一种双重差分非对称限幅光OFDM索引调制系统的构建方法

本发明属于无线光通信，具体涉及一种双重差分非对称限幅光ofdm索引调制系统的构建方法。

背景技术：

1、随着无线通信技术在各行各业的广泛应用与不断发展，万物智联带来了传输容量十倍甚至百倍的提升诉求。而现有的无线频谱资源已经难以满足日益增长的无线频谱需求，光作为新型的频谱资源为未来通信注入了无限可能。无线光通信技术凭借其高传输速率、频带无需授权、抗电磁干扰和绿色环保等优势，被认为是6g无线通信(6th generationwireless communication，6g)中的关键技术之一。

2、目前，我国将无线光通信的研究重心向支持各波段的空间光通信转移，对星间激光通信、空对地激光通信、水下激光通信等相关研究给予大力支持。其中，光正交频分复用索引调制(optical orthogonal frequency division multiplexing with indexmodulation，oofdm-im)是一种新型的光多载波调制技术，其不仅利用传统的星座符号传递信息，而且还利用子载波索引额外携带信息，从而实现系统传输速率和误码性能的大幅提升。此外，oofdm-im技术还可通过灵活地配置子载波块数、激活子载波数以及调制阶数等参数来适应更多应用场景的需求。

3、现阶段，几乎所有的oofdm-im方案均要求接收端已知信道状态信息(channelstatus information，csi)。然而，精准的csi就需要复杂的信道估计，这就大大增加了系统实现的难度。而且，大气环境的随机性和时变性致使信道估计变得更加困难。此外，oofdm-im系统中因多个静默子载波的存在，不仅需要更加精细的导频设计，还需要大量的资源开销，这就进一步增大了信道估计的复杂度。针对此问题，兰州理工大学的无线光通信课题组利用时频弥散矩阵进行差分调制，提出了差分索引移位键控oofdm(oofdm withdifferential index shift keying，oofdm-disk)方案。虽然该方案避免了信道估计，但仅在激活子载波上进行差分，且未携带星座符号，这导致传输速率不够理想。此外，接收端采用最大似然(maximum likelihood，ml)检测方法也导致了较高的译码复杂度。因此，为了使oofdm-im技术在复杂传输场景下更加适用，构造可避免信道估计的oofdm-im方案仍是非常重要的研究方向。

4、综上所述，本发明基于非对称限幅光ofdm-im(asymmetrically clipped opticalofdm-im，aco-ofdm-im)系统，在发送端对激活子载波与星座符号均进行差分调制，在接收端通过优化vision transformer模型设计了低复杂度的dimformer检测器，由此提出了一种双重差分非对称限幅光ofdm索引调制(aco-ofdm with double differential indexmodulation，aco-ofdm-ddim)系统的构建方法。本发明的目的在于，提升现有oofdm-disk系统的传输速率、误码性能，以及降低系统接收端的实现复杂度，进一步推动oofdm-im技术在空间光通信等领域中的应用。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种可避免信道估计的非对称限幅光ofdm索引调制系统构建方法。

2、本发明是一种双重差分非对称限幅光ofdm索引调制系统的构建方法，包括发送端与接收端两部分，具体步骤如下：

3、发送端：

4、步骤(1)，将子载波组中的信号矩阵设计为θ阶的时频弥散矩阵形式，即每行每列仅存在一个非零元素。

5、步骤(2)，根据差分阶数θ计算aco-ofdm-ddim符号块的配置参数，对子载波与时隙进行分组，同时将输入的二进制信息比特分为索引比特与星座比特两部分。

6、步骤(3)，符号调制与第一重差分：在每个子载波组中，采用bpsk调制将星座比特映射为对应的星座符号，并设定比特“0”对应的调制符号为初始参考符号。然后，依次对星座符号执行差分运算，得到实际传输的符号，完成第一重差分。

7、步骤(4)，索引调制与第二重差分：在每个子载波组中，将索引比特映射为符合步骤(1)中设计规则的索引矩阵，并将步骤(3)中的实际传输符号依次加载到索引矩阵中对应的激活子载波上，得到预传输信号矩阵。之后，依次对预传输信号矩阵进行差分运算得到实际信号矩阵，至此第二重差分完成。特别说明，在发送实际信号矩阵前，首先需要发送一个与之同阶的单位矩阵作为初始发送矩阵。

8、步骤(5)，对所有子载波组中的实际信号矩阵进行整合，形成完整的aco-ofdm-ddim符号块，对其进行厄米特对称、逆傅里叶变换和并/串转换操作后，由光源发送出去。

9、接收端：

10、步骤(1)，经过大气湍流信道传输的光信号，由光电检测器接收。其再经串/并转换、傅里叶变换以及有效信号提取等操作后，生成aco-ofdm-ddim符号块。收集此处的信号构建数据集，并按2:1的比例划分为训练集与测试集。

11、步骤(2)，接收信号矩阵预处理：在每个子载波组中，从第二个时刻开始，依次将前一时刻接收信号矩阵的逆矩阵与当前时刻的接收信号矩阵相乘，得到预估计信号矩阵。

12、步骤(3)，构造特征矩阵：将预估计信号矩阵的列依次按行重构为θ2×1的向量后转置，并分别提取其实部、虚部、模值和幅角特征，得到四个特征向量。之后，将所得的四个特征向量依次按列重构为1×4θ2的特征矩阵。

13、步骤(4)，构造dimformer检测器：以vision transformer模型为主体，移除其中的多层感知机层与跳跃连接，将注意力模块与mlp-head模块直接连接，得到dimformer检测器。

14、步骤(5)，将训练集与测试集中的信号经过步骤(2)与步骤(3)处理后，得到对应的特征矩阵。之后，利用训练集的特征矩阵对dimformer检测器进行训练。在检测器训练结束后，利用测试集的特征矩阵对其进行测试。若测试有效即保存当前的检测器，若无效则重新训练，直至测试有效为止。

15、步骤(6)，将在线接收信号按照步骤(2)和步骤(3)的方法进行处理后，利用步骤(5)得到的dimformer检测器进行实时检测。同时，对检测器的输出结果进行解映射，即可得到对应的索引比特与星座符号。之后，对星座符号进行解差分和解映射，即得到原始的星座比特。

16、本发明的益处在于：1)在激活子载波差分的基础上，引入了星座符号差分。与现有的oofdm-disk系统相比，提升了传输速率。与传统的oofdm-im系统相比，在避免信道估计的同时保证了误码性能。2)通过构造符合深度学习模型输入条件的特征矩阵，克服了差分信号无法直接检测的弊端。3)通过优化vision transformer模型，将信号检测问题类比转化为图像处理问题，从而构建了检测器dimformer。所设计的dimformer检测器能够达到与ml相近的误码性能，实现复杂度的有效降低。综上，本发明所构建的双重差分非对称限幅光ofdm索引调制系统，旨在为复杂环境下的空间光通信提供一种有效措施，为后续oofdm-im技术的研究和应用提供一定的参考价值。