一种功率高效的自适应偏置分层光OFDM方法及系统

本发明涉及一种功率高效的自适应偏置分层光ofdm方法及系统，属于无线光通信。背景技术：：：1、无线光通信利用可见光、红外、紫外等波段进行通信，能够缓解当前射频频谱资源短缺的问题，成为一种极具应用前景的通信方式。在无线光通信中，正交频分复用（ofdm）凭借高效的频谱效率和能够有效地对抗码间干扰的优势，获得了广泛的应用。无线光通信采用强度调制（im）和直接检测(dd）将传输信号限制为非负性的实值信号，为此，多种光正交频分复用（o-ofdm）方法被提出，包括直流偏置光正交频分复用（dco-ofdm）、非对称限幅光正交频分复用（aco-ofdm）等，但这些传统的光正交频分复用方法只具有较低的功率或者频谱效率，无法满足高频谱效率和高功率的需求。2、为了实现高效的功率效率，同时提升传输的频谱效率，分层光正交频分复用方法被提出，包括混合非对称限幅光ofdm（hybridaco-ofdm,haco-ofdm）、分层非对称限幅光ofdm（layered aco-ofdm ,laco-ofdm）、增强频谱-离散多因（asd-dmt）等。这些方法能够实现高效的通信，但接收端需借助串行干扰消除的方式进行信号检测，导致较高的接收复杂度和处理时延，同时，存在严重的错误传播问题，降低了传输的可靠性。3、为此，自适应偏置分层光ofdm（adaptive bias layeringo-ofdm，ablo-ofdm）被提出，该方法消除了传统分层光正交频分复用方法中存在的分层间干扰问题，因而接收端可以直接采用标准的ofdm接收机，有效地降低了接收复杂度和处理时延，同时消除了错误传播问题。但相比laco-ofdm方法，随着层数的增加，ablo-ofdm的功率效率相对较低。4、相比大部分分层光正交频分复用方法，现有的ablo-ofdm方法虽然降低了接收复杂度和处理时延，但也具有较低的功率效率。5、因此，为了提高ablo-ofdm方法的功率效率，本领域技术人员急需要提出了一种功率高效的自适应偏置分层光ofdm(pe-ablo-ofdm)方法（pe代表功率高效）。技术实现思路1、目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种功率高效的自适应偏置分层光ofdm方法及系统，以降低ablo-ofdm信号的发送光功率为目标，选择部分子载波的正交幅度调制（qam）符号进行星座点扩展，从而在保持较低接收复杂度和处理时延的情况下，有效地提升方案的功率效率。2、技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：3、第一方面，一种功率高效的自适应偏置分层光ofdm方法，包括如下步骤：4、步骤1：将待传输的数字信号进行qam调制，得到qam符号。5、步骤2：将qam符号分配到每层中序号为的子载波上，并进行hermitian对称，得到频域信号。6、其中：传输的qam符号个数为，，表示分层的序号，且，，表示分层的层数，表示子载波数目。7、步骤3：将频域信号进行频域逆变换，得到n点时域信号。8、步骤4：求解优化模型，得到最优解和。9、步骤5：根据最优解和随机地多次分别生成长度为、且元素为0和1的向量，将生成的次数记为，第次中根据生成的向量记为，第次中根据生成的向量记为，计算第次中ofdm信号的总能量，选择次中总能量最小的一次，记为，获取对应的pe-ablo-ofdm的时域信号。10、步骤6：将对应的pe-ablo-ofdm时域信号添加自适应偏置信号，并计算非负性时域信号。11、步骤7：将非负性时域信号通过模数变换后，驱动led发送光信号。12、作为优选方案，还包括步骤8：接收光信号，光信号通过数模转换、串并转换后，经过频域变换将时域信号转换为频域信号，然后根据 进行取模操作，得到qam符号，对qam符号进行解调、并串转换后，获得发送信息。13、作为优选方案，<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mi>x</mi><mi>=</mi><msup><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>x</mi><mn>0</mn></msub><mi>,</mi><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mi>,</mi><mi>⋯</mi><mi>,</mi><msub><mi>x</mi><mi>j</mi></msub><mi>,</mi><mi>⋯</mi><msub><mi>x</mi><mrow><mi>n</mi><mi>−</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><mi>t</mi></msup></mstyle>，表示第点时域信号，。14、作为优选方案，所述优化模型，具体包括：15、16、其中，表示子载波上qam符号实部进行扩展的概率，表示子载波上qam符号虚部进行扩展的概率，和均是长度为的列向量，表示自适应偏置信号，为维度为的列向量，表示1-范数，为转置矩阵，表示长度为且元素取值为1的列向量，表示长度为且元素取值为1的列向量，表示长度为且元素取值为1的列向量，表示长度为且元素取值为0的列向量，表示分层的层数，表示子载波数目，表示一个qam符号时间的ofdm信号总能量，代表信号总能量降低比例，,其中：表示除第个位置为1，其它位置均为零的列向量，其向量长度为，表示克罗内克积，表示长度为的单位向量，和分别表示行数为且列数为的矩阵。17、作为优选方案，中第行和第列元素为，中第行和第列元素为，当满足时，、计算公式如下：18、<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><mtablecolumnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>a</mi><mi>ij</mi></msub><mi>=−</mi><mi>sgn(</mi><msubsup><mi>q</mi><mrow><msup><mn>2</mn><mrow><mi>l</mi><mi>−</mi><mn>1</mn></mrow></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>j</mi><mi>−</mi><mi>n</mi><mo>+</mo><msup><mn>2</mn><mrow><mi>−</mi><mi>l</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mi>n</mi><mi>−</mi><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>r</mi></msubsup><mi>)</mi><msub><mi>d</mi><mrow><msup><mn>2</mn><mrow><mi>l</mi><mi>−</mi><mn>1</mn></mrow></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>j</mi><mi>−</mi><mi>n</mi><mo>+</mo><msup><mn>2</mn><mrow><mi>−</mi><mi>l</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mi>n</mi><mi>−</mi><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msub><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>i</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><msup><mn>2</mn><mrow><mi>l</mi><mi>−</mi><mn>1</mn></mrow></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>j</mi><mi>−</mi><mi>n</mi><mo>+</mo><msup><mn>2</mn><mrow><mi>−</mi><mi>l</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mi>n</mi><mi>−</mi><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mi>/</mi><mi>n</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>b</mi><mi>ij</mi></msub><mi>=−</mi><mi>sgn(</mi><msubsup><mi>q</mi><mrow><msup><mn>2</mn><mrow><mi>l</mi><mi>−</mi><mn>1</mn></mrow></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>j</mi><mi>−</mi><mi>n</mi><mo>+</mo><msup><mn>2</mn><mrow><mi>−</mi><mi>l</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mi>n</mi><mi>−</mi><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>i</mi></msubsup><mi>)</mi><msub><mi>d</mi><mrow><msup><mn>2</mn><mrow><mi>l</mi><mi>−</mi><mn>1</mn></mrow></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>j</mi><mi>−</mi><mi>n</mi><mo>+</mo><msup><mn>2</mn><mrow><mi>−</mi><mi>l</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mi>n</mi><mi>−</mi><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msub><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>i</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><msup><mn>2</mn><mrow><mi>l</mi><mi>−</mi><mn>1</mn></mrow></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>j</mi><mi>−</mi><mi>n</mi><mo>+</mo><msup><mn>2</mn><mrow><mi>−</mi><mi>l</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mi>n</mi><mi>−</mi><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mi>/</mi><mi>n</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mstyle>19、其中，和分别表示标号的子载波上qam符号的实部和虚部，表示标号的子载波上qam符号的扩展长度，，，表示圆周率，表示符号函数，取负值为。20、作为优选方案，所述频域逆变换采用快速傅里叶逆变换。21、作为优选方案，第次中ofdm信号的总能量计算公式如下：22、23、作为优选方案，对应的pe-ablo-ofdm的时域信号计算公式如下：24、25、作为优选方案，所述频域变换采用快速傅里叶变换。26、第二方面，一种功率高效的自适应偏置分层光ofdm系统，包括：光信号发送端，光信号接收端。27、所述光信号发送端，具体包括：28、将待传输的数字信号进行qam调制，得到qam符号。29、将qam符号分配到每层中序号为的子载波上，并进行hermitian对称，得到频域信号。30、其中：传输的qam符号个数为，，表示分层的序号，且，，表示分层的层数，表示子载波数目。31、将频域信号进行频域逆变换，得到n点时域信号。32、求解优化模型，得到最优解和。33、根据最优解和随机地多次分别生成长度为、且元素为0和1的向量，将生成的次数记为，第次中根据生成的向量记为，第次中根据生成的向量记为，计算第次中ofdm信号的总能量，选择次中总能量最小的一次，记为，获取对应的pe-ablo-ofdm的时域信号。34、将对应的pe-ablo-ofdm时域信号添加自适应偏置信号，并计算非负性时域信号。35、将非负性时域信号通过模数变换后，驱动led发送光信号。36、所述光信号接收端，具体包括：37、接收光信号，光信号通过数模转换、串并转换后，经过频域变换将时域信号转换为频域信号，然后根据 进行取模操作，得到qam符号，对qam符号进行解调、并串转换后，获得发送信息。38、有益效果：本发明提供的一种功率高效的自适应偏置分层光ofdm方法及系统，为了提高ablo-ofdm方法的功率效率，采取星座扩展的方法，计算子载波上qam符号实部和虚部进行扩展的概率，选取在实现相同误比特率的情况下，发送光功率最小的情况，此时提高了ablo-ofdm方法的功率效率。此方案具有较高的子载波利用率，具有较低的误码率，在接收复杂度和处理时延方面的性能优越，在此基础上还具有高效的功率。本发明采用多层子载波进行信息传输，子载波利用率随着分层数目的增加趋近于100%，具有高效的频谱效率，其频谱效率明显高于传统的aco-ofdm、haco-ofdm等方法。39、进一步的，相比于传统的ablo-ofdm，所提的pe-ablo-ofdm方法的功率效率得到了显著地提升，确保了在功率受限的情况下通信系统传输的可靠性。40、进一步的，相比于传统的分层ofdm方法，比如laco-ofdm方法，所提方法能够实现相似的传输误码率性能，但所提方法能够采用标准的ofdm接收机进行信号检测，其接收复杂度和处理时延明显低于laco-ofdm方法，且消除了错误传播问题，有效地保证了传输的可靠性。当前第1页12当前第1页12