CN116346239A - 基于概率整形高阶qam相干光通信系统的矩形星座编码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于概率整形高阶QAM相干光通信系统的矩形星座编码方法。本发明的误码性能较优，在相同开销情况下，矩形星座编码方法的效果略优于传统PAS方案。在信号的符号位均由编码产生的标签位代替的情况下，矩形星座编码方法在1024‑QAM和4096‑QAM情况下分别有0.4和0.5dB的增益；在需要额外更大开销的情况下，矩形星座编码方法和PAS的联合编码也有0.5dB的增益均能够在25dB光信噪比的情况下满足系统传输要求。同时，发明基于概率整形高阶QAM相干光通信系统的矩形星座编码方法的复杂度更低；在联合编码的情况下，两种方案复杂度相似，但是本发明能够在更低的开销下达到更好的误码性能。

Description

基于概率整形高阶QAM相干光通信系统的矩形星座编码方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其是指一种基于概率整形高阶QAM相干光通信系统的矩形星座编码方法。
背景技术
随着高度分布式云数据中心的发展，底层大容量光传输系统面临挑战。最直接的解决方案是增加信号的调制阶数，以实现高频谱效率的大容量传输。
关于高阶正交幅度调制(QAM)的相干光通信传输有各种研究。单载波1024-QAM和2048-QAM信号的传输距离超过150公里。通过实验实现了频谱效率超过19bit/s/Hz的概率整形PS 4096-QAM和PS 16384-QAM信号。在有限的信噪比下利用概率幅度整形(PAS)来逼近香农极限。
图1显示了一个PAS编码结构图。首先，将N1位有效比特信息发射到恒定分量分布匹配器(CCDM)中，以获得满足特定Maxwell-Boltzmann分布的M级幅度符号,实现二进制比特到M级幅度电平的转换。然后根据定义的映射规则对生成的幅度符号进行解映射，即实现当前M级幅度电平到二进制比特转换，解映射后的比特通过前向纠错编码(FEC)的LDPC编码得到校验比特，校验位用作符号位；对于其余没有校验位用作符号位的幅度电平，补充N2位二进制有效信息比特(通常一个QAM符号由一个比特符号位和多个比特转换而成的幅度位组成)，完成所有QAM符号映射。因此，即便所有符号位都由LDPC的校验位生成时，PAS 1024-QAM(1符号位+4幅度位)和PAS 4096-QAM(1符号位+5幅度位)可以分别产生最大20％和16.7％的冗余。
对于PAS技术，即便所有符号位都由LDPC的校验位生成时，PAS1024-QAM(1符号位+4幅度位)和PAS 4096-QAM(1符号位+5幅度位)可以分别产生最大20％和16.7％的冗余。往往实际的传输系统中，为了确保信息传输的可靠性，我们会采用25％及以上的开销来保证误码性能，所以对于1024-QAM及以上阶数的信号的PAS方案存在局限性，同时LDPC解码端的复杂度较高，也是需要考虑的问题。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种误码性能优、编码复杂度低的基于概率整形高阶QAM相干光通信系统的矩形星座编码方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于概率整形高阶QAM相干光通信系统的矩形星座编码方法，其包括以下步骤：
S1、将二进制比特序列经过CCDM编码生成多个无符号位的幅度符号；
S2、对生成的幅度符号进行解映射，重新得到新的二进制比特序列；
S3、对解映射后的二进制比特序列按照矩形星座图编码的方式进行编码，以产生标签位来替代符号位；
S4、将产生的标签位以低阶信号方式进行传输。
在本发明的一个实施例中，所述矩形星座图编码的方式如下：
将高阶QAM信号的星座图中的星座点划分为等间隔的A、B、C、D四个集合的星座图，每个集合的星座图单独相当于一个低阶QAM信号的符号决策，具有两倍欧式距离，全部传输符号的前四分之一被映射到集合A，第二个个四分之一数据被映射到集合B，第三个四分之一数据被映射到集合C，全部传输符号的后四分之一被映射到集合D。
在本发明的一个实施例中，集合A映射的矩形星座图编码规则如下：提取CCDM编码后传输的幅度符号的前四分之一，映射到集合A中，对于集合A中的幅度符号，附加标签位“0”，相反，对于集合B、C、D中的幅度符号，附加了标签位“1”，附加了标签位“1”表示需要进行转换操作，转换操作是在一个矩形中实现的，因为总是可以找到四个点围绕原点形成一个矩形，并且可以将集合B、C、D中的幅度符号转换为位于矩形顶点的集合A的幅度符号。
在本发明的一个实施例中，集合B映射的矩形星座图编码规则如下：提取CCDM编码后传输的幅度符号的第二个四分之一，映射到集合B中，对于集合B中的幅度符号，附加标签位“0”，相反，对于集合A、C、D中的幅度符号，附加了标签位“1”，附加了标签位“1”表示需要进行转换操作，转换操作是在一个矩形中实现的，因为总是可以找到四个点围绕原点形成一个矩形，并且可以将集合A、C、D中的幅度符号转换为位于矩形顶点的集合B的幅度符号。
在本发明的一个实施例中，集合C映射的矩形星座图编码规则如下：提取CCDM编码后传输的幅度符号的第三个四分之一，映射到集合C中，对于集合C中的幅度符号，附加标签位“0”，相反，对于集合A、B、D中的幅度符号，附加了标签位“1”，附加了标签位“1”表示需要进行转换操作，转换操作是在一个矩形中实现的，因为总是可以找到四个点围绕原点形成一个矩形，并且可以将集合A、B、D中的幅度符号转换为位于矩形顶点的集合C的幅度符号。
在本发明的一个实施例中，集合D映射的矩形星座图编码规则如下：提取CCDM编码后传输的幅度符号的后四分之一，映射到集合D中，对于集合D中的幅度符号，附加标签位“0”，相反，对于集合A、B、C中的幅度符号，附加了标签位“1”，附加了标签位“1”表示需要进行转换操作，转换操作是在一个矩形中实现的，因为总是可以找到四个点围绕原点形成一个矩形，并且可以将集合A、B、C中的幅度符号转换为位于矩形顶点的集合D的幅度符号。
在本发明的一个实施例中，在步骤S2之后，步骤S3之前，还包括以下步骤：
对解映射后的二进制比特序列进行LDPC编码，生成初始QAM信号；
并在步骤S3中对初始QAM信号按照矩形星座图编码的方式进行编码，以产生标签位来替代符号位，得到新的QAM符号序列作为信号进行传输。
本发明还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述任一项所述方法的步骤。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤。
本发明还提供了一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行上述任一项所述的方法。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明基于概率整形高阶QAM相干光通信系统的矩形星座编码方法的误码性能较优，在相同开销情况下，矩形星座编码方法的效果略优于传统PAS方案。在信号的符号位均由编码产生的标签位代替的情况下，矩形星座编码方法在1024-QAM和4096-QAM情况下分别有0.4和0.5dB的增益；在需要额外更大开销的情况下，矩形星座编码方法和PAS的联合编码也有0.5dB的增益均能够在25dB光信噪比的情况下满足系统传输要求。
同时，发明基于概率整形高阶QAM相干光通信系统的矩形星座编码方法的复杂度更低；在联合编码的情况下，两种方案复杂度相似，但是本发明能够在更低的开销下达到更好的误码性能。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是现有PAS编码结构图；
图2是本发明实施例中1024-QAM信号的星座图；
图3是本发明实施例中PAS和矩形星座图编码(RCC)级联编码的结构图；
图4是本发明实施例中PS 1024-QAM和PS 4096-QAM相干光传输系统的仿真结构；
图5(a)是本发明实施例中PS 1024-QAM和PS 4096-QAM星座图；图5(b)是本发明实施例中PS 1024-QAM误码率和光信噪比对照曲线；图5(c)是本发明实施例中PS 4096-QAM误码率和光信噪比对照曲线；
图6是本发明实施例中联合编码PS 4096QAM的误码率和光信噪比对照曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
本实施例公开了一种基于概率整形高阶QAM相干光通信系统的矩形星座编码方法，其包括以下步骤：
S1、将二进制比特序列经过CCDM编码生成多个无符号位的幅度符号；
S2、对生成的幅度符号进行解映射，重新得到新的二进制比特序列；
S3、对解映射后的二进制比特序列按照矩形星座图编码的方式进行编码，以产生标签位来替代符号位；
S4、将产生的标签位以低阶信号方式进行传输。
具体地，所述矩形星座图编码的方式如下：
将高阶QAM信号的星座图中的星座点划分为等间隔的A、B、C、D四5个集合的星座图，每个集合的星座图单独相当于一个低阶QAM信号的符号决策，具有两倍欧式距离，全部传输符号的前四分之一被映射到集合A，第二个个四分之一数据被映射到集合B，第三个四分之一数据被映射到集合C，全部传输符号的后四分之一被映射到集合D。
当上述高阶QAM信号为1024-QAM信号时，参照图2，为1024-QAM信0号的星座图，1024-QAM信号的星座图中的星座点划分为等间隔的A、B、C、
D四个集合的星座图，每个集合的星座图单独相当于一个256-QAM信号的符号决策。
具体地，集合A映射的矩形星座图编码规则如下：提取CCDM编码后传输的幅度符号的前四分之一，映射到集合A中，对于集合A中的幅度符号，5附加标签位“0”，相反，对于集合B、C、D中的幅度符号，附加了标签位
“1”，附加了标签位“1”表示需要进行转换操作，转换操作是在一个矩形中实现的，因为总是可以找到四个点围绕原点形成一个矩形，并且可以将集合B、C、D中的幅度符号转换为位于矩形顶点的集合A的幅度符号。
具体地，集合B映射的矩形星座图编码规则如下：提取CCDM编码后传0输的幅度符号的第二个四分之一，映射到集合B中，对于集合B中的幅度符号，附加标签位“0”，相反，对于集合A、C、D中的幅度符号，附加了标签位“1”，附加了标签位“1”表示需要进行转换操作，转换操作是在一个矩形中实现的，因为总是可以找到四个点围绕原点形成一个矩形，并且可以
将集合A、C、D中的幅度符号转换为位于矩形顶点的集合B的幅度符号。5具体地，集合C映射的矩形星座图编码规则如下：提取CCDM编码后传输的幅度符号的第三个四分之一，映射到集合C中，对于集合C中的幅度符号，附加标签位“0”，相反，对于集合A、B、D中的幅度符号，附加了标签位“1”，附加了标签位“1”表示需要进行转换操作，转换操作是在一个
矩形中实现的，因为总是可以找到四个点围绕原点形成一个矩形，并且可以5将集合A、B、D中的幅度符号转换为位于矩形顶点的集合C的幅度符号。
具体地，集合D映射的矩形星座图编码规则如下：提取CCDM编码后传输的幅度符号的后四分之一，映射到集合D中，对于集合D中的幅度符号，附加标签位“0”，相反，对于集合A、B、C中的幅度符号，附加了标签位
“1”，附加了标签位“1”表示需要进行转换操作，转换操作是在一个矩形0中实现的，因为总是可以找到四个点围绕原点形成一个矩形，并且可以将集合A、B、C中的幅度符号转换为位于矩形顶点的集合D的幅度符号。
例如，图2中左下方的插图是星座图中黑色矩形的缩略图。星座点-3+9i属于集合A，可以与点{3+9i(B)、-3-9i(C)、3+9i(D)}形成一个矩形。这三个点
必定分别来自其他三个集合，并给定标签位“10”、“01”、“11”。其余5符号按上述处理。最后，生成的标签位被用作幅度级别的符号位，类似于LDPC的校验位。最重要的是，所提出的RCC可以保持振幅电平的原始Maxwell-Boltzmann分布。
实施例二
为了提高更高阶QAM信号的性能，需要具有更高开销的FEC。PAS方0案是PS和LDPC的联合编码，可以保持期望的幅度电平概率分布。然而，在PAS方案中，LDPC开销是有限的。例如，更高阶QAM传输通常需要25％的LDPC开销以实现更高的BER性能，但PAS 4096-QAM中LDPC的最大冗余为16.7％。为了在PS-QAM系统中产生具有所需开销的FEC，需要额外的冗
余比特。有两种解决方案可以产生额外的开销。首先，PAS执行两次以产生5具有所需开销的FEC，但代价是复杂性。其次，多余的冗余比特被调制成对各种噪声具有较强抵抗能力的低阶QAM信号，并独立传输，这很简单，但需要额外的物理资源。在这项工作中，我们选择后者并模拟了25％的LDPC开销的PAS 4096-QAM系统。
同时，PAS和RCC的联合编码也是产生所需BER性能的不错选择，如图3所示，其中LDPC开销为10％的PAS之后级联着RCC，以实现PS4096-QAM系统总冗余率为22.8％。
因此，本实施例公开了一种基于概率整形高阶QAM相干光通信系统的矩形星座编码方法，其与实施例一的区别在于：采用PAS和RCC级联编码，其级联编码结构图参照图3。本实施例中基于概率整形高阶QAM相干光通信系统的矩形星座编码方法在步骤S2之后，步骤S3之前，还包括以下步骤：
对解映射后的二进制比特序列进行LDPC编码，生成初始QAM信号；
并在步骤S3中对初始QAM信号按照矩形星座图编码的方式进行编码，以产生标签位来替代符号位，得到新的QAM符号序列作为信号进行传输。
在PAS方案中，需要CCDM和LDPC联合编码。然而，在提出的RCC方案中，CCDM和RCC是必要的。除去必不可少的CCDM，PS-QAM系统的复杂性主要取决于LDPC和RCC。相对于发送端LDPC的码长为n，LDPC的复杂度为O(n2)，接收端采用迭代反馈解码。相比之下，RCC的复杂度较低，即O(n)，每个符号只需要一个映射。
图4是PS 1024-QAM和PS 4096-QAM相干光传输系统的仿真结构，其中显示了接收端的数字信号处理(DSP)流程。图5给出了在PAS方案中具有最大20％(PAS 1024-QAM)和16.7％(PAS 4096-QAM)冗余的LDPC以及具有相同冗余的RCC的性能。图5(a-1)是信号噪声严重的PAS 1024-QAM星座图，图5(a-2)是RCC后的集合A星座图，相当于一个256-QAM信号但具有两倍欧式距离。对PAS 4096-QAM信号执行相同的过程，如图5(a-3)和(a-4)所示。
尽管RCC不是纠错码，但它起着类似的作用，如图5(b)和(c)所示，与分别用于1024-QAM和4096-QAM信号的PAS方案相比，RCC在无差错传输时的OSNR损失为0.4-dB和0.5-dB。然而，RCC的复杂性远低于LDPC。同时，注意到RCC具有更好的BER性能，因此可以将开销较低的LDPC的PAS和RCC级联以实现更高的BER性能。图6显示了PAS 4096-QAM在LDPC开销为25％的PAS方案和总冗余为22.8％(包括10％ LDPC开销)的级联PAS和RCC中的BER性能曲线。产生的额外开销将作为低阶QAM信号独立传输，以实现高可靠性。如图6所示，级联的PAS和RCC在具有相似冗余的情况下优于传统的PAS，并实现了0.5-dB的OSNR改进。
本发明针对高阶QAM相干光通信系统中，由于高阶QAM信号星座点之间的距离变小引起的无法有效解码问题，创新地提出了一种复杂度较低、性能优良的矩形星座编码方案，将高阶QAM信号拆分为多个低阶QAM信号进行解码，通过增加信号星座点之间的距离，提升高阶QAM解码性能。本发明在PS 1024-QAM和PS 4096-QAM相干光通信仿真系统进行了验证，证实了本发明的编码算法对系统误码率性能的提升。此外，PAS和RCC的级联方案在具有相似冗余的情况下优于传统的PAS，有望为具有更大FEC开销的高阶QAM信号实现更好的传输性能。
本发明基于概率整形高阶QAM相干光通信系统的矩形星座编码方法的误码性能较优，在相同开销情况下，矩形星座编码方法的效果略优于传统PAS方案。在信号的符号位均由编码产生的标签位代替的情况下，矩形星座编码方法在1024-QAM和4096-QAM情况下分别有0.4和0.5dB的增益；在需要额外更大开销的情况下，矩形星座编码方法和PAS的联合编码也有0.5dB的增益均能够在25dB光信噪比的情况下满足系统传输要求。
同时，发明基于概率整形高阶QAM相干光通信系统的矩形星座编码方法的复杂度更低；在联合编码的情况下，两种方案复杂度相似，但是本发明能够在更低的开销下达到更好的误码性能。
实施例三
本发明还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中所述方法的步骤。
实施例四
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现实施例一中所述方法的步骤。
实施例五
本发明还提供了一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行实施例一中所述的方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.基于概率整形高阶QAM相干光通信系统的矩形星座编码方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将二进制比特序列经过CCDM编码生成多个无符号位的幅度符号；
S2、对生成的幅度符号进行解映射，重新得到新的二进制比特序列；
S3、对解映射后的二进制比特序列按照矩形星座图编码的方式进行编码，以产生标签位来替代符号位；
S4、将产生的标签位以低阶信号方式进行传输。
2.根据权利要求1所述的基于概率整形高阶QAM相干光通信系统的矩形星座编码方法，其特征在于，所述矩形星座图编码的方式如下：
将高阶QAM信号的星座图中的星座点划分为等间隔的A、B、C、D四个集合的星座图，每个集合的星座图单独相当于一个低阶QAM信号的符号决策，具有两倍欧式距离，全部传输符号的前四分之一被映射到集合A，第二个个四分之一数据被映射到集合B，第三个四分之一数据被映射到集合C，全部传输符号的后四分之一被映射到集合D。
3.根据权利要求2所述的基于概率整形高阶QAM相干光通信系统的矩形星座编码方法，其特征在于，集合A映射的矩形星座图编码规则如下：提取CCDM编码后传输的幅度符号的前四分之一，映射到集合A中，对于集合A中的幅度符号，附加标签位“0”，相反，对于集合B、C、D中的幅度符号，附加了标签位“1”，附加了标签位“1”表示需要进行转换操作，转换操作是在一个矩形中实现的，因为总是可以找到四个点围绕原点形成一个矩形，并且可以将集合B、C、D中的幅度符号转换为位于矩形顶点的集合A的幅度符号。
4.根据权利要求2所述的基于概率整形高阶QAM相干光通信系统的矩形星座编码方法，其特征在于，集合B映射的矩形星座图编码规则如下：提取CCDM编码后传输的幅度符号的第二个四分之一，映射到集合B中，对于集合B中的幅度符号，附加标签位“0”，相反，对于集合A、C、D中的幅度符号，附加了标签位“1”，附加了标签位“1”表示需要进行转换操作，转换操作是在一个矩形中实现的，因为总是可以找到四个点围绕原点形成一个矩形，并且可以将集合A、C、D中的幅度符号转换为位于矩形顶点的集合B的幅度符号。
5.根据权利要求2所述的基于概率整形高阶QAM相干光通信系统的矩形星座编码方法，其特征在于，集合C映射的矩形星座图编码规则如下：提取CCDM编码后传输的幅度符号的第三个四分之一，映射到集合C中，对于集合C中的幅度符号，附加标签位“0”，相反，对于集合A、B、D中的幅度符号，附加了标签位“1”，附加了标签位“1”表示需要进行转换操作，转换操作是在一个矩形中实现的，因为总是可以找到四个点围绕原点形成一个矩形，并且可以将集合A、B、D中的幅度符号转换为位于矩形顶点的集合C的幅度符号。
6.根据权利要求2所述的基于概率整形高阶QAM相干光通信系统的矩形星座编码方法，其特征在于，集合D映射的矩形星座图编码规则如下：提取CCDM编码后传输的幅度符号的后四分之一，映射到集合D中，对于集合D中的幅度符号，附加标签位“0”，相反，对于集合A、B、C中的幅度符号，附加了标签位“1”，附加了标签位“1”表示需要进行转换操作，转换操作是在一个矩形中实现的，因为总是可以找到四个点围绕原点形成一个矩形，并且可以将集合A、B、C中的幅度符号转换为位于矩形顶点的集合D的幅度符号。
7.根据权利要求1所述的基于概率整形高阶QAM相干光通信系统的矩形星座编码方法，其特征在于，在步骤S2之后，步骤S3之前，还包括以下步骤：
对解映射后的二进制比特序列进行LDPC编码，生成初始QAM信号；
并在步骤S3中对初始QAM信号按照矩形星座图编码的方式进行编码，以产生标签位来替代符号位，得到新的QAM符号序列作为信号进行传输。
8.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1到7任一项所述方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1到7任一项所述方法的步骤。
10.一种处理器，其特征在于，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行权利要求1到7任一项所述的方法。
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