CN114650100B - 一种星座点概率可调的16-cap映射传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种星座点概率可调的16‑CAP映射传输方法，包括以下步骤：初始二进制数据转换为4路并行信号；添余标签和扰动模块将并行信号映射为非均匀分布信号，通过概率扰动因子调节非均匀分布信号的概率分布值；信号CAP调制后通过信道传输；接收端进行解标签和扰动、CAP解调和并串变换，恢复二进制信号；信道反馈模块选取并计算反馈参数，通过模拟退火智能算法找到最佳反馈参数下的星座点概率分布，将新的概率分布值反馈到添加标签和扰动模块。本发明可任意调节星座点概率分布值，可根据实际需求优化光纤通信系统的特定性能，满足不同场景的需要，适用范围广，灵活性强。

Description

一种星座点概率可调的16-CAP映射传输方法
技术领域
本发明涉及一种光纤通信的数据传输方法，尤其涉及一种可任意调节星座点概率的16-CAP映射传输方法。
背景技术
光纤通信系统因其具有衰减小、抗干扰能力强，传输容量大等优点，在商业和军事领域都有着广泛的应用。近年来，在5G网络的背景下，人们获取的信息渠道越来越多，对网络的传输容量和灵活性也提出新的要求。在光线通信系统中，通过概率成型与幅度相移键控(APSK)、无载波相位调制(CAP)、星座成形等技术结合，能够有效提高光纤通信系统的传输性能。CAP调制具有频谱利用率高，成本低，复杂度小等优点，逐渐应用于短距离高速光通信系统，为了尽可能提高传输性能，目前基于CAP调制的光纤通信系统在一般会考虑概率成型，但星座点的概率和概率分布方式固定，无法动态调节，灵活性差，通信系统的适用范围小。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种可调节星座点概率，可根据实际参数的要求调整概率分布方式的16-CAP映射传输方法。
技术方案：本发明所述的星座点概率可调的16-CAP映射传输方法，包括以下步骤：
(1)初始二进制数据进行串并变换；(2)添加冗余标签和概率扰动，将并行的均匀二进制信号映射为非均匀分布信号并进行CAP调制；(3)信道传输；(4)接收端进行解标签和扰动、CAP解调和并串变换；(5)将接收端获得的信号与初始信号比较，选取并计算反馈参数，通过模拟退火智能算法找到最佳星座点概率分布，将新的概率分布值反馈到添加标签和扰动模块。
步骤(5)中的模拟退火算法流程为：(51)设定初始概率分布值，计算反馈参数；(52)利用更新后的概率分布值重新计算反馈参数；(53)计算更新前后的反馈参数的差值Δ_i；(54)判断反馈参数是否达到最优条件或终止条件；选择接受新的概率分布值或保持原有概率分布值；(55)概率分布值更新，并反馈至步骤(52)；(56)输出概率分布值。
所述反馈参数为误码率、广义互信息或信号点平均功率。
所述最优条件为更新前后的反馈参数的差值Δ_i≤0；所述终止条件为exp(-Δi/KT)＞rand，其中K为玻尔兹曼常数，T为控制参数，rand为随机数，取值范围为0＜rand＜1。
步骤(2)中非均匀分布信号的概率分布值计算方法为：原数据映射后的数据概率值为原数据概率分布值与对应标签层概率值的乘积，计算所有原数据的映射结果，将相同新数据的概率相加得到新的非均匀分布信号的概率分布值。
步骤(1)具体为将初始二进制数据流信号转换为4路并行的二进制数据流信号。
步骤(3)在实际场景中具体为：经过CAP调制的电信号传输到任意波形产生器，通过调制器将电信号加载到激光器发射的光波上，经过光纤放大器耦合到光纤中传播，光信号经过光衰减器到达光电探测器，光电探测器将光信号转变成电信号。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：星座点概率可任意调节，灵活性高；可根据信实际需求设计星座点概率分布方式，优化光纤通信系统的特定性能。
附图说明
图1为本发明的仿真流程图；
图2为本发明的添加标签和扰动过程图；
图3为本发明的仿真过程中输出信号的星座图；
图4为本发明的模拟退火算法的流程图
图5为本发明的实际场景传输过程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明提供了一种星座点概率任意可调的16-CAP映射传输方法，在所述映射传输模式下的仿真流程包括串并转换、添加标签和扰动、CAP调制、信道传输、解标签和扰动、CAP解调、并串变换和信道反馈模块，初始二进制数据经过串并转换模块转换为并行二进制数据流信号，添加冗余标签后将数据以概率扰动Xij映射至各星座点上，经过星座映射和加法器完成CAP调制并发送到接收端，接收端对获得的信号进行解标签和扰动、CAP解调和并串变换，输出二进制信号。信道反馈的过程为将接收端获得的信号与初始信号比较，选取并计算反馈参数，通过模拟退火智能算法找到最佳的星座点概率分布，反馈到添加标签和扰动模块。
以上所述模块的具体工作方式如下：
(1)串并变换
发送端的初始二进制数据流经过串并转换模块后，转换成4路并行的二进制数据流信号，提高传输速率，节约传输的时间。本实施例中的转换后的二进制数据为均匀分布的4比特数据。
(2)添加标签和扰动
如图2所示，以原数据“0010”为例，通过添加冗余标签和概率扰动因子实现概率成型，冗余标签由4个比特组成，原数据的概率分布值为Pij＝1/16,其中i是初始数据的编号，取值为1-16的正整数，j是标签层的编号取值为1-16的正整数。添加冗余标签后可以将初始数据以概率扰动因子Xij映射至各个星座点上，并且保证原16个4比特数据映射后可以根据添加的标签不同而区分开。
如下表所示，原数据“0010”添加不同标签层的概率为Xi＝3,j，概率Xi＝3,j的取值范围为0＜Xi＝3,j＜1，∑Xi＝3,j＝1，本实施例中由“0010”映射后得到的新数据概率为原数据概率值与对应标签层概率值的乘积，整理不同的4比特原数据映射结果，将相同的新
数据概率进行加和，得到新的非均匀分布概率分布形式，概率扰动因子Xij决定最终星座点的非均匀概率分布情况。
(3)CAP调制
经过概率成型的不均匀分布信号，通过星座映射后，星座符号在两个维度上的信息被提取出，在加法器的作用下相加和，完成CAP调制。
(4)信道传输
本实施例中信号经过加性高斯白噪声信道进行传输。
(5)解标签和扰动
与添加标签和概率扰动的过程相反，根据标签的对应关系，对经过信道传输的信号进行去标签，恢复原数据。
(6)CAP解调
与CAP调制的过程相反，接收到信道中的信息后，通过同相和正交两个滤波器后，恢复出星座符号的二维信息，再经过星座映射的反过程恢复原始数据流。
(7)并串变换
将4路并行的二进制数据序列转换为一个连续二进制序列，得到输出信号，如图3所示为输出信号的星座图。
(8)信道反馈
将接收端获得的信号与发送的信号进行比较，计算其误码率(BER)、广义互信息(GMI)或信号点平均功率(Eave)。根据实际需求选取误码率、广义互信息或信号点平均功率作为反馈参数，通过模拟退火智能算法，找到最佳的星座点概率分布，反馈到添加标签和扰动模块。
误码率的表达式如下，误码率越低，系统传输性能越稳定。
BER＝错误码元数/传输总码元数
广义互信息可以量化表示每个符号通过信道可靠地传输的比特数，而且对于各种调制格式，GMI可以在不需要实际编码和译码数据的情况下用于准确预测前向纠错编码(FEC)后的误码率。GMI的一种直接计算方法可以表示为：
其中X是独立分布的离散信道输入，χ表示星座点集合，qY|X是辅助信道条件概率，bk,i表示第k个传输符号的第i个比特，χbk,i表示第i个比特是bk,i的星座图符号的合集，PX(x)表示随机变量X取值为x的概率。
信号点平均功率的表达式如下，信号点的平均功率越低，可以节省系统的发射功率，降低成本。其中M是星座图中信号点的数量，xm是星座点的坐标，n是星座的维数。
图4所示为模拟退火算法的流程，包括以下步骤：
S1：设定初始概率分布值，本实施例中选择马尔科夫链量子场生成随机的4x4概率矩阵作为初始的Xi＝3,j值；
S2：传输信道估计；
S3：计算反馈参数，包括误码率(BER)、广义互信息(GMI)或信号点平均功率(Eave)；
S4：利用概率扰动因子Xij改变概率分布，重新计算反馈参数，包括误码率广义互信息/>或信号点平均功率/>
S5：选取反馈参数，计算改变概率分布前后的反馈参数的差值，
S6：判断是否达到最优条件Δi≤0，(i＝1,2,3)，若是，则接受新的概率分布值，否则继续判断是否达到终止条件exp(-Δi/KT)＞rand，若是，则接受新的概率分布值，否则保持原有概率分布值；其中K为玻尔兹曼常数；T为控制参数，可人为设定，避免循环次数过多；rand为随机数，取值范围为0＜rand＜1；
S7：概率分布值更新，并反馈至步骤(S4)；
S8：输出概率分布值。
如图5所示为实际场景下星座点概率任意可调的16-CAP映射传输模式流程，发送端的二进制数据流经过串并转换模块后，转换成四路并行的二进制数据流信号，经过添加标签和概率扰动实现16-CAP调制，完成数字信号处理；经过数字信号处理的信号到达任意波形产生器，在调制器上将信号加载到激光器发射的光波上，并通过光纤放大器后耦合到传输距离为25km的标准单模光纤中传播；光信号经过光衰减器到达光电探测器，光信号转变成电信号，再经过混合信号示波器和接收端数字信号处理过程，对接收的信号进行解标签和解调制恢复原始数据，得到二进制数据输出。输出端的数据不满足参数要求时，可调整扰动因子，重新传输。

Claims (4)

1.一种星座点概率可调的16-CAP映射传输方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)初始二进制数据进行串并变换；(2)添加冗余标签和概率扰动，将并行的均匀二进制信号映射为非均匀分布信号并进行CAP调制；(3)信道传输；(4)接收端进行解标签和扰动、CAP解调和并串变换；(5)将接收端获得的信号与初始信号比较，选取并计算反馈参数，通过模拟退火智能算法找到最佳星座点概率分布，将新的概率分布值反馈到添加标签和扰动模块；
步骤(2)中非均匀分布信号的概率分布值计算方法为：原数据映射后的数据概率值为原数据概率分布值与对应标签层概率值的乘积，计算所有原数据的映射结果，将相同新数据的概率相加得到新的非均匀分布信号的概率分布值；
步骤(5)中的模拟退火算法流程为：(51)设定初始概率分布值，计算反馈参数；(52)利用更新后的概率分布值重新计算反馈参数；(53)计算更新前后的反馈参数的差值Δi；(54)判断反馈参数是否达到最优条件或终止条件；选择接受新的概率分布值或保持原有概率分布值；(55)概率分布值更新，并反馈至步骤(52)；(56)输出概率分布值；
所述最优条件为更新前后的反馈参数的差值Δi≤0；所述终止条件为exp(-Δi/KT)＞rand，其中K为玻尔兹曼常数，T为控制参数，rand为随机数，取值范围为0＜rand＜1。
2.根据权利要求1所述的星座点概率可调的16-CAP映射传输方法，其特征在于，所述反馈参数为误码率、广义互信息或信号点平均功率。
3.根据权利要求1所述的星座点概率可调的16-CAP映射传输方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为将初始二进制数据流信号转换为4路并行的二进制数据流信号。
4.根据权利要求1所述的星座点概率可调的16-CAP映射传输方法，其特征在于，所述步骤(3)在实际场景中具体为：经过CAP调制的电信号传输到任意波形产生器，通过调制器将电信号加载到激光器发射的光波上，经过光纤放大器耦合到光纤中传播，光信号经过光衰减器到达光电探测器，光电探测器将光信号转变成电信号。
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