OFDM-OAM复用通信中基于线性回归的串扰消除方案

作者:刘旻雯;李迎春; 刊名:光通信技术 上传者:叶映红

【摘要】为减小轨道角动量(OAM)复用信号在自由空间传输过程中的模式间串扰,提出一种串扰消除方案。在传输基于16进制正交幅相调制的正交频分复用(16QAM-OFDM)信号的双路OAM复用自由空间光通信链路中,使用基于梯度下降的线性回归方案缓解OAM模式间串扰,恢复原始信号。实验结果表明:该串扰消除方案使接收到的双路16QAM-OFDM信号的星座点集中在16QAM参考点周围,且每个子载波的误码率(BER)接近于没有串扰时的BER;当串扰功率约为-23.5dBm时,前向纠错码(FEC)门限3.8×10-3处的功率代价至少降低了3d B。

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0引言随着通信数据流量的快速增长,基于传统的复用通信技术很难满足人们对通信容量的巨大需求。为此,近年来提出一种基于轨道角动量(OAM)的空分复用技术[1]。拥有OAM的涡旋光束具有独特的螺旋相位波前结构。携带不同拓扑电荷数的OAM光束具有不同的OAM模式,由于不同OAM模式之间相互正交,因此OAM光束可以作为数据载体进行高效的复用与解复用。目前,许多学者已将OAM复用技术应用于光纤通信、无线通信与自由空间光通信中[2-4]。如果将OAM与其它自由度相结合使用,例如幅度、波长和偏振等,系统的传输容量将得到进一步提高[5,6]。当涡旋光束在自由空间中传输时,容易受到大气湍流的影响,引发螺旋相位波前畸变[7]。在自由空间OAM复用通信链路中,大气湍流不但会引起每个刘旻雯,李迎春:OFDM-OAM复用通信中基于线性回归的串扰消除方案OAM模式的功率损耗,也会引发不同OAM模式之间的模式串扰,造成不同OAM信道间的信道干扰[8]。国内外已经提出许多关于OAM模式间串扰消除的方法并加以证明,例如低密度奇偶校验编码(LDPC)调制方案和多用户检测(MUD)方法[9,10]。但在强串扰作用下,LDPC编码和MUD的效果略差。此外,4×4多输入多输出(MIMO)均衡技术也可用于缓解串扰,实验表明传输QPSK信号时,在误码率为3.8×10-3(前向纠错码FEC门限)处的功率代价至少减少了4dB[11]。除了上述数字信号处理(DSP)方法外,基于泽尼克多项式的随机梯度下降(SPGD)算法可用于产生相位校正图样,校正被湍流扭曲的OAM光束的螺旋相位[12]。这种方法可以改善接收到的OAM解调信号的质量,但需要额外的空间光调制器(SLM)。为了提高数据传输速率,本文在双通道OAM复用自由空间光链路中传输基于16进制正交幅相调制的正交频分复用(16QAM-OFDM)信号,将正交导频数据插入到双路OFDM帧数据中,利用线性回归的方法消除双路信道间的信道串扰,并根据接收到的两路OFDM导频序列,采用自适应步长的梯度下降算法优化了建立的线性回归方程。1基于线性回归的串扰消除理论线性回归是最基本和最常用的预测分析方法,通过观测数据求解线性方程可以研究自变量和因变量之间的数学关系[13]。对于双通道OAM复用通信系统,两路信号间的串扰可看作是信号的线性叠加[10],我们引入两个线性回归方程来估计两路原始传输信号:T觶x=θxx·Rx+θxy·RyT觶y=θyx·Rx+θyy·Ry(1)其中,θ(θxx、θxy、θyx、θyy)是待调整的参数,T觶x和T觶y是估计出的两路原始信号,Rx和Ry是接收到的信号。为了估计T觶x、T觶y和参考信号Tx、Ty之间的差异,我们定义式(2)所示的代价函数Jx和Jy,用以计算第i个点的估计值与原始值的差的平方及其所有点的均值。对于完美信号,这两个代价为零。因此,代价函数的值越小,两路信号恢复得越好。Jx=12mmi=1ΣT觶xi-TixΣΣ2Jy=12mmi=1ΣT觶yi-TiyΣΣ2(2)梯度下降算法是将训练数据进行线性拟合的一种有效方法[14]。为了使代价沿着函数梯度下降的方向降低,我们求得Jx和Jy相对于θ的偏导数,其中conj()表示共轭,并且根据接收到的信号同时更新参数θxx、θxy、θyx、θyy。第i+1次参数迭代更新表达式如下:θxxi+1=θxxi-αi·conj(Rxi)·(θxxi·Rxi+θxyi·Ryi-Txi)θxyi+1=θxyi-αi·conj(Ryi)·(θxxi·Rxi+θxyi·Ryi-Txi)θyxi+1=θyx

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