本發(fā)明涉及空間光通信領域，尤其涉及一種基于熵功率加載的大氣湍流光通信擴容方法。

背景技術：

1、自由空間光學(free?space?optical，fso)因其超寬的無許可證頻譜范圍而成為緩解傳統(tǒng)射頻頻譜稀缺的一種很有前途的解決方案。然而，大氣湍流是一個重大的挑戰(zhàn)，可能會導致嚴重的系統(tǒng)的誤碼率性能的退化，從而削弱fso高通信容量的優(yōu)勢。

2、正交頻分復用(orthogonal?division?multiplexing，ofdm)在大氣湍流下具有較高的編碼增益和頻譜效率?，F(xiàn)有ofdm-fso系統(tǒng)缺少一種能動態(tài)估計湍流強度的機制，因此在動態(tài)湍流中缺少靈活性，導致了通信容量的降低以及頻譜資源的浪費。另外，已有研究針對一個1.87km長距離ofdm-fso實際鏈路進行了測試，實際鏈路的頻譜呈現(xiàn)頻率選擇性，如每個子載波的功率分配保持一致，則會造成功率浪費，無法最大化通信容量。傳統(tǒng)比特功率加載能部分解決上述問題，但是由于其缺少信源熵的細粒度調整，其通信容量表現(xiàn)仍有待提高。

技術實現(xiàn)思路

1、有鑒于現(xiàn)有技術的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術問題是大氣通信中由于湍流造成的通信容量降低，頻譜資源和功率的浪費。本發(fā)明提供了一種基于熵功率加載的大氣湍流光通信擴容方法，用于不同大氣湍流強度下提高光通信容量，該方法通過在不同湍流強度下預估計信道的信噪比獲得信道信息，再通過熵功率加載對ofdm各個子載波進行發(fā)送熵和功率的分配，實現(xiàn)提高通信容量的目的。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于熵功率加載的大氣湍流光通信擴容方法，其特征在于，包括以下步驟：

3、步驟一：發(fā)送qpsk?ofdm符號，在接收端預估每個湍流強度下每個ofdm子載波的信道預估信噪比，作為步驟二熵功率加載的計算依據；

4、步驟二：熵功率加載包括熵加載和功率加載，根據步驟一的信道預估信噪比，計算每個子載波分配的信源熵，通過概率整形算法實現(xiàn)細顆粒度的信源熵加載，然后通過注水算法計算每個子載波的功率加載，獲得每個子載波對應的的符號；

5、步驟三：每個子載波對應的符號經過厄爾米特對稱和ofdm調制后，復數(shù)信號轉變?yōu)閷崝?shù)信號；

6、步驟四：改變湍流強度；

7、步驟五：計算接收信號廣義互信息以評估熵功率加載對大氣湍流下光通信的擴容效果。

8、進一步地，ofdm的格式包括ifft點數(shù)、數(shù)據子載波數(shù)、循環(huán)前綴和訓練序列。

9、進一步地，發(fā)送qpsk?ofdm符號，在接收端預估每個湍流強度下每個ofdm子載波的信道預估信噪比，作為步驟二熵功率加載的計算依據，具體包括發(fā)送端將信息序列調制成qpsk?ofdm信號并發(fā)送，qpsk?ofdm信號經過通信鏈路的傳輸后，再接收端經過ofdm解調，得到傳輸后的qpsk星座點，估計接收星座點的誤差矢量幅度evm，根據evm與信噪比snr的關系，進一步估計出各個子載波的信噪比snr。

10、進一步地，所述熵加載具體包括以使得接收端廣義互信息最大為原則，劃分不同信噪比區(qū)間，根據每個子載波的信道預估信噪比，確定每個子載波對應qam階數(shù)，并通過概率整形對信源熵的細顆粒度調整實現(xiàn)每個子載波的信源熵分配；然后通過理想注水算法計算出每個子載波所分配的功率，以達到整體廣義互信息最大的目的。

11、進一步地，先用蒙特卡洛的方法確定每個信噪比下廣義互信息最大的qam階數(shù)；確定階數(shù)后，通過黃金分割搜索法確定具體預估信噪比，具體qam階數(shù)下使得廣義互信息最大的概率整形系數(shù)λ。

12、進一步地，首先，通過蒙特卡洛仿真，snr范圍從-15db到35db，以0.5db步長，仿真awgn中各個階數(shù)下各個snr的廣義互信息gmi表現(xiàn)，構成查找表；

13、然后以gmi最大為原則，針對步驟一中各個子載波的估計snr，確定該子載波的調制階數(shù)，以及查找表中整形系數(shù)λ的范圍，并再次經過蒙特卡洛仿真得到當前階數(shù)，當前snr，使得該子載波gmi最大的精確的整形系數(shù)λ并記錄下來。

14、進一步地，λ＝0時，麥克斯韋-玻爾茲曼分布退化為均勻分布，這時發(fā)送熵最大；隨著λ的增加，發(fā)送熵隨之減小。

15、進一步地，改變湍流強度時，不同強度的湍流的fried參數(shù)不同，導致相位屏不同；當湍流強度越強，使得該組相位屏中導致光功率衰減加大的相位屏數(shù)量越多。

16、進一步地，計算接收信號廣義互信息以評估熵功率加載對大氣湍流下光通信的擴容效果中廣義互信息的計算如下：

17、

18、

19、其中，h是發(fā)送符號的源熵，g是發(fā)送過程中的熵損失，m是qam的階數(shù)，σ2是awgn信道的噪聲方差，pxm是第m個星座點xm的概率，n是接收符號的個數(shù)，yn是其中的第n個符號，bn,k是第n個符號第k個位置上的比特值(1或0)，x(k,b)是步驟二中星座點集的子集。

20、技術效果

21、本發(fā)明提供了一種基于熵功率加載的大氣湍流光通信擴容方法，針對不同湍流強度導致的光功率衰減都可以體現(xiàn)不同程度的擴容效果。另外，由于概率整形和注水算法對通信系統(tǒng)帶來的容量提升以及信源熵的細顆粒度調整，使得通信容量更加接近于香農極限。

22、以下將結合附圖對本發(fā)明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。

技術特征：

1.一種基于熵功率加載的大氣湍流光通信擴容方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.如權利要求1所述的一種基于熵功率加載的大氣湍流光通信擴容方法，其特征在于，ofdm的格式包括ifft點數(shù)、數(shù)據子載波數(shù)、循環(huán)前綴和訓練序列，所述ofdm的格式與后續(xù)步驟三中的保持一致。

3.如權利要求4所述的一種基于熵功率加載的大氣湍流光通信擴容方法，其特征在于，發(fā)送qpsk?ofdm符號，在接收端預估每個湍流強度下每個ofdm子載波的信道預估信噪比，作為步驟二熵功率加載的計算依據，具體包括發(fā)送端將信息序列調制成qpsk?ofdm信號并發(fā)送，qpsk?ofdm信號經過通信鏈路的傳輸后，在接收端經過ofdm解調，得到傳輸后的qpsk星座點，估計接收星座點的誤差矢量幅度evm，根據evm與信噪比snr的關系，進一步估計出各個子載波的信噪比snr。

4.如權利要求1所述的一種基于熵功率加載的大氣湍流光通信擴容方法，其特征在于，所述熵加載具體包括以使得接收端廣義互信息最大為原則，劃分不同信噪比區(qū)間，根據每個子載波的信道預估信噪比，確定每個子載波對應qam階數(shù)，并通過概率整形對信源熵的細顆粒度調整實現(xiàn)每個子載波的信源熵分配；然后通過理想注水算法計算出每個子載波所分配的功率，以達到整體廣義互信息最大的目的。

5.如權利要求4所述的一種基于熵功率加載的大氣湍流光通信擴容方法，其特征在于，先用蒙特卡洛的方法確定每個信噪比下廣義互信息最大的qam階數(shù)；確定階數(shù)后，通過黃金分割搜索法確定具體預估信噪比，具體qam階數(shù)下使得廣義互信息最大的概率整形系數(shù)λ。

6.如權利要求5所述的一種基于熵功率加載的大氣湍流光通信擴容方法，其特征在于，首先，通過蒙特卡洛仿真，snr范圍從-15db到35db，以0.5db步長，仿真awgn中各個階數(shù)下各個snr的廣義互信息gmi表現(xiàn)，構成查找表；

7.如權利要求1所述的一種基于熵功率加載的大氣湍流光通信擴容方法，其特征在于，λ＝0時，麥克斯韋-玻爾茲曼分布退化為均勻分布，這時發(fā)送熵最大；隨著λ的增加，發(fā)送熵隨之減小。

8.如權利要求1所述的一種基于熵功率加載的大氣湍流光通信擴容方法，其特征在于，改變湍流強度時，不同強度的湍流的fried參數(shù)不同，導致相位屏不同；當湍流強度越強，使得該組相位屏中導致光功率衰減加大的相位屏數(shù)量越多。

9.如權利要求1所述的一種基于熵功率加載的大氣湍流光通信擴容方法，其特征在于，計算接收信號廣義互信息以評估熵功率加載對大氣湍流下光通信的擴容效果中廣義互信息的計算如下：

技術總結
本發(fā)明公開了一種基于熵功率加載的大氣湍流光通信擴容方法，包括以下步驟：發(fā)送QPSK?OFDM符號，在接收端預估每個湍流強度下每個OFDM子載波的信道預估信噪比，作為步驟二熵功率加載的計算依據；根據步驟一的信道預估信噪比，計算每個子載波分配的信源熵，通過概率整形算法實現(xiàn)細顆粒度的信源熵加載，然后通過注水算法計算每個子載波的功率加載，獲得每個子載波對應的符號；每個子載波對應的符號經過厄爾米特對稱和OFDM調制后，復數(shù)信號轉變?yōu)閷崝?shù)信號；步驟四：改變湍流強度；計算接收信號廣義互信息以評估熵功率加載對大氣湍流下光通信的擴容效果。本發(fā)明的一種基于熵功率加載的大氣湍流光通信擴容方法，用于不同大氣湍流強度下提高光通信容量。

技術研發(fā)人員：張倩武,李智宇
受保護的技術使用者：上海大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/23