CN101834672B

CN101834672B - 一种双码分层空时编码系统和基于该编码的光通信方法

Info

Publication number: CN101834672B
Application number: CN2010101707967A
Authority: CN
Inventors: 张新全; 杨超; 谢德权
Original assignee: Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications Co Ltd
Current assignee: Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications Co Ltd
Priority date: 2010-05-13
Filing date: 2010-05-13
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2030-05-13
Also published as: CN101834672A

Abstract

本发明涉及光通信系统领域，具体说是一种双码分层空时编码系统和基于该编码的光通信方法，包括数据流发送端、数据流接收端以及连接二者的光MIMO信道，所述数据流发送端包括：一个对信息比特流进行第一级信道编码的信道外码编码器，一个对第一级信道编码后的信息比特流进行数据交织并解复用成N路数据码流的交织/解复用器，每一路数据码流分别依次经过一个信道内码编码器进行第二级信道编码、一个调制模块进行调制形成信号码流，信号码流经过N路光MIMO信道传输给数据流接收端。本发明所述的双码分层空时编码系统和基于该编码的光通信方法，优点是既利用了光MIMO信道提升光传输容量，又通过交织结合了多信道传输的串联级联编码，改善了传输质量。

Description

一种双码分层空时编码系统和基于该编码的光通信方法

技术领域

本发明涉及光通信系统领域，具体说是一种双码分层空时编码系统和基于该编码的光通信方法。

背景技术

本发明中所用到的技术术语含义如下：

MIMO，Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出；

STC，Space-Time Code，空时编码；

LSTC，Layered STC，分层空时编码；

STBC，Space-Time Block Code，空时分组码；

STTC，Space-Time Trellis Code，空时格形码；

TCM，Trellis-Coded Modulation，格形编码调制；

LDPC，Low Density Parity Check，低密度奇偶校验；

BLAST，Bell Laboratories Layered Space-Time，贝尔实验室分层空时；

PSK，Phase Shift Keying，相移键控；

QAM，Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制。

MIMO是空间分集中的收发分集。马可尼在1908年提出用MIMO来抵抗无线信道的衰落。贝尔实验室的E.Telatar和G.J.Foschini论证了理论上的MIMO信道的香农容量，指出在信道独立平坦衰落时，信道容量随收发两端最小天线数线性增加。在光通信中，MIMO技术也得到了运用，比如在光偏振复用、光正交频分复用、光多模复用等场景，在后文中统称为光MIMO场景。

最初的时间分集是指在不同时间多次传送同样的信号，即重复编码。信道编码可视为一种更复杂形式的时间分集，常见的有卷积和分组码、TCM、级联编码，所谓逼近香农容量极限的编码有Turbo码、LDPC等。

时间分集(信道编码)和空间分集的结合，就是STC，STC目前主要运用在MIMO场景中，以同时发挥MIMO的空间复用优势、信道编码的时间分集优势。从目前发展来看，STC主要可以分为两大类：第一类是以增加传输容量为目的的LSTC；第二类是以改善传输质量为目的的STBC和STTC。第二类STC是基于发射分集的，较适用于信道质量很差的场景(如移动通信)，对于信道质量相对较好的光通信，一般不需要采用牺牲效率的发射分集，所以在光通信中主要考虑第一类STC，即LSTC。

目前常用的LSTC主要有VBLAST(垂直BLAST)、HBLAST(水平BLAST)、DBLAST(对角BLAST)、SCBLAST(单码BLAST)等。VBLAST如图1所示，信息比特流解复用成Nt个并行的子流，t＝0，1，2，3，……，每个子流分别进行调制。如果对每个子流分别进行信道编码，每个子流分别加上信道编码后，则VBLAST成为如图2所示HBLAST。显然，HBLAST较为复杂，可对其进行改进，即所有层使用单一的信道编码，从而成为SCBLAST(单码贝尔实验室空时)，如图3所示，对信息比特流先进行信道编码，然后再解复用成Nt个并行的子流。由于发射端的解复用和收端的复用可看成空间交织，使相邻码元所经历的信道特性不同，故在准静态衰落时，该方案的分集性能比上述两种好。这些LSTC方案，一般用于信道质量较好、传输速率较低的无线通信场合。

上述LSTC方案，发轫于无线通信。由于光通信有许多不同于无线通信的特点。首先，光通信的信道质量较好，所以无需采用STBC、STTC。其次，光通信的传输速率极高，目前已达到100Gbps，必须依赖复杂的信道编码技术，所以上述LSTC方案直接用于光通信是不适合的。可见，光通信对于STC的要求首先是增加传输容量，其次是利用空间分集最大化信道编码效率。综上所述，需要提出适合于光MIMO场景的特殊的STC方案。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种双码分层空时编码系统和基于该编码的光通信方法，结合光通信的特点，提出适合于光MIMO场景的STC技术方案和相应的通信系统，以提升光传输的容量，改善传输性能。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种双码分层空时编码系统，包括数据流发送端100、数据流接收端300以及连接二者的光MIMO信道200，其特征在于，所述数据流发送端100包括：

一个用于接收信息比特流并对其进行第一级信道编码的信道外码编码器110，

一个用于接收第一级信道编码后的信息比特流、对其进行数据交织并解复用成N路数据码流的交织/解复用器120，N是光MIMO信道的信道数目，

N个用于对数据码流进行第二级信道编码的信道内码编码器130，N路数据码流与N个信道内码编码器130一一对应，

N个用于对第二级信道编码后的数据码流进行调制形成信号码流的调制模块140，N个调制模块140与N个信道内码编码器130一一对应，

经过调制模块140调制得到的N路信号码流通过N路光MIMO信道200传输给数据流接收端300，N路光MIMO信道200与N个调制模块140一一对应。

在上述技术方案的基础上，所述数据流接收端300包括：

N个用于接收通过N路光MIMO信道200传输来的N路信号码流的解调制模块310，N个解调制模块310与N路光MIMO信道200一一对应，解调制模块310将信号码流还原成数据码流，

N个用于对每一路解调制后的数据码流进行第一级解码的信道内码解码器320，N个信道内码解码器320与N个解调制模块310一一对应，N个信道内码解码器320输出N路第一级解码后的数据码流，

一个用于对N路第一级解码后的数据码流进行解交织并对其进行复用成为一路数据码流的解交织/复用器330，

一个用于对复用后的一路数据码流进行第二级解编码得到信息比特流的信道外码解码器340。

在上述技术方案的基础上，所述交织/解复用器120，在进行交织的同时，进行串并变换即解复用。

在上述技术方案的基础上，N个信道内码编码器130采用的编码方法相同或不同，N个调制模块140采用的调制方法相同或不同。

本发明还公开了一种基于上述双码分层空时编码系统的光通信方法，其特征在于：

在数据流发送端，信道外码编码器对需要进行传输的信息比特流进行第一级信道编码，再由交织/解复用器进行交织，并解复用成N路数据码流，N是光MIMO信道的信道数目；每一路的数据码流分别一对一的由对应的信道内码编码器进行第二级信道编码，然后由相应的调制模块进行调制形成N路信号码流，最后信号码流送入光MIMO信道进行传输。

在上述技术方案的基础上，在数据接收端，N路信号码流经过光MIMO信道传输后，首先由N个信道内码解码器对每一路信号码流进行一对一的第一级解码，然后经过解交织/复用器处理后得到一路数据码流，该数据码流由一个信道外码解码器进行第二级解码，得到所需的信息比特流。

本发明所述的双码分层空时编码系统和基于该编码的光通信方法，优点是既利用了光MIMO信道提升光传输容量，又通过交织结合了多信道传输的串联级联编码，改善了传输质量。

附图说明

本发明有如下附图：

图1VBLAST编码方案示意图；

图2HBLAST编码方案示意图；

图3SCBLAST编码方案示意图；

图4本发明中双码分层空时编码系统的数据流发送端示意图；

图5本发明中的双码分层空时编码系统框图；

图6本发明中双码分层空时编码系统的数据流接收端示意图；

图7误码率改善效果的仿真结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明给出了一种双码分层空时编码(DCLSTC，双码LSTC)系统和基于该编码的光通信方法。其中，所述双码分层空时编码系统框图如图5所示，包括数据流发送端100、数据流接收端300以及连接二者的光MIMO信道200。

所述数据流发送端100的具体结构如图4所示，包括：

一个信道外码编码器110，用于接收信息比特流并对信息比特流进行第一级信道编码，

一个交织/解复用器120，用于接收第一级信道编码后的信息比特流、对第一级信道编码后的信息比特流进行数据交织并解复用成N路数据码流，N是光MIMO信道的信道数目，

N个信道内码编码器130，数据码流与信道内码编码器130一一对应，故N路数据码流需配置N个信道内码编码器130，信道内码编码器130用于对数据码流进行第二级信道编码，

N个调制模块140，调制模块140与信道内码编码器130一一对应，调制模块140用于对第二级信道编码后的数据码流进行调制形成信号码流，

光MIMO信道200与调制模块140一一对应，经过调制模块140调制得到的N路信号码流通过N路光MIMO信道200传输给数据流接收端300。

光MIMO信道200的具体类型有多种，光MIMO信道的类型和数量与所利用的传输技术有关。比如，对于采用了偏振复用技术的光通信系统，可以看做TITO(两输入两输出)；对于采用了模式复用技术的光通信系统，如果模式数目为N，可视为NINO(N输入N输出)；对于采用了子载波技术或OFDM技术的光通信系统，如果载波数量为N，亦可视为NINO。对于光通信，一般其输入输出的数目是相同的。

所述数据流接收端300的具体结构如图6所示，包括：

N个解调制模块310，解调制模块310与光MIMO信道200一一对应，解调制模块310接收通过光MIMO信道200传输来的N路信号码流，并将信号码流还原成数据码流，

N个信道内码解码器320，信道内码解码器320与解调制模块310一一对应，信道内码解码器320用于对每一路解调制后的数据码流进行第一级解码，N个信道内码解码器320输出N路第一级解码后的数据码流，

一个解交织/复用器330，解交织/复用器330用于对N路第一级解码后的数据码流进行解交织并对其进行复用成为一路数据码流，

一个信道外码解码器340，信道外码解码器340用于对复用后的一路数据码流进行第二级解编码得到信息比特流。

需要注意的是，数据流接收端的解码器和解调制模块的工作方式与数据流发送端相应码流采用的编码方法和调制方法要对应，即：解调制模块310与调制模块140相对应，信道内码解码器320与信道内码编码器130对应，信道外码解码器340与信道外码编码器110对应。

在接收端解码时，还可以采用迭代译码、软判决等通用技术进一步提高信道编码增益。此是可以预见的技术手段，可采用现有技术实现，本发明不再明确具体如何进行。

在上述技术方案的基础上，所述交织/解复用器120，在进行交织的同时，进行串并变换即解复用。交织/解复用器120有两个作用，一是进行码的交织，二是将一路码流解复用成多路并行的子码流。交织可以对第一级信道编码后的比特进行扰乱，对相邻码经历的“有效”信道进行解相关，否则第二级信道编码的好处有限。普通STC方案中的解复用就是简单的串并变换，虽可认为其具有交织的作用，但交织深度太小；HBLAST和SCBLAST虽有专门的交织器，但其交织是在单个信道上进行的，没有发挥MIMO信道的多径优势。本发明将交织和解复用结合在一起，既通过交织充分利用了多径传输的好处，又实现了串并变换。

交织的实质是将突发误码分散为随机误码，不增添附加的监督码元而提高抗突发误码的能力，DCLSTC方案中的交织可以充分利用级联编码和MIMO多信道的优势。交织对码流的作用相当于一个置换器，将输入其中的信息符号按一一对应的方式重新排列。常用的有伪随机s-交织器(将输入序列按随机数的排序重新排列输出)、混沌交织器、分组交织器等。交织器的设计原则是最大程度置乱原数据顺序，避免置换前相距较近的数据在置换后仍近，特别是避免置换前相邻数据在置换后仍相邻。一般而言，交织长度越大，抗突发误码的能力越高。本发明中的交织/解复用器120的具体实现没有特殊要求，可以采用各种现有技术，如简单的分组交织器(将待传输的码按行写入矩阵，按列读出)，则接收端相应的解交织器按列写入，按行读出。其它模块、器件没有任何特殊要求，可采用现有技术实现，故本发明不再逐一限定。

在上述技术方案的基础上，N个信道内码编码器130采用的信道内码编码方法相同或不同，信道内码编码方法可采用RS码、BCH码等；N个调制模块140采用的调制方法相同或不同，调制方法可采用mPSK、mQAM。具体采用何种方式可依据光MIMO信道的特性而定，例如：对于两输入两输出的光偏振信道，因两个偏振信道的特性可认为相同，故可采用相同的信道内码编码方法和调制方法；对于光多模传输信道，因为高阶模在光纤中传输时受到的损伤比低阶模大，所以可以对高阶模信道上的信号采用冗余度更大的信道内码编码方法，亦可以采用抗干扰能力更强的调制方法。

通过采用Monte Carlo方法在Matlab 7.6环境下对本发明系统的误码性能进行了仿真。仿真中，信道外码采用RS(239，223)，信道内码采用RS(255，239)，交织使用分组交织器。仿真结果如图7所示，当信道原始BER为9×10^-4时，SCBLAST可以使BER降到3×10^-7，采用本发明技术DCBLAS的BER则可以降到10^-9。换言之，在同样的信道误码条件下，采用本发明后，误码率最小，其对系统性能的改善是明显的。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种双码分层空时编码系统，包括数据流发送端(100)、数据流接收端(300)以及连接二者的光MIMO信道(200)，其特征在于，所述数据流发送端(100)包括：

一个用于接收信息比特流并对其进行第一级信道编码的信道外码编码器(110)，

一个用于接收第一级信道编码后的信息比特流、对其进行数据交织并解复用成N路数据码流的交织/解复用器(120)，N是光MIMO信道的信道数目，

N个用于对数据码流进行第二级信道编码的信道内码编码器(130)，N路数据码流与N个信道内码编码器(130)一一对应，N个信道内码编码器(130)采用的编码方法相同或不同，N个调制模块(140)采用的调制方法相同或不同，采用偏振复用技术的光通信系统的光MIMO信道(200)为两输入两输出，采用模式复用技术的光通信系统的光MIMO信道(200)为N输入N输出，模式数目为N；采用子载波技术或OFDM技术的光通信系统的光MIMO信道(200)为N输入N输出，载波数量为N；两输入两输出的光偏振信道，采用相同的信道内码编码方法和调制方法；

N个用于对第二级信道编码后的数据码流进行调制形成信号码流的调制模块(140)，N个调制模块(140)与N个信道内码编码器(130)一一对应，

经过调制模块(140)调制得到的N路信号码流通过N路光MIMO信道(200)传输给数据流接收端(300)，N路光MIMO信道(200)与N个调制模块(140)一一对应；

在接收端解码时，采用迭代译码或软判决进一步提高信道编码增益；

所述数据流接收端(300)包括：

N个用于接收通过N路光MIMO信道(200)传输来的N路信号码流的解调制模块(310)，N个解调制模块(310)与N路光MIMO信道(200)一一对应，解调制模块(310)将信号码流还原成数据码流，

N个用于对每一路解调制后的数据码流进行第一级解码的信道内码解码器(320)，N个信道内码解码器(320)与N个解调制模块(310)一一对应，N个信道内码解码器(320)输出N路第一级解码后的数据码流，

一个用于对N路第一级解码后的数据码流进行解交织并对其进行复用成为一路数据码流的解交织/复用器(330)，

一个用于对复用后的一路数据码流进行第二级解编码得到信息比特流的信道外码解码器(340)。

2.如权利要求1所述的双码分层空时编码系统，其特征在于：所述交织/解复用器(120)，在进行交织的同时，进行串并变换即解复用。

3.一种基于权利要求1所述系统的光通信方法，其特征在于：

在数据流发送端，信道外码编码器对需要进行传输的信息比特流进行第一级信道编码，再由交织/解复用器进行交织，并解复用成N路数据码流，N是光MIMO信道的信道数目；每一路的数据码流分别一对一的由对应的信道内码编码器进行第二级信道编码，然后由相应的调制模块进行调制形成N路信号码流，最后信号码流送入光MIMO信道进行传输；

在数据接收端，N路信号码流经过光MIMO信道传输后，首先由N个信道内码解码器对每一路信号码流进行一对一的第一级解码，然后经过解交织/复用器处理后得到一路数据码流，该数据码流由一个信道外码解码器进行第二级解码，得到所需的信息比特流；

N个信道内码编码器采用的编码方法相同或不同，N个调制模块采用的调制方法相同或不同；采用偏振复用技术的光通信系统的光MIMO信道为两输入两输出，采用模式复用技术的光通信系统的光MIMO信道为N输入N输出，模式数目为N；采用子载波技术或OFDM技术的光通信系统的光MIMO信道为N输入N输出，载波数量为N；两输入两输出的光偏振信道，采用相同的信道内码编码方法和调制方法。