基于I-SC-FDM技术和稀疏权重加载DNN的水下无线光通信方法技术

本发明专利技术公开了一种基于I

【技术实现步骤摘要】
基于I
‑
SC
‑
FDM技术和稀疏权重加载DNN的水下无线光通信方法


[0001]本专利技术涉及水下无线光通信
，具体为一种基于I
‑
SC
‑
FDM技术和稀疏权重加载DNN的水下无线光通信方法。

技术介绍

[0002]近年来，水下无线光通信技术因其高速率、低时延、低成本、高灵活性和安全性等特点受到人们的广泛关注。由于水下低衰减400
‑
550nm光学窗口的存在，用蓝绿激光实现远距离高带宽水下光通信逐渐成为了研究热点。同时，为了充分利用系统的有限带宽实现高速率传输，具有高频谱效率和抗码间干扰能力的正交频分复用(OFDM)技术被逐渐引入水下无线光通信系统中。但是传统的OFDM调制解调技术较复杂，不利于实际系统的硬件部署，而且其较高的最大峰均比(PAPR)遏制了信号在发射时的被放大能力，不利于远距离通信，甚至会导致更严重的非线性效应，使得通信性能进一步恶化。面对以上存在的问题，急需一种复杂度更低、PAPR更小且能提升水下无线光通信系统性能的易于实施技术来应对。而本专利技术提出的基于交错单载波频分复用(I
‑
SC
‑
FDM)和稀疏权重加载深度神经网络(DNN)的联合信号处理技术可以较好地解决上述难点。

技术实现思路

[0003]本专利技术所要解决的技术问题是：通过引入I
‑
SC
‑
FDM技术降低传统OFDM技术发送端的复杂度和PAPR，以适应水下无线光通信系统实际部署的简易化要求。同时采用稀疏权重加载DNN实现接收端的信号均衡和解调。相较于随机权重初始化的DNN，稀疏权重的引入提高了均衡器的收敛速度，且能获得比传统均衡方法更好的误码性能。I
‑
SC
‑
FDM技术和稀疏权重加载DNN的联合应用在提高通信系统性能的基础上，降低了系统复杂度，便于实际系统的硬件部署。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0005]一种基于I
‑
SC
‑
FDM技术和稀疏权重加载DNN的水下无线光通信方法，具体包括以下步骤：
[0006]步骤1，搭建基于I
‑
SC
‑
FDM技术的水下无线光通信系统发送端。
[0007]1.1，二进制序列首先经过正交幅度调制(QAM)，然后通过离散傅里叶扩展(DFT
‑
spread)生成复数信号，表达式为：
[0008][0009]上式中x(k)是QAM信号，X(n)是DFT
‑
spread后信号，N是DFT点数。
[0010]1.2，然后X(n)被交错分配到2N点IDFT的奇数位置上，可以表示为：
[0011]Y＝[0,X(0),0,X(1),...,0,X(N
‑
1)]T
[0012]1.3，接着经过2N点IDFT变换，可以表示为：
[0013][0014]注意到离散傅里叶变换对的共轭对称性，可以进一步得到：
[0015][0016]上式中可以看出，经过N点DFT、交错分配和2N点IDFT后得到的复数交错FDM信号y(m)的前半部分可以简单地视为QAM信号x(m)的相位旋转变换，而后边部分可以简单地由前半部分取相反数得到。因此原来N点DFT和2N点IDFT所需的Nlog2N次复数乘法可以简化为N次复数乘法，节省了计算资源，更利于硬件部署。基于此，最终的实数值I
‑
SC
‑
FDM可以通过连续传输y(m)的实数部分和虚数部分实现，可以表示为：
[0017][0018]上式中，
[0019][0020]可以发现实值I
‑
SC
‑
FDM信号具有正/余弦包络特性，因此比高斯包络特性的传统离散傅里叶扩展OFDM(DFT
‑
s OFDM，也称作L
‑
SC
‑
FDM)具有更低的PAPR，更利于发射端信号的放大，且抗非线性特性更强。
[0021]步骤2，搭建基于稀疏权重加载DNN的水下无线光通信系统接收端。
[0022]2.1，基于I
‑
SC
‑
FDM调制的简化性，如果信号在经过信道传输后保持不变，那么理想的接收端信号处理和发射端信号处理应是反过程。在这样的假设下，接收信号首先需要经过实数到复数的变换，可以表示为：
[0023]P
rx
＝[I
N
×
N
|jI
N
×
N
]N
×
2N
·
S
rx
[0024]上式中，S
rx
是接收到的I
‑
SC
‑
FDM信号。上述假设中，其与发送信号S
tx
一致。I
N
×
N
是N阶单位矩阵。然后P
rx
需经过反对称变换，可以表示为：
[0025]Q
rx
＝[I
N
×
N
|
‑
I
N
×
N
]T2N
×
N
·
P
rx
[0026]2.2，接着，2N点DFT和N点IDFT分别对Q
rx
进行作用以产生QAM信号。利用发送端的简化过程，该变换可以表示为：
[0027]R
rx
＝[E
N
×
N
|
‑
E
N
×
N
]N
×
2N
·
Q
rx
[0028]上式中，
[0029][0030]以上得到的R
rx
再经过QAM逆映射即可得到恢复的二进制序列。综合以上各式，可以得到接收端的传输矩阵，表示为：
[0031][0032]从上式可以看出，理想情况下接收信号只需经过一个传输矩阵便可得到相应的
QAM符号。但实际系统中，接收信号会受到严重的信道干扰，以至于信道估计和信号均衡是不可忽略的步骤。
[0033]2.3，基于此，考虑到神经网络良好的拟合能力，该传输矩阵可以用于DNN均衡器的权重初始化，从而形成一种联合均衡
‑
解调方案。首先，基于上式构造一个扩展传输方程：
[0034]R
tx
＝W
N
·
W
N
‑1·
...
·
W1·
S
rx
[0035]上式中，W
N
等于T
rx
。W
i
(i本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于I
‑
SC
‑
FDM技术和稀疏权重加载DNN的水下无线光通信方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1，搭建基于I
‑
SC
‑
FDM技术的水下无线光通信系统发送端；1.1，二进制序列先经过正交幅度调制，再通过离散傅里叶扩展生成复数信号，表达式为：上式中x(k)是QAM信号，X(n)是DFT
‑
spread后信号，N是DFT点数；1.2，然后X(n)被交错分配到2N点IDFT的奇数位置上，表达式为：Y＝[0,X(0),0,X(1),...,0,X(N
‑
1)]
T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)1.3，接着经过2N点IDFT变换，表达式为：通过离散傅里叶变换的共轭对称性，进一步得到：经过N点DFT、交错分配和2N点IDFT后得到的复数交错FDM信号y(m)的前半部分视为QAM信号x(m)的相位旋转变换，而后半部分由前半部分取相反数得到；因此原来N点DFT和2N点IDFT所需的Nlog2N次复数乘法简化为N次复数乘法，最终的实数值I
‑
SC
‑
FDM通过连续传输y(m)的实数部分和虚数部分实现，表达式为：S
tx
＝[y
re
(0),...,y
re
(m),|y
im
(0),...,y
im
(m)]
T2N
×1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)上式中，步骤2，搭建基于稀疏权重加载DNN的水下无线光通信系统接收端；2.1，接收信号首先,经过实数到复数的变换，表达式为：P
rx
＝[I
N
×
N
|jI
N
×
N
]
N
×
2N
·
S
rx
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)上式中，S
rx
...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐敬，杜子豪，汪海鹏，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：