一种适用于短距离高速光纤通信系统的联合编码调制方法

1.本发明涉及光纤通信技术领域，尤其是一种适用于短距离高速光纤通信系统的联合编码调制方法。


背景技术：

2.随着通信技术的不断发展，人们对高速率、大容量的通信网络的需求日益迫切。在短距离光通信领域，更低的发射功率和更大的信息速率是目前追求的目标，然而两者往往不可兼得。
3.前向纠错编码(fec)技术是通信系统中常用的纠错方法，fec码有助于系统检测和翻转接收数据中的损坏数量，而无需数据重传。fec编码的技术是首先通过编码将冗余比特(奇偶校验比特)添加到信息数据中，以在发射机侧形成码字。然后，码字被发送，接收机对接收到的码字进行解码，以检测错误并纠正信息比特中的损坏比特。强大高效的纠错编码是通信系统中必不可少的环节。在高速光数据中心互联中，为了满足日益增长的数据速率需求，oif提出了400zr的实施协议。其中，在fec部分采用了硬判决的阶梯码(255,239)作为外码，软判决的汉明码(128,119)作为内码，构成了级联编码(cfec)。
4.概率整形技术通过调整符号出现的概率降低信号的平均功率，是提高光纤通信系统频谱效率的一种有效手段。此外，一些具有峰值功率约束的概率整形算法还拥有一定的对抗非线性效应的能力。现有的高速调制技术并没有结合概率整形，这就导致发射功率始终是一个关键问题。本方案概率整形技术与fec结合可以在保证信息的准确性与可靠性的同时降低整个通信系统的功率损耗，在未来高速率光通信网络中拥有十分可观的应用前景。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明提供一种适用于高速短距离光通信网络的编码调制方法，将枚举球映射算法和阶梯码联合，使用概率整形和前向纠错编码的比特对应匹配方式；提取冗余位，结合原始信源信息的一部分，共同映射为星座点的符号，通过这种手段维持概率分布不变，避免了前向纠错编码对概率分布的破坏。
6.本发明的技术方案为：一种适用于短距离高速光纤通信系统的编码调制方法，将基于枚举球映射的概率整形技术和基于高速短距光互连的前向纠错编码(阶梯码和汉明码的级联编码)相结合，具体包括如下步骤：
7.步骤1、对输入的信息比特进行分组，分为不做任何操作的长度为kabit的第一信息序列ua，以及将要被整形的长度为ksbit的第二信息序列us；
8.步骤2、采用基于枚举球映射方法的分布匹配器将均匀分布的二进制信息转换为带有目标分布的符号序列，称经过二进制标签后的上述符号序列为整形信息uc；
9.步骤3、将uc作为前向纠错编码模块的输入信息，被进行两次编码：基于硬判决的阶梯码和基于软判决的汉明码。
10.进一步的，在步骤1之前，还包括，将输入的信源信息分为i、q两路，两路做相同的处理。
11.进一步的，还包括步骤4：信息交织，提取校验位，按照uc，ua，u
oh
的顺序排列信息。
12.进一步的，还包括步骤5：行星座映射，提取ua和u
oh
作为星座点的符号，uc作为星座点的幅度，i路的具体映射规则与q路相同。
13.有益效果
14.本发明将一种基于空间编码的枚举球映射整形算法和一种低复杂度的前向纠错编码结合，从而同时达到高效率利用序列的能量空间和高速编码的效果。本发明提出的联合编码调制方法使得整形后的符号平均功率更低并且保证信息的准确性与可靠性，具有低能耗、低时延、准确性高等优势。
附图说明
15.图1：本发明的方法流程框图；
16.图2：振幅格结构示意图；
17.图3：每个码块进行阶梯式级联示意图；
18.图4：整形后的星座图；
19.图5：一个实施例中的阶梯码分配示意图。
具体实施方式
20.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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
21.根据本发明的实施例，提出一种适用于短距离高速光纤通信系统的编码调制方法，将基于枚举球映射的概率整形技术和基于高速短距光互连的前向纠错编码(阶梯码和汉明码的级联编码)相结合，如图1所示，具体包括如下步骤：
22.步骤1、对输入的信息比特进行分组，分为不做任何操作的长度为kabit的第一信息序列ua，以及将要被整形的长度为ksbit的第二信息序列us；
23.步骤2、采用基于枚举球映射方法的分布匹配器将均匀分布的二进制信息转换为带有目标分布的符号序列，称经过二进制标签后的上述符号序列为整形信息uc；
24.步骤3、将uc作为前向纠错编码模块的输入信息，被进行两次编码，首先进行基于硬判决的阶梯码编码，然后进行基于软判决的汉明码编码；
25.步骤4、进行信息交织和星座映射。
26.具体的，该方法中主要的设计参数包括：整形序列长度n，整形序列最大能量e
max
，振幅序列a＝{a1,a2,
…
}，整形编码率rs，阶梯码码率r
hd
、汉明码码率r
sd
。
27.发送端编码调制流程图如图1所示。在本发明中，信源信息将被分为两个部分，分别是不做任何操作的长度为kabit的信息序列ua和将要被整形的长度为ksbit的信息序列us，bits为位。分布匹配器将均匀分布的二进制信息转换为带有目标分布的符号序列，称经过二进制标签后的上述序列为整形信息uc。整形信息uc作为信息位被进行前向纠错编码，产
生额外的校验信息u
oh
，uc、ua和u
oh
被按照16qam的映射规则形成星座点后进入光纤中传输。
28.us经过基于枚举球整形的分布匹配器，由二进制信息映射为具有一定长度的振幅序列。在相同的成形速率下，ess比恒成分分布匹配(constant composition distribution matcher，ccdm)具有更低的速率损耗，所以本发明中概率整形部分选用基于ess的算法来达到高速光通信的要求。us与振幅序列的映射关系由ess的有界能量振幅格决定。
29.以图2所示振幅格结构为例。图中n表示振幅格结构的列数；l表示振幅格结构的行数；e表示当前状态前n个状态上的振幅序列的累积能量。在这个结构中，每个状态代表一个能量水平，每个分支表示振幅集合a＝{a1,a2,
…
}中的一个振幅，每条路径从零能量状态开始到最后一个状态结束代表一个振幅序列。表示从当前能量状态前进到最后一个能量状态的总路径数，因此表示该结构的序列总数。在联合编码方案中，只有数量满足2的整数次幂的序列集合才能够与信源信息建立一对一映射，因此需要舍弃部分序列。由能量振幅格确定的整形序列集合s0可以建立映射的最大比特的数量为
[0030][0031]
综上可计算得出，含有ksbit的信息序列us被映射为长度为的振幅序列。
[0032]
振幅序列需要转换为二进制序列uc才可以进行前向纠错编码。用k"表示用二进制表示一个振幅所需的比特数，可得uc包含的比特数量为
[0033]
为了降低系统计算的复杂度，本发明进一步提出一种新的编码信息和整形信息的约束关系，具体关系式将在之后说明。
[0034]
本发明仅以uc作为前向纠错编码模块的输入信息，uc将被进行两次纠错编码。第一次编码为基于硬判决的阶梯码，旨在降低编码复杂度，第二次编码为基于软判决的汉明码，旨在降低误码率。本发明中采用的阶梯码结合了卷积编码和块编码的思想，fec块码选择码长为2m的bch码作为分量码，奇偶校验位长度为r，则信息码字长度为2m-r。选择m
×
m的矩阵bi(i＝0,1,2,
…
,n)，左侧m-r列构成信息位，右侧r列构成校验位。其中初始矩阵b0设为全0矩阵，如图3所示,每个码块进行阶梯式级联就构成了阶梯码，灰色部分表示校验位。矩阵[bt i-1,bi]的每一行都是bch的有效码字，即阶梯块的每一行和每一列都是bch的有效码字。软判决编码方式为汉明码，进一步保证信息的准确性。
[0035]
前向纠错编码引入的开销服从均匀分布，为保证整形分布不变，本方案令校验信息u
oh
和信息ua一起表示星座图中星座点的符号。这就要求kc、ka和k
oh
要满足所提出的以下关系：
[0036][0037]
其中m表示调制阶数，如16qam调制的m＝4。由此可以得到信源部分ua和us的长度关系满足：
[0038][0039]
实施例1
[0040]
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面结合附图以dp-16qam调制的800gbit/s短距离光通信系统为例说明。本实施例以本设计方法为前提下实施，但不限于此传输系统。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。
[0041]
为减轻系统运算压力，设置重复运算次数为6868。本实例参数设计如下：整形序列长度n＝16，整形序列最大能量e
max
＝72，振幅序列a＝{1,3}，整形编码率阶梯码码率汉明码码率方案流程如下：
[0042]
(1)将信源信息分为i、q两路。
[0043]
(2)对i路和q路做相同的处理，以i路为例，将待传输的数据分为us(25,483,136bits)和ua(24,823,808bits)部分，其中us进入ess分布匹配器进行概率整形，ua不做任何处理留下备用。
[0044]
(3)对us进行分布匹配。按如下参数设计概率幅度形状：令整形序列长度n＝16，最大序列能量e
max
＝72，当整形幅度集合a＝{1,3}时，可由枚举运算得出一共可以产生t
00
＝26332组序列，其中能量最低的2
14
组序列被应用到整形中，因此整形编码率rs＝14/16＝0.8750。整形后的星座图如图4所示。整形后，振幅“1”出现的概率为0.6691，振幅“3”出现的概率为0.3309，星座图的平均能量为3.6472。
[0045]
(4)用二进制表示振幅序列，得到前向纠错编码模块的输入信息uc(29,123,584bits)。
[0046]
(5)对信息uc进行阶梯编码，其中阶梯码的码率分别为r
hd
和r
sd
。阶梯编码将产生开销u
oh
。设置初始矩阵b0为512
×
512的全0矩阵，则b1大小为512
×
510，b1左侧478列作为信息位，右侧奇偶校验位为32列，之后的阶梯块仿照块b1进行构造，以此类推。矩阵[bt i-1,bi]的每一行刚好满足所选分量码bch(1022,990)。但是进行阶梯构造时会存在问题：由于b1之后的块不是按照m
×
m矩阵构造的，所以不能直接拼凑，存在2列的误差。所以解决办法是在b1以及之后的矩阵编码完成后再添加一个512
×
2的全0矩阵，形成了512
×
512的方形矩阵，这样就可以按照传统的阶梯编码方式进行阶梯组合了。如图5所示，灰色部分表示校验位，斜线填充部分表示后加的512
×
2的全0矩阵。关于阶梯码的编码效率问题，由组件码bch(1022,990)所构造的阶梯码编码效率
[0047]
(6)汉明编码。将阶梯码编码后的码字进行汉明码的编码，进一步保证信息的准确性。其中汉明码的码率为
[0048]
(7)信息交织。提取校验位，按照uc，ua，u
oh
的顺序排列信息。
[0049]
(8)星座映射。提取ua和u
oh
作为星座点的符号，uc作为星座点的幅度，i路的具体映射规则如下表，q路同理。
[0050][0051][0052]
本实例将总数为345,508,091,392bits的数据通过概率整形与前向纠错的联合编码调制，引入了额外的整形信息和校验信息，最终400,041,549,824bits的数据按照16qam调制格式进入光纤信道。本实施实例的总码率为0.86368。
[0053]
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

技术特征：
1.一种适用于短距离高速光纤通信系统的编码调制方法，其特征在于：步骤1、对输入的信息比特进行分组，分为不做任何操作的长度为k
a
bit的第一信息序列u
a
，以及将要被整形的长度为k
s
bit的第二信息序列u
s
；步骤2、采用基于枚举球映射方法的分布匹配器将均匀分布的二进制信息转换为带有目标分布的符号序列，称经过二进制标签后的上述符号序列为整形信息u
c
；步骤3、将u
c
作为前向纠错编码模块的输入信息，被进行两次编码，首先基于硬判决的阶梯码，然后基于软判决的汉明码进行编码。2.根据权利要求1所述的一种适用于短距离高速光纤通信系统的编码调制方法，其特征在于：所述步骤2中，采用基于概率整形和前向纠错编码的比特对应匹配方式，对于所述的第二信息序列，令校验信息u
oh
和符号信息u
a
共同表示星座图中星座点的符号，信息比特k
c
、k
a
和校验比特k
oh
要满足以下关系：其中，r
hd
是阶梯编码的码率，r
sd
是汉明编码的码率，m表示调制阶数。3.根据权利要求1所述的一种适用于短距离高速光纤通信系统的编码调制方法，其特征在于：在步骤1之前，还包括，将输入的信源信息分为i、q两路，两路做相同的处理。4.根据权利要求1所述的一种适用于短距离高速光纤通信系统的编码调制方法，其特征在于：还包括步骤4：信息交织，提取校验位，按照u
c
，u
a
，u
oh
的顺序排列信息。5.根据权利要求1所述的一种适用于短距离高速光纤通信系统的编码调制方法，其特征在于，还包括步骤5：进行星座映射，提取u
a
和u
oh
作为星座点的符号，u
c
作为星座点的幅度，i路的具体映射规则与q路相同。

技术总结
本发明提出一种适用于短距离高速光纤通信系统的编码调制方法，包括：步骤1、对输入的信息比特进行分组，分为不做任何操作的长度为k


技术研发人员：田清华 忻向军 张雨晴 刘子祺 姚海鹏 高然 董泽 朱磊 王富 田凤 张琦 王拥军
受保护的技术使用者：北京邮电大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/7/13