一种基于空间覆盖的HPGS16QAM通信优化方法

本发明属于通信，涉及一种基于空间覆盖的hpgs 16qam通信优化方法。

背景技术：

1、作为当代通信的主要支柱之一，光纤通信技术(opticalfibercommunications)在电信网中起着至关重要的作用。光纤通信是一种未来信息社会中各种信息的主要传送工具。光纤通信技术是一种最新通信技术，它标志了新技术革命，它利用光波作为载波传递信息，以光纤作为媒介传输信息。21世纪以来，随着互联网的迅猛发展，音频、视频、多媒体应用的急速上升，迫切需求光纤信道的容量和传输的质量。

2、近年来，光纤通信上出现的概率整形和几何整形技术，它们对于提高光纤系统的容量，降低误码率有良好的效果。然而，关注的问题是，在概率和几何整形的基础上，如何更好地结合两者的优势，如何进一步改善光纤通信的质量：在不增加传输功率和光纤系统复杂性的情况下，获得更高的频谱效率和传输容量，降低误码率，使光通信系统具有更高的灵活性和可靠性。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于空间覆盖的hpgs 16qam通信优化方法。基于均匀分布的0-1比特数据类型，本方案采用的主要技术有几何整形(gs)、概率整形(ps)、调整器、fec编码等。gs部分通过设置最大化gmi和最小化ber为目标，并使用自动编码器神经网络训练，在特定snr下，得出最佳的星座图坐标(16-qam)。ps部分按照树形码，共生成15种调制符号。其中，带111前缀的8种调制符号(6bit/symbol)占比为1/8，它们对应于星座点的外圈；其余调制符号有7种(3bit/symbol)，占比为7/8，它们对应于星座点的内圈。15种符号，对应于16-qam，会有1个星座点剩余。调整器的本质，是调制时对符号空间的全覆盖思想：针对带111前缀的8种调制符号，进行统计并标记首次出现的最后一种符号；在调制时，将其映射为空闲的星座点。若没有使用fec编码，则会出现较高的误码现象。因此，引入了rs(15，11)码和ccsds标准的ldpc码，两者均能实现零误码。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于空间覆盖的hpgs 16qam通信优化方法，该方法包括以下步骤：

4、15qam划分的概率整形；

5、基于高斯噪声gn和非线性干扰噪声nlin信道模型、通过自动编码器神经网络aenn训练的几何整形；

6、进行基于空间覆盖和用于光信号调制/解调的调整器的算法。

7、可选的，所述15qam划分的概率整形为：

8、设‘0’和‘1’出现的概率是相等的，数据流按照树形码，共生成15种调制符号；其中，带111前缀的8种调制符号占比为1/8，它们为111000-111111；其余调制符号有7种，占比为7/8，它们为000–110。

9、可选的，所述基于高斯噪声gn和非线性干扰噪声nlin信道模型中，离散的nlin模型描述如下：

10、y＝c(x,p3,κ,κ3)

11、＝x+nase+nnlin

12、

13、

14、式中，y代表接收的码字，x代表发送的码字，c(·)代表信道模型，nase代表具有方差的高斯噪声样本，nnlin代表具有方差的高斯噪声样本；

15、nlin模型将光纤系统的有效信噪比描述如下：

16、

17、设所有的通道具有相同的光学发射功率，ptx代表光发射功率，并且从同一星座中汲取能量；其中，ptx代表光发射功率，代表累积放大自发辐射(ase)噪声的方差，代表nlin的方差；μ4代表星座的四阶矩，设所有通道都具有相同的光学发射功率，并从相同的星座中汲取能量μ6代表星座的六阶矩。

18、可选的，所述空间覆盖具体为：

19、符号空间s定义为调制数据d中可能出现的全部符号的集合；设

20、s＝{s1,s2,s3,…,sn}

21、有card(s)＝n，即调制数据d中有n种符号；调制的过程看作是从某时刻起，逐个地获取符号的过程；在d中获取一个最短的数据块b，以满足：

22、

23、其中，freq(xb)表示符号x在数据块b中的出现频次；满足上式的最短数据块b，即完成对符号空间s的全覆盖；

24、记m为数据块b的长度，b[-1]为b的最后一个符号；在数据块b完成全覆盖时，有：

25、m≥n#

26、若x＝b[-1]，则有：

27、freq(xb)＝1#

28、上式为空间覆盖思想的结论。

29、可选的，所述进行基于空间覆盖和用于光信号调制/解调的调整器的算法具体为：

30、将额外的星座点，用于对全体符号利用空间覆盖思想进行唯一性表示：在调制和解调时，是最后一个首次出现的符号，且具有唯一性。

31、可选的，所述方法中，发送端的流程为：

32、(1)加载数据和星座图；

33、(2)对数据进行ps的符号划分；

34、(3)根据调整器，对数据进行符号的统计和替换；

35、(4)进行rs/ldpc编码；

36、(5)星座映射，生成调制数据；

37、(6)发送调制数据到光纤信道；

38、接收端的处理和发送端的处理，是互逆的过程；

39、接收端的处理流程如下：

40、(1)从光纤信道接收数据；

41、(2)解调制；

42、(3)rs/ldpc解码；

43、(4)根据调整器，对替换的符号进行统计和还原；

44、(5)根据ps规则，对数据格式进行恢复；

45、(6)统计并计算误码率。

46、可选的，在信号质量达到一定阈值时，引入rs或ldpc纠错码，以实现无误码传输。

47、本发明的有益效果在于：首先，本方案有机地整合了现有的ps和gs技术，使它们各自均达到了最佳的效果。其中，ps部分采用树形码的形式产生7个3比特的符号和8个6比特的符号，gs部分通过aenn的训练，找到了最佳的16qam星座坐标。其次，在整合ps和gs技术的基础上，本方案首次提出了调整器的技术，它利用了“最后一个符号首次出现时的唯一性”，在调制和解调时，可以进一步地降低系统平均功率，起到了星座整形的目的。最后，为保证无误码传输，本方案采用了rs/ldpc的前向纠错技术(fec)，有效地将系统误码率降低为0。本方案的星座调制后的效果，见图8。本方案的实验配置，见图9。在实验效果的展示方面，相较于其他16qam光纤通信方案，本发明有更好的整形效果，见图11；本发明在降低发射功率、提高信道容量、降低误码率等方面体现出更好的性能。

48、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。