泊松散弹噪声中光子计数交织迭代多用户通信理论与方法研究

With the in-depth understanding of the photon motion law, photon-counting has been developed into a new powerful way to detect ultra-weak laser signals. For national strategic needs in terms of space-based information networks and deep-space exploration, the project will study closely around the PhC-IDMA communication system design. Firstly, the iterative multiuser interference cancellation technology in the ultra-weak laser Poisson shot noise channels is proposed. The properties of photon-counting shot noise, such as, the dependence between signal and noise, non-Guassian Poisson distribution and the nonlinear feature bring challenges for iterative signal processing. The related inherent law of information theory needs further researches. Secondly, this project also studies the related iterative convergence, Shannon capacity and photonic information efficiency of PhC-IDMA systems. The difficulty of BER theoretical analysis of iteration system with nonlinear distortion is solved. With this study, iterative signal processing theory will be improved in Poisson shot-noise channels. The results can be applied to formation satellite optical communications, high-speed multiple-access satellite, optical quantum information science and provide new technology and method for system construction.

随着对光量子微观运动规律的深入认识，光子计数（Photon-Counting）已发展成为一种探测微弱激光信号的新型强有力方法。针对天基信息网和空间探测的国家重大战略需求，本项目以光子计数交织分多址（PhC-IDMA）通信系统设计为中心展开。首先，重点研究微弱激光泊松散弹噪声信道中迭代多用户干扰消除技术。光子计数散弹噪声独特的信号与噪声相关、非高斯泊松分布、非线性失真等特点对迭代检测提出了技术挑战，信息论相关内在新规律需要深化探索。其次，本项目将研究PhC-IDMA系统的迭代收敛性、香农容量以及光子信息效率等，重点突破非线性失真下迭代系统误码率理论分析难题。通过本项目研究，有助于发展泊松散弹噪声中迭代信号处理基础理论。研究成果可应用于编队卫星激光通信、高速多址卫星以及光量子信息学等方面，并为系统建设提供新技术和新方法。

针对空间探测国家重大战略和空天地一体通信网络建设的迫切需求，项目组紧紧围绕计划书的内容安排，重点研究了非线性泊松散弹噪声受限下交织域光子计数非正交多址PhC-NOMA通信技术。根据光量子微观运动规律以及光子计数散弹噪声独特的非高斯分布、非线性失真特点，项目组在交织多址基础上，进行了理论创新研究，提出了基于光子数预测估计的PhC-NOMA多用户检测方案，实现了在非线性噪声下稳定迭代收敛性能，形成了多项有理论学术价值和工程应用前景的研究成果。特别是，研究推广至光子计数量子通信领域，为无线量子通信技术发展，提供了有价值的理论参考。重要工作包括：（1）基于非线性Laguerre噪声模型的光子计数PhC-NOMA多用户迭代检测技术；（2）基于光子计数的无线量子多用户Massive MIMO通信技术；（3）基于最优贝叶斯测量的光子计数迭代多用户通信系统；（4）基于Grover-DHA量子计算辅助的光子计数迭代多用户通信技术；（5）基于深度学习的散弹噪声受限光子计数通信系统速率优化研究；（6）基于交织多址的对称载波复用卫星通信技术等多项理论研究工作。同时，还开展了基于深度学习的光子计数无线通信系统的硬件实验研究。特别是，针对相干态光子计数通信中关键难题之一：如何在散弹噪声受限下，测量非正交相干态传输以逼近Helstrom极限，项目组提出了基于软迭代思想的量子接收机设计。与传统量子接收机相比，该方案采用似然值迭代策略优化量子测量，获得了显著的性能增益并更接近理论极限。研究还表明，所提出的软迭代量子接收机在诸多非理想条件下具有很好的鲁棒性，具备较好的理论研究价值及前景。此外，项目组还针对光子计数相干态多用户通信的固有非正交特性，提出了一种新的空间耦合（Spatial Coupling）迭代量子Q-SC-NOMA通信方案，其可以明显提高多用户光子计数通信的传输质量，并且能够降低计算复杂度等优点。项目执行期间共发表学术论文32篇，其中，SCI论文14篇，EI论文22篇，授权发明专利3项等，完成了项目的预期研究目标。