激光通信系统的吞吐量提升方法

1.本发明涉及激光通信技术领域，具体提供一种激光通信系统的吞吐量提升方法。


背景技术：

2.自由空间光通信具有容量大、抗电磁干扰能力强、不需频率授权等优点。强度调制直接探测体制因结构简单，成本低廉，便于耦合等优点，使其易于应用于各类场景之中。为了克服恶劣的信道条件，研究人员提出了分集技术去克服信道衰落，常见的分集技术为空间分集。空间分集虽然可以对抗信道衰落，但是没有提升系统吞吐量。因此，本专利着眼于提升强度调制直接探测体制的多发单收激光通信系统的吞吐量。
3.与射频通信不同，激光通信中光强的非负性使得射频通信中成熟的空时编码不能够直接用于激光通信系统。此外，空时编码方式本身，并不会带来信息速率的改善。尤其对于高维空时编码，还会降低单位时间的信息量。现有的研究中，多天线的激光通信系统中应用的编码都是正交编码。这使得在单个接收机的情况，在不引入其他维度复用的模式时，无法获得自由度增益。因此，基于非正交码字的多天线激光通信系统的吞吐量提升方法的研究具有必要性。


技术实现要素：

4.本发明为解决上述问题，提供了一种激光通信系统的吞吐量提升方法，主要通过在发射端对待传递信息采用唯一可译码的码字集合进行编码，再进行发射，码字集合在信道中进行功率非正交叠加得到叠加信号，接收端对叠加信号通过无噪叠加图样集合映射成码字的方式进行解调，得到完整准确的传递信息。
5.本发明提供的激光通信系统的吞吐量提升方法，包括以下步骤：
6.s1、在任意的第k时刻，将发射机的待传递信息采用唯一可译码进行编码并发射至接收机，第m个发射机的唯一可译码的码字集合表示为其中，m表示发射机的序号，1≤m≤m，m表示发射机的总数；表示第k时刻第m个发射机中发射的唯一可译码的码字，
7.s2、在第k时刻，码字在经过信道时在功率域完成非正交叠加，得到叠加后的信号yk；
8.s3、解调出第k时刻待传递信息；
9.步骤s31、根据第k时刻的信道信息与所有m个发射机的唯一可译码的码字集合，确定出第k时刻的无噪叠加图样集合
10.步骤s32、根据最小欧氏距离准则，判断出第k时刻的无噪叠加图样
11.步骤s33、采用无噪叠加图样向码字映射的运算，将无噪叠加图样映射成所有m个发射机中发射的码字进而解算出待传递信息，其中，代表接收机判决出的第k时刻第m(1≤m≤m)个发射机发射的唯一可译码的码字。
12.优选的，在数值上，码字集合进行功率非正交叠加等效于光信号的功率叠加，叠加信号yk的计算公式如下：
[0013][0014]
其中，nk为第k时刻接收端光电转换后的等效高斯噪声，表示第k时刻第m个发射机与接收机之间的信道信息，η表示接收机中光信号转换为电信号的光电转换系数。
[0015]
优选的，在步骤s31中，确定出第k时刻的无噪叠加图样集合为：
[0016][0017]
其中，cm表示码字集合中的任意一个码字。
[0018]
优选的，在步骤s32中，判断出第k时刻的无噪叠加图样的函数如下：
[0019][0020]
其中，ψ
p
表示无噪叠加图样集合中任意元素，p表示无噪叠加图样集合中元素的序号，argmin()表示一种函数，即筛选出当目标函数最小值时自变量的取值，表示无噪叠加图样集合的元素个数，等于每个码字集合的码字个数的乘积。
[0021]
优选的，在步骤s33中，无噪叠加图样向码字映射的映射函数如下：
[0022][0023]
其中，表示无噪叠加图样向码字映射的函数。
[0024]
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
[0025]
本发明利用唯一可译码码字的非正交特性，有效提升了多天线激光通信系统的吞吐量，即单位时间内正确传输的比特数，并且通过无噪叠加图样集合映射成码字的方式也为解调传递信息提供一种新思路。
附图说明
[0026]
图1是根据本发明实施例提供的m个发射机的强度调制直接探测体制的多天线激光通信系统；
[0027]
图2是根据本发明实施例提供的多天线激光通信系统的吞吐量提升方法的流程图；
[0028]
图3是根据本发明实施例提供的无噪叠加图样向码字映射的数据图；
[0029]
图4是根据本发明实施例提供的多天线激光通信系统的吞吐量提升效果的对比图。
[0030]
其中的附图标记包括：发射机1、接收机2、信道21、后端处理模块22、接收镜头23、使用本发明方法的系统吞吐量曲线a、未使用本发明方法的系统吞吐量曲线a'。
具体实施方式
[0031]
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
[0032]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
[0033]
需要说明的是：本实施例中，吞吐量为单位时间内正确传输的比特数，即单位时间内正确传输的信息量。因此在无噪状态环境下，系统的吞吐量为在有噪状态环境下，系统的吞吐量为r
有噪
＝r
无噪
×
(1-ber)，其中，ber代表误码率。
[0034]
图1示出了根据本发明实施例提供的m个发射机的强度调制直接探测体制的多天线激光通信系统的结构。
[0035]
如图1所示，m个发射机的强度调制直接探测体制的多天线激光通信系统包括：发射机1和接收机2，发射机1用于传递信息和信息编码；接收机2用于接收发射机1传递的信息和解调已经编码的信息，接收机2包括：信道21、后端处理模块22和接收镜头23，接收机2中有与发射机1总数相同的接收镜头23和1个后端处理模块22。接收机2的每一个接收镜头23都进行光纤耦合，耦合进光纤的多路光信号进行合束叠加，形成一路光信号。叠加后的光信号在接收机2的后端处理模块22中进行解调，获得各个发射机1的信号信息。
[0036]
在本实施例中，用m个发射机1的唯一可译码的码字集合的非正交特性来实现非正交传输的复用，码字叠加与光信号的功率叠加具有数学等效性。对于第m个发射机1，其使用唯一可译码的码字集合为码字集合包含个不同的码字，每个码字的长度均相同，m表示发射机1的总数，m表示发射机1的序号，1≤m≤m。在每个时刻内，每个发射机1都可以完成一个码字的传输。
[0037]
图2示出了根据本发明实施例提供的多天线激光通信系统的吞吐量提升方法。
[0038]
如图1和图2所示，阐述在第k时刻应用本发明的方法的激光通信系统的信息传递过程如下：
[0039]
s1、在任意的第k时刻，第m个光发射机1将待传输的信息利用唯一可译码进行编码并发射至接收机2，编码后的码字集合表示为编码后的码字表示为并将其进行发射。
[0040]
s2、接收机2中编码后的码字在经过信道21时在功率域完成非正交叠加，叠加后的光信号经过光电转换后得到叠加信号yk，叠加信号yk的计算公式如下：
[0041][0042]
其中，nk为第k时刻接收机2内光电转换后的等效高斯噪声，表示第k时刻第m个发射机1与接收机2的信道21的信息。
[0043]
s3、接收机2已知所有的信道21的信息，根据信道21的信息与m个码字集合可确定无噪叠加图样集合。由于码字的唯一可译特性，无噪叠加图样集合的元素个数等于每个码字集合的码字个数的乘积，即无噪叠加图样集合的元素与m个发射机1发送的不同的码字一一映射。因此，在接收机2在第k时刻解调出m个发射机1所发送的信息的过程主要分为三个步骤：
[0044]
步骤s31、根据信道21的信息与所有m个发射机的唯一可译码的码字集合，确定出第k时刻的无噪叠加图样集合为：
[0045][0046]
其中，cm表示码字集合中的任意一个码字，确定第k时刻的无噪叠加图样集合的过程中，cm需分别替换成码字集合中所有的码字，η表示接收机2中光信号转换为电信号的光电转换系数。
[0047]
步骤s32、根据最小欧氏距离准则，判断出第k时刻的无噪叠加图样判断出第k时刻的无噪叠加图样的函数如下：
[0048][0049]
其中，ψ
p
表示无噪叠加图样集合中任意元素，p表示无噪叠加图样集合中元素的序号，argmin()表示一种函数，即筛选出当目标函数最小值时自变量的取值，表示无噪叠加图样集合的元素个数，等于每个码字集合的码字个数的乘积。
[0050]
步骤s33、采用无噪叠加图样向码字映射的运算，将无噪叠加图样映射成所有m个发射机1中发射的码字进而解算出传输的信息，无噪叠加图样向码字映射的映射函数如下：
[0051][0052]
其中，代表接收机2判决出的第k时刻第m(1≤m≤m)个发射机1发射的唯一可译码的码字，表示接收机2解调出的m个发射机1所有的发射的码字，表示无噪叠加图样向码字映射的函数。
[0053]
图3示出了根据本发明实施例提供的无噪叠加图样向码字映射的过程数据。
[0054]
如图3所示，以发射机1的总数m＝2为例，两个发射机1的码字集合分别为：
[0055]
第k时刻两个发射机1与接收机2的信道21的信息分别为和
[0056]
在第k时刻，那么无噪叠加图样集合为：
[0057]
{[0，0.5]，[0.8，1.3]，[0.5，0]，[1.3，0.8]，[0，0]，[0.8，0.8]}。
[0058]
无噪叠加图样集合中的各个元素互不相同，且有个元素，这6个元素与两个发射机1的码字集合与的不同码字组合产生一一映射。
[0059]
映射过程如图3所示：图中的每一行都代表无噪叠加图样的码字集合与与发射机1的发射码字的映射关系。将码字映射为无噪叠加图样[0，0.5]。也可以将无噪叠加图样[0，0.5]映射回码字
[0060]
图4示出了根据本发明实施例提供的多天线激光通信系统的吞吐量提升效果的对比。
[0061]
以发射机1的总数m＝2为例，两个发射机1的码字集合分别为
[0062]
应用本发明的方法后，激光通信系统的的归一化吞吐量数据对比如图4所示：
[0063]
图中竖轴为吞吐量，横轴为信噪比，即snr，a为使用本发明方法的系统吞吐量曲线；a'为未使用本发明方法的系统吞吐量曲线a'，通过数据对比可知，使用本发明方法的系统的吞吐量优于未使用本发明方法的系统吞吐量，未使用本发明方法的系统中，由于接收机2只有一个后端处理模块22，使得系统无法区分出不同发射机发射的信息，因此其无法具有自由度增益，因此，在高信噪比时归一化的吞吐量接近于1bit/s/hz。而使用本发明方法的系统的自由度增益得益于唯一可译码码字的非正交特性，因此具有大于1的吞吐量，在高信噪比时，吞吐量接近于：
[0064][0065]
本发明还可以与其他复用技术相结合，例如多进制调制、角动量复用、波分复用，从而进一步提升系统的吞吐量。
[0066]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
[0067]
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。