CN114095088B - 无线光通信中基于对数似然比值的自适应阵列合并方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线光通信中基于对数似然比值的自适应阵列合并方法，包括在强度调制/直接检测下，得到光子转化为电子数的输出模型和概率密度函数；根据光强的分布情况，得到发“1”码的概率密度函数和发“0”码的概率密度函数；将单个探测器阵元的输出概率密度函数扩展到阵元数为M的探测器阵列中，得到阵列输出的对数似然函数比值表达式；按照对数似然比最大原则，对M个阵元按照信号强度大小进行逐元累加合并，依次计算输出的对数似然比值，得到自适应阵列合并算法。本发明利用对数似然比最大原则完成了自适应探测器阵列的最优合并输出，与最小差错概率法相比，在达到相同系统性能的条件下，计算复杂度低，易于硬件系统实现。

Description

无线光通信中基于对数似然比值的自适应阵列合并方法
技术领域
本发明涉及无线光通信技术领域，尤其是一种无线光通信中基于对数似然比值(Log-Likelihood Ratio，简称LLR)的自适应阵列合并方法。
背景技术
无线光通信是一种以光波作为信息载体，无需任何有线信道作为传输媒介，并在接收端通过接收机将光信号转化为电信号的一种通信方式。然而在无线光通信中光链路容易受到大气湍流的影响，致使光通信接收机焦平面上点扩散函数随机起伏和漂移，导致光电探测器无法有效覆盖信号光场。通过增大光电探测器面积来增大接收视场角，虽然可以覆盖聚焦光束的随机漂移，但同时引入了更多的背景辐射噪声，效果并不明显。
通过多个探测器组成阵列探测器的方式扩大接收视场角，同时在强度调制/直接检测条件下采取相应的阵列信号处理算法将各阵元组合输出来减小背景辐射光噪声的影响，可有效解决接收机大视场角与背景光辐射通量间的矛盾。常用阵元合并输出算法有最大比合并、等增益合并、选择合并以及最小差错概率法等。最大比合并输出算法性能最优，但在光通信系统中由于接收机噪声随机不定，信噪比权值无法实时精确计算，且复杂度高。而等增益合并虽然不需要计算各支路信噪比，但在无信号光的阵元部分引入了大量噪声。选择合并只选择信噪比最大的一个阵元作为输出牺牲了其他阵元信号。最小差错概率法即以最小误码率为原则将各阵元组合输出，性能最优，但对于部分探测器如雪崩光电二极管(APD)、光电倍增管(PMT)等高增益接收机来说，其输出模型复杂，误码率计算量大，效率低。
发明内容
为克服光通信系统中的阵列接收机在做最优输出算法下高复杂度计算和低效率问题，本发明提供一种无线光通信中基于对数似然比值的自适应阵列合并方法，以阵列的各阵元组合输出的对数似然值比最大为原则，将各阵元进行合并输出，得到自适应的最优输出方案。
本发明为解决技术问题采用的技术方案如下：
一种无线光通信中基于对数似然比值的自适应阵列合并方法，包括如下步骤：
S1.在强度调制/直接检测(IM/DD)下，根据不同的光电探测器类型得出在一定信号光强度λ(t)条件下光子转化为电子数y的输出模型和概率密度函数p(y|λ(t))；
S1中，探测器输出的概率密度函数p(y|λ(t))根据不同探测器电子输出模型而得到；
S2.根据光强的分布情况，得到不同的调制方式下单个探测器阵元在一个时隙内有信号光束产生的平均光子数和无信号光束产生的平均光子数/>并在已知接收机输出模型下，代入计算得到发“1”码的概率密度函数p1(y|1)和发“0”码的概率密度函数p0(y|0)；
S3.将S2中的单个探测器阵元的输出概率密度函数扩展到阵元数为M的探测器阵列中，得到发“1”码的联合概率密度函数p1(y1，y2，...，ym|1)和发“0”码的联合概率密度函数p0(y1，y2，...，ym|0)，ym表示第m个阵元输出电子数，然后根据贝叶斯公式，得出发“1”码的似然函数表达式p1(1|y1，y2，...，ym)和发“0”码的似然函数表达式p0(0|y1，y2，...，ym)，再取二者比值的对数，得到阵列输出的对数似然函数比值表达式LLR1，2，...，M(bk)，bk表示二进制比特，bk∈{0，1}；
S3中，对数似然函数比值表达式LLR1，2...M(bk)按照贝叶斯公式得到以下公式：
S4.按照对数似然比最大原则，对M个阵元按照信号强度大小进行逐元累加合并，依次计算输出的对数似然比值，得到自适应阵列合并算法，包括如下步骤：
S4-1.将探测器阵列中的各个阵元按照信号强度加背景辐射强度大小进行降序排列，得到序列A＝{A1，A2，...AM}；
S4-2.首先计算A1输出的对数似然比值LLR1(bk)，然后计算前两路即A1和A2合并输出的对数似然比值LLR1，2(bk)；
S4-3.持续S4-2，对A序列的子集进行逐元合并，直到对数似然比LLR1，2，...，L(bk)最大，输出此时的合并阵元数L，并以此输出结果作为最后的输出用于后续解调，从而完成自适应阵列合并算法。
本发明利用对数似然比最大原则完成了自适应探测器阵列的最优合并输出，与最小差错概率法相比，在达到相同系统性能的条件下，计算复杂度低，易于硬件系统实现。
附图说明
图1为本发明实施例中单个光电探测器输出模型图；
图2为本发明实施例中阵元数为M的阵列探测器输出模型图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例来说明本发明，所述实施例的实例在附图中示出，且附图中描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例：
一种无线光通信中基于对数似然比值的自适应阵列合并方法，如图1所示以雪崩光电二极管(Avalanche Photo diode，简称APD)作为探测器阵元为例，进行详细说明：
假设探测器阵列接收面上信号光强度为λs(a，b)，背景光强度为λb，在开关键控(on-off keying，简称OOK)调制下，假定在时隙Ts内光强不变，则经过大气信道的光信号与背景光一起被APD接收并转换为电信号。在强度调制下，APD接收机由于内部具有雪崩增益效应，在经过后续的电路之后总输出服从韦伯-高斯模型，为简化计算用非对称高斯模型代替。
S1.根据APD输出的非对称高斯模型，得出发“1”码时APD输出端电子数的概率密度函数为：
发“0”码时APD输出端电子数的概率密度函数为：
式中表示发“0”码时的均值，表示发“0”码时的方差，/>表示发“1”码时的均值，/>表示发“1”码时的方差，其中G为APD增益，F为附加噪声因子，e为单个电荷量；k为玻尔兹曼常数，Is为暗电流大小，T为开尔文温度，Ts为观测时间间隔，RL为负载电阻，B为噪声带宽大小；
S2.根据接收面上信号光强度λs(a，b)和背景光强度λb大小，得到单个探测器阵元在一个时隙内有信号光束即发“1”码产生的平均光子数和在一个时隙内无信号光束即发“0”码得到的平均光子数/>其中η为APD光电转换效率，h为普朗克常数，v为光子频率，Am为第m个探测器阵元的有效面积，λ(a，b)＝λs(a，b)+λb表示在探测器阵列面位置(a，b)处的光强度大小；
S3.将S2中的单个探测器阵元的输出概率密度函数扩展到如图2所示阵元数为M的APD探测器阵列中，由于各个阵元之间产生电流的过程相互独立，可得到联合概率密度函数：
假设发“1”码和发“0”码的概率相等，根据贝叶斯公式以及公式(3)和公式(4)得到阵列输出bk比特的对数似然比值表达式：
式中μ1m表示m个阵元中发“1”码时的均值，μ0m表示m个阵元中发“0”码时的均值，σ1m表示m个阵元中发“1”码时的方差，σ0m表示m个阵元中发“0”码时的方差；
S4.在阵元数为M的阵元中，由于光强分布不均，有部分阵元接收的光信号非常微弱甚至没有，当所有阵元一起做等增益合并时，有些阵元引入了大量的背景光，导致系统性能下降，基于对数似然比的自适应阵列合并方法首先将M个阵元按照信号强度加背景辐射强度大小进行降序排列，得到新的M个阵元序列：A＝{A1，A2，…AM}，接着计算A1输出的对数似然比值LLR1(bk)，然后计算前两路(A1和A2)合并输出的对数似然比值LLR1，2(bk)，如此逐元累加计算，LLR(bk)总会出现先增后减的趋势，当LLR1，2...L(bk)为最大时，对应的误码率最小，将A＝{A1，A2，...AL}的信号合并输出此时的合并阵元数L，用于解调，便得到最优阵列组合阵元，同时系统性能最佳。
以上公开的本发明的优选实施例，只是帮助阐述本发明，不限制本发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (2)

1.一种无线光通信中基于对数似然比值的自适应阵列合并方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.在强度调制/直接检测下，根据不同的光电探测器类型得出在一定信号光强度λ(t)条件下光子转化为电子数y的输出模型和概率密度函数p(y|λ(t))；
S2.根据光强的分布情况，得到不同的调制方式下单个探测器阵元在一个时隙内有信号光束产生的平均光子数和无信号光束产生的平均光子数/>并在己知接收机输出模型下，代入计算得到发“1”码的概率密度函数p1(y|1)和发“0”码的概率密度函数p0(y|0)；
S3.将S2中的单个探测器阵元的输出概率密度函数扩展到阵元数为M的探测器阵列中，得到发“1”码的联合概率密度函数p1(y1，y2，...，ym|1)和发“0”码的联合概率密度函数p0(y1，y2，...，ym|0)，ym表示第m个阵元输出电子数，然后根据贝叶斯公式，得出发“1”码的似然函数表达式p1(1|y1，y2，...，ym)和发“0”码的似然函数表达式p0(0|y1，y2，...，ym)，再取二者比值的对数，得到阵列输出的对数似然函数比值表达式LLR1，2...M(bk)，bk表示二进制比特，bk∈{0，1}；
S4.按照对数似然比最大原则，对M个阵元按照信号强度大小进行逐元累加合并，依次计算输出的对数似然比值，得到自适应阵列合并算法；
S4中，对M个阵元按照信号强度大小进行逐元累加合并，依次计算输出的对数似然比值，包括如下步骤：
S4-1.将探测器阵列中的各个阵元按照信号强度加背景辐射强度大小进行降序排列，得到序列A＝{A1，A2，...AM}；
S4-2.首先计算A1输出的对数似然比值LLR1(bk)，然后计算前两路即A1和A2合并输出的对数似然比值LLR1，2(bk)；
S4-3.持续S4-2，对A序列的子集进行逐元合并，直到对数似然比LLR1，2，...，L(bk)最大，输出此时的合并阵元数L，并以此输出结果作为最后的输出用于后续解调，从而完成自适应阵列合并算法。
2.根据权利要求1所述的无线光通信中基于对数似然比值的自适应阵列合并方法，其特征在于，S3中，对数似然函数比值表达式LLR1，2...M(bk)按照贝叶斯公式得到以下公式：
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