基於極化碼的光OFDM信號編碼調製與解調系統及方法與流程
2023-06-01 06:21:51 6
本發明屬於光通信技術領域，具體地，涉及的是一種將極化碼與光OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiple)信號結合的調製解調方法及相應的系統，用信道編碼與高階調製同時提升系統性能。
背景技術：
隨著網際網路技術的發展，數據流量不斷增長，人們對網絡帶寬的需求越來越大。一方面造成原本有限的頻帶資源更加稀缺，另一方面使得數據傳輸速率超出了現有技術所能支持的最大傳輸速率。然而單獨使用傳統的信道編碼方式或者單獨使用傳統的高階調製方式已經無法滿足這兩方面的需求。而極化碼作為目前唯一一種通過嚴格的數學證明達到信道容量的構造性編碼方案，擁有較低的計算複雜度和較高的性能表現。通過將極化碼與光OFDM調製方法結合的方法，可以靈活地將信息調製到特定可用的子載波上，有效解決有限的頻帶資源問題。同時通過高階調製的方法，使得在數據傳輸速率不變的前提下降低信號檢測、信號處理、解碼的符號速率，降低整個傳輸過程的誤碼率。即在一定的信號處理速率下，通過高階調製提高數據的傳輸速率，同時通過與極化碼這種高性能的信道編碼的結合，降低了誤碼率。
經過對現有文獻的檢索，來自Bilkent University的Erdal於2009年在IEEE TRANSACTIONS ON INFORMATION THEORY的第55卷第7期上發表論文「Channel Polarization:A Method for Constructing Capacity-Achieving Codes for Symmetric Binary-Input Memoryless Channels」，理論提出了極化碼這種碼型的構造以及解碼方法，但是此篇文章只是理論上提出了極化碼，並沒有在應用領域做過多的深入研究。
又經文獻檢索發現，來自韓國Pohang University of Science and Technology(POSTECH)的Dong-Min Shin等人於2012年在IEEE COMMUNICATIONS LETTERS的第16卷第6期上發表論文「Mapping Selection and Code Construction for 2m-ary Polar-Coded Modulation(2的m次冪的極化碼映射選擇與編碼構造調製)」。該作者提出了多種基於極化碼的m-pam調製中映射規則的選擇準則。然而整個調製規則只是完成了在單載波上的調製，無法靈活地運用有限的頻譜資源。
技術實現要素：
針對現有數據傳輸中出現的頻帶資源有限，數據傳輸速率不斷提高的問題，本發明提出一種基於極化碼的光OFDM信號編碼調製與解調系統及方法，利用在頻域中極化碼的信道編碼技術與高階調製技術相結合的光OFDM調製技術，可以靈活地將信息調製到特定可用的載波上，既能充分利用有限的頻帶資源，又能在保證一定誤碼率的前提下提高數據的傳輸速率。
為實現上述目的，本發明採用了以下技術方案：
根據本發明的第一目的，提供一種基於極化碼的光OFDM信號編碼調製與解調系統，所述系統包括：
極化碼編碼單元，用於將需要傳送的用戶信息通過極化碼的編碼規則編碼成所需傳送的碼字；
高階映射單元，用於將極化碼編碼後的碼字進行高階映射，映射到星座圖上；
子載波映射單元，將經過高階映射後的信號按順序映射到可用的子載波上；
取導頻單元，按照塊狀導頻結構每隔一定數量的頻域OFDM信號取導頻，用於後期信道估計；
OFDM調製單元，進行IFFT變換，將子載波映射單元傳送的頻域OFDM信號轉換為時域OFDM信號進行傳輸，並在每個時域OFDM信號前加循環前綴CP；
光發射與接收單元，用於將OFDM調製單元發送的時域OFDM信號調製到光載波上，在光纖介質中傳輸，在接收端用光電探測器進行接收；
OFDM解調單元，去除每個時域OFDM信號的循環前綴CP，並對去除CP的數據進行FFT運算，運算結果用於後期信道估計；
子載波恢復單元，用於將OFDM解調單元解調的頻域OFDM信號按子載波映射規則反推恢復成高階映射後的信號格式；
高階解映射單元，用於將子載波恢復後的頻域信號通過軟解映射成後驗概率序列，便於後續極化碼的解碼；
極化碼解碼單元，用於將高階解映射單元產生的後驗概率序列經過極化碼解碼產生原始的用戶序列，完成最終的傳輸。
優選地，所述的極化碼編碼單元，選擇合適的極化碼編碼碼長N以及碼率R，其中碼長N為2的整數次冪，並根據碼長N以及碼率R選擇信息信道以及固定比特信道。
優選地，所述的高階映射單元，將極化碼編碼產生的二進位比特序列用高階映射的方法映射成相應星座圖上各個點。
優選地，所述的子載波映射單元，將經過高階映射後的一幀數據的各個數據點按順序映射到不同的子載波位置上去，具體的映射規則如下：高階映射後的一幀數據格式為，N極化碼的碼長，m為高階映射的階數，一個OFDM信號中可用的子載波為，p為可用子載波的起始序號，q為可子載波的終止序號，可用子載波的總數為q-p+1，按照序號順序將映射到，將映射到，以此類推；若可用子載波數q-p+1小於一幀數據的數據長度N/m，則將開始的數據按順序映射到下一個OFDM信號的可用子載波上；若可用子載波數q-p+1大於一幀數據的數據長度N/m，則將下一幀高階映射後的數據按順序映射到剩餘子載波上；若調製方法調製後出現複數數據點的情況，通過厄米共軛對稱的方式將電平對應到子載波上，不使用的頻段的子載波對應位置為0。
優選地，所述的OFDM調製單元，包括IFFT模塊和加循環前綴CP模塊，IFFT模塊將子載波映射單元發送的頻域信號變換為時域信號；加循環前綴CP模塊在每個時域信號前加循環前綴CP。
優選地，所述的OFDM解調單元包括：去除循環前綴CP模塊和FFT模塊，FFT模塊將時域OFDM信號恢復成頻域OFDM信號；去除循環前綴CP模塊去除每個時域OFDM信號的循環前綴CP。
優選地，所述的子載波恢復單元，進行信道估計，通過在發送端保存的導頻X，以及在接收端所取導頻通過傳輸以及相應處理後得到的頻域信號Y，根據公式計算頻率轉移函數，對每個導頻計算的各個求和取平均，得到作為整個信道頻率轉移概率函數的估計值，由此根據公式恢復出發送端對應頻率點的信號值。
優選地，所述的高階解映射單元，根據貝葉斯公式，計算用戶信息為0和1的相應的後驗概率序列，作為後級極化碼解碼的輸入。
根據本發明的第二目的，提供一種基於極化碼的光OFDM信號編碼調製與解調方法，包括：
極化碼編碼步驟，用於將需要傳送的用戶信息通過極化碼的編碼規則編碼成所需傳送的碼字；
高階映射步驟，用於將極化碼編碼後的碼字進行高階映射，映射到星座圖上；
子載波映射步驟，將經過高階映射後的信號映射到可用的子載波上；
取導頻步驟，按照塊狀導頻結構每隔一定數量的頻域OFDM信號取導頻，用於後期信道估計；
OFDM調製步驟，進行IFFT變換，將子載波映射步驟的頻域OFDM信號轉換為時域OFDM信號進行傳輸，並在每個時域OFDM信號前加循環前綴CP；
光發射與接收步驟，用於將OFDM調製步驟的時域OFDM信號調製到光載波上，在光纖介質中傳輸，在接收端用光電探測器進行接收；
OFDM解調步驟，去除每個時域OFDM信號的循環前綴CP，並對去除CP的數據進行FFT運算，運算結果用於後期信道估計；
子載波恢復步驟，用於將OFDM解調步驟解調的頻域OFDM信號恢復成高階映射後的信號格式；
高階解映射步驟，用於將子載波恢復後的頻域信號通過軟解映射成後驗概率序列，便於後續極化碼的解碼；
極化碼解碼步驟，用於將高階解映射步驟產生的後驗概率序列經過極化碼解碼產生原始的用戶序列，完成最終的傳輸。
本發明中用戶傳輸數據，經極化碼編碼後經過適當的高階調製映射到相應載波，經IFFT後實現頻域信號到時域信號的轉換，然後調製到相應的信道上進行傳輸。接收端對信號進行FFT，子載波信號恢復，高階軟解調以及極化碼的SC解碼後恢復原用戶信號，實現整個系統的傳輸。
與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：
本發明提出了將極化碼與光OFDM信號編碼調製結合起來的技術，有效解決了光通信系統頻譜資源有限以及數據傳輸速率不高的問題。極化碼作為一種能達到香農容限並且有較低編解碼複雜度的信道編碼算法，降低了信息傳輸過程中的誤碼率，提高系統的可靠性。高階映射的引入提高了單個符號攜帶的信息量，提高了光通信系統的數據傳輸速率。光OFDM調製使得整個系統有了較好的抗頻率選擇性衰落以及窄帶特性。可以靈活選擇衰減較小的子載波進行數據傳輸，同時把信號集中於一個窄帶信號內，有效解決頻譜資源有限的問題，提高系統的頻帶利用率。
附圖說明
通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯：
圖1為本發明一較優實施例的原理框圖；
圖2為本發明一較優實施例的子載波映射規則圖；
圖3為本發明一較優實施例通過將極化碼應用於光OFDM實例的仿真實驗的具體誤碼率曲線。
具體實施方法
下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。
如圖1所示，一種基於極化碼的光OFDM信號編碼調製與解調系統，其特徵在於，所述系統包括：
極化碼編碼單元，用於將需要傳送的用戶信息通過極化碼的編碼規則編碼成所需傳送的碼字；
高階映射單元，用於將極化碼編碼後的碼字進行高階映射，映射到星座圖上；
子載波映射單元，將經過高階映射後的信號按順序映射到可用的子載波上；
取導頻單元，按照塊狀導頻結構每隔一定數量的頻域OFDM信號取導頻，用於後期信道估計；此操作在IFFT前完成；
OFDM調製單元，進行IFFT變換，將子載波映射單元傳送的頻域OFDM信號轉換為時域OFDM信號進行傳輸，並在每個時域OFDM信號前加循環前綴CP；
光發射與接收單元，用於將OFDM調製單元發送的時域OFDM信號調製到光載波上，在光纖介質中傳輸，在接收端用光電探測器進行接收；
OFDM解調單元，去除每個時域OFDM信號的循環前綴CP，並對去除CP的數據進行FFT運算，運算結果用於後期信道估計；
子載波恢復單元，用於將OFDM解調單元解調的頻域OFDM信號按子載波映射規則反推恢復成高階映射後的信號格式；
高階解映射單元，用於將子載波恢復後的頻域信號通過軟解映射成後驗概率序列，便於後續極化碼的解碼；
極化碼解碼單元，用於將高階解映射單元產生的後驗概率序列經過極化碼解碼產生原始的用戶序列，完成最終的傳輸。
所述極化碼編碼單元由產生用戶數據和極化碼編碼兩部組成。
所述光發射與接收單元由發送前調製，光纖信道傳輸，光電探測器接收三部分組成。
圖1中，信道估計與OFDM解調單元的輸出端、子載波恢復單元的輸入端相連，利用前期所取得導頻來進行信道估計運算。
在一實施例中，所述極化碼編碼單元，選擇合適的極化碼編碼碼長N以及碼率R，並根據碼長N以及碼率R選擇信息信道以及固定比特信道，其中碼長N為2的整數次冪，如512、1024、2048等等；選擇信道的方法可以是巴氏參數法，高斯近似法或者密度進化法。
在一實施例中，所述的高階映射單元，將極化碼編碼產生的二進位比特序列用高階映射的方法映射到相應星座圖的各個點上，其中選用的高階映射方法可以是QPSK、4PAM、4QAM、16QAM、64QAM等等方法。
在一實施例中，所述的子載波映射單元，將經過高階調製後的一個符號的各個數據點按順序映射到不同的子載波位置上去，若調製方法調製後出現複數數據點的情況(比如像16QAM之類的調製方法)，通過厄米共軛對稱的方式將電平對應到子載波上，不使用的頻段的子載波對應位置為0。
在一實施例中，所述的OFDM調製單元，包括IFFT模塊和加循環前綴CP(Cyclic Prefix)模塊，IFFT模塊將子載波映射單元發送的頻域信號變換為時域信號；加循環前綴CP模塊在每個時域信號前加循環前綴CP。
在一實施例中，所述的光發射與接收單元包括將串行信號調製到相應頻率的光載波上，注入光纖進行傳輸，接收端通過光電檢測器檢測接收。所用的光調製器可以採用強度調製方式，比如馬赫增德爾(MZM，Mach-Zehnder modulator)調製器，或者直接調製方式，比如直接調製雷射器(DML，direct modulation laser)。
在一實施例中，所述的OFDM解調單元包括：去除循環前綴CP模塊和FFT模塊，FFT模塊將時域OFDM信號恢復成頻域OFDM信號；去除循環前綴CP模塊去除每個時域OFDM信號的循環前綴CP。
在一實施例中，所述的子載波恢復單元，信道估計，通過在發送端保存的導頻X，以及在接收端所取導頻通過傳輸以及相應處理後得到的頻域信號Y，根據公式計算頻率轉移函數，對每個導頻計算的各個求和取平均，得到作為整個信道頻率轉移概率函數的估計值。由此可以根據公式恢復出發送端對應頻率點的信號值。
根據發送端子載波映射單元中的映射規則，恢復成極化碼編碼與高階調製後的數據格式。
在一實施例中，所述的高階解映射單元嗎，根據貝葉斯公式，計算用戶信息為0和1的相應的後驗概率序列，作為後級極化碼解碼的輸入。
在一實施例中，所述的極化碼解碼單元，根據輸入的後驗概率序列以及已知的極化碼編碼過程中的信道信息(傳輸固定比特序列與信息比特序列的信道集合)，可以採用串行抵消解碼SC方法，也可以採用SCL解碼等改進的SC解碼方法，或者採用BP，LP等其他解碼方法，以提高解碼的準確率。
與上述系統對應的，一種基於極化碼的光OFDM信號編碼調製與解調方法，包括如下步驟：
極化碼編碼步驟，用於將需要傳送的用戶信息通過極化碼的編碼規則編碼成所需傳送的碼字；
高階映射步驟，用於將極化碼編碼後的碼字進行高階映射，映射到星座圖上；
子載波映射步驟，將經過高階映射後的信號映射到可用的子載波上；
取導頻步驟，按照塊狀導頻結構每隔一定數量的頻域OFDM信號取導頻，用於後期信道估計。
OFDM調製步驟，進行IFFT變換，將子載波映射步驟的頻域OFDM信號轉換為時域OFDM信號進行傳輸，並在每個時域OFDM信號前加循環前綴CP；
光發射與接收步驟，用於將OFDM調製步驟的時域OFDM信號調製到光載波上，在光纖介質中傳輸，在接收端用光電探測器進行接收；
OFDM解調步驟，去除每個時域OFDM信號的循環前綴CP，並對去除CP的數據進行FFT運算，運算結果用於後期信道估計；
子載波恢復步驟，用於將OFDM解調步驟解調的頻域OFDM信號恢復成高階映射後的信號格式；
高階解映射步驟，用於將子載波恢復後的頻域信號通過軟解映射成後驗概率序列，便於後續極化碼的解碼；
極化碼解碼步驟，用於將高階解映射步驟產生的後驗概率序列經過極化碼解碼產生原始的用戶序列，完成最終的傳輸。
上述基於極化碼的光OFDM信號編碼調製與解調方法每個步驟具體實現的技術對應於基於極化碼的光OFDM信號編碼調製與解調系統的各個單元技術，再次不再贅述。
根據上述方法和系統提供以下具體的實施例：
在一實施例中，選用極化碼編碼碼長N＝512，極化碼碼率R＝0.5。極化碼編碼時信道挑選的方式選擇巴氏參數法，初始擦除概率為0.5。OFDM信號一共有512個子載波，其中可用的數據子載波為120個。IFFT和FFT的點數為512點。QAM高階映射的階數為16。光纖傳輸的長度為50Km。
首先由用戶產生需要傳送的信息比特，再由極化碼編碼單元進行極化碼編碼，經極化碼編碼後一個符號由512個0或1的信息比特組成。
將每個編碼後的極化碼符號進行16QAM的高階映射，映射方式選擇格雷映射，使得最終在解調時若判斷為相鄰點時最多只有一個比特的錯誤，儘可能地減小誤碼率。每個符號經過16QAM高階調製後是128個複數形式的數據點，將其稱為一個用戶信息符號。
將經過高階映射後的用戶符號映射到可用的頻率子載波上。這裡採用厄米共軛對稱的映射方式，目的是使得經後期IFFT後的信號為實數。根據數據到子載波的映射方式，將高階映射後的一個用戶信息符號的各個數據點按順序映射到不同的子載波位置上去。在本實施例中，具體的映射規則如下：由於現在有512個子載波，但是可以用於傳輸信息的子載波數量只是其中的120個。由厄米共軛對稱的映射方式可知第1個子載波與第257個子載波上存放的數據為零，其餘子載波上存放的數據分別關於第257個子載波共軛對稱。因此將第一個用戶信息符號的第一個複數數據點存放在第256個子載波的位置，第258個子載波的位置存放該複數數據點的共軛形式，以此類推，由於可用的子載波只有120個，除去最中間的第257個子載波需要放零，其餘能放數據的子載波數共有119個，因此從第256個子載波到第138個子載波存放相應的複數數據點，而第258到第376個子載波存放數據的共軛形式。其餘不傳輸信息的子載波相應位置為零。由此產生了一個有512個子載波構成的OFDM頻域符號。由於一個用戶信息符號由128個複數數據點組成，而這裡一個OFDM頻域符號只用到了119個數據點，剩下的9個複數數據點就自然放到了下一個OFDM頻域符號。而下一個OFDM頻域符號中剩餘的可用子載波繼續存放下一個用戶信息符號的複數數據點。根據上述映射規則，可得到S個OFDM頻域符號，其中每個OFDM頻域符號包含512個子載波數據，有效的數據子載波為第138到第256，S的大小由用戶信息符號的數量決定。
將上述產生的S個OFDM頻域符號每隔20個取一個OFDM頻域符號保存作為導頻信號，用作接收端信道估計。具體規則為取第1、21、41、61……等等作為導頻信號。
將上述產生的S個OFDM頻域符號作512點的IFFT變換，將頻域信號轉變為S個OFDM時域符號，從而才能在實際的通信系統中傳輸。
為了防止信息在傳輸過程中由色散引起的符號間幹擾和載波間幹擾，必須在每個OFDM時域符號前加入循環前綴CP，此處假設CP的長度為OFDM時域符號長度的25％。因此實施例中可以取出每個OFDM時域符號末尾的128個時域採樣點放到其前面，使得原本的512位OFDM時域符號變為640位的OFDM時域符號。
對信號進行並/串轉換，即將上述S個640位的OFDM時域符號進行首尾相連，變為含有S*640個採樣點的時域信號。
由於在實際系統中，接收端信號的起始位置未知，因此有必要在發送端的信號前面加入時鐘同步序列，此處加入長度為127位的0、1比特m序列。為了與實際發送的信號幅度上保持一致，將加入時鐘同步序列的每個比特乘以OFDM時域信號採樣點的最大值。
由此產生了含有S*640+127個時域採樣點的OFDM時域採樣信號，其中信號的前127個採樣點是時鐘同步序列，不攜帶任何信息。從第128個採樣點開始每640個採樣點為一組，是一個OFDM時域符號。其中每個640位OFDM時域信號中前128個採樣點為加入的循環前綴。
此處採用的傳輸系統為載波波長1550nm的光傳輸系統，信息傳輸速率為10Gbit/s，採用的光纖長度為50Km。通過將上述產生的串行時域採樣信號經過MZM調製產生相應的光信號，經過50Km長度的光纖傳輸，通過光衰減器產生合適的光功率用於接收。在接收端利用光電探測器將接收到的光信號轉換為電信號進行存儲。
由於發送端是循環發送一連串OFDM的時域採樣信號，因此接收端接收到的數據也是循環的，信號的起始位置未知。因此將接收到的數據和前期加入進去的時鐘同步序列作循環移位的卷積運算，根據時鐘同步序列自身的性質可知，當卷積運算結果出現峰值時，便是時鐘同步序列與自身的卷積運算結果。因此，在取得的一系列循環移位卷積運算結果中的峰值處可以判定是所加的時鐘同步序列，它的往後是信號的起始位置。
從信號的起始位置處開始，取S*640個接收到的數據點便是所傳輸的OFDM時域採樣序列，然後再以640個數據點為一組進行串/並轉換，恢復出發送前的每個OFDM時域符號。
根據前面加的循環前綴可知每個OFDM信號的有效信息位為第129到第640一共512個數據點，前128個數據點為所加循環前綴CP。因此將有效的512個採樣點分別作512點的FFT變換，恢復出一系列OFDM的頻域信號。
由於信號傳輸過程中進過MZM調製，光纖傳輸，光衰減器控制功率以及光電探測器進行接收，整個信道的頻率特性曲線並不是一條水平的直線，即各個頻點的幅頻特性H是不同的，因此要想恢復出原信號就必須進行信道估計。通過在發送端保存的導頻X，以及在接收端所取導頻通過傳輸以及相應處理後得到的頻域信號Y，根據公式計算頻率轉移函數，對每個導頻計算的各個求和取平均，得到作為整個信道頻率轉移概率函數的估計值。由此可以根據公式恢復出發送端對應頻率點的信號值。由此恢復出了發送端發送的S個OFDM的頻域符號。
根據前期數據到子載波的映射關係，從S個OFDM的頻域符號中恢復出用戶信息符號。每個用戶信息符號含有128個複數數據點。
將恢復出的用戶信息符號進行16QAM軟解調，輸出每個用戶比特傳輸0和1時的後驗概率。具體的每個用戶信息符號含有128個複數數據點，包含有512個用戶數據比特。因此經16QAM軟解調後輸出的是512個用戶比特為0的後驗概率以及512個用戶比特為1的後驗概率。
將上述後驗概率序列輸入至極化碼解碼單元，進行極化碼的SCL解碼，搜索路徑數L取1、2、4，從而使接收端得到發送端發送的原始用戶數據比特。具體的誤碼率曲線見圖3。同時圖3也對比了不加極化碼時整個系統的誤碼率，對比發現極化碼的引入很大程度上降低了整個系統的誤碼率，提高了系統性能。
上述實施例採用基於極化碼的光OFDM信號編碼調製與解調系統和方法，具有如下優點：
1.極化碼作為一種能達到香農容限並且有較低編解碼複雜度的信道編碼算法，降低了信息傳輸過程中的誤碼率，提高系統的可靠性。
2.高階映射的引入提高了單個符號攜帶的信息量，提高了光通信系統的數據傳輸速率。
3.光OFDM調製使得整個系統有了較好的抗頻率選擇性衰落以及窄帶特性。可以靈活選擇衰減較小的子載波進行數據傳輸，同時把信號集中於一個窄帶信號內，有效解決頻譜資源有限的問題，提高系統的頻帶利用率。
以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變化或修改，這並不影響本發明的實質內容。