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标记型多层光空间脉冲位置调制.docx
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标记型多层光空间脉冲位置调制.docx
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摘要
现有光空间调制存在传输速率低、发射器利用率低和误码性能不理想等问题,利用分层空
间结构,并结合脉冲位置调制(PPM),提出了一种标记型多层光空间 PPM
(MMLOSPPM)。它利用额外扩展的每个 PPM 符号内的时隙进行层标记,提高了首先检
出层及其调制符号的正确性。此外,推导出了 Gamma-Gamma 湍流模型下系统理论误比
特率的表达式,并用蒙特卡罗方法对其进行了验证。结果表明:当频谱效率为 3/2 bit·s
-
1
·Hz
-1
时,(5×4-2-2)MMLOSPPM 系统的传输速率相较(4×4-2)空间 PPM(SPPM)
和(3×4-2)广义 SPPM(GSPPM)改善了 3 bpcu(bit per channel use);在传输速率
相同的条件下,(5×4-2-2)MMLOSPPM 系统所需要的激光器数目分别比(7×4-4)
GSPPM 和(16×4-4)SPPM 节约了 2 个和 11 个,并且在大信噪比(SNR)区域(SNR
大于 28 dB)中 MMLOSPPM 系统获得了最好的误码性能。
Abstract
The existing optical spatial modulation has some problems, such as low transmission
rate, low transmitter utilization rate and undesirable bit error rate performance. A marked
multi-layer optical spatial pulse position modulation (MMLOSPPM) scheme is proposed
by employing the layered spatial structure and combining pulse position modulation
(PPM). The timeslot of each PPM symbol is extended to distinguish layers, and the
correctness of the first detection layer and its modulation symbol is improved. Besides,
the theoretical bit error rate expression of the MMLOSPPM system is derived under the
Gamma-Gamma turbulence model and is verified by Monte Carlo method. The
simulation results show that when the spectral efficiency is 3/2 bit·s
-1
·Hz
-1
, the
transmission rate of (5×4-2-2) MMLOSPPM is 3 bpcu (bit per channel use) better than
that of (4×4-2) spatial PPM (SPPM) system and (3×4-2) generalized SPPM (GSPPM).
When given the same transmission rate, the (5×4-2-2) MMLOSPPM system requires 2
and 11 fewer lasers than that of (7×4-4) GSPPM and (16×4-4) SPPM system
respectively, and MMLOSPPM gains the best bit error rate performance in the high signal
to noise ratio (SNR) region (SNR is greater than 28 dB).
1 引言
随着第五代移动通信技术商用进程的加快,第六代移动通信系统(6G)的研发已被世界各
国陆续提上日程
[1]
。研究结果表明,6G 将以泛物联为目标
[1]
,进一步开发频谱资源,实
现超大容量、超高精度和超低时延的海量数据传输,这些将给传统接入网技术带来巨大的
挑战。无线光通信(WOC)具有带宽不受限、通信容量大和安全性能好等优势,是实现高
速率、大容量和低时延接入的一种良好措施。然而,由于大气信道和电子器件的限制
[2]
,
其传输速率(TR)常被限制到 Gb/s 量级,难以发挥速率高达 Tb/s 量级的优势。
光空间调制(OSM)作为一种新型的光多输入多输出(OMIMO)技术。OSM 利用额外扩
展的空间维度(发射器索引)和传统数字域调制符号共同来传递信息,即将二维调制扩展
至三维乃至更高维度,实现了通信传输速率的大幅提升。同时,由于它在每个符号周期内
仅激活一个发射器,有效解决了传统 OMIMO 技术中存在的信道间干扰和天线间同步困难
的问题,而且还可以与先进的光学器件相结合
[3]
,这为满足用户对接入网大容量、高速率
和高质量的要求提供了有效的解决措施。
OSM 由 Mesleh 等
[4]
在可见光通信领域中提出。自 OSM 的概念被提出后,其在可见光通
信领域中掀起了研究热潮,并取得了丰硕成果
[5-6]
。后来,学者们将 OSM 应用于大气激
光通信中,并相继提出了空移键控(SSK)
[7]
、空间脉冲位置调制(SPPM)
[8]
和空间
脉冲位置幅度调制(SPPAM)
[9]
等方案,提升了大气激光通信系统的频谱效率(SE)和
误码性能。考虑到光信号在大气信道中传输时会受到湍流和瞄准误差等因素的影响,文献
[10-11]分别针对不同的大气湍流模型研究了大气联合衰减效应下 OSM 系统的中断容量
和误比特率(BER),给出了设计 OSM 方案的理论依据。然而,以上方案在每个符号周
期内仅激活了一个发射器,导致发射器利用率低,且数据传输速率不够理想。
为解决上述问题,光广义空间调制(OGSM)
[12-15]
应运而生。文献[12-13]利用同时激
活的数目固定的多个发射器提高了传输速率,同时打破了传统方案要求发射器数目必须为
2 的幂次方的限制。文献[14-15]构建了激活发射器数目可变的 OGSM 方案,进一步提
升了系统的传输速率。然而,在上述的 OGSM 方案中,传输速率与发射器数量之间成对
数比例关系,系统传输速率的提升与复用技术相比还有较大的差距。这就需要探索提高发
射器利用率和传输速率的新方法。文献[16]利用复用技术构造了一种分层 SSK 方案,
有效提高了射频领域发射器的利用率和传输速率。然而,该方案仅用激活天线索引号携带
信息,进而传输速率的提高受到了限制。此外,该系统利用相位旋转因子来区分层,导致
此方法无法适用于采用强度调制/直接检测的 WOC 系统。鉴于此,文献[17]将这种分层
技术引入到大气激光通信中,并采用不同调制方式进行分层,构造了一种适合于 WOC 的
系统,但在该方案中脉冲幅度调制的加入导致了系统功耗的增加。因此,结合分层的空间
结构,本文充分利用脉冲位置调制(PPM)的特点,通过额外少量扩展 PPM 符号时隙的
方式,提出了一种标记型多层光空间 PPM(MMLOSPPM)。在该系统中,利用少量扩展
的 PPM 时隙进行层标记,不仅提高了发射器的利用率和传输速率,还进一步改善了系统
的误码性能。
2 标记型多层光空间脉冲位置调制系统模型
将分层(复用)技术与空间调制相结合,通过增加层映射可成倍提高传输速率和发射器利
用率。借鉴射频领域的思想,本文将复用技术和 OSM 相结合来构建分层 OSM。然而,在
该方案中首先检出层的准确性会直接影响其他层和调制符号的检测,这将导致系统误码性
能变差。PPM 是一种利用符号周期内时隙位置来传递信息的调制方式,具有良好的正交
性。因此,本文充分利用 PPM 调制的特点,在保证其符号周期不变的条件下,少量拓展
其符号内时隙数,并利用额外扩展的时隙进行层标记来保证首先检出层及其调制符号的正
确性。采用 PPM 调制构建的 MMLOSPPM 系统模型如图 1 所示。其中,NtNt 和 NrNr 分
别为激光器(LD)和光电探测器(PD)的数目。
图 1. MMLOSPPM 系统模型
Fig. 1. MMLOSPPM system model
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在图 1 中,输入的二进制比特流被分成若干个数据块,经层映射、激活激光器映射和带有
层标记的符号域映射后形成 MMLOSPPM 信号。已调的 MMLOSPPM 信号经过湍流信道
后被光电探测器接收,再经球形译码(SD)算法检测和解映射后即可恢复出原始信息。
2.1 发送信号的映射
MMLOSPPM 系统是在传统 SPPM 方案的基础上增加了层映射,所以其调制模块包含层映
射、激活激光器映射和带有层标记的符号域映射,其详细映射过程如下。
在层映射中,首先将输入的二进制比特流分割成长度为 Llb(NSSKK)LlbNSSKK 的数据块
B。其中,L 为分层数,K 为符号域 PPM 的调制阶数,NSSKNSSK 为每层选择激活激光器
时 SSK 的调制阶数。这是因为多层 OSM 可看成是对每层进行 SSK 调制的叠加。之后,
再将 B 分为 L 层,即 B=[b1b2⋯bi⋯bL]TB=[b1b2⋯bi⋯bL]T。其中,bibi 表示第 i 层发送
的信息比特。bibi 中包含有 lb(NSSKK)lbNSSKK 比特信息。其中,lb NSSKlb NSSK 为每
层激活激光器携带的比特数,lb Klb K 为每层调制符号携带的比特数。因此,对于含有 L
层的 MMLOSPPM 系统而言,其传输速率为
RPT=L(lb NSSK+lb K)RPT=Llb NSSK+lb K,因为额外扩展时隙中激活脉冲的位置仅用于
携带层信息,而不携带二进制比特信息,所以系统的频谱效率为
RSE=L(lb NSSK+lb K)/(L+K)RSE=Llb NSSK+lb K/(L+K)。另外,由于 MMLOSPPM 系
统中每层激活激光器都是由 SSK 调制所确定的,故每层激光器备选集合中包含有
NSSKNSSK 个静默的激光器。当第一层激活激光器被确定后,剩余静默的激光器数目为
NSSK−1NSSK-1 个,故需要在备选集合中去掉第一层已经激活的激光器后再加入一个静默
的激光器,以此来进行第二层和其他层激活激光器的选取。以此类推,当层数为 L 时,
MMLOSPPM 所需激光器数目为 Nt=NSSK+L+1Nt=NSSK+L+1。
MMLOSPPM 系统中的激光器映射可以看作是对每层激光器进行空移键控调制的叠加,即
通过 SSK 决定每层要激活的激光器个数。首先进行第一层的激光器映射。假设第一层激活
激光器的备选集合为 Ψ={1,2,⋯,NSSK}Ψ=1,2,⋯,NSSK。根据 SSK 调制原理,将 b1b1 的
前 lb NSSKlb NSSK 个比特映射为第一层激活激光器的序号。若第一层激活激光器的序号
为 m1m1,m1∈Ψm1∈Ψ,则映射后的信号可用仅包含一个非零元素的 Nt×1Nt×1 维的向
量 s1=[0⋯1⋯0]m1th↑Ts1=0⋯1⋯0m1th↑T 来表示。第二层的激光器映射则需从集合 ΨΨ
中删除第一层已激活的激光器,并额外加入一个静默激光器构成新的备选集合
Ψnew={1,2,⋯,NSSK+1}\{m1}Ψnew=1,2,⋯,NSSK+1\m1。采用相同的方法,将 b2b2 的
前 lb NSSKlb NSSK 个比特按照 SSK 的规则进行映射。假设第二层激活激光器的序号为
m2m2,m2m2 为新集合中的任意一个元素,此时映射后的信号可表示为
s2=[0⋯1⋯0]m2th↑Ts2=0⋯1⋯0m2th↑T。以此类推,在每进行一次激活激光器映射后,需
更新一次激活激光器备选集合。若第 l 层激活激光器的序号为 mlml,l∈[1,L]l∈[1,L],则
其映射后的信号可表示为 sl=[0⋯1⋯0]mlth↑Tsl=0⋯1⋯0mlth↑T。
为提高首先检出层的准确性,对传统 PPM 调制的信号映射方式进行改进。在保证 PPM 调
制符号周期不变的条件下,将其时隙数少量增加。考虑到额外增加时隙是用于层标记的,
故额外增加的时隙数等于分层数 L,即将周期划分为 L+K 个时隙,这样使得发送调制符号
中携带了不同层的标记符号。最简单的方法就是将时隙序号与层序号相对应,即用第一个
时隙标记第一层,同时将 b1b1 中剩余的 lb Klb K 个比特信息按照传统 PPM 调制的规则
映射到相应时隙处。那么,第一层含有层标记的调制信号可表示为
u1=[A1st↑ ⋯ 0��������������L 0 ⋯ Ako↑ ⋯ 0������������������������K]u1=[A
1st↑ ⋯ 0⏞L 0 ⋯ Ako↑ ⋯ 0⏞K]。其中,A 表示脉冲光强,通常为一常数,koko 表示第一层上
发送的 PPM 符号的光脉冲所在时隙。以此类推,若用第 l 个时隙标记第 l 层,则含有层标
记的第 l 层调制信号可表示为
ul=[0 ⋯ Alth↑ ⋯ 0������������������������L 0 ⋯ Akp↑ ⋯ 0������������������
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