CN113992305A - 导频***方法、光通信方法、可读存储介质以及计算设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种导频***方法、光通信方法、可读存储介质以及计算设备，包括：获取数据流；对数据流进行Polar编码，得到极化后的信道，按一定比列选取极化后的部分冻结比特信道与有效性信道作为导频信道，将导频信道中的信号替换成待***的导频信号。优点：本发明利用Polar编码后的极化信道进行导频替换***，不需要牺牲额外的频谱效率，就能够实现接收端对信号的相位恢复，保证光通信***的可靠性。

Description

导频***方法、光通信方法、可读存储介质以及计算设备
技术领域
本发明涉及一种导频***方法、光通信方法、可读存储介质以及计算设备，属于通信技术领域。
背景技术
为了满足日益剧增的光通信容量和超高速需求，联合软判决前向纠错编码(FEC)的高阶调制格式被认为是可能解决这个问题的有效方法，具有更好的成本效益。光正交频分复用（OFDM）技术作为一种多载波调制格式，在无源光网络（PON）***中具有高频谱效率、低成本、兼容星座点调制、高色散鲁棒性等优势。然而，随着信息时代的到来和发展，通信***的可靠性和安全性成为了越来越重要的问题。为了解决实际光纤工艺不足和OFDM***中各子载波之间相互干扰等问题，需要利用FEC技术，提升通信***可靠性，在接收端准确的获取信息。
2017年，Polar码最早是由Arikan提出的一种全新FEC方法。Polar编码是基于信道极化理论提出，信道极化分为信道联合与信道***两个阶段。通过信道的联合与***，各个子信道的对称容量呈现两极分化的趋势：随着码长的增加，一部分子信道趋于无噪声信道，一部分子信道趋于纯噪声信道。因此，Polar码采用相对低的复杂度译码就可以实现香农极限，并且随着码长的增加，其优势更加明显。已经有相关研究证明，采用list-cyclicredundancy check（CRC）译码方法的Polar码在short block lengths上比低密度奇偶校验码（LDPC）具有更好的性能。
然而光信号经过超长距离的光纤传输和信道噪声，接收端的光信号会存在相位、幅度畸变，导致信号无法被无误码的接收。通过在发送端的编码后比特流中某些位置***已知的导频信号，接收端利用导频信号对其他位置的信号进行相位恢复，保证接收端的信号质量。虽然传统的导频***方法可以恢复信号的相位信息，但以牺牲一定的频谱利用率为代价。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种导频***方法、光通信方法、可读存储介质以及计算设备，能够在不需要牺牲额外的频谱效率，实现接收端对信号的相位恢复。
为解决上述技术问题，本发明提供一种导频***方法，包括：
获取数据流；
对数据流进行Polar编码，得到极化后的信道，按预设比列选取极化后的部分冻结比特信道与有效性信道作为导频信道，将导频信道中的信号替换成待***的导频信号。
进一步的，所述导频信道的个数不高于解码时采用的联合CRC编码长度。
进一步的，所述对数据流进行Polar编码，得到极化后的信道，按预设比列选取极化后的部分冻结比特信道与有效性信道作为导频信道，将导频信道中的信号替换成待***的导频信号，包括：
对数据流进行Polar编码，得到极化后的信道，对极化后的信道进行信道可靠性排序，使得有用信息在高可靠性的信道传输，冻结比特在低可靠性的信道传输；
从可靠性排序后的信道中选取部分信道作为导频信道，将导频信道中的信号替换成待***的导频信号；所述部分信道中低可靠性的信道的比例不低于50%。
一种光通信方法，包括：
在发送端对原始数据进行串并变换，得到并行的多路二进制数据流；利用所述的导频***方法，对并行的多路二进制数据流进行导频***，得到带有已知导频信号的数据；对所述带有导频信号数据依次进行并串变换、QAM映射和逆傅里叶变换得到时域信号；
利用光纤信道传输时域信号至接收端；
在接收端对所述时域信号进行FFT变换得到频域信号，根据已知导频信号进行信道估计，进行相位恢复，再经过解QAM映射得到待输出的二进制数据流，最后依次经过并串变换和Polar译码器恢复出原始发送的二进制数据流。
一种存储一个或多个程序的可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述的导频***方法或所述的光通信方法中的任一方法。
一种计算设备，包括，
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述的导频***方法或所述的光通信方法中的任一方法的指令。
本发明所达到的有益效果：
本发明利用Polar编码后的极化信道进行导频替换***，不需要牺牲额外的频谱效率，就能够实现接收端对信号的相位恢复，保证光通信***的可靠性。
附图说明
图1是导频***方法的流程示意图；
图2是信道极化后的导频信道选取示意图；
图3是Polar编码示意图；
图4是光通信方法流程示意图；
图5是发送端的16QAM星座图；
图6是相位恢复之前的接收端星座图；
图7是梳状导频相位恢复的接收端星座图；
图8是经过相位恢复与未添加信道旋转色散的接收端误码率。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的一种导频***方法，包括：
获取数据流；
对数据流进行Polar编码，得到极化后的信道，按预设比列选取极化后的部分冻结比特信道与有效性信道作为导频信道，将导频信道中的信号替换成待***的导频信号。
极化得到的信道中存在传输固定比特信息的信道，因此合理的选取部分信道作为导频对接收端信号进行相位恢复，可以避免额外的频谱浪费。所述导频信道的个数不高于解码时采用的联合CRC编码长度，级联CRC译码，polar的scl译码器可以纠错，但是受限于polar码的纠错能力，所以只能包括少部分信道，不能高于解码时采用的联合CRC编码长度，本发明中的编码长度是16，所以选择的导频信道个数为16个。
如图2和3所示，所述对数据流进行Polar编码，得到极化后的信道，按预设比列选取极化后的部分冻结比特信道与有效性信道作为导频信道，将导频信道中的信号替换成待***的导频信号，包括：
对数据流进行Polar编码，得到极化后的信道，对极化后的信道进行信道可靠性排序，使得有用信息在高可靠性的信道传输，冻结比特在低可靠性的信道传输；
从可靠性排序后的信道中选取部分信道作为导频信道，将导频信道中的信号替换成待***的导频信号；所述部分信道中低可靠性的信道的比例不低于50%。
通过可靠性排序能够分辨出高可靠性和低可靠性的信道，方便对低可靠性信道的合理利用，而且，导频信道中低可靠性信道的占比不低于设定的比例，能够进一步提高对低可靠性信道的合理利用，保证传输可靠性。
Polar编码是一种基于信道极化的FEC编码方式，本实施例中Polar编码的编码速率R=0.5，n=2m个独立的二进制输入离散无记忆信道进行信道合并和拆分得到2*n个极化信道U，m是正整数。对极化后的信道进行可靠性排序，信道可以分为两部分，一部分是用于传输信息的可靠低噪信道，一份是传输冻结比特的不可靠信道。
Polar编码通过将信道极化，使得有用信息在可靠性高的信道传输，低可靠性的信道只传输冻结比特。本方案通过选取部分编码后的信道，并将其替换成待***的导频信号，避免需要额外的***导频信号，提高频谱效率。
以输入比特数15360（256*60）为例，星座映射选择16QAM，polar编码器码率R=0.5，编码器输入长度K=256，则编码器输出长度N=512。经过编码器后的数据流60*512，从极化后的512个信道中选取16个信道作为导频信道，导频***方式根据实际信道长度和衰落情况选择块状导频或梳状导频。
如图4所示，一种光通信方法，
发送端包括：串并变换、Polar编码、导频信道选取、***导频、QAM映射与OFDM子载波调制。
接收端包括：FFT变换、相位恢复、QAM映射、串并变换、Polar译码与计算BER。
具体流程如下：
在光通信***中，发送端的原始数据经过串并变换后，并行的多路二进制数据流进入Polar编码模块，码率为R。基于信道极化理论，Polar编码后，信道***，可靠性高的信道用于传输信号，选取部分极化后的信道作为导频信道，将原本的编码后信号替换成导频信号。最后经过QAM映射和逆傅里叶变换得到时域信号，进入光纤信道传输。
在光通信***中，在接收端对所述时域信号进行FFT变换得到频域信号，根据已知的导频信号进行信道估计，实现相位恢复，再经过解QAM映射得到待输出的二进制数据流，最后经过并串变换和Polar译码器恢复出原始发送的二进制数据流，完成通信。
作为一种FEC码，Polar码具有很好的纠错能力。然而由于信道的原因，经过长距离传输后的接收端信号存在严重相位畸变。根据发送端的导频信号，接收端可以实现相位恢复，提高光通信***的信号传输质量。
QAM映射与OFDM多载波调制，包括：
经过Polar编码、导频替换后的数据流，经过QAM映射得到星座符号，如图5所示，图5中的横坐标和纵坐标分别是星座点的实部和虚部。映射后的星座符号经过逆傅里叶变换得到时域信号，利用正交频分复用（OFDM）技术调制到一组频率相互正交的子载波上进行传输。正交频分复用（OFDM）技术具有高频谱效率、色散鲁棒性、低成本和灵活调制的特性。
与传统的导频***不同，本方案在Polar编码后，选取部分极化得到的信道进行***导频，在接收端实现相位恢复的同时，避免了传输***的频谱浪费，提升整体***在长距离传输过程中的可靠性。
在仿真过程中，我们加入信道旋转色散模拟长距离光纤信道传输。以输入比特数15360（256*60）为例，信噪比SNR=14，星座映射选择16QAM，polar编码器码率R=0.5，编码器输入长度K=256，则编码器输出长度N=512。经过编码器后的数据流60*512，从极化后的512个信道中选取16个信道作为导频信道，导频***方式选择梳状导频。如图6是相位恢复之前的接收端星座图，图7是利用本方案***梳状导频后进行相位恢复得到的接收端星座图，从图中可以看出接收端符号的相位得到了很好的恢复，图6和图7中的坐标代表星座点的坐标，横坐标对应星座符号的实部、纵坐标对应星座符号的虚部。
仿真的结果验证了基于Polar编码信道极化后的导频***方案在不需要牺牲额外频谱效率的情况下，利用导频信号实现接收端的相位恢复，保证了传输***的可靠性。仿真图8中，横坐标是信噪比（SNR，Signal Noise Ratio）、纵坐标是误码率（BER，Bit ErrorRatio），方块加线段组成的曲线是未添加信道旋转色散的接收端误码率，三角形加线段组成的曲线是在添加旋转色散信道中***导频和相位恢复后的接收端误码率，圆形加线段组成的曲线是在添加旋转色散信道中未进行相位恢复的接收端误码率。证明了本方案：基于Polar编码信道极化后的导频***方案在超长距离光纤通信***中具有很好的应用潜力。
相应的本发明还提供一种存储一个或多个程序的可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述的导频***方法或所述的光通信方法中的任一方法。
相应的本发明还提供一种计算设备，包括，
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述的导频***方法或所述的光通信方法中的任一方法的指令。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（***）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种导频***方法，其特征在于，包括：
获取数据流；
对数据流进行Polar编码，得到极化后的信道，按预设比列选取极化后的部分冻结比特信道与有效性信道作为导频信道，将导频信道中的信号替换成待***的导频信号。
2.根据权利要求1所述的导频***方法，其特征在于，所述导频信道的个数不高于解码时采用的联合CRC编码长度。
3.根据权利要求1所述的导频***方法，其特征在于，所述对数据流进行Polar编码，得到极化后的信道，按预设比列选取极化后的部分冻结比特信道与有效性信道作为导频信道，将导频信道中的信号替换成待***的导频信号，包括：
对数据流进行Polar编码，得到极化后的信道，对极化后的信道进行信道可靠性排序，使得有用信息在高可靠性的信道传输，冻结比特在低可靠性的信道传输；
从可靠性排序后的信道中选取部分信道作为导频信道，将导频信道中的信号替换成待***的导频信号；所述部分信道中低可靠性的信道的比例不低于50%。
4.一种光通信方法，其特征在于，包括：
在发送端对原始数据进行串并变换，得到并行的多路二进制数据流；利用权利要求1-3任意一项所述的导频***方法，对并行的多路二进制数据流进行导频***，得到带有已知导频信号的数据；对所述带有导频信号数据依次进行并串变换、QAM映射和逆傅里叶变换得到时域信号；
利用光纤信道传输时域信号至接收端；
在接收端对所述时域信号进行FFT变换得到频域信号，根据已知导频信号进行信道估计，进行相位恢复，再经过解QAM映射得到待输出的二进制数据流，最后依次经过并串变换和Polar译码器恢复出原始发送的二进制数据流。
5.一种存储一个或多个程序的可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1至3所述的导频***方法或权利要求4所述的光通信方法中的任一方法。
6.一种计算设备，其特征在于，包括，
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求1至3所述的导频***方法或权利要求4所述的光通信方法中的任一方法的指令。
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