一种对抗极化相关损耗（pdl）效应的自适应极化调制方法
【专利摘要】本发明提供了一种对抗去极化信道中极化相关损耗(PDL)效应的自适应极化调制方法。本发明推导出PDL影响下接收信噪比的概率分布函数，在此基础之上，在接收端解调极化信号的同时估计受PDL影响的接收信号信噪比并将估计值信息反馈至发送端；发送端根据反馈来的信道状态信息，在极化调制系统满足目标误比特率性能的前提下选定最优调制阶数传输数据。同时，本发明通过蒙特卡洛仿真获得系统的频谱效率图。仿真结果表明，与固定阶数极化调制相比，本发明所提供的自适应极化调制方法不仅可以使存有极化相关损耗(PDL)效应的去极化信道得到充分利用而且能提升极化调制系统的频谱效率。
【专利说明】一种对抗极化相关损耗(PDL)效应的自适应极化调制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线通信【技术领域】，是一种对抗去极化信道中极化相关损耗(TOL)效应的自适应极化调制方法，特别涉及一种不仅可以使存有极化相关损耗(TOL)效应的去极化信道得到充分利用而且能提升极化调制系统频谱效率的自适应极化调制方法。
【背景技术】
[0002]在极化调制中，极化相关损耗(Polarization Dependent Loss:PDL)会导致时变的接收信噪比。极化相关损耗(TOL)是由无线信道的各向异性引起的，表现为极化信号在信道传播中所遭受到的功率衰减与该信号的发射极化状态相关。在存有时变PDL的去极化信道中，为了保证可接受的性能，采用固定阶数极化调制的系统通常都是针对最差信道条件而设计的，因此这些系统一般采用较低阶的极化调制方式，导致了信道的不充分利用与频谱效率性能的不理想。
[0003]近年来，在光纤通信中，已有不少学者研究了在接收端通过使用补偿技术来降低PDL对系统性能的影响。P.B.Phua等人提出了一个宽带PDL补偿因子方法，在各向同性的衰减中，通过对每个极化状态引入不同的频率相关的可变衰减来消除PDL幅值和频率相关性。此外，Nelson.J等人提出了基于斯托克斯空间的数字PDL补偿技术，该补偿技术是在斯托克斯空间中基于对信号样值的旋转与转变来实现的，可以提供2.5dB的TOL补偿增益。Mahdi等人给出了一种在偏分复用相干光纤传输中基于白化矩阵的PDL补偿方法，所提白化矩阵是关于极化状态旋转参数与PDL增益或损耗系数的函数。
[0004]另一方面，在无线通信的最新研究中，T.Pratt等人首先把极化模式扩散和极化相关损耗引入无线通信研究领域，并且针对发现的极化模式扩散现象和极化相关损耗(PDL)提出宽带场景下的极化分集、复用及极化域功率注水信道容量最大化。Wu等人分析了无线信道宽带去极化效应并提出了完全表征宽带信道极化特性的宽带理论极化信道模型。依据该模型，采用数值仿真和曲线拟合相结合的方法，首次理论研究了极化相关损耗(TOL)的概率统计特性。Wei等人使用了极化调制提升系统的功放能效，研究了信道存在极化相关损耗(PDL)时的预补偿方法和极化调制的性能，并进一步研究了将极化调制与传统幅度-相位调制联合起来实现极化状态-幅度-相位联合调制，同时利用发射信号的极化状态、幅度及相位承载信息，使功放能效得到进一步优化。然而，在Wei等人的以上研究中，都是针对固定阶数极化调制，且这些研究都没有关注极化调制系统频谱效率。
【发明内容】
[0005]本发明提供了 一种适用于无线通信中的自适应极化调制(AdaptivePolarization Modulation:APM)机制，目的是为了不仅可以使存有极化相关损耗(F1DL)效应的去极化信道得到充分利用而且能提升极化调制系统的频谱效率。
[0006]无线信道中的PDL效应会影响系统的接收功率、信噪比、误符号率、误比特率，PDL的时变性会使极化信号经历时变衰落，且信道中PDL越大，其对极化调制的误比特性能影响越严重。因此，对于存在PDL效应的时变信道，如果能在信道质量好时(PDL值非常小)，系统采用频谱效率高的高阶极化调制，而在信道质量变差时(PDL值很大)，系统采用抗干扰能力强的低阶极化调制，这样信道就能得到充分利用且能获得更好的频谱效率。
[0007]从适应去极化信道中极化相关损耗(TOL)效应以使该类型的去极化信道得到充分利用且提升极化调制系统的频谱效率出发，本发明提出了一种自适应选择最优的极化调制阶数来传输数据的方法——自适应极化调制。本发明中假设采用的极化调制阶数为
Mj c [M0M1"', Mj) , Mj = 2J+1 e {2,4,8, 16}--=0，1，2，3。基于自适应极化调制
机制可以从Mtl到Mj中选择最优的极化调制阶数，在满足相同误比特率性能前提下，与固定阶数极化调制相比，使用了自适应极化调制机制的传输系统在频谱效率方面获得了提升。
[0008]本发明中所述的自适应极化调制方法:在推导出PDL影响下接收信噪比的概率分布函数的基础上，发射端在系统满足目标误比特性能前提下，根据当前信道质量的反馈信息选定最优极化调制阶数传输数据——在信道质量好时，发射端采用频谱效率高的高阶极化调制传输数据；而在信道质量差时，发射端则会采用频谱效率低但抗干扰能力强的低阶极化调制传输数据。具体而言，对于固定目标误比特值，从误比特率公式中可以得到不同调制阶数所对应的不同信噪比门限值，进而自适应极化传输系统通过对比信噪比估计值与信噪比门限值来选定最优的极化调制阶数以满足固定的目标误比特率。
[0009]一种不仅可以使存有极化相关损耗(TOL)效应的去极化信道得到充分利用而且能提升极化调制系统频谱效率的自适应极化调制方法，具体步骤如下:
[0010]步骤一:对原始数据发射信息进行极化调制、解调；
[0011](I)对原始数据发射信息It进行信源编码和信道编码，得到二进制数字序列(Z)^1，N表示原始数据序列长度；
[0012](2)将通过极化状态映射单元，完成数字序列到Mj (Mj e {2，4，8，16})阶极化状态星座j '的--映射，从而将N个数字序列转为Mj个极化状态序列。极化状态
一 (P, e A )可以用极化相位描述子(Si, 表示，δ j e [O, Ji/2]，Φ? e [0，2 π ]。
Pi I λ=1
[0013](3)经过调制后发送端使用正交双极化天线发射出的极化信号表示为
Em I 「cos Sj
[0014]1 =⑴
[0015]其中、￡厂分别为发送端极化信号的水平和垂直分量。
[0016]信道中存在加性白高斯噪声(其单边功率谱密度为Ntl)及极化相关损耗(TOL)的影响，使得极化信号发生衰落。假设传输信道为伪静态线性多入多出信道，信道模型为
「 ?「U K (t)
[0017]Hit)=(2)
L^v/(0 K
[0018]这里的hx^t)表示输入极化分量X到输出极化分量Y之间的复信道增益。对H(t)进行奇异值分解，可得
【权利要求】
1.一种对抗极化相关损耗O3DL)效应的自适应极化调制方法，其特征在于: 第一步，PDL影响下接收信噪比概率分布函数求解； 本发明中所得到的接收信噪比如式⑴所示，
2.根据权利要求1所述的一种对抗极化相关损耗(TOL)效应的自适应极化调制方法，其特征在于:第二步中所述的自适应极化调制的实现，具体为； 在系统满足目标误比特性能前提下，发射端根据当前信道质量情况的反馈信息选定最优的极化调制阶数来进行数据传输一在信道质量好时(PDL值非常小)系统会采用频谱效率高的高阶极化调制来传输数据，而在信道质量变差时(PDL值很大)，系统则会采用频谱效率低但抗干扰能力强的低阶极化调制来进行数据传输，这样信道就能得到充分利用且能获得更好的频谱效率。对于固定目标误比特值，从BER表达式中我们可以得到不同调制阶数所对应的信噪比门限值。本发明使用极化调制在高斯信道、格雷比特映射编码条件下的BER表达式来确定信噪比门限值。通过对比信噪比估计值与信噪比门限值，系统可以选定最优的极化调制阶数来满足固定的目标误比特率。因此，发送端的自适应极化调制模块在选择极化调制阶数时，本发明中采用的是基于信噪比门限法的判决准则，具体的极化调制阶数选择如下:
3.根据权利要求1所述的一种对抗极化相关损耗(TOL)效应的自适应极化调制方法，其特征在于:第三步中所述的极化调制系统频谱效率的分析，具体为； 通常而言，通过增大调制阶数，系统的频谱效率可以相应的获得提高。本发明中所采用的极化调制电平为乂=2J+1 e {2，4，8，16}，最大频谱效率log具=4b/s/Hz对应于Mj = Mj = 16。因此，基于自适应极化调制机制可以从Mtl到M1中选择最优的极化调制阶数，在满足相同误比特率性能前提下，与固定阶数极化调制相比，使用了自适应极化调制机制的传输系统在频谱效率方面获得了提升。 当系统没有发生中断，且能在满足目标误比特率性能的前提下一直采用最高阶极化调制进行通信，此时系统可获得最大频谱效率1g2M1,当传输出现中断或错误估计，系统所获得的频谱效率便会低于1g2Mp 系统频谱效率是一个与信噪比门限值以及误比特率值相关的离散随机分布变量，确切的说，目标BER越小，对于给定的信噪比值，只有更低阶的调制才能满足这个条件，也就导致更低的频谱效率。系统频谱效率(spectral efficiency)定义为:
【文档编号】H04L1/00GK103973408SQ201410232528
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月28日 优先权日:2014年5月28日
【发明者】郭彩丽, 杨光伟, 刘芳芳, 曾志民, 冯春燕 申请人:北京邮电大学