CN117640320A - 一种混合整形多维调制与解调方法、装置、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合整形多维调制与解调方法、装置、设备及介质，应用于光纤通信技术领域，包括：基于多维对称和平均能量恒定的约束条件的产生几何整形多维调制星座，利用几何整形多维调制星座进行混合概率整形几何整形多维调制，得到概率分布满足MB分布的混合概率整形几何整形多维调制符号序列，利用混合概率整形几何整形多维调制符号序列进行混合概率整形几何整形多维解调，得到目标混合整形解调比特流。本申请通过施加多维对称的约束条件，缩减最佳星座点位置的搜索空间，降低了多维调制星座多参数优化的复杂度，并将概率整形技术和几何整形技术结合，获得更高的整形增益，使多维复用的光纤通信***的容量进一步逼近信道的香农极限。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，特别涉及一种混合整形多维调制与解调方法、装置、设备及介质。
背景技术
随着现代社会物联网、人工智能、互动游戏、超清视频等业务的不断发展，对提升光纤通信***容量的需求越来越大。为了满足光纤通信***大容量和高频谱效率传输的要求，多维光信号复用技术正在被广泛研究，并且成功地运用于大容量长距离的主干光通信网络中。当光纤通信***采用偏振复用(PDM)、波分复用(WDM)、空分复用(SDM)等复用技术时，将促使多维调制格式的应用。然而，采用现有的多维调制格式的信号达到的通信容量距离香农极限还有较大的差距。
此前，CN111628789B的发明专利中提及一种基于混合概率整形和几何整形的信号生成方法，但是仅限于二维调制格式，没有涉及更高维调制格式的几何整形方案以及更高维调制格式的混合概率整形几何整形调制与解调方案。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种混合整形多维调制与解调方法、装置、设备及介质，可以使多维调制星座获得整形增益，使通信容量逼近信道的香农极限，可以应用于多维复用的光纤通信***中提升传输性能。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种混合整形多维调制与解调方法，包括：
产生几何整形多维调制星座；其中，所述产生几何整形多维调制星座的过程包括在多维对称的约束条件下设置多维调制的初始星座，并对其使用比特映射，在平均能量恒定的约束条件下移动星座点的位置，通过几何整形多维调制优化目标函数对经比特映射后的星座进行处理，得到所述几何整形多维调制星座；所述整形多维调制优化目标函数的目标是产生非均匀间隔的多维调制星座的目标函数。
利用所述几何整形多维调制星座进行混合概率整形几何整形多维调制，得到概率分布满足MB分布的混合概率整形几何整形多维调制符号序列；
利用所述混合概率整形几何整形多维调制符号序列进行混合概率整形几何整形多维解调，得到目标混合整形解调比特流。
可选的，所述产生几何整形多维调制星座的过程包括在多维对称的约束条件下设置多维调制的初始星座，并对其使用比特映射，包括：
在多维对称的约束条件下设置多维调制的初始星座，并对其使用优化的比特映射；其中，所述优化的比特映射为使欧氏距离小于预设距离阈值和/或相邻星座点的比特标签相差小于预设比特值。
可选的，所述产生几何整形多维调制星座，包括：
设置多维调制第一象限的初始星座位置，并对其使用所述优化的比特映射，得到目标第一象限的初始星座；
在多维对称的约束条件下，设置其他象限的初始星座位置和所述优化的比特映射，得到目标其他象限的初始星座；
依次选取所述目标第一象限中的一个星座点，在多个维度方向上移动预设距离，并移动所述目标第一象限中其他星座点的质心，以满足平均能量恒定的约束条件，得到目标移动后第一象限的星座；
在所述多维对称的约束条件下，移动目标其他象限对称位置的星座点，得到目标移动后其他象限的星座；
通过所述整形多维调制优化目标函数找到所有星座点的新位置，输出所述几何整形多维调制星座。
可选的，所述通过所述整形多维调制优化目标函数找到所有星座点的新位置，输出所述几何整形多维调制星座，包括：
通过在辅助的AWGN信道中最小化BER的联合上限来找到星座点的新位置，得到目标更新后的星座；其中，所述整形多维调制优化目标函数包括所述最小化BER的联合上限；
确定BER的联合上限收敛或达到最大迭代次数，以输出所述几何整形多维调制星座。
可选的，所述混合概率整形几何整形多维调制为将几何整形多维调制星座与实现概率整形的分布匹配器、实现SD-FEC的LDPC编码器相结合，进行BICM，生成所述混合概率整形几何整形多维调制符号序列。
可选的，所述混合概率整形几何整形多维解调包括软解调、解交织、LDPC解码和分布解匹配。
可选的，所述利用所述几何整形多维调制星座进行混合概率整形几何整形多维调制，得到概率分布满足MB分布的混合概率整形几何整形多维调制符号序列，包括：
将发送比特流进行分流处理，得到第一分支和第二分支；
根据所述几何整形多维调制星座的欧氏距离和给定的整形深度计算出符号的概率分布，利用分布匹配器根据所述符号的概率分布对所述第一分支的比特流进行分布匹配，得到不等概率分布的符号序列；
利用LDPC编码器对所述不等概率分布的符号序列转换后的比特和所述第二分支的比特组合成的比特序列进行编码，得到等概率分布的奇偶检验比特序列；
将所述奇偶校验比特序列与所述第二分支的比特进行组合，得到象限索引比特序列；
将所述不等概率分布的符号序列转换成欧氏距离比特序列，将所述象限索引比特序列和所述欧氏距离比特序列进行组合，并根据所述几何整形多维调制星座进行多维调制符号映射，得到概率分布满足MB分布的混合概率整形几何整形多维调制符号序列。
可选的，所述利用所述混合概率整形几何整形多维调制符号序列进行混合概率整形几何整形多维解调，得到目标混合整形解调比特流，包括：
对所述混合概率整形几何整形多维调制符号序列进行软解调，得到LLR序列；
对所述LLR序列进行解交织，得到解交织LLR序列；
利用LDPC解码器对所述解交织LLR序列进行解码，得到LDPC解码后的信息比特序列；
对所述LDPC解码后的信息比特序列进行分离处理，得到解码后的欧氏距离比特序列和解码后的象限索引比特序列；
对所述解码后的欧氏距离比特序列进行映射，得到符号序列；
利用分布解匹配器对所述符号序列进行分布解匹配，得到解匹配后的比特序列；
将所述解匹配后的比特序列和所述解码后的象限索引比特序列进行组合，得到所述目标混合整形解调比特流。
本发明还提供了一种混合整形多维调制与解调装置，包括：
几何整形模块，用于产生几何整形多维调制星座；其中，所述产生几何整形多维调制星座的过程包括在多维对称的约束条件下设置多维调制的初始星座，并对其使用比特映射，在平均能量恒定的约束条件下移动星座点的位置，通过几何整形多维调制优化目标函数对经比特映射后的星座进行处理，得到所述几何整形多维调制星座；所述整形多维调制优化目标函数的目标是产生非均匀间隔的多维调制星座的目标函数。
混合整形调制模块，用于利用所述几何整形多维调制星座进行混合概率整形几何整形多维调制，得到概率分布满足MB分布的混合概率整形几何整形多维调制符号序列；
混合整形解调模块，用于利用所述混合概率整形几何整形多维调制符号序列进行混合概率整形几何整形多维解调，得到目标混合整形解调比特流。
本发明还提供了一种混合整形多维调制与解调设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述的混合整形多维调制与解调方法。
本发明还提供了一种介质，所述介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器加载并执行时，实现如上述的混合整形多维调制与解调方法。
可见，本发明通过产生几何整形多维调制星座；产生几何整形多维调制星座的过程包括在多维对称的约束条件下设置多维调制的初始星座，并对其使用比特映射，在平均能量恒定的约束条件下移动星座点的位置，通过几何整形多维调制优化目标函数对经比特映射后的星座进行处理，得到几何整形多维调制星座；整形多维调制优化目标函数的目标是产生非均匀间隔的多维调制星座的目标函数。利用几何整形多维调制星座进行混合概率整形几何整形多维调制，得到概率分布满足MB分布的混合概率整形几何整形多维调制符号序列；利用混合概率整形几何整形多维调制符号序列进行混合概率整形几何整形多维解调，得到目标混合整形解调比特流。和当前仅限于二维调制格式，没有涉及更高维调制格式的几何整形方案以及更高维调制格式的混合概率整形几何整形调制与解调方案相比，本申请通过在多维对称的约束条件下设置多维调制的初始星座，并对其使用比特映射，在平均能量恒定的约束条件下移动星座点的位置，使得可以在平均能量恒定的情况下最大化多维调制格式的信息熵。通过施加多维对称的约束条件，缩减最佳星座点位置的搜索空间，保证可达信息率的性能，提升算法收敛速度，在降低算法复杂度的同时，保证可达信息率的性能。。利用几何整形技术优化多维空间中星座点的位置分布，产生非均匀间隔的几何整形多维调制星座，可以提高最小欧式距离，获得整形增益。同时本发明将几何整形的多维调制星座与概率整形技术相结合，实现了多维混合星座整形的联合编码调制和解调。从而可以在多维空间中同时优化星座点的位置分布和概率分布，结合两种星座整形技术的优势，获得更高的整形增益，使通信容量进一步逼近信道的香农极限。
此外，本发明还提供了一种混合整形多维调制与解调装置、设备及介质，同样具有上述有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种混合整形多维调制与解调方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种几何整形多维调制方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种混合整形多维调制与解调方法的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种混合整形多维调制与解调装置的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种混合整形多维调制与解调设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种混合整形多维调制与解调方法的流程图。该方法可以包括：
S101，产生几何整形多维调制星座。
该实施例中产生几何整形多维调制星座的过程包括在多维对称的约束条件下设置多维调制的初始星座，并对其使用比特映射，在平均能量恒定的约束条件下移动星座点的位置，通过几何整形多维调制优化目标函数对经比特映射后的星座进行处理，得到几何整形多维调制星座；整形多维调制优化目标函数的目标是产生非均匀间隔的多维调制星座的目标函数。该实施例中的，几何整形多维调制优化目标函数可以是最小化BER(Bit ErrorRatio，误码率)的联合上限，即在平均能量恒定的约束条件下移动星座点的位置，通过在辅助的AWGN(Additive White Gaussian Noise，加性高斯白噪声)信道中最小化BER的联合上限，直到收敛，得到几何整形的多维调制星座。
需要进一步说明的是，为了使得计算复杂度低且收敛稳定性好，上述产生几何整形多维调制星座的过程包括在多维对称的约束条件下设置多维调制的初始星座，并对其使用比特映射，可以包括：在多维对称的约束条件下设置多维调制的初始星座，并对其使用优化的比特映射；其中，优化的比特映射为使欧氏距离小于预设距离阈值和/或相邻星座点的比特标签相差小于预设比特值。在本发明实施例中，在第一象限中进行比特映射时，对于不能完全实现格雷映射的情况，要使那些欧氏距离最小、最容易判决出错的相邻星座点的比特标签相差最少。即通过优化的比特映射提高实现格雷映射的完整性。
需要进一步说明的是，为了保证产生几何整形多维调整星座的可行性，上述产生几何整形多维调制星座，可以包括：
设置多维调制第一象限的初始星座位置，并对其使用优化的比特映射，得到目标第一象限的初始星座；
在多维对称的约束条件下，设置其他象限的初始星座位置和比特映射，得到目标其他象限的初始星座；
依次选取目标第一象限中的一个星座点，在多个维度方向上移动预设距离，并移动目标第一象限中其他星座点的质心，以满足平均能量恒定的约束条件，得到目标移动后第一象限的星座；
在多维对称的约束条件下，移动目标其他象限对称位置的星座点，得到目标移动后其他象限的星座；
通过整形多维调制优化目标函数找到所有星座点的新位置，输出几何整形多维调制星座。
该实施例并不限定具体的整形多维调制优化目标函数。例如，该实施例中的整形多维调制优化目标函数可以是最大化GMI(广义互信息)，或者该实施例中的整形多维调制优化目标函数可以是最小化BER的联合上限。
需要进一步说明的是，上述通过整形多维调制优化目标函数找到所有星座点的新位置，输出几何整形多维调制星座，可以包括：通过在辅助的AWGN信道中最小化BER的联合上限来找到星座点的新位置，得到目标更新后的星座；其中，整形多维调制优化目标函数包括所述最小化BER的联合上限；确定BER的联合上限收敛或达到最大迭代次数，以输出几何整形多维调制星座。该实施例基于最小化BER的联合上限的优化方案只需要运算较简单的解析式，故计算复杂度低且收敛稳定性好。
S102，利用几何整形多维调制星座进行混合概率整形几何整形多维调制，得到概率分布满足MB分布的混合概率整形几何整形多维调制符号序列。
需要说明的是，上述混合概率整形几何整形多维调制为，将几何整形多维调制星座与实现概率整形的分布匹配器、实现SD-FEC软判决前向纠错技术)的LDPC(低密度奇偶校验码)编码器相结合，进行BICM(比特交织编码调制)，生成混合概率整形几何整形多维调制的符号序列。该实施例中MB分布为麦克斯韦-玻尔兹曼分布。
需要进一步说明的是，上述利用几何整形多维调制星座进行混合概率整形几何整形多维调制，得到概率分布满足MB分布的混合概率整形几何整形多维调制符号序列，包括：
将发送比特流进行分流处理，得到第一分支和第二分支；
根据几何整形多维调制星座的欧氏距离和给定的整形深度计算出符号的概率分布，利用分布匹配器对第一分支的比特流进行分布匹配，得到不等概率分布的符号序列；
利用LDPC编码器对不等概率分布的符号序列转换后的比特和第二分支发送比特组合成的比特序列进行编码，得到等概率分布的奇偶检验比特序列；
将奇偶校验比特序列与第二分支进行组合，得到象限索引比特序列；
将不等概率分布的符号序列转换成欧氏距离比特序列，并将象限索引比特序列和欧氏距离比特序列进行组合，并根据几何整形多维调制星座进行多维调制符号映射，得到概率分布满足MB分布的混合概率整形几何整形多维调制符号序列。
该实施例通过设计并行的架构中将分布匹配器和LDPC编码器(Low DensityParity Check Code，低密度奇偶校验码)分离，结合几何整形的多维调制星座，进行BICM(比特交织编码调制)，实现了多维混合星座整形的联合编码调制。从而结合两种星座整形技术的优势，获得更高的整形增益，使通信容量进一步逼近信道的香农极限。又使优化后的不规则多维调制星座上符号的概率分布满足麦克斯韦-玻尔兹曼(MB)分布。
S103，利用混合概率整形几何整形多维调制符号序列进行混合概率整形几何整形多维解调，得到目标混合整形解调比特流。
需要进一步说明的是，上述混合概率整形几何整形多维解调包括，通过软解调、解交织、LDPC解码和分布解匹配。
需要进一步说明的是，上述利用混合概率整形几何整形多维调制符号序列进行混合概率整形几何整形多维解调，得到目标混合整形解调比特流，可以包括：
对接收的混合概率整形几何整形多维调制符号序列进行软解调，得到LLR序列；
对LLR序列进行解交织，得到解交织LLR序列；
利用LDPC解码器对解交织LLR序列进行解码，得到LDPC解码后的信息比特序列；
对LDPC解码后的信息比特序列进行分离处理，得到解码后的欧氏距离比特序列和解码后的象限索引比特序列；
对解码后的欧氏距离比特序列进行映射，得到符号序列；
利用分布解匹配器对符号序列进行分布解匹配，得到解匹配后的比特序列；
将解匹配后的比特序列和解码后的象限索引比特序列进行组合，得到目标混合整形解调比特流。
该实施例中的LLR序列为对数似然比。该实施例针对多维调制格式，将概率整形技术和几何整形技术结合实现了解调。
本发明实施例提供的混合整形多维调制与解调方法，可以包括：S101，产生几何整形多维调制星座；其中，产生几何整形多维调制星座的过程包括在多维对称的约束条件下设置多维调制的初始星座，并对其使用比特映射，在平均能量恒定的约束条件下移动星座点的位置，通过几何整形多维调制优化目标函数对经比特映射后的星座进行处理，得到几何整形多维调制星座；整形多维调制优化目标函数的目标是产生非均匀间隔的多维调制星座的目标函数。S102，利用几何整形多维调制星座进行混合概率整形几何整形多维调制，得到概率分布满足MB分布的混合概率整形几何整形多维调制符号序列；S103，利用混合概率整形几何整形多维调制符号序列进行混合概率整形几何整形多维解调，得到目标混合整形解调比特流。可见，本申请通过施加多维对称的约束条件，缩减最佳星座点位置的搜索空间，提升算法收敛速度，在降低算法复杂度的同时，保证可达信息率的性能；通过设计并行的架构中将分布匹配器和编码器分离，结合几何整形的多维调制星座，实现了多维混合星座整形的联合编码调制。从而可以在多维空间中同时优化星座点的位置分布和概率分布，结合两种星座整形技术的优势，获得更高的整形增益，使通信容量进一步逼近信道的香农极限。并且，通过优化的比特映射提高实现格雷映射的完整性；并且，该实施例基于最小化BER的联合上限的优化方案只需要运算较简单的解析式，故计算复杂度低且收敛稳定性好；并且，结合几何整形的多维调制星座，进行BICM(比特交织编码调制)，实现了多维混合星座整形的联合编码调制。从而结合两种星座整形技术的优势，获得更高的整形增益。
为了使本发明更便于理解，具体请参考图2，图2为本发明实施例提供的一种几何整形多维调制方法的流程示意图，具体可以包括：
S201，设置多维调制第一象限的初始星座位置，并对其使用优化的比特映射，得到目标第一象限的初始星座。
该实施例中的优化的比特映射是指，使欧氏距离小于预设距离阈值和/或相邻星座点的比特标签相差小于预设比特值的比特映射。在本发明实施例中，在第一象限中进行优化的比特映射时，对于不能完全实现格雷映射的情况，要使那些欧氏距离最小、最容易判决出错的相邻星座点的比特标签相差最少。
S202，在多维对称的约束条件下，设置其他象限的初始星座位置和比特映射，得到目标其他象限的初始星座。
在本发明实施例中，施加多维对称的约束条件使多维调制星座完全由第一象限的星座对称生成。施加多维对称的约束条件不仅可以使混合整形的多维调制与LDPC等SD-FEC编码结合，进行BICM，同时还有助于实现一个近似的格雷映射，它可以首先保证用于象限索引的比特标签是格雷映射的。此外，多维对称的约束条件显著降低了多维调制星座多参数优化的复杂度，以及对光纤通信***收发机DSP算法(数字信号处理算法)的要求。
S203，依次选取目标第一象限中的一个星座点，在多个维度方向上移动预设距离，并移动目标第一象限中其他星座点的质心，以满足平均能量恒定的约束条件，得到目标移动后第一象限的星座。
该实施例中的预设距离是一个比较小的数值，例如可以是0.1的欧氏距离；或者可以是0.01的欧式距离，该预设距离的值非常小，只要可以确保移动了即可。
S204，在多维对称的约束条件下，移动目标其他象限对称位置的星座点，得到目标移动后其他象限的星座。
S205，通过在辅助的AWGN信道中最小化BER的联合上限来找到星座点的新位置，得到目标更新后的星座。
在本发明实施例中，几何整形多维调制优化的目标函数一般包括最大化GMI或者最小化BER的联合上限。其中，基于最大化GMI的优化方案需要使用蒙特卡罗模拟，计算复杂度较高。而基于最小化BER的联合上限的优化方案只需要运算较简单的解析式，计算复杂度低且收敛稳定性好，能快速判断当前星座的性能以及迭代搜索方向，可以优先采用。
对于在多维空间中有M个星座点的多维调制格式，其有M个符号{χ1,χ2,···,χM}，比特标签为{B1,B2,···,BM}。其中，符号χi和χj，i,j∈{1,2,···,M}的比特标签Bi和Bj之间的汉明距离由H(Bi,Bj)表示。在多维星座满足多维对称和平均能量恒定的约束条件下，需要最小化的BER的联合上限的表达式如下：
M表示星座点的个数；H(Bi,Bj)表示比特标签Bi和比特标签Bj之间的汉明距离；Q表示高斯Q函数；||χi-χj||表示在多维空间中两个星座点的距离。
其中，高斯噪声方差σ2由设定的AWGN信道的SNR计算得出，高斯Q函数的表达式为：
x表示输入变量；y表示辅助变量。
S206，不断重复步骤S203至S205直到BER的联合上限收敛或算法达到最大迭代次数。
S207，输出几何整形多维调制星座。
为了使本发明更便于理解，具体请参考图3，图3为本发明实施例提供的一种混合整形多维调制与解调方法的结构示意图，具体可以包括：
该结构框架示意图包括分布匹配器(1)、LDPC编码器(2)、几何整形多维调制星座(3)、多维调制符号映射(4)、软解调(5)、解交织(6)、LDPC编码器(7)和分布解匹配器(8)。
发送端在生成混合概率整形几何整形多维调制的符号序列时，将几何整形的多维调制星座与实现概率整形的分布匹配器、实现SD-FEC的LDPC编码器相结合，进行BICM。
首先，将发送端发送的比特流分为两个分支。根据给定的整形深度(根据需求设定)和几何整形多维调制星座的欧氏距离，计算出混合概率整形几何整形多维调制符号在第一象限的概率分布。上面分支的比特序列进入分布匹配器(1)后，根据第一象限星座的欧氏距离计算出的符号的概率分布，转换为不等概率分布的符号序列。而下面分支的比特序列不做任何处理，被用作象限索引比特序列的一部分。随后，在分布匹配器(1)之后将不等概率分布的符号序列转换成比特序列，和来自另一分支的发送比特序列组合在一起，进入LDPC编码器(2)进行编码。在LDPC编码器(2)之后，可以获得等概率分布的奇偶校验比特序列。等概率分布的奇偶校验比特序列与之前未进入分布匹配器的另一支的比特序列组合在一起，被用作象限索引比特序列，以实现多维对称的符号映射。同时，将从分布匹配器得到的不等概率分布的符号序列转换成欧氏距离比特序列。最后，将象限索引比特序列和欧氏距离比特序列进行组合并且根据几何整形多维调制星座(3)进行多维调制符号映射(4)，生成概率分布满足MB分布的混合概率整形几何整形多维调制符号序列。在设置多维调制格式的比特映射时，对于在N维空间中有2M个星座点的多维调制格式，其比特标签有M个比特，其中N个比特代表2N个象限的象限索引比特，M-N个比特代表每个象限中对应的2M-N个星座点的欧氏距离比特。
发送端生成的混合概率整形几何整形多维调制符号序列经过信道传输后，在接收端进行解调。首先，对接收的符号序列进行软解调(5)，计算得到LLR序列。接着，根据发送端的BICM方案对LLR序列进行相应的解交织(6)。随后，所有的LLR序列一起进入LDPC解码器(7)进行解码。然后，从LDPC解码得到的信息比特序列中分离出欧氏距离比特序列和象限索引比特序列。欧氏距离比特序列映射为符号序列后，进入分布解匹配器(8)进行解匹配。最后，将解匹配得到的比特序列与解码得到的象限索引比特序列进行组合，得到接收的比特流。
下面对本发明实施例提供的一种混合整形多维调制与解调装置进行介绍，下文描述的混合整形多维调制与解调装置与上文描述的混合整形多维调制与解调方法可相互对应参照。
具体请参考图4，图4为本发明实施例提供的混合整形多维调制与解调装置的结构示意图，可以包括：
几何整形模块100，用于产生几何整形多维调制星座；其中，所述产生几何整形多维调制星座的过程包括在多维对称的约束条件下设置多维调制的初始星座，并对其使用比特映射，在平均能量恒定的约束条件下移动星座点的位置，通过几何整形多维调制优化目标函数对经比特映射后的星座进行处理，得到所述几何整形多维调制星座；所述整形多维调制优化目标函数的目标是产生非均匀间隔的多维调制星座的目标函数。
混合整形调制模块200，用于利用所述几何整形多维调制星座进行混合概率整形几何整形多维调制，得到概率分布满足MB分布的混合概率整形几何整形多维调制符号序列；
混合整形解调模块300，用于利用所述混合概率整形几何整形多维调制符号序列进行混合概率整形几何整形多维解调，得到目标混合整形解调比特流。
进一步地，基于上述实施例，上述几何整形模块100，可以包括：
进行优化的比特映射模块，用于在多维对称的约束条件下设置多维调制的初始星座，并对其使用优化的比特映射；其中，所述优化的比特映射为使欧氏距离小于预设距离阈值和/或相邻星座点的比特标签相差小于预设比特值。
进一步地，基于上述实施例，上述几何整形模块100，可以包括：
初始星座位置设置单元，用于设置多维调制第一象限的初始星座位置，并对其使用所述优化的比特映射，得到目标第一象限的初始星座；
其他象限星座位置设置单元，用于在多维对称的约束条件下，设置其他象限的初始星座位置和所述优化的比特映射，得到目标其他象限的初始星座；
第一象限星座点移动单元，用于依次选取所述目标第一象限中的一个星座点，在多个维度方向上移动预设距离，并移动所述目标第一象限中其他星座点的质心，以满足平均能量恒定的约束条件，得到目标移动后第一象限的星座；
其他象限星座点移动单元，用于在所述多维对称的约束条件下，移动目标其他象限对称位置的星座点，得到目标移动后其他象限的星座；
几何整形单元，用于通过所述整形多维调制优化目标函数找到所有星座点的新位置，输出所述几何整形多维调制星座。
进一步地，基于上述实施例，上述几何整形单元，可以包括：
位置寻找子单元，用于通过在辅助的AWGN信道中最小化BER的联合上限来找到星座点的新位置，得到目标更新后的星座；其中，所述整形多维调制优化目标函数包括所述最小化BER的联合上限；
几何整形多维调制星座输出系单元，用于确定BER的联合上限收敛或达到最大迭代次数，以输出所述几何整形多维调制星座。
进一步地，基于上述任意实施例，上述混合概率整形几何整形多维调制为将几何整形多维调制星座与实现概率整形的分布匹配器、实现SD-FEC的LDPC编码器相结合，进行BICM，生成所述混合概率整形几何整形多维调制符号序列。
进一步地，基于上述任意实施例，上述混合概率整形几何整形多维解调包括软解调、解交织、LDPC解码和分布解匹配。
进一步地，基于上述任意实施例，上述混合整形调制模块200，可以包括：
分流单元，用于将发送比特流进行分流处理，得到第一分支和第二分支；
整形单元，用于根据所述几何整形多维调制星座的欧氏距离和给定的整形深度计算出符号的概率分布，利用分布匹配器根据所述符号的概率分布对所述第一分支的比特流进行分布匹配，得到不等概率分布的符号序列；
编码单元，用于利用LDPC编码器对所述不等概率分布的符号序列转换后的比特和所述第二分支的比特组合成的比特序列进行编码，得到等概率分布的奇偶检验比特序列；
组合单元，用于将所述奇偶校验比特序列与所述第二分支的比特进行组合，得到象限索引比特序列；
符号映射单元，用于将所述不等概率分布的符号序列转换成欧氏距离比特序列，将所述象限索引比特序列和所述欧氏距离比特序列进行组合，并根据所述几何整形多维调制星座进行多维调制符号映射，得到概率分布满足MB分布的混合概率整形几何整形多维调制符号序列。
进一步地，基于上述实施例，上述混合整形解调模块300，可以包括：
软解调单元，用于对所述混合概率整形几何整形多维调制符号序列进行软解调，得到LLR序列；
解交织单元，用于对所述LLR序列进行解交织，得到解交织LLR序列；
解码单元，用于利用LDPC解码器对所述解交织LLR序列进行解码，得到LDPC解码后的信息比特序列；
分离单元，用于对所述LDPC解码后的信息比特序列进行分离处理，得到解码后的欧氏距离比特序列和解码后的象限索引比特序列；
解码后的欧氏距离比特序列映射单元，用于对所述解码后的欧氏距离比特序列进行映射，得到符号序列；
分布解匹配单元，用于利用分布解匹配器对所述符号序列进行分布解匹配，得到解匹配后的比特序列；
目标混合整形解调比特流确定单元，用于将所述解匹配后的比特序列和所述解码后的象限索引比特序列进行组合，得到所述目标混合整形解调比特流。
需要说明的是，上述混合整形多维调制与解调装置中的模块以及单元在不影响逻辑的情况下，其顺序可以前后进行更改。
本发明实施例提供的混合整形多维调制与解调装置，可以包括：几何整形模块100，用于产生几何整形多维调制星座；其中，所述产生几何整形多维调制星座的过程包括在多维对称的约束条件下设置多维调制的初始星座，并对其使用比特映射，在平均能量恒定的约束条件下移动星座点的位置，通过几何整形多维调制优化目标函数对经比特映射后的星座进行处理，得到所述几何整形多维调制星座；所述整形多维调制优化目标函数的目标是产生非均匀间隔的多维调制星座的目标函数。混合整形调制模块200，用于利用所述几何整形多维调制星座进行混合概率整形几何整形多维调制，得到概率分布满足MB分布的混合概率整形几何整形多维调制符号序列；混合整形解调模块300，用于利用所述混合概率整形几何整形多维调制符号序列进行混合概率整形几何整形多维解调，得到目标混合整形解调比特流。可见，本申请通过施加多维对称的约束条件，缩减最佳星座点位置的搜索空间，提升算法收敛速度，在降低算法复杂度的同时，保证可达信息率的性能；通过设计并行的架构中将分布匹配器和编码器分离，结合几何整形的多维调制星座，实现了多维混合星座整形的联合编码调制。从而可以在多维空间中同时优化星座点的位置分布和概率分布，结合两种星座整形技术的优势，获得更高的整形增益，使通信容量进一步逼近信道的香农极限。并且，通过优化的比特映射提高实现格雷映射的完整性；并且，该实施例基于最小化BER的联合上限的优化方案只需要运算较简单的解析式，故计算复杂度低且收敛稳定性好；并且，结合几何整形的多维调制星座，进行BICM(比特交织编码调制)，实现了多维混合星座整形的联合编码调制。从而结合两种星座整形技术的优势，获得更高的整形增益。
下面对本发明实施例提供的一种混合整形多维调制与解调设备进行介绍，下文描述的混合整形多维调制与解调设备与上文描述的混合整形多维调制与解调方法可相互对应参照。
请参考图5，图5为本发明实施例提供的一种混合整形多维调制与解调设备的结构示意图，可以包括：
存储器10，用于存储计算机程序；
处理器20，用于执行计算机程序，以实现上述的混合整形多维调制与解调方法。
存储器10、处理器20、通信接口30均通过通信总线40完成相互间的通信。
在本发明实施例中，存储器10中用于存放一个或者一个以上程序，程序可以包括程序代码，程序代码包括计算机操作指令，在本发明实施例中，存储器10中可以存储有用于实现以下功能的程序：
产生几何整形多维调制星座；其中，产生几何整形多维调制星座的过程包括在多维对称的约束条件下设置多维调制的初始星座，并对其使用比特映射，在平均能量恒定的约束条件下移动星座点的位置，通过几何整形多维调制优化目标函数对经比特映射后的星座进行处理，得到几何整形多维调制星座；整形多维调制优化目标函数的目标是产生非均匀间隔的多维调制星座的目标函数。
利用几何整形多维调制星座进行混合概率整形几何整形多维调制，得到概率分布满足MB分布的混合概率整形几何整形多维调制符号序列；其中，混合概率整形几何整形多维调制为将几何整形多维调制星座与实现概率整形的分布匹配器、实现SD-FEC的LDPC编码器相结合，进行BICM，生成混合概率整形几何整形多维调制符号序列；
利用混合概率整形几何整形多维调制符号序列进行混合概率整形几何整形多维解调，得到目标混合整形解调比特流；其中，混合概率整形几何整形多维解调包括软解调、解交织、LDPC解码和分布解匹配。
在一种可能的实现方式中，存储器10可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作***，以及至少一个功能所需的应用程序等；存储数据区可存储使用过程中所创建的数据。
此外，存储器10可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据。存储器的一部分还可以包括NVRAM。存储器存储有操作***和操作指令、可执行模块或者数据结构，或者它们的子集，或者它们的扩展集，其中，操作指令可包括各种操作指令，用于实现各种操作。操作***可以包括各种***程序，用于实现各种基础任务以及处理基于硬件的任务。
处理器20可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、特定应用集成电路、数字信号处理器、现场可编程门阵列或者其他可编程逻辑器件，处理器20可以是微处理器或者也可以是任何常规的处理器等。处理器20可以调用存储器10中存储的程序。
通信接口30可以为通信模块的接口，用于与其他设备或者***连接。
当然，需要说明的是，图5所示的结构并不构成对本发明实施例中混合整形多维调制与解调设备的限定，在实际应用中混合整形多维调制与解调设备可以包括比图5所示的更多或更少的部件，或者组合某些部件。
下面对本发明实施例提供的介质进行介绍，下文描述的介质与上文描述的混合整形多维调制与解调方法可相互对应参照。
本发明还提供一种介质，该介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述的混合整形多维调制与解调方法的步骤。
该介质为计算机可读存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件的方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应该认为超出本发明的范围。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系属于仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其他任何变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
以上对本发明所提供的一种混合整形多维调制与解调方法、装置、设备及可读存储介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (11)
1.一种混合整形多维调制与解调方法，其特征在于，包括：
产生几何整形多维调制星座；其中，所述产生几何整形多维调制星座的过程包括在多维对称的约束条件下设置多维调制的初始星座，并对其使用比特映射，在平均能量恒定的约束条件下移动星座点的位置，通过几何整形多维调制优化目标函数对经比特映射后的星座进行处理，得到所述几何整形多维调制星座；所述目标函数的优化目标是产生非均匀间隔的多维调制星座；
利用所述几何整形多维调制星座进行混合概率整形几何整形多维调制，得到概率分布满足MB分布的混合概率整形几何整形多维调制符号序列；
利用所述混合概率整形几何整形多维调制符号序列进行混合概率整形几何整形多维解调，得到目标混合整形解调比特流。
2.根据权利要求1所述的混合整形多维调制与解调方法，其特征在于，所述产生几何整形多维调制星座的过程包括在多维对称的约束条件下设置多维调制的初始星座，并对其使用比特映射，包括：
在多维对称的约束条件下设置多维调制的初始星座，并对其使用优化的比特映射；其中，所述优化的比特映射为使欧氏距离小于预设距离阈值和/或相邻星座点的比特标签相差小于预设比特值。
3.根据权利要求2所述的混合整形多维调制与解调方法，其特征在于，所述产生几何整形多维调制星座，包括：
设置多维调制第一象限的初始星座位置，并对其使用所述优化的比特映射，得到目标第一象限的初始星座；
在多维对称的约束条件下，设置其他象限的初始星座位置和所述优化的比特映射，得到目标其他象限的初始星座；
依次选取所述目标第一象限中的一个星座点，在多个维度方向上移动预设距离，并移动所述目标第一象限中其他星座点的质心，以满足平均能量恒定的约束条件，得到目标移动后第一象限的星座；
在所述多维对称的约束条件下，移动目标其他象限对称位置的星座点，得到目标移动后其他象限的星座；
通过所述整形多维调制优化目标函数找到所有星座点的新位置，输出所述几何整形多维调制星座。
4.根据权利要求3所述的混合整形多维调制与解调方法，其特征在于，所述通过所述整形多维调制优化目标函数找到所有星座点的新位置，输出所述几何整形多维调制星座，包括：
通过在辅助的AWGN信道中最小化BER的联合上限来找到星座点的新位置，得到目标更新后的星座；其中，所述整形多维调制优化目标函数包括所述最小化BER的联合上限；
确定BER的联合上限收敛或达到最大迭代次数，以输出所述几何整形多维调制星座。
5.根据权利要求1至4任一项所述的混合整形多维调制与解调方法，其特征在于，所述混合概率整形几何整形多维调制为将几何整形多维调制星座与实现概率整形的分布匹配器、实现SD-FEC的LDPC编码器相结合，进行BICM，生成所述混合概率整形几何整形多维调制符号序列。
6.根据权利要求1至4任一项所述的混合整形多维调制与解调方法，其特征在于，所述混合概率整形几何整形多维解调包括软解调、解交织、LDPC解码和分布解匹配。
7.根据权利要求1所述的混合整形多维调制与解调方法，其特征在于，所述利用所述几何整形多维调制星座进行混合概率整形几何整形多维调制，得到概率分布满足MB分布的混合概率整形几何整形多维调制符号序列，包括：
将发送比特流进行分流处理，得到第一分支和第二分支；
根据所述几何整形多维调制星座的欧氏距离和给定的整形深度计算出符号的概率分布，利用分布匹配器根据所述符号的概率分布对所述第一分支的比特流进行分布匹配，得到不等概率分布的符号序列；
利用LDPC编码器对所述不等概率分布的符号序列转换后的比特和所述第二分支的比特组合成的比特序列进行编码，得到等概率分布的奇偶检验比特序列；
将所述奇偶校验比特序列与所述第二分支的比特进行组合，得到象限索引比特序列；
将所述不等概率分布的符号序列转换成欧氏距离比特序列，将所述象限索引比特序列和所述欧氏距离比特序列进行组合，并根据所述几何整形多维调制星座进行多维调制符号映射，得到概率分布满足MB分布的混合概率整形几何整形多维调制符号序列。
8.根据权利要求7所述的混合整形多维调制与解调方法，其特征在于，所述利用所述混合概率整形几何整形多维调制符号序列进行混合概率整形几何整形多维解调，得到目标混合整形解调比特流，包括：
对所述混合概率整形几何整形多维调制符号序列进行软解调，得到LLR序列；
对所述LLR序列进行解交织，得到解交织LLR序列；
利用LDPC解码器对所述解交织LLR序列进行解码，得到LDPC解码后的信息比特序列；
对所述LDPC解码后的信息比特序列进行分离处理，得到解码后的欧氏距离比特序列和解码后的象限索引比特序列；
对所述解码后的欧氏距离比特序列进行映射，得到符号序列；
利用分布解匹配器对所述符号序列进行分布解匹配，得到解匹配后的比特序列；
将所述解匹配后的比特序列和所述解码后的象限索引比特序列进行组合，得到所述目标混合整形解调比特流。
9.一种混合整形多维调制与解调装置，其特征在于，包括：
几何整形模块，用于产生几何整形多维调制星座；其中，所述产生几何整形多维调制星座的过程包括在多维对称的约束条件下设置多维调制的初始星座，并对其使用比特映射，在平均能量恒定的约束条件下移动星座点的位置，通过几何整形多维调制优化目标函数对经比特映射后的星座进行处理，得到所述几何整形多维调制星座；所述整形多维调制优化目标函数的目标是产生非均匀间隔的多维调制星座的目标函数；
混合整形调制模块，用于利用所述几何整形多维调制星座进行混合概率整形几何整形多维调制，得到概率分布满足MB分布的混合概率整形几何整形多维调制符号序列；其中，所述混合概率整形几何整形多维调制为将几何整形多维调制星座与实现概率整形的分布匹配器、实现SD-FEC的LDPC编码器相结合，进行BICM，生成所述混合概率整形几何整形多维调制符号序列；
混合整形解调模块，用于利用所述混合概率整形几何整形多维调制符号序列进行混合概率整形几何整形多维解调，得到目标混合整形解调比特流；其中，所述混合概率整形几何整形多维解调包括软解调、解交织、LDPC解码和分布解匹配。
10.一种混合整形多维调制与解调设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8任一项所述的混合整形多维调制与解调方法。
11.一种介质，其特征在于，所述介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器加载并执行时，实现如权利要求1至8任一项所述的混合整形多维调制与解调方法。
Priority Applications (1)
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