一种超奈奎斯特速率光空间脉冲位置调制方法

本发明涉及无线光通信，尤其涉及一种超奈奎斯特速率光空间脉冲位置调制方法。

背景技术：

1、无线光通信因其具有带宽不受限、安全性强和灵活易架构等优势备受业界关注。然而，大气信道中的湍流效应会严重影响通信系统的有效性和可靠性。为解决此问题，光多输入多输出技术充分利用空间分集增益，可有效提高系统的抗衰落能力和信道容量。但因其多天线同时工作而存在信道间干扰和对天线间同步要求高等问题。为此，在后续研究中，mesleh提出了一种新型多输入多输出技术，可利用空间分集增益有效抵御湍流效应的影响，并通过每时隙仅选择单根天线加载信息并将所选天线索引序号也作为隐含信息共同传输，不仅解决了mimo中存在的天线间干扰和同步困难等问题，而且提高了系统的传输速率和频谱效率。基于光空间调制的优势，该技术一经提出便得到了广泛关注，多种增强型osm方案被提出来进一步提升系统性能。

2、popoola w o和t等人分别提出了光空间脉冲位置调制和光空间脉冲幅度调制。geng h等人提出了gamma-gamma信道下的fso-osm系统模型，并推导了平均符号错误概率闭合表达式。王惠琴等人利用分层结构，提出了性能较优的标记型多层光空间脉冲位置调制。然而，上述研究都遵循正交化传输准则，即在时域上光脉冲间保持正交性，旨在有效避免码间串扰。但其正交性也限制了系统可传输的最高信息速率仅为奈奎斯特速率。为打破上述限制，亟需寻找一种非正交技术与光空间调制结合来进一步提升系统的传输速率和频谱效率。

3、另一方面，在接收端提出一种性能近似最优且复杂度低的信号检测算法也尤为重要。广泛使用的最大似然检测器虽然具备最优译码性能，但其穷搜索过程会导致计算复杂度偏高，在实际通信中难以实现，尤其是在大规模或高阶调制的系统中计算复杂度急剧增加。目前，深度学习理论已被应用于图像处理、无线通信等领域，其出色的学习能力和分类优势为信号检测提供了新思路。因此，利用深度学习的分类优势，亟需提出一种适合于超奈奎斯特速率光空间脉冲位置调制方案的译码器来大幅降低系统计算复杂度。

技术实现思路

1、本发明公开一种超奈奎斯特速率光空间脉冲位置调制方法，旨在解决背景技术提出的限制了系统可传输的最高信息速率仅为奈奎斯特速率的技术问题和接收端译码器计算复杂度高在实际通信中难以实现的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种超奈奎斯特速率光空间脉冲位置调制方法，通过将超奈奎斯特技术引入光空间调制系统，结合脉冲位置调制，构建一种超奈奎斯特速率的光空间脉冲位置调制；接收端利用多分类神经网络译码器对接收信号进行译码，在经解映射恢复出原始比特信息；利用联合界技术推导了gamma-gamma湍流信道下超奈奎斯特速率的光空间脉冲位置调制的平均误码率上界,其步骤为：

4、步骤(1)：在发送端，将二进制比特流经过串/并变换后分成两组数据块，其中，第一组数据块映射为每符号周期被选激光器索引号sth是被选激光器索引号；第二组数据块先映射为4ppm符号其中，j∈[1,d]表示发送脉冲的位置，p1表示脉冲幅度；其次，将映射后的ppm符号进行ftn成型，将ppm符号流转换为行向量，即：表示第i个ppm符号，随后，a进入ftn成型滤波器后输出为：

5、

6、式中，c为每帧传输的已调符号总数，τ为加速因子，则τt为发送符号间隔，r(t)为带有滚降系数的归一化升余弦滤波器，其滚降因子为κ，截断段数为f，每段采样点数为g，将成型后的xftn(t)信号以b＝10×τd的长度截断为每个xppm-ftn符号，此时，xppm-ftn＝[ο1 … p1+οq … οb]，其中，οq为ftn成型时引入的码间串扰，为简洁表示，令xm＝xppm-ftn，信号域映射向量xm加载到空间域所选激光器映射向量xs上可构成发送信号为

7、x＝xs·xm  (2)

8、步骤(2)：激光器经过服从gamma-gamma分布的强流大气信道后到达光电探测器，将光信号转化为电信号，接收信号为

9、y＝ηhx+n  (3)

10、其中，η为光电转换效率，n是均值为0，方差为的高斯加性白噪声，n、y均为nt×b维的矩阵，是信道衰落系数矩阵；

11、步骤(3)：接收信号进行下抽样，得到信号y1；构建多分类神经网络；由1个输入层、3个隐藏层、1个输出层和1个分类层构成，其神经元个数分别为nrd、g1、g2、g3、ntd、ntd(nt为发送天数，nr为光电探测器数，d为ppm调制阶数)，损失函数为交叉熵函数(crossentropyloss)，优化器为随机梯度优化器(sgd,stochastic gradient optimizer)，学习速率为0.001；完成多分类神经网络的训练，将y1作为神经网络的输入，得到网络的输出，解映射即可恢复原始发送信号。

12、步骤(4)：找出通信过程中可能出现的所有错误，计算对应错误的平均误码率，采用联合界技术推导了超奈奎斯特速率光空间脉冲位置调制方案的平均误码率渐近上界，表达式为：

13、

14、式中，为h已知的条件下调制符号xm被误检为的平均成对错误概率；为h已知的条件下激光器索引号xs被误检为的平均成对错误概率和为h已知的条件下调制符号xm和激光器索引号xs被误检为和的平均成对错误概率。

15、本发明提供的超奈奎斯特速率光空间脉冲位置调制方法具有将ftn技术引入光空间调制中，结合具有抗干扰能力强且功率效率高的ppm调制方式，提出一种超奈奎斯特速率的光空间脉冲位置调制(optical spatial pulse position modulation-ftn,osppm-ftn)方案，可大幅提升系统的传输速率和频谱效率。同时，利用深度学习的分类优势，根据osppm-ftn方案接收信号的特征，在接收端提出了一种多分类神经网络(multiclassification neural network,mnn)译码算法，可实现近似最优检测的同时大幅降低计算复杂度的技术效果。

技术特征：

1.一种超奈奎斯特速率光空间脉冲位置调制方法，其特征在于，将超奈奎斯特技术(faster-than-nyquist,ftn)引入光空间调制系统，结合脉冲位置(pulse positionmodulation,ppm)调制提出超奈奎斯特速率光空间脉冲位置调制方案；接收端利用多分类神经网络译码器对接收信号进行译码，在经解映射恢复出原始比特信息；利用联合界技术推导了gamma-gamma湍流信道下超奈奎斯特速率的光空间脉冲位置调制的平均误码率上界,其步骤为：

技术总结
本发明公开了一种超奈奎斯特速率光空间脉冲位置调制方法，通过将超奈奎斯特技术引入光空间调制系统，结合脉冲位置调制，构建一种超奈奎斯特速率的光空间脉冲位置调制；接收端利用多分类神经网络译码器对接收信号进行译码，在经解映射恢复出原始比特信息；利用联合界技术推导了Gamma‑Gamma湍流信道下超奈奎斯特速率的光空间脉冲位置调制的平均误码率上界。本发明公开的超奈奎斯特速率光空间脉冲位置调制方法具有将超奈奎斯特技术引入光空间调制中，结合具有抗干扰能力强且功率效率高的脉冲位置调制方式，提出一种超奈奎斯特速率的光空间脉冲位置调制方案，可大幅提升系统的传输速率和频谱效率的效果。

技术研发人员：张悦,叶翔文,曹明华,陈轩,王惠琴
受保护的技术使用者：兰州理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15