CN116599597A - 一种基于pscd-noma的灵活光接入方法 - Google Patents

一种基于pscd-noma的灵活光接入方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于PSCD‑NOMA的灵活光接入方法，提及了一种多堆栈的光接入架构，将不同的用户根据路径损耗分成不同的组。利用PD‑NOMA给不同的组分配不同的功率来确保不同路径损耗的ONU之间的公平性。针对相同路径损耗的组内用户，本专利中采用稀疏编码的方式将不同用户的信息看作一个整体进行星座映射，避免了传统SCMA中不同用户码本之间叠加导致的接收端MPA算法，在有效的降低了系统的复杂度实现接入用户数目的增加。

Description

一种基于PSCD-NOMA的灵活光接入方法
技术领域
本发明涉及一种基于PSCD-NOMA的灵活光接入方法，属于通信技术领域。
背景技术
随着数字孪生、元宇宙等技术的不断发展，全球数据交互日益频繁。光纤通信技术以其传输容量大、传输速度快、可实现长距离传输等特点，在我们的信息化产业中发挥着重要作用。5G的进一步部署更是促进了数据信息的爆炸式增长。而5G无线通信的数据流量最终都将通过接入网汇集到光纤中进行传输。光接入网作为光纤通信系统的“毛细管”，连接着千千万万的用户，更是在光纤通信系统中起着至关重要的作用。
无源光网络(passive optical network,PON)由于其低损耗、大带宽、低成本等优点而受到广泛关注，在光接入网中有着重要应用。从最初的时分复用无源光网络(timedivision multiplexing TDM-PON)到波分复用无源光网络(wavelength divisionmultiplexing WDM-PON)，都难以满足日益增长的容量需求。正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)作为一种多载波技术，其各个子载波之间严格正交，降低了不同载波之间的串扰。OFDM被视为下一代光接入的关键技术。但在实际的传输过程中，由于信道的影响使得载波间的正交性被破坏，需要增加循环前缀(Cycle Prefix，CP)来降低载波间的串扰，系统的频谱效率变低。为了避免或减轻干扰，上述PON均采用正交多址(OMA)方案，将不同的光网络单元(ONUs)分配给时间域或频率(波长)域中的正交资源。这种正交多址接入方法难以满足5G对于大容量、多接入的需求。非正交多址(non-orthogonal multiple access，NOMA)作为下一代无线通信物理层的关键技术之一，受到了学术界和工业界的广泛关注。与正交多址接入技术相比，NOMA信号在时域和频域上都有重叠，从而提供了更高的吞吐量和更高的频谱效率。NOMA可分为功率域(Powerdivision,PD-NOMA)和码域(Code division,CD-NOMA)。用户在功率域中复用是通过为不同的用户分配不同的功率级别，在码域中使用用户特定的扩频序列。实验证明，PD-NOMA和CD-NOMA在PON中在相同带宽下，分别比OFDMA提供了2倍和150％的数据率。在PON中，ONU通过光配网(optical distribution network,ODN)与光线终端(optical line terminal,OLT)连接，ODN与ONU之间的距离不同，其路径损耗也不同。在传统的基于耦合器的光分布网络中，一旦部署就很难改变。
发明内容
本发明提供了一种基于PSCD-NOMA的灵活光接入方法，解决了背景技术中披露的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于PSCD-NOMA的灵活光接入方法：
首先将原始不同用户的二进制数据由串并变化后，进行稀疏编码，构建不同用户之间信息的关联性，将不同用户的数据视为一个整体，进行星座映射；
然后进行OCDM调制，利用循环前缀降低不同啁啾之间的串扰，利用上变频实现将复数信号转变成实数；
最后给不同组分配不同的功率P1、P2进行NOMA多功率密度叠加后实现功率复用。
进一步地，所述稀疏编码的过程为：
由D(ν,b,r,k,λ)描述的一个BIBD是一个有序对(V,B)，其中V是ν元素的集合，B是V的b k个子集的集合，称为块；在BIBD中，V的每一个元素都出现在b块中的r个块中，b的每两个元素都出现在λ块中；参数关系为:rν＝kb；一个二进制ν×b矩阵N称为BIBD设计的关联矩阵，如式(1)所示：
其中：
ν×b关联矩阵Nν,b看作是NOMA系统的映射模式，其中行元素和列元素分别对应资源和用户的系数；这样，总共有b个用户映射到ν个资源上；b个用户的信息表示为:
根据公式(1)和公式(3)，编码后的数据矩阵表示为：Y＝Nν,b.*X；每个资源中有r/b个用户；对于关联矩阵Nν,b中的非零元素进行表示，假设第i行(资源)的r个非零项的下标为
ψi(1),…,ψi(j)…,ψi(b) (4)
当ni,j＝1时，ψi(j)＝j；将表示为一个星座点，即
采用D(4,6,3,2,1)，4表示需要四个资源块，6表示有6个用户，3表示每个资源块携带3个用户的信息，2表示每个用户的信息占据2个资源块，实现了6/4＝150％的过载率。
进一步地，所述OCDM调制的过程为：
将信号加载到N组正交的啁啾子载波上进行调制，利用啁啾信号之间的正交性进行解调；由第K个啁啾子载波调制第K个符号，调制合成的啁啾信号为：
其中x(k)为第K个符号，为第k个啁啾子载波，T为整个OCDM符号的周期；用DFnT来实现OCDM数字调制解调，DFnT矩阵表示为：
其中N为啁啾子载波数(DFnT点数)，(m,n)代表N×N DFnT矩阵的第m行n列；DFnT矩阵分解为Φ＝Θ1FΘ2，其中F为DFT矩阵，Θ1和Θ2由公式(10)(11)给出：
OCDM调制表示成矩阵的形式为：
进一步地，所述NOMA多功率密度叠加表示为：
S(t)＝P1*S1(t)+P2*S2(t) (13)
其中S1(t)、S2(t)分别为两路OCDM信号。
相应地，一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质：所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据上述的方法中的任一方法。
相应地，一种计算设备，包括：
一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行上述的方法中的任一方法的指令。
本发明所达到的有益效果：在灵活光接入系统的架构下采用PD-NOMA与CD-NOMA两个维度的复用实现频谱效率提升300％。同时基于关联稀疏编码，避免了传统SCMA的高复杂度MPA解调算法。因此本专利所提出的基于PSCD-NOMA的灵活光接入方法可以有效的增加用户数目、提升频谱效率、降低系统算法复杂度。
附图说明
图1光接入系统架构图((a)传统光接入系统；(b)灵活光接入系统架构)；
图2本发明方法框图；
图3本发明中稀疏编码原理图；
图4NOMA信号叠加示意图；
图5接收端SIC解调算法框图；
图6接收端星座图
图7仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，新的ONU通过一根光纤连接到主耦合器，就像图1(a)所示，对于覆盖长度为100km的PON系统，假设光纤衰减系数为0.2dB/公里，最大路径损耗差(PLD)为20dB.那么在距离OLT端较远的用户接收到的信号的光功率以及信噪比均要低于距离OLT端较近的用户，这样难以保证用户之间的公平性，同时这种架构也难以实现更大数目用户连接的拓展。因此，为了降低扩展障碍，多堆栈结构被提出，如图1(b)所示，当需要连接新用户或5G基站时，只需在最近连接的光网络单元(ONU)上增加一个耦合器，通过短光纤连接新连接的ONU。这种方式可以通过PD-NOMA来实现用户公平。具体的，对于距离OLT较远的用户分配更高的功率，对于距离OLT较低的用户分配较低的光功率，从而确保用户之间的公平性。
同时，基于PD-NOMA与CD-NOMA结合的方式可以进一步提升系统的频谱效率与接入用户数目。PCD-NOMA通过自适应调整功率分配比，可以显著提高具有较高路径损耗的ONU的性能和可靠性，从而提高系统整体性能，降低所需的传输光功率。基于CD-NOMA的稀疏码分复用(Sparse Code Multiple Access)利用稀疏码本进行叠加，在接收端利用MPA算法进行信号的解调。但是MPA算法复杂度极高，随着接入用户数目增加，其复杂度将会数倍增长，难以满足PCD-NOMA的需求。
因此，在本发明中，提出了一种基于功率稀疏编码复用(Power Sparse CodeDivision)PSCD-NOMA的灵活光接入方法。相比传统的光接入系统，本专利引入了多堆栈光接入方案。本专利在多堆栈光接入架构中，将不同位置的ONU分成不同的组，距离OLT更远的组分配更高的功率，距离OLT较近的组分配较低的功率来确保不同路径损耗下的组之间的公平性，同时在相同的组中，利用稀疏编码的方式来将各个用户的数据进行稀疏码分复用。与传统的SCMA各个码本之间的叠加不同的是，本专利中所采用的稀疏编码将各个用户之间的信息叠加作为一个新的信息，将该信息作为整体进行星座映射，避免了传统SCMA在接收端所需的MPA算法，大大降低了系统的复杂度。
如图2所示，本发明的一种基于PSCD-NOMA的灵活光接入方法，以两组功率分布为例进行解释。在实际应用中，本发明的方案可以应用于三组甚至更多组功率分布。在发射端，首先将原始不同用户的二进制数据由串并变化(S/P)后，进行稀疏编码，构建不同用户之间信息的关联性，将不同用户的数据视为一个整体，进行星座映射。通过逆菲涅尔变化实现正交啁啾复用(Orthogonal Chirp Division Multiplexing，OCDM)。利用循环前缀降低不同啁啾之间的串扰，利用上变频实现将复数信号转变成实数，最后给不同组分配不同的功率P1、P2进行叠加后实现功率复用。在接收端进行与发射端相对应的串并变化，菲涅尔变化，载波解调，解映射，稀疏解码等处理实现原始数据的恢复。
如图3所示，本发明提出了一种基于稀疏编码的平衡不完全区组设计(BalancedIncomplete Block Design，BIBD)的星座形成方法。由D(ν,b,r,k,λ)描述的一个BIBD是一个有序对(V,B)，其中V是ν元素的集合，B是V的b k个子集的集合，称为块。在BIBD中，V的每一个元素都恰好出现在b块中的r个块中，b的每两个元素都恰好出现在λ块中。这些参数的关系可以写成:rν＝kb。因此，一个二进制ν×b矩阵N称为BIBD设计的关联矩阵，如式(1)所示。
其中：
在本专利中，ν×b关联矩阵Nν,b可以看作是NOMA系统的映射模式，其中行元素和列元素分别对应资源和用户的系数。这样，总共有b个用户映射到ν个资源上。b个用户的信息可以表示为:
根据公式1和3，编码后的数据矩阵可以表示为：Y＝Nν,b.*X。因此每个资源中有r/b个用户。而不是将Y的所有元素作为码本添加到每个资源中，我们把它们每一个都看作是一个新的符号的组成部分。然后本专利中对于关联矩阵Nν,b中的非零元素进行表示，假设第i行(资源)的r个非零项的下标为
ψi(1),…,ψi(j)…,ψi(b) (4)
当ni,j＝1时，ψi(j)＝j。这样就可以将关联矩阵中的所有非零元素都表示出来。那么我们将表示为一个星座点。即
在本专利中，我们采用D(4,6,3,2,1)，4表示需要四个资源块，6表示有6个用户，3表示每个资源块携带3个用户的信息，2表示每个用户的信息占据2个资源块，这样本专利中就实现了6/4＝150％的过载率，也就是在CD-NOMA中相比传统的正交复用接入，稀疏编码可以实现1.5倍数量的用户接入。具体的：
假设六个用户的数据分别为：00 01 11 10 10 01，那么新的星座可以表示为
这样就形成了四个新的星座点,每个星座点携带3比特信息。结合另一路的QPSK信号，一共可以实现32QAM映射。
OCDM调制是将信号加载到N组正交的啁啾子载波上进行调制，利用啁啾信号之间的正交性进行解调。和OFDM相似，在OCDM中由第K个啁啾子载波调制第K个符号，调制合成的啁啾信号为
其中x(k)为第K个符号，为第k个啁啾子载波，T为整个OCDM符号的周期。在数字通信系统中常用DFnT来实现OCDM数字调制解调，DFnT矩阵可表示为
其中N为啁啾子载波数(DFnT点数)，(m,n)代表N×N DFnT矩阵的第m行n列。DFnT矩阵可分解为Φ＝Θ1FΘ2，其中F为DFT矩阵，Θ1和Θ2由式(10)(11)给出
所以OCDM的数字调制表示成矩阵的形式为
如图4所示，本发明中NOMA多功率密度叠加一共采用了两个功率分布P1与P2，进行功率的归一化之后，通过NOMA叠加之后的信号可以表示为：
S(t)＝P1*S1(t)+P2*S2(t) (13)
其中S1(t)、S2(t)分别为两路OCDM信号。在本专利中，我们采用了一种几何整形8QAM星座，针对QPSK的四个不同象限，对应有四个不同的星座形态。如图4所示，两路叠加后的星座图刚好凑成一个32QAM。
接收端的SIC算法框图如图5所示，接收到的星座图如图6所示，与发送端叠加后的星座点分布一致。可以明显的发现，接收端整体分布还是以原始的QPSK分布为基础，分布在四个象限中，每个象限所对应的是不同QPSK星座点所对应的几何整形8QAM映射方式。在多载波叠加的过程中，大功率的QPSK为大功率信号，8QAM为小功率，因此在QPSK解调的过程中，可以将8QAM信号视为噪声，对于低功率信号而言，利用接收端信号减去QPSK信号即可解回原始信息。在接收端进行响应的稀疏解码即可解回原始不同用户的信息。
为了测试不同信噪比条件下的信号传输质量，本专利分别对信噪比为1-20的模拟信道进行了仿真，结果如图7所示。本专利比较了传统的过载率为150％的SCMA以及本专利中所提出的PSCD-NOMA，可以发现两条误码率曲线几乎重合，这表明了本专利所提出的PSCD-NOMA有着与SCMA几乎一致的传输性能。但是相比传统的SCMA,PSCD-NOMA不需要复杂的MPA算法，同时PSCD-NOMA在稀疏编码的基础上实现了功率域的复用，接入用户数目比SCMA增加40％。基于PSCD-NOMA良好的传输性能，以及更大的接入用户数目，因此，本专利所提出的PSCD-NOMA在未来光接入系统中有着非常良好的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行一种基于PSCD-NOMA的灵活光接入方法。
一种计算设备，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行一种基于PSCD-NOMA的灵活光接入方法的指令。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种基于PSCD-NOMA的灵活光接入方法，其特征在于：
首先将原始不同用户的二进制数据由串并变化后，进行稀疏编码，构建不同用户之间信息的关联性，将不同用户的数据视为一个整体，进行星座映射；
然后进行OCDM调制，利用循环前缀降低不同啁啾之间的串扰，利用上变频实现将复数信号转变成实数；
最后给不同组分配不同的功率P1、P2进行NOMA多功率密度叠加后实现功率复用。
2.根据权利要求1所述的一种基于PSCD-NOMA的灵活光接入方法，其特征在于：所述稀疏编码的过程为：
由D(ν,b,r,k,λ)描述的一个BIBD是一个有序对(V,B)，其中V是ν元素的集合，B是V的bk个子集的集合，称为块；在BIBD中，V的每一个元素都出现在b块中的r个块中，b的每两个元素都出现在λ块中；参数关系为:rν＝kb；一个二进制ν×b矩阵N称为BIBD设计的关联矩阵，如式(1)所示：
其中：
ν×b关联矩阵Nν,b看作是NOMA系统的映射模式，其中行元素和列元素分别对应资源和用户的系数；这样，总共有b个用户映射到ν个资源上；b个用户的信息表示为:
根据公式(1)和公式(3)，编码后的数据矩阵表示为：Y＝Nν,b.*X；每个资源中有r/b个用户；对于关联矩阵Nν,b中的非零元素进行表示，假设第i行(资源)的r个非零项的下标为ψi(1),···,ψi(j)···,ψi(b)(4)当ni,j＝1时，ψi(j)＝j；将表示为一个星座点，即
采用D(4,6,3,2,1)，4表示需要四个资源块，6表示有6个用户，3表示每个资源块携带3个用户的信息，2表示每个用户的信息占据2个资源块，实现了64＝150％的过载率。
3.根据权利要求1所述的一种基于PSCD-NOMA的灵活光接入方法，其特征在于：所述OCDM调制的过程为：
将信号加载到N组正交的啁啾子载波上进行调制，利用啁啾信号之间的正交性进行解调；由第K个啁啾子载波调制第K个符号，调制合成的啁啾信号为：
其中x(k)为第K个符号，为第k个啁啾子载波，T为整个OCDM符号的周期；用DFnT来实现OCDM数字调制解调，DFnT矩阵表示为：
其中N为啁啾子载波数(DFnT点数)，(m,n)代表N×N DFnT矩阵的第m行n列；DFnT矩阵分解为Φ＝Θ1FΘ2，其中F为DFT矩阵，Θ1和Θ2由公式(10)(11)给出：
OCDM调制表示成矩阵的形式为：
4.根据权利要求1所述的一种基于PSCD-NOMA的灵活光接入方法，其特征在于：所述NOMA多功率密度叠加表示为：
S(t)＝P1*S1(t)+P2*S2(t) (13)
其中S1(t)、S2(t)分别为两路OCDM信号。
5.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于：所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1至4所述的方法中的任一方法。
6.一种计算设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求1至4所述的方法中的任一方法的指令。
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