一种低复杂度概率整形的编码调制实现方法

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，特别是概率整形的高阶调制光纤通信系统。

背景技术

随着短视频、车联网、物联网等的发展，通信网络中的业务流量激增。面对日益增长的带宽需求，对光纤通信系统的容量扩充迫在眉睫。因此，在现有的光纤设施下，如何实现更高的频谱效率或更长的传输距离是系统设计的关键。而标准的调制格式在频谱效率上仅能提供离散的粗颗粒度，因此无法在不同的信道条件下实现接近信道容量的传输。

为了克服这一问题，概率整形技术被应用于光纤通信系统，通过改变星座图中不同点的出现概率，能够实现任意精细速率或距离的权衡，获得整形增益。对于概率整形的实现，目前普遍采用恒定成分分布匹配的方法将均匀信源转换为期望分布，然而在实际应用中，该方法存在着以下缺陷：原理上依赖串行算术编码，不利于并行化实现应用于硬件中；输入和输出序列一一映射，当接收到的输出序列存在少量错误时，便无法恢复出原始的输入序列，造成大规模的译码错误，存在着误码传播；与前向纠错码的结合依赖概率幅度整形等特殊架构，对前向纠错码的码率和种类有限制。

本发明提供了一种低复杂度概率整形的编码调制实现方法，将概率整形的实现结合在调制过程中，通过概率子集划分、子集权重计算和整形帧构造三个步骤，实现了均匀比特向期望符号分布的映射，同时避免了传统整形技术中并行化程度低、误码传播严重和前向纠错码兼容性差的问题。

发明内容

本发明提供了一种低复杂度概率整形的编码调制实现方法，通过概率子集划分、子集比例计算和整形帧构造三个步骤，可达到了期望的概率整形效果，相对于传统的概率整形实现方法，降低了实现复杂度，且实现架构更利于并行化实现。

所述低复杂度概率整形的编码调制实现方法中，概率整形的实现不依赖于非均匀分布比特的产生，而是通过调整比特到符号的调制过程实现。对于任意一种调制格式，首先对其星座图进行概率子集划分，得到若干子集，然后计算期望的概率分布下各子集的比例，最后按照该比例对输入划分，进行相应的调制，从而实现概率整形信号的产生。

其中，所述的概率子集划分将调制星座分割、重构，形成若干与概率分布相关的子集，子集内部分布均匀，其步骤如下：

概率集划分：将星座图中概率相等的符号划分到一个集合，并按照集合对应的概率值降序排列，从而得到了一系列内部分布均匀的集合χ

子集划分：为了能够用整数个比特映射集合内的信号，所有集合需要被重构为新的集合χ′

概率能级设置：设定与概率值个数相等的p个概率能级并确定每个能级的子集范围，每个能级中有不少于1个由子集组合而成的集合。其中，在能级Pj中的集合仅对前j个概率值有贡献，即集合的符号只能来自于下标不大于j子集中。该设置原则保证了子集比例计算过程中解的存在性。

子集重构：由子集重构每个概率能级下的集合。对于任意能级Pj，首先确定从

在完成了对星座图的子集划分和重构后，接下来要进行子集比例计算，根据期望的概率分布确定概率子集划分产生的各子集在整形编码调制过程中的比例，实现概率整形。

其中，所述子集比例计算如下：

考虑星座图在某种分布下具有p种不同的概率

其中C为各集合对概率的贡献所构成的矩阵：

可以证明，该方程有解，且解为：

其中，C

在确定集合比例后，根据整形帧的长度确定各集合的个数，然后对输入比特并行、分块处理，调制产生概率整形信号，这一过程为整形帧构造。

其中，所述整形帧构造如下：

子集个数计算：对于任意设定的整形输出长度n，即输出n个符号，各子集的个数应为n

子集个数量化：由于所有的n

输入长度计算：在确定各集合的量化个数n

输入比特划分：概率整形信号的产生过程中，串行输入的比特转换为每m个比特为一组的并行比特，每组比特视为一个整形帧，在帧中，数据被划分为q个块，不同块的比特在调制过程中选择不同的集合进行映射，最后得到n个符号。对于其中的第i个块，其比特长度为n′

在接收端，系统进行相应的逆过程将符号恢复回比特，由于每个符号对应的集合是可知的，因此在解调的过程中，只需在集合内的信号中计算度量值，降低了复杂度和差错概率。另外，由于集合内的信号是等概的，这意味着软判决时不需要像其他的概率整形方案那样对对数似然比计算方法进行适配概率整形的修正。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种16QAM概率子集划分示意图；

图2为概率整形信号产生的示意图。

具体实施方式

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。这些实施方式只是示例性的，不是对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域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。下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

实施例1:

在单载波100G/400G相干光通信系统中，将采用16QAM作为主要的调制格式，随着传输距离的提升、发射功率的增大，概率整形技术有利于降低信号所受非线性损伤，有利于提升传输距离。因此，对于16QAM的概率整形实现方法研究具有重要意义。

本实施例将以MB分布下16QAM为例对所述低复杂度概率整形的编码调制实现方法中的概率子集划分过程进行说明。

概率集划分：MB分布下16QAM星座图中包含三种概率值，从高到低分别对应，将星座图中概率相等的符号划分到一个集合，并按照集合对应的概率值降序排列，从而得到了一系列内部分布均匀的集合χ

子集划分：将所有集合χ

概率能级设置：设定3个概率能级，每个能级中有不少于1个由子集组合而成的集合。其中，在能级Pj中的集合仅对第j个概率值有贡献，即集合的符号只能来自于下标不大于j子集中，如附图1所示，P1中所包含的子集只有

子集重构：由子集重构每个概率能级下的集合。对于任意能级Pj，首先确定从

子集划分过程是仅与调制格式相关的一次性的工作，无论所需的分布参数、整形帧的输出长度如何变化，只要调制格式没有改变，子集划分的结果就是不变的，因此，在实际的实现中，这一过程并不需要反复执行。只需将划分的结果作为码本存储下来，在调制过程中调用不同的集合即可。因此，这一过程的计算复杂度在实际运行中是可以忽略不计的。

实施例2：

本实施例将以MB分布下16QAM为例对所述低复杂度概率整形的编码调制实现方法中的子集比例计算过程进行说明。

16QAM星座图中所有点具有三种概率值，其子集划分结果产生了4个集合χ′

当期望的MB分布参数v＝0.1373时，16QAM三个环由内至外的概率比值为:

则子集比例为：

接下来，需要根据整形帧的长度和求得的子集比例，求出每个整形帧中子集的数量。

实施例3：

本实施例将以MB分布下16QAM为例对所述低复杂度概率整形的编码调制实现方法中的整形帧构造步骤进行说明。

子集个数计算：设定整形输出长度n＝20，各子集的个数应为：

子集个数量化：以最小化量化后与期望分布的交叉熵为原则进行量化，取得量化后的个数n′

输入长度计算：在确定各集合的量化个数n′

输入比特划分：概率整形信号的产生过程中，每60个比特被划分到一个整形帧，在帧中，数据被划分为4个块，不同块的比特在调制过程中选择不同的集合进行映射，最后得到20个符号。对于其中的第1个块，其比特长度为10，在调制过程中，这些比特映射向χ′