用概率整形技术使发送信号的幅度逼近高斯分布，给予不同发射能量的星座点不同出现概率。与基础型三维星座图相比，进一步提高星座图CFM数值，降低调制方法的发射功率与误码率，优化了通信系统的传输性能。本发明将所有星座点以z轴数值分为上中下三个明显平面，上下两个平面所有星座点以中平面对称，在发射功率与误码率基本相同的情况下极大地简化构造，并且完全以三角形和正四面体为基元构造的调制方案在调制阶数上升时能方便地以本方案为基础进行相应扩展；同时本发明是针对少模传输设计的，尤其适用于少模传输。

附图说明

图1是本发明实施例的分层对称型三维星座映射调制方法的流程图。

图2为本发明实施例的数据编码调制流程图。

图3为本发明实施例的分层对称型三维星座图。

图4为本发明实施例的各个能量层次上星座点概率图。

图5为本发明实施例的模分复用传输系统框图。

图6为基础型三维星座图。

图7为本发明实施例的实验系统仿真图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

图1是本发明实施例的分层对称型三维星座映射调制方法的流程图。参见图1，该调制方法包括以下步骤：

S1，将星座点在三维空间内的几何分布按Z轴数值划分为不同层数，在固定最小欧式距离的条件下，以最大化星座图CFM指数为目标，依次在各层次上设计出相应的星座点二维分布，得到分层对称型三维星座图；其中，同层任意三个相邻星座点之间构成正三角形，该正三角形的三个点与临近层最近的一个星座点构成正四面体。

S2，根据星座点所需要的不同发射功率将导入的数据分为四个不同的能量层次，能量低的星座点给予更高的发射概率，能量高的星座点给予更低的发射概率，使数据从原本的二进制比特流转化成经过概率整形计算后的分布形式，最后映射成三维空间内包含信息的空间坐标；星座点的概率分布服从麦克斯韦玻尔兹曼分布。

S3，使映射后的数据按不同维度分别进入上采样模块后送入相互正交的三个整形滤波器，整形滤波后合成一路信号进入传输系统。

S4，信号经传输系统传输完成后送入相应匹配滤波模块中进行匹配滤波，再导入下采样模块进行下采样，按发送端的逆过程将调制后的信号重新恢复成二进制比特流。

系统中数据编码调制流程如图2所示。编码调制流程大致可以分为四个部分：几何整形结构优化单元、概率整形星座映射单元、上采样单元和整形滤波单元，解码解调流程则按照匹配滤波单元、下采样单元、星座解映射单元和概率整形解码单元展开。

数据首先经过几何与概率整形，星座映射后从二进制比特流变成非均等概率分布的信号，接着按不同维度分别进入上采样模块后送入相互正交的三个整形滤波器，整形滤波后合成一路信号进入传输系统。传输完成过后首先将信息送入相应匹配滤波模块中进行匹配滤波，进行下采样模块后按发送端的逆过程将调制后的信号重新恢复成二进制比特流。

各模块具体工作流程如下：

(1)几何整形结构优化单元

本实施例中的分层对称型三维星座图是对基础型三维星座图几何整形后所得。图3为本发明实施例的分层对称型三维星座图。如图3所示，所有星座点分布在三个Z轴数值不同的二维平面上，将Z轴数值为0的红色二维平面称为中平面，Z轴数值为正和负的紫色平面称为上平面与下平面，其中上、下平面上的星座点横纵坐标相同，Z轴坐标数值互为相反数。通过上述分层设计后，将三维空间内的星座图设计简化为二维星座图设计，有效降低了设计难度。

由于最小欧氏距离、星座点与原点距离同为衡量星座图性能好坏的标准，具体设计过程中常采用固定最小欧氏距离为定值后设计星座点位置的方法，本实施例中固定最小欧氏距离为2。又因为二维空间里正三角形是顶点与中心距离最近的正多边形，所以把正三角形作为基础单元构建二维星座图，可以有效地将星座点集中在原点周围，提高星座图CFM值。以原点为中心做正三角形，三个顶点构成了第一个能量层次的星座点，以三条边为底边向外做三个正三角形，它们的三个顶点就是第二个能量层次的星座点，这两个能量层次的六个星座点组成了中平面。以新得到的三个正三角形为底面向上下分为做一个正四面体，得到的六个顶点是第三个能量层次的星座点。六个星座点在上平面和下平面各构成一个正三角形，以任意的两条边为底边向外再做正三角形，得到的四个顶点是最后一个能量层次的星座点，与上一能量层次星座点组成了对称的上下平面，完成了16个星座点的三维空间内几何整形。具体空间坐标和映射规则如下表1所示。

表1星座点空间坐标和具体映射规则

(2)概率整形星座映射单元

在概率整形编码单元，根据星座点所需要的不同发射功率将它们分为四个不同的能量层次，能量低的星座点给予更高的发射概率，能量高的星座点给予更低的发射概率，使数据从原本的二进制比特流转化成经过概率整形计算后的分布形式，最后映射成三维空间内包含信息的空间坐标。星座点的概率分布服从麦克斯韦玻尔兹曼分布，具体表达式如下

式中

为星座点的概率，x为星座点，v为关键参数缩放因子，它的值是一个在0到1之间的标量，用来表示概率整形的程度和信息熵H：

令v的值为0.35995，此时的信息熵为3.6000。通过上述公式计算出星座图中每个能量层次的概率如图4所示，从低能量层次到高能量层次的概率分别为0.1556、0.0604、0.0376、0.0146。

(3)上采样单元

为了使映射后的信号在整形滤波时方便判决，在进入滤波器之前先进行M倍上采样，具体的做法是在星座点坐标后插入数值，M的数值就是插入的个数。

(4)整形滤波单元

经过上采样后的数据将三个维度上的坐标数值分别送入三个相互正交的FIR滤波器中进行整形滤波，之后由一个加法器单元将三路信号合并，最终将信号后送入AWG中。

(5)匹配滤波单元

该单元是整形滤波单元的逆过程，经过传输后的信号先分离三个维度上的坐标信息，分别送入与相应整形滤波器对应的匹配滤波器，得到经过整形滤波前的信号。

(6)下采样单元

该单元与上采样相对应，经过三个正交的匹配滤波器的信号合成一路后进行M倍下采样，去除在数据中添加的数值。

(7)星座解映射单元

该单元按几何整形星座映射单元给出的映射规则将星座点坐标解映射。

(8)解码单元

该模块与发送端概率整形编码单元相对应，根据接收端编码规则将数据解码，从而获得原始的二进制数据流，完成信号解调。

本实施例中采用的模分复用传输系统如图5所示。由发送端、传输介质和接收端三部分组成。在发送端，数据经上一部分所述编码调制后进入任意波形发生器，随后与激光器输出的多路光载波一同输出至各个调制器中调制，形成携带信息的光信号。模式转换器将光信号的模式转变成不同的高阶模，模式复用器将它们耦合后送入少模光纤中传输。在接收端光信号先经过模式解复用器实现不同模式信号之间的分离，随后由模式转换器还原成基模光信号，通过光衰减器后进行光电转换，由混合示波器完成对信号的采集，最后经对应的解码解调得到的数据就是原始的发送信号。

将本发明中的分层型三维星座图与基础型三维星座图在概率整形条件下进行模拟仿真，基础型三维星座图如图6所示。采用高斯白噪声信道作为传输信道，得到误码率随信噪比变化的曲线如图7所示。从图中可以明显看出采用了本实施例中提出的新型三维星座图比基础型三维星座图在降低系统误码率上有明显提升。

本发明实施例提出了一种基于前述调制方法的分层对称型三维星座映射调制系统，调制系统包括几何整形结构优化单元、概率整形星座映射单元、上采样单元、整形滤波单元、传输系统、匹配滤波单元、下采样单元、星座解映射单元和概率整形解码单元.

几何整形结构优化单元用于对数据进行几何整形；其中，星座点在三维空间内的几何分布按Z轴数值划分为不同层数，同层任意三个相邻星座点之间构成正三角形，该正三角形的三个点与临近层最近的一个星座点构成正四面体。

概率整形星座映射单元用于对几何整形后的数据进行概率整形和星座映射，使数据从二进制比特流变成非均等概率分布的信号，按不同维度分别进入上采样模块。

上采样单元用于对数据进行M倍上采样，在星座点坐标后插入M个数值后送入相互正交的三个整形滤波器，整形滤波后由一个加法器单元将三路信号合并成一路信号进入传输系统。

匹配滤波单元用于将经过传输后的信号先分离成三个维度上的坐标信息，分别送入与相应整形滤波器对应的匹配滤波器，得到经过整形滤波前的信号。

下采样单元，用于对经过三个正交的匹配滤波器的信号合成一路后进行M倍下采样，去除在数据中添加的数值。

星座解映射单元用于按几何整形星座映射单元给出的映射规则将星座点坐标解映射。

概率整形解码单元用于根据接收端编码规则将数据解码，从而获得原始的二进制数据流，完成信号解调。

本发明用分层的想法设计出一种新型三维星座图。将三维空间内星座点按Z轴数值分为不同层次，使同一层的任意三个相邻星座点形成正三角形，与临近层次的最近点构成正四面体，同时利用概率整形技术实现传输信息的星座点非均匀分布，有效提升星座图CFM，提高了系统抗噪性能的同时降低了需要的发射功率。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种分层对称型三维星座映射调制方法，其特征在于，所述调制方法包括以下步骤：

S1，将星座点在三维空间内的几何分布按Z轴数值划分为不同层数，在固定最小欧式距离的条件下，以最大化星座图CFM指数为目标，依次在各层次上设计出相应的星座点二维分布，得到分层对称型三维星座图；其中，同层任意三个相邻星座点之间构成正三角形，该正三角形的三个点与临近层最近的一个星座点构成正四面体；

S2，根据星座点所需要的不同发射功率将导入的数据分为四个不同的能量层次，能量低的星座点给予更高的发射概率，能量高的星座点给予更低的发射概率，使数据从原本的二进制比特流转化成经过概率整形计算后的分布形式，最后映射成三维空间内包含信息的空间坐标；星座点的概率分布服从麦克斯韦玻尔兹曼分布；

S3，使映射后的数据按不同维度分别进入上采样模块后送入相互正交的三个整形滤波器，整形滤波后合成一路信号进入传输系统；

S4，信号经传输系统传输完成后送入相应匹配滤波模块中进行匹配滤波，再导入下采样模块进行下采样，按发送端的逆过程将调制后的信号重新恢复成二进制比特流。

2.根据权利要求1所述的分层对称型三维星座映射调制方法，其特征在于，步骤S1中，所述以最大化星座图CFM指数为目标，依次在各层次上设计出相应的星座点二维分布，得到分层对称型三维星座图的过程包括以下步骤：

将正三角形作为基础单元，以原点为中心做正三角形，三个顶点构成了第一个能量层次的星座点，以三条边为底边向外做三个正三角形，它们的三个顶点就是第二个能量层次的星座点，这两个能量层次的六个星座点组成了中平面；

以新得到的三个正三角形为底面向上下分为做一个正四面体，得到的六个顶点是第三个能量层次的星座点；

六个星座点在上平面和下平面各构成一个正三角形，以任意的两条边为底边向外再做正三角形，得到的四个顶点是最后一个能量层次的星座点，与上一能量层次星座点组成了对称的上下平面，完成16个星座点的三维空间内几何整形。

3.根据权利要求1所述的分层对称型三维星座映射调制方法，其特征在于，步骤S1中，固定最小欧氏距离为2。

4.根据权利要求1所述的分层对称型三维星座映射调制方法，其特征在于，步骤S2中，星座点的概率分布服从麦克斯韦玻尔兹曼分布是指满足下述公式：

式中，

为星座点的概率，x为星座点；v为关键参数缩放因子，它的值是一个在0到1之间的标量，用来表示概率整形的程度和信息熵H：

令v的值为0.35995，此时的信息熵为3.6000，从低能量层次到高能量层次的概率分别为0.1556、0.0604、0.0376、0.0146。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述调制方法的分层对称型三维星座映射调制系统，其特征在于，所述调制系统包括几何整形结构优化单元、概率整形星座映射单元、上采样单元、整形滤波单元、传输系统、匹配滤波单元、下采样单元、星座解映射单元和概率整形解码单元；

所述几何整形结构优化单元用于对数据进行几何整形；其中，星座点在三维空间内的几何分布按Z轴数值划分为不同层数，同层任意三个相邻星座点之间构成正三角形，该正三角形的三个点与临近层最近的一个星座点构成正四面体；

所述概率整形星座映射单元用于对几何整形后的数据进行概率整形和星座映射，使数据从二进制比特流变成非均等概率分布的信号，按不同维度分别进入上采样模块；

所述上采样单元用于对数据进行M倍上采样，在星座点坐标后插入M个数值后送入相互正交的三个整形滤波器，整形滤波后由一个加法器单元将三路信号合并成一路信号进入传输系统；

所述匹配滤波单元用于将经过传输后的信号先分离成三个维度上的坐标信息，分别送入与相应整形滤波器对应的匹配滤波器，得到经过整形滤波前的信号；

所述下采样单元，用于对经过三个正交的匹配滤波器的信号合成一路后进行M倍下采样，去除在数据中添加的数值；

所述星座解映射单元用于按几何整形星座映射单元给出的映射规则将星座点坐标解映射；

所述概率整形解码单元用于根据接收端编码规则将数据解码，从而获得原始的二进制数据流，完成信号解调。

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