一种应用于短距离光纤通讯的纠错编码和概率整形方法

1.本发明涉及光纤通信领域，具体来说，涉及信道编码领域，特别的，涉及一种应用于短距离光纤通讯的纠错编码和概率整形方法。


背景技术：

2.随着全球信息数据的成倍增长，要求着高速光纤通信的技术发展能跟上该领域使用用户的需求量，使得数据中心光互联成为了全球研究的热点，其中，高速短距离的数据中心是热点中的焦点。如何找到一种具有更高的信息速率、发射频率尽可能低的信道编码方案是目前的研发关键。根据香农定理可知，可靠的通信数据和高传输速率二者是不可兼得的，现有技术中在进行高速光纤通信信道编码时与概率整形技术相结合的联合编码调制方案使得整形后的符号平均功率更低并保证信息的准确性与可靠性。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术的缺点，提供了一种应用于短距离光纤通讯的纠错编码和概率整形方法，在编码流程上采取先前向纠错编码后概率整形的顺序，以保证通信可靠性的同时，降低发射机的发射功率与能耗。
4.一种应用于短距离光纤通讯的纠错编码和概率整形方法，步骤包括：
5.将信源信息基于硬判决的阶梯码进行第一次编码，将第一次编码后的信源信息基于软判决的汉明码进行第二次编码；
6.对所述第二次编码后的信源信息进行划分，划分后的信源信息将基于枚举球映射进行概率整形或者用于高阶调制。
7.进一步的，所述基于枚举球映射进行概率整形的步骤包括：
8.将所述第二次编码后的信源信息uc分为符号信息ua和整形信息us。us经过基于枚举球映射后进行分布，映射为预设长度的振幅序列。
9.进一步的，所述基于枚举球映射进行概率整形的公式包括：
[0010][0011]k′
是由能量振幅格确定的整形序列集合s0可以建立映射的比特数量；
[0012]
含有ksbit的信息序列us被映射为长度为的振幅序列；
[0013]
在进行星座映射之前，要将ua平均分配整形后的振幅序列；
[0014]
其中，m表示调制阶数，如16qam调制的m＝4。
[0015]
进一步的，所述基于硬判决的阶梯码进行第一次编码的步骤包括：
[0016]
所述硬判决编码的构造是阶梯码，所述阶梯码的码长为2n的bch码，所述阶梯码的奇偶校验位长度为k，所述阶梯码的信息码字长度为2n-k；
[0017]
选择n
×
n的矩阵bi(i＝0,1,2,
…
)，左侧n-k列构成信息位，右侧k列构成校验位，
以上述矩阵结构进行类推。
[0018]
本发明有益效果
[0019]
本发明的技术方案在编码流程上采取先前向纠错编码后概率整形的顺序，且可以采用概率整形技术，调整符号出现的概率降低信号的平均功率。通信信道的最大容量可以通过优化信源的概率分布来实现，概率整形技术在有限平均功率约束下，采用均匀分布以外的源分布来提高信息传输速率，保证通信可靠性的同时降低发射机的发射功率。
附图说明
[0020]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
[0021]
图1为本发明一个实施例的发送端编码调制流程图；
[0022]
图2为本发明一个实施例的阶梯码示意图；
[0023]
图3为本发明一个实施例的阶梯码实例示意图；
[0024]
图4为本发明一个实施例的振幅格结构示意图；
[0025]
图5为本发明一个实施例的调试后的结果示意图。
具体实施方式
[0026]
下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
[0027]
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
[0028]
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0029]
本发明提供一种应用于短距离光纤通讯的纠错编码和概率整形方法，本方案将阶梯码和枚举球映射算法联合，并在编码流程上采取先前向纠错编码后概率整形的顺序，具有三个主要优点：首先，通过改变固定前向纠错(fec)码的幅度整形块的速率，可以很容易地调整ps(probabilistic shaping,ps)方案的传输速率，使得所提出的方案具有更好的普适性。第二，由于fec码的解码先于ps中的去整形操作，因此消除了应用可能具有广泛复杂性的软输出去整形器的要求，使得系统中传输信息和整形所需要的符号信息匹配关系得以简化。第三，通过这种手段维持概率分布不变，进一步降低误码率，提高性能。
[0030]
该设计方案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
。
[0031]
该方案主要的设计编码调制流程包括：阶梯码编码、汉明码编码、整形、调制等。发送端编码调制流程图如图1所示。在本方案中，信源信息首先进行前向纠错编码，而编码后的信息uc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。分布匹配器将均匀分布的us映射为带有目标分布的振幅序
列。而信息ua将作为星座点的符号，与振幅序列一起按照16qam的映射规则形成星座点后进入光纤中传输。
[0032]
本方案首先对信源数据进行两次前向纠错编码。第一次编码为硬判决，旨在降低编码复杂度，第二次编码为软判决，旨在降低误码率。本发明中采用的硬判决编码的构造是阶梯码，它结合了卷积编码和块编码的思想。阶梯码选择码长为2n的bch码作为分量码，奇偶校验位长度为k，则信息码字长度为2n-k。选择n
×
n的矩阵bi(i＝0,1,2,
…
)，左侧n-k列构成信息位，右侧k列构成校验位。其中初始矩阵b0设为全0矩阵，如图2所示,以五个码块构成的阶梯码为例,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。
[0033]
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，本方案将编码后的信息uc分为符号信息ua和整形信息us。us经过基于枚举球映射的分布匹配器，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，枚举球映射比恒成分分布匹配具有更低的速率损耗，所以本方案中概率整形部分选用基于枚举球映射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枚举球映射的有界能量振幅格决定。以图4所示，振幅格结构为例，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。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，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。
[0034]
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
[0035][0036]
综上，含有ksbit的信息序列us被映射为长度为的振幅序列。
[0037]
在进行星座映射之前，要将ua平均分配整形后的振幅序列，这就要求ka和ks满足以下关系：
[0038][0039]
其中m表示调制阶数，如16qam调制的m＝4。
[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，设置批量大小(即重复运算次数)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]
将信息分为i、q两路，对i路和q路做相同的处理。
[0043]
以i路为例，对信源信息(326,757,852,652bits)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3所示，浅灰色部分表示校验位，深灰色部分表示后加的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前向纠错编码后的信息uc的长度为375,000,046,080bits。
[0044]
为完成星座映射，将uc分为两部分，其中us(175,000,021,504bits)被送入本部匹配器进行概率整形，ua(200,000,024,576bits)则作为星座点的符号留下备用。
[0045]
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emax＝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组序列，其中能量最低的214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5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。经过整形，us的长度恰好和ua保持一致，符合16qam调制的映射规则。
[0046]
进一步的，还包括星座映射。i路的具体映射规则如下表，q路同理。
[0047]
00+101+310-111-3
[0048]
本实例将总数为326,757,852,652bits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，最终令400,000,049,152bits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约为0.81689。
[0049]
最终调制映射的结果如图5所示。
[0050]
本技术上述的附图中的流程图和框图，图示了按照本技术各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示
的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这根据所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以通过执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以通过专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0051]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0052]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应作广义理解。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0053]
以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种应用于短距离光纤通讯的纠错编码和概率整形方法，其特征在于，步骤包括：将信源信息基于硬判决的阶梯码进行第一次编码，将第一次编码后的信源信息基于软判决的汉明码进行第二次编码；对所述第二次编码后的信源信息进行划分，划分后的信源信息将基于枚举球映射进行概率整形或者用于高阶调制。2.根据权利要求1所述的应用于短距离光纤通讯的纠错编码和概率整形方法，其特征在于，所述基于枚举球映射进行概率整形的步骤包括：将所述第二次编码后的信源信息u
c
分为符号信息u
a
和整形信息u
s
，u
s
经过基于枚举球映射后进行分布，映射为预设长度的振幅序列。3.根据权利要求2所述的应用于短应用于短距离光纤通讯的纠错编码和概率整形方法，其特征在于，所述基于枚举球映射进行概率整形的公式包括：k
′
是由能量振幅格确定的整形序列集合s0能够建立映射的比特数量，n为整形序列长度；含有k
s
bit的信息序列u
s
被映射为长度为的振幅序列；在进行星座映射之前，要将u
a
平均分配给整形后的振幅序列；其中，m表示调制阶数。4.根据权利要求1所述的应用于短距离光纤通讯的纠错编码和概率整形方法，其特征在于，所述基于硬判决的阶梯码进行第一次编码的步骤包括：所述硬判决编码的构造是阶梯码，所述阶梯码的码长为2n的bch码，所述阶梯码的奇偶校验位长度为k，所述阶梯码的信息码字长度为2n-k；选择n
×
n的矩阵bi，其中i＝0,1,2,
…
，左侧n-k列构成信息位，右侧k列构成校验位，以上述矩阵结构进行类推。

技术总结
本发明涉及一种应用于短距离光纤通讯的纠错编码和概率整形方法，包括步骤：将信源信息基于硬判决的阶梯码进行第一次编码，将第一次编码后的信源信息基于软判决的汉明码进行第二次编码；对所述第二次编码后的信源信息进行划分，划分后的信源信息将基于枚举球映射进行概率整形或者用于高阶调制。本发明的有益效果是，本技术方案可以采用概率整形技术，调整符号出现的概率降低信号的平均功率。通信信道的最大容量可以通过优化信源的概率分布来实现，概率整形技术是一种在有限平均功率约束下，采用均匀分布以外的源分布来提高信息传输速率的方法，保证通信可靠性的同时降低发射机的发射功率。的发射功率。的发射功率。


技术研发人员：忻向军 田清华 刘子祺 张雨晴 姚海鹏 高然 王富 李志沛 田凤 董泽 朱磊 张琦
受保护的技术使用者：北京邮电大学
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/8/14