基于单极性调制极化码的概率整形方法及系统

本发明涉及自由空间光通信中的整形编码应用，具体地，涉及一种基于单极性调制极化码的概率整形方法及系统。

背景技术：

1、随着大数据时代的到来，从数据中心到终端的数据通路对传输带宽、稳定性和灵活性的需求与日俱增。相比于无线射频通信技术作为终端的接入网方案，自由空间光(fso)通信技术具有成本友好、快速部署、无频谱限制等优势。然而fso通信的性能瓶颈主要是空间信道中大气湍流的影响，空气流动和温差引起的湍流效应会导致传输光信号的相位漂移和幅值闪烁，使用前向纠错码进行信道编码可有效降低湍流效应的影响。另外，对于广泛应用于fso通信的光强调制系统，单极性的脉冲幅度调制(pulse ampl itude modulation,pam)符号与之更为匹配，使高阶pam调制符号成为代替开关键控调制(on-off-key，ook)提升容量的主流方案。然而，仅仅用信道编码和高阶调制方案对容量的提升仍然有限，为进一步逼近通信系统的理论容量上限，使用概率整形技术产生非均匀分布的传输符号作为一种受到广泛关注的方案可以获得更高的传输容量。

2、目前主流的信道编码结合单极性高阶调制方案中编码和调制两部分的性能增益融合程度不高，调制映射时难以利用编码对调制符号各比特级的纠错保护。对均匀概率调制符号概率整形生成非均匀概率调制符号的主流方案有编码后使用额外的分布匹配器和利用信道编码整形两种。前者一般使用等分布匹配器(constant compos ition distribution matching,ccdm)生成非均匀概率分布但这会一定程度上增加系统的复杂度。后者的一种常见应用是整形极化码方案，主要是在某个符号比特级编码时使用预编码器在码字中加入整形比特实现非均匀概率调制符号的产生，预编码器的核心是一个极化译码器。预编码器的输入影响着产生符号的概率以及整形的效率，使用多幅度值的输入可将单个比特级的整形效果扩散至调制符号的每个比特级。但已有的相关研究仅针对awgn信道中的双极性调制符号且不同符号的整形概率并非完全相异，在自用空间光通信湍流信道中不能很好的适配。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于单极性调制极化码的概率整形方法及系统。

2、根据本发明提供的一种基于单极性调制极化码的概率整形方法及系统，所述方案如下：

3、第一方面，提供了一种基于单极性调制极化码的概率整形方法，所述方法包括：

4、步骤s1：根据湍流信道的条件，采用蒙特卡洛仿真方法搜索目标概率分布下pam调制格式对应的最优极化码构建索引；

5、步骤s2：设计有关pam信号的单比特级概率整形极化码多级编码调制mlc发射机结构，使用预编码器方案生成适用于自由空间光通信的非均匀单极性m阶脉冲幅度调制pam-m符号；

6、步骤s3：从自由空间湍流信道中接收信道状态信息，计算当前信道状态对各pam-m符号的信道转移概率，并根据已恢复出的极化码码字逐级求解当前mlc比特级的对数似然比llr；

7、步骤s4：对各pam符号比特级进行多阶段极化译码mspd，恢复原始发送信息并统计通信方法的误码性能。

8、优选地，所述步骤s1包括：

9、在自由空间光通信中，建立含有湍流影响的信道模型：

10、y(t)＝η·i(t)·x(t)+n(t)

11、其中，x(t)为发送的pam-m符号序列；x(t)∈{0，1，2...，m-1}；y(t)是接收符号序列；n(t)模拟湍流信道中的加性高斯白噪声；η是通信系统中光电探测器的响应系数；大气湍流衰落由随机变量i(t)进行建模，表征湍流对光信号产生的乘性干扰噪声；

12、在湍流信道下，随机变量i(t)使用gamma-gamma模型来表征其概率密度分布函数：

13、

14、其中，γ(·)为伽马函数；k(·)表示修正的第二类贝塞尔函数；α和β是衡量大气湍流强度的两个主要参数，都由rytov参数决定，具体表达式如下：

15、

16、其中，即为rytov参数，是gamma-gamma湍流模型中表征湍流强度的直接参数值。

17、优选地，所述步骤s1还包括：通过蒙特卡洛仿真搜索极化子信道的可靠性并生成所需码率的编码构建，具体包括以下步骤：

18、步骤s1.1：设定极化码的码长、调制方式和符号概率分布，配置通信系统；

19、步骤s1.2：将通信系统置于上述湍流信道传输模型中；

20、步骤s1.3：将所有子信道均定义为传输信息比特，产生随机发送信息进行通信；

21、步骤s1.4：在接收模块中经解调和译码得到接收信息，解调时所用到的预测比特信息采用原始发送信息代替；

22、步骤s1.5：运行一定的仿真次数后统计每个码块中各子信道的误码情况，以此评估该编码调制格式和信道条件下的极化码码字子信道可靠性进而搜索得可选码率的极化码构建索引。

23、优选地，所述步骤s2包括：

24、将生成的适用于mlc极化码构建索引划分至m个位级作为码长为n的独立码字构建，待发送的信息d按码率分配并放置于各位级码字构建的信息位中；

25、由于需对末位级进行概率整形，极化码构建索引在置入信息前还需对第m位级的码字构建进行整形位分配，通过标准极化码构建方式搜索该位级码字中可靠性最高的ns个子信道作为整形位；随后对含有整形位的极化码构建索引进行整形位避让，即将信息d置入除ns个整形位外的整体码字最可靠子信道中，得到用于整形的mlc极化码构建；ns的确定由目标概率分布下的信源熵h(x)缩减量结合实际整形效率进行适量的增加确定，即：

26、ns＝[m-h(x)+γ]·nc

27、各位级码字独立进行极化编码得到待调制码字ci(i＝1，2，…，m)，随后将m级码字映射为n个适用于自由空间光通信im/dd系统的pam-m符号x∈{0，1，2...，m-1}，映射关系的数学表达式为：

28、

29、其中，ai＝2i-1(i＝1，…，m)，由此完成极化码的单极性调制；

30、采用预编码器的概率整形方案主要通过最末位级的极化编码器encoder m实现，该编码器中不仅包含极化变换矩阵，还包括用于产生整形比特控制cm符号概率的预编码器；预编码器使用scl译码器实现，输入由前m-1级调制产生的pam符号xm-1计算得：

31、

32、其中，px(·)为x所服从的目标概率分布；由2m-1种不同幅度的pam符号xm-1加入适应性常数偏置后获得不同幅值的llrs序列，使预编码器分别生成不同概率幅度的因此只需在末级的编码器中加入预编码方案即能够实现多级概率幅度的概率整形，将译码结果送入末级构建预留的整形比特位置中再进行后续极化编码及映射，即能生成非均匀单极性高阶脉冲幅度调制pam-m发射符号。

33、优选地，所述步骤s3包括：

34、设湍流信道状态已知、响应系数η＝1，则信道转移概率ptur(y|xi)为：

35、

36、其中，σ为高斯白噪声的噪声标准差，x为发送的pam-m符号集合，对每个接收的信道状态y，求出其对所有可能发送符号x的转移概率，同时加权x符号本身的发送概率，计算出接收符号的各位级的译码信息llri：

37、

38、其中，x0，i和x1，i为前i-1级译码结果求得的先验信息为时，第i级比特为0或为1的符号集合，p(·)为该符号的发送概率，由整形结果确定。

39、优选地，所述步骤s4包括：

40、mlc极化码的各符号位级被视为独立的极化码字，故求得第i位级的llri后进行该位级的极化译码，使用scl译码器；

41、求llri需要前级所有的译码结果，将各级码字分阶段译码；

42、检查完整码字并排除整形信息和冻结信息得到译码结果对比原始发送信息d计算误码情况，对步骤s1中的构建仿真信道条件进行调整，最终确定一种最优构建作为当前湍流条件下的mlc通信系统极化码构建。

43、第二方面，提供了一种基于单极性调制极化码的概率整形系统，所述系统包括：

44、模块m1：根据湍流信道的条件，采用蒙特卡洛仿真方法搜索目标概率分布下pam调制格式对应的最优极化码构建索引；

45、模块m2：设计有关pam信号的单比特级概率整形极化码多级编码调制mlc发射机结构，使用预编码器方案生成适用于自由空间光通信的非均匀单极性m阶脉冲幅度调制pam-m符号；

46、模块m3：从自由空间湍流信道中接收信道状态信息，计算当前信道状态对各pam-m符号的信道转移概率，并根据已恢复出的极化码码字逐级求解当前mlc比特级的对数似然比llr；

47、模块m4：对各pam符号比特级进行多阶段极化译码mspd，恢复原始发送信息并统计通信方法的误码性能。

48、优选地，所述模块m1包括：

49、在自由空间光通信中，建立含有湍流影响的信道模型：

50、y(t)＝η·i(t)·x(t)+n(t)

51、其中，x(t)为发送的pam-m符号序列；x(t)∈{0，1，2...，m-1}；y(t)是接收符号序列；n(t)模拟湍流信道中的加性高斯白噪声；η是通信系统中光电探测器的响应系数；大气湍流衰落由随机变量i(t)进行建模，表征湍流对光信号产生的乘性干扰噪声；

52、在湍流信道下，随机变量i(t)使用gamma-gamma模型来表征其概率密度分布函数：

53、

54、其中，γ(·)为伽马函数；k(·)表示修正的第二类贝塞尔函数；α和β是衡量大气湍流强度的两个主要参数，都由rytov参数决定，具体表达式如下：

55、

56、其中，即为rytov参数，是gamma-gamma湍流模型中表征湍流强度的直接参数值；

57、所述模块m1还包括：通过蒙特卡洛仿真搜索极化子信道的可靠性并生成所需码率的编码构建，具体包括以下步骤：

58、模块m1.1：设定极化码的码长、调制方式和符号概率分布，配置通信系统；

59、模块m1.2：将通信系统置于上述湍流信道传输模型中；

60、模块m1.3：将所有子信道均定义为传输信息比特，产生随机发送信息进行通信；

61、模块m1.4：在接收模块中经解调和译码得到接收信息，解调时所用到的预测比特信息采用原始发送信息代替；

62、模块m1.5：运行一定的仿真次数后统计每个码块中各子信道的误码情况，以此评估该编码调制格式和信道条件下的极化码码字子信道可靠性进而搜索得可选码率的极化码构建索引；

63、所述模块m2包括：

64、将生成的适用于mlc极化码构建索引划分至m个位级作为码长为n的独立码字构建，待发送的信息d按码率分配并放置于各位级码字构建的信息位中；

65、由于需对末位级进行概率整形，极化码构建索引在置入信息前还需对第m位级的码字构建进行整形位分配，通过标准极化码构建方式搜索该位级码字中可靠性最高的ns个子信道作为整形位；随后对含有整形位的极化码构建索引进行整形位避让，即将信息d置入除ns个整形位外的整体码字最可靠子信道中，得到用于整形的mlc极化码构建；ns的确定由目标概率分布下的信源熵h(x)缩减量结合实际整形效率进行适量的增加确定，即：

66、ns＝[m-h(x)+γ]·nc

67、各位级码字独立进行极化编码得到待调制码字ci(i＝1，2，…，m)，随后将m级码字映射为n个适用于自由空间光通信im/dd系统的pam-m符号x∈{0，1，2...，m-1}，映射关系的数学表达式为：

68、

69、其中，ai＝2i-1(i＝1，…，m)，由此完成极化码的单极性调制；

70、采用预编码器的概率整形方案主要通过最末位级的极化编码器encoder m实现，该编码器中不仅包含极化变换矩阵，还包括用于产生整形比特控制cm符号概率的预编码器；预编码器使用scl译码器实现，输入由前m-1级调制产生的pam符号xm-1计算得：

71、

72、其中，px(·)为x所服从的目标概率分布；由2m-1种不同幅度的pam符号xm-1加入适应性常数偏置后获得不同幅值的llrs序列，使预编码器分别生成不同概率幅度的因此只需在末级的编码器中加入预编码方案即能够实现多级概率幅度的概率整形，将译码结果送入末级构建预留的整形比特位置中再进行后续极化编码及映射，即能生成非均匀单极性高阶脉冲幅度调制pam-m发射符号；

73、所述模块m3包括：

74、设湍流信道状态已知、响应系数η＝1，则信道转移概率ptur(y|xi)为：

75、

76、其中，σ为高斯白噪声的噪声标准差，x为发送的pam-m符号集合，对每个接收的信道状态y，求出其对所有可能发送符号x的转移概率，同时加权x符号本身的发送概率，计算出接收符号的各位级的译码信息llri：

77、

78、其中，x0，i和x1，i为前i-1级译码结果求得的先验信息为时，第i级比特为0或为1的符号集合，p(·)为该符号的发送概率，由整形结果确定；

79、所述模块m4包括：

80、mlc极化码的各符号位级被视为独立的极化码字，故求得第i位级的llri后进行该位级的极化译码，使用scl译码器；

81、求llri需要前级所有的译码结果，将各级码字分阶段译码；

82、检查完整码字并排除整形信息和冻结信息得到译码结果对比原始发送信息d计算误码情况，对步骤s1中的构建仿真信道条件进行调整，最终确定一种最优构建作为当前湍流条件下的mlc通信系统极化码构建。

83、第三方面，提供了一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现所述基于单极性调制极化码的概率整形方法中的步骤。

84、第四方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述基于单极性调制极化码的概率整形方法中的步骤。

85、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

86、1、本发明设计了对极化码进行多级编码调制产生高阶单极性pam符号的发射系统，充分利用了极化码的纠错性能对高阶单极性调制符号中不同位级的码字进行冗余保护，并随之设计了湍流信道中使用多级编码调制的极化码构建方式；

87、2、在生成高阶单极性pam符号时引入了基于预编码器的位整形模块，实现最终调制符号的概率整形，以较少的整形系统复杂度实现了单极性调制符号概率各不相同的多级概率整形，提高了自由空间光通信系统在湍流信道的传输容量。

88、本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。