CN104380636B - 用于在光学通信网络中进行信号处理的方法和装置 - Google Patents

Abstract

提供了用于在光学通信网络中进行数据处理的方法和装置，其中，在偏振复用系统的节能模式中，经由一个偏振面发送或接收数据信号；并且其中，另一个偏振面的发送机或接收机的部件至少部分以减小功率模式操作。另外，提出了包括所述装置的通信系统。

Description

用于在光学通信网络中进行信号处理的方法和装置

本发明涉及用于在光学通信网络中进行信号处理的方法及装置。

时下，能源消耗成为总操作成本的显著部分。因此，网络元件的低能耗(或者能源效率)是重要的设计标准。

光学接收机和发送机产生了重大贡献。特别是，具有大于40Gb/s的高比特率和相干检测的光学接收机和发送机需要具有并行的数据路径的数字信号处理器，而这消耗了大量的能源。

如果所需的数据率低于可用的数据率，则可以减小光学信号的数据率(或者符号率)。也可以减小接收机和发送机的处理单元和前向纠错(FEC)功能的时钟速度(频率f)，从而产生了减小的功耗(大约与频率f成比例)，并因此生成了较小的热量。

然而，在光域中减小数据率的缺点在于，将显著地降低相邻信道的光学性能。信号信道的性能取决于相邻信道的调制类型和符号率。符号率越低，对相邻信道的影响越高。如果减小信道的符号率，则相邻信道的性能可能恶化并且可能不能再保证它们的性能。在最坏的情况下，信号可能不再被成功发送。这是特别不利的，因为光学规划工具考虑最坏情况的假设以用于定义最大范围。因此，整个系统将受光域中的符号率减小的影响。

待被解决的问题是克服上面提及的缺点，并且尤其是提供对于在光学通信网络中的节能而言有效的方案。

该问题根据独立权利要求的特征来解决。进一步实施方式产生于从属权利要求。

为了克服该问题，提供了用于在光学通信网络中进行信号处理的方法，

-其中，在偏振复用系统的节能模式中，经由一个偏振面发送数据信号；

-其中，另一个偏振面的发送机和/或接收机的部件至少部分地以减小功率模式操作。

因此，该解决方案允许使发送机和接收机的数据率适用于由切换(打开/关闭)偏振所需(例如，有效地需要)的数据率。发送机和/或接收机的(暂时)不需要的部件可以进入待机模式或被关闭(例如，有限的时间周期)。这允许降低通信装置和/或系统的功耗。

因此该方法允许光学信号的数据率降低、而不恶化相邻的信道。因此，最大发送范围不受影响，而整个功耗降低。所呈现的解决方案尤其适用于所有偏振复用的调制格式。

在实施方式中，在需要预定阈值的带宽或更小的带宽的情况下，进入所述节能模式。

预定阈值可以是偏振复用系统的带宽的50％或更小。带宽可能需要手动或自动设置(例如，基于预测或者基于通过集中功能的设置或者通过网络操作者)。

根据另一个实施方式，在所述减小功率模式中，部件(或者那些部件中的至少一部分)进入待机模式、以减小的时钟速率操作或者被关闭。

应注意，部件可以是涉及发送和/或接收数据信号的部件；还应注意，那些部件中的仅一部分可以进入减小功率模式。另外，用于接收数据信号的部件还可能受到影响，并且还可能(至少部分地)进入减小功率模式。

在进一步实施方式中，在节能模式中，偏振复用系统的数字信号处理器和/或前向纠错单元以减小的时钟速率(或者以减小的数据宽度)操作。

还有实施方式是在节能模式期间，用于将客户端侧连接至线路侧的调帧器部分地操作和/或以减小的速度(或者以减小的数据宽度)操作。

根据另一个实施方式，在节能模式期间，客户端模块中的至少一些进入待机模式或者被关闭。

作为附加的实施方式，在节能模式期间，通过减小功率进行主动冷却。

因为在节能模式期间生成的热量减小，所以可能需要较少的冷却(例如，可以部分关闭风扇或者可以减小风扇速度)。

根据另一个实施方式，所述方法被操作为用于网络节点的至少一个线路卡或者用于发送系统的至少一个传送单元。

还可以通过包括设置成如下的处理单元或与其相关联的装置解决上面提及的问题，其中处理单元被设置成：

-在偏振复用系统的节能模式期间经由一个偏振面发送和/或接收数据；

-使得另一个偏振面的发送机和/或接收机的部件至少部分地以减小功率模式操作。

应注意，本文中记载的方法的步骤也可以是在该处理单元上可执行的。

根据实施方式，所述装置可以是光学通信系统中的网络节点的线路卡(线路卡的一部分)或者发送系统(发送系统的一部分)。

还应注意，所述处理单元可以包括布置成执行本文中所述的方法的步骤的一个或多个装置。该装置可以是逻辑上或物理上独立的；尤其是，多个逻辑上独立的装置可以被结合在至少一个物理单元中。

所述处理单元可以包括以下所述中的至少一种：处理器、微控制器、硬接线电路、ASIC、FPGA、逻辑装置。

本文中提供的解决方案还包括可直接载入到数字计算机的存储器中的计算机程序产品，包括用于执行如本文所述的方法的步骤的软件代码部分。

此外，通过具有适于使计算机系统执行如本文所述的方法的计算机可执行指令的计算机可读介质(任何类型的存储)解决上面提及的问题。

另外，通过包括本文所述的至少一个装置的通信系统解决上面提及的问题。

在下面的附图中示例性示出和说明了本发明的实施方式，在附图中：

图1示出了具有二维星图和四维星图的POLMUX-RZ-PSK发送机结构的示意性框图；

图2示出了对通过图1中所示的发送机输送的POLMUX-RZ-DQPSK信号进行处理的相干接收机的示意性框图；

图3示出了如图2中所指示的数字信号处理块的示意性框图；

图4示出了利用复用功能操作的100Gb/s相干发送机的示例，其中复用功能受进入省电模式的影响。

下文中将对基于POLMUX-QPSK调制格式的下一代产品进行示例性描述。图1示出了具有二维星图116和四维星图117的POLMUX-RZ-DQPSK发送机结构的示意性框图。

来自光源101(例如，CW激光器)的信号被馈送到马赫-曾德尔调制器(Mach-Zehnder-Modulator)MZM 102，在该调制器中利用电信号103(例如，基本正弦信号)对其进行调制。MZM 102的输出被分成分支104和分支105。分支104、105的输出通过偏振分束器(polarization beam splitter)PBS 106结合，其中，偏振分束器PBS 106提供经调制的输出信号107。

分支104包括两个并行的MZM 108、109，其中，MZM 108与(π/2)移相器110连接。在MZM 108处利用电信号111(也被称为预编码I-信号)执行调制，在调制器MZM 109处利用电信号112(也被称为预编码Q-信号)执行调制。

分支105包括两个并行的MZM 113、114，其中，MZM 113与(π/2)移相器115连接。在MZM 113处利用电信号111执行调制，在调制器MZM 114处利用电信号112执行调制。

通过二维星图116可以看到，POLMUX-RZ-DQPSK的发送机提供与常见的DQPSK调制器提供的信号相似的信号。图1的发送机提供两种结构，其中一种用于每个偏振。为了获得归零(RZ)，可在CW激光器后添加所谓的脉冲发生器。根据图1的示例，该脉冲发生器通过MZM102实现。例如通过使用3dB分离器118将来自脉冲发生器的信号分成两个分支104、105。两个分支104、105均使用常见的QPSK调制器单独进行DQPSK调制。在调制后，两个经DQPSK调制的信号通过PBS 106结合，其中，PBS 106将来自分支104、105的信号复用至正交偏振上。在眼图中，因为发送机的输出包含脉冲，所以可确定脉冲发生器的效果。每个脉冲(中间)携带两个不同的信号的两个相位。总共16种组合是可能的。脉冲的速率等于总比特率除以四。这意味着一个符号包含4比特的信息，由此产生每个符号4比特。

存在有多种接收POLMUX-RZ-DQPSK信号的方式。下文中，作为示例，将对偏振分集内达因接收机检测(polarization-diversity intra-dyne receiver detection)进行描述。图2示出了对通过图1中所示且如上所述的发送机输送的POLMUX-RZ-DQPSK信号进行处理的相干接收机的示意性框图。

输入信号201通过PBS 202分成两个正交偏振分量E_in,x 203和E_in,y 204，其中，两个正交偏振分量E_in,x 203和E_in,y 204是原始传输的两个原始信号的混合。两个正交分量203、204均被馈送至90°光学混合205、206，其中两个正交分量203、204与LO激光器207的输出信号进行混合。为了该目的，LO激光器207的信号被馈送至PBS 208，LO激光器207的信号在PBS208中被分成分量E_LO,x 209和分量E_LO,y 210。分量209被输送至90°光学混合205，分量210被输送至90°光学混合206。应注意，光学混合205、206通过块229详细地概述。

LO激光器207可以是自由运行的激光器，并且可以与数百兆赫的频率范围内的发送机激光器对准。该对准可以通过能够设置在数字信号处理块211中的数字信号处理(DSP)控制。LO激光器207的可允许的频率范围取决于用于载波相位估计(CPE)的DSP算法。

通过在90°光学混合205、206中对LO激光器207和接收到的信号201(即，分量203、204)进行混合产生了同相(I)分量和正交(Q)分量，所产生的同相(I)分量和正交(Q)分量随后被馈送至光电二极管213至220，(例如，根据特定情况下的复杂性和/或成本有效性)光电二极管213至220可以是单端或平衡的光电二极管。

来自直接检测到的信号分量的失真能够通过使用高LO-信号(LO-to-signal)功率比来最小化。因此，对来自光电二极管213至220的信号进行结合(经由元件221至224)和放大(经由放大器225至228)。随后，放大的信号通过单元212的模-数转换器(ADC)数字化。该单元212的输出可以通过前面提及的DSP进行处理以恢复原始传输的比特流。

数字信号处理块211可以控制驱动器225至228的增益和/或调节LO激光器207的频率。

图3示出了数字信号处理块211的示意性框图。该数字处理可以在图2中所示的相干接收机的电域中执行。

馈送至数字信号处理块211的信号被输送至频域均衡(FDE)阶段301，频域均衡阶段301是用于沿着光学链路对累积的色散(CD)进行估计和补偿。FDE阶段301之后是时钟恢复302和时域均衡(TDE)阶段303以对DGD/PMD(即，在两个偏振的FDE和解复用后残留的CD)进行补偿。

在FDE阶段301中，使用FFT将信号转变到频域中。频域更适合于对CD进行补偿，因为此处可以应用薛定谔方程(Schrodinger equation)的逆线性部分。在FDE阶段301中进行CD补偿后，使用IFFT将信号转变回时域。因为对每个偏振应用CD补偿(参见图3)，所以FDE阶段301不能够对偏振进行解复用。在TDE阶段303之前，执行时钟恢复302。

在沿着光纤传播期间，所发送的信号累积噪声并且两个偏振经历CD和PMD以及它们之间的混杂效应。偏振E_in,x和E_in,y是原始传输的两个原始信号的混合。PBS 202将接收到的信号201分成两个(任意)正交偏振分量203、204。

如果假设所有信号消弱为线性的，则可以确定矩阵H(传递函数)，矩阵H可以是用于逆转信道的线性效果的逆矩阵H的近似。矩阵H可以被概述为H＝[h_xx h_yx；h_xy h_yy]，其通过图3中所示的TDE阶段303的蝶形结构表示。通过将接收到的信号与传递函数H相乘，可以确定发送信号的近似。因此，TDE阶段303可以对残留的CD、PMD进行补偿，并且对两个偏振进行解复用。

理论上，可在TDE阶段中对CD进行(基本上)完全补偿；然而，这种补偿需要大量的计算。还能够使用诸如恒模算法(CMA)或最小均方(LMS)算法的方法确定传递函数H。使用这些算法，传递函数H的系数可以随着时间的推移而适用以能够追踪与信号的偏振态相关的快速变化或者信道特性的变化。

TDE阶段303可以对非线性消弱提供有限的容忍。在TDE阶段303后，通过载波恢复304对信号进行处理，其中，载波恢复304对发送机与LO激光器207之间的频率和相位中的偏移进行校正(例如，通过使用维特比-和-维特比算法(Viterbi-and-Viterbi algorithm))。频率偏移可通过对大量符号上的相位变化进行积分或通过估计频域中的转移来进行估计。在降低或(尤其是基本上)去除频率偏移后，应用载波相位估计(CPE)以去除相位偏移。接着，使用限幅器(slicer)305在符号上进行数字决策。然后，DQPSK解码器306确定所产生的比特流。

最后，比特流被馈送至前向纠错(FEC)。

图3还可视化了能够与所指示的多个处理阶段相关联的星图。

本文中呈现的解决方案尤其建议了使发送机和接收机的数据率适用于打开/关闭偏振所需(例如，有效地需要)的数据率。

因此，发送机和/或接收机功能上(暂时)不使用的分量可以进入待机模式。这允许降低通信装置和/或系统的功耗。

通过关闭一个偏振，在整个数据率降低时光学信号的每个偏振的符号率保持相同。相邻信道上的剩余偏振的非线性效果保持不变。然而，发送介质上的整个非线性效果由于仅单个偏振影响相邻信道这一事实而降低。

有利地，解决方案允许降低光学信号的数据率、而不恶化相邻信道。因此，最大发送范围不受影响，而整个功耗降低。这种方案尤其适用于所有偏振复用的调制格式。

示例性实现方式和优点

图4示出了利用复用功能(也称为“复用转发器(muxponder)”)操作的100Gb/s相干发送机的示例。该功能可被提供在利用偏振复用的QPSK调制格式的复用转发器卡上。

线路侧405包括接收侧上的单元406(参见图2)，单元406具有光学混合与光检测器407，光学混合与光检测器407各自经由跨阻放大器408至411向数字信号处理器和前向纠错单元417(下文中也称为单元417)输送两个偏振X和Y中的I/Q信号。馈送至单元417的信号中的每个具有总计25Gb/s的示例性比特率。单元417还经由10条线路(每条线路携带10Gb/s的比特率)连接至客户端侧401的调帧器404，其中，调帧器还经由10条线路(每个具有10Gb/s)连接至10个小型可插拔(Small Form-factor Pluggable)(SFP)402至403。

在发送方向上，数字信号处理器和前向纠错单元417的输出经由驱动器放大器412至415向POLMUX I/Q调制器416供给信号I_X、Q_X、I_Y和Q_Y(I：同相分量；Q：正交分量；X：第一偏振；Y：第二偏振)中的每个(例如参见图1)。

示例性情况可以如下：当所需的数据率小于卡的全数据率的一半时，可以关闭单个偏振(在本示例中为Y-偏振)，从而产生50Gb/s的数据率。这导致了线路侧发送机上的Y-偏振的同相和正交(I/Q)数据流的相应的驱动器放大器414和415被关闭。因此，这些驱动器414和415在待机模式中不再需要电能或者需要较少的电能。

连续波(CW)光随后在不通过调制器改变的情况下被发送，并且仅X偏振的I/Q信号被调制到光学载波上。所产生的信号由X-偏振中的经调制的光学信号和Y偏振中的未经调制的CW构成。

完全关闭偏振的未使用的CW可能不是有利的：因为每个信道功率通过链路控制算法保持恒定，所以单个偏振的功率被加倍。结果，无法再确保信道自身以及相邻信道的性能。

线路侧上的接收机以偏振分集配置操作以确保接收到的信号的正确回复。在这种配置中，两个偏振均需要被接收并转换至电域，以能够在单元417中进行数字信号处理。如果一个偏振将被关闭，则其可能无法正确地恢复剩余的偏振，因为偏振态在接收机的输入处是随机的，并且这可能在相应的偏振中导致不充足的信号量。因此，所有四个TIA 408至411可能需要是可操作的。

单元417包括若干处理功能以恢复接收到的相干数据流，FEC编码器和解码器以及10:4(解)复用器以对(来自)25Gb/s线路数据率上的客户端数据进行(解)复用。

与全部数据率的情况相比，DSP和FEC解码器可产生约10％的较小功率节约效果。另一方面，FEC编码器和10:4(解)复用器可具有用于节约电力的更大潜力。例如，当仅对数据吞吐量的一半进行处理时，FEC编码器可以以减小的、例如一半的时钟速率操作，因此将其功耗减小了约50％。附加的功率节约能够通过对单个X-偏振进行操作的仅一半的10:4(解)复用器来实现。

可以在节约它们总功率的大约50％的卡或卡单元的客户端侧上关闭10Gb/s SFP(或者其他可应用的)客户端模块402至403中的一半。附加地，在降低数据率之前，将10Gb/s的客户端数据(例如，10GE或OTU2)映射到100Gb/s线路信号(例如，OTU4)的调帧器仅需要在一半的数据上进行操作，因此消耗更少的功率(降低约40％的功率)。

下面的表格示出了对于不同装置和这种复用转发器卡的部分的示例性功耗。因为所生成的热量减少，所以可以通过提供较少的冷却来进一步降低功耗。

这示出了对于线卡的示例性功耗降低。在网络节点中安装有若干发射机应答器，以便能够实现每节点数kW的功耗降低。另外，因为也可以减少主动冷却，所以能够实现附加的能源节约。

缩写词列表

(I)FFT 快速傅立叶(逆)变换

ADC 模数转换器

CD 色散

CMA 恒模算法

CPE 载波相位估计

CW 连续波

DGD 差分群时延

DPSK 差分相移键控

DQPSK 差分QPSK

DSP 数字信号处理

FDE 频域均衡

FEC 前向纠错

FFT 快速傅立叶变换

Gbps 千兆每秒(也称为：Gb/s)

HF 高频

IC 集成电路

LD 激光二极管

LMS 最小均方

LO 本机振荡器

MOD 调制器

MZM 马赫-曾德尔调制器

OOK 开/关键控

OTU 光学信道传输单元

PBS 偏振分束器

PMD 偏振模色散

POLMUX 偏振复用

QAM 正交幅度调制

QPSK 正交相移键控

RZ 归零

SFP 小型可插拔

TDE 时域均衡

TIA 跨阻放大器

Claims (10)

1.一种用于在光学通信网络中进行数据信号处理的方法，包括以下步骤：

-从偏振复用发送机向接收机发送数据信号；

-在偏振复用系统的节能模式中，经由一个偏振面从所述发送机向所述接收机发送数据信号，并经由另一个偏振面发送未经调制的连续波光；

-使得所述另一个偏振面的所述接收机的部件至少部分以减小功率模式操作，在所述减小功率模式中，所述部件中的至少部分进入待机模式并以减小的时钟速率操作或者被关闭，

其中，在需要预定阈值的数据率或更小的数据率的情况下，进入所述节能模式。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在需要50％或更小的带宽的情况下，进入所述节能模式。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述节能模式中，所述偏振复用系统的数字信号处理器和/或前向纠错单元以减小的时钟速率操作或者以减小的数据宽度操作。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述节能模式期间，用于将客户端侧连接至线路侧的调帧器部分地操作和/或以减小的速度或者减小的数据宽度操作。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述节能模式期间，客户端模块中的至少一些进入待机模式或者关闭。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述节能模式期间，通过减小功率进行主动冷却。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述方法被操作为用于网络节点的至少一个线路卡或者用于发送系统的至少一个传送单元。

8.一种包括处理单元或与处理单元相关联的装置，所述装置设置成用于：

-使用偏振复用发送器发送数据信号并使用接收器接收偏置复用的数据信号，其中所述处理单元被配置为在需要预定阈值的数据率或更小的数据率的情况下进入节能模式，

-其中，所述处理单元还被配置为在所述节能模式期间经由一个偏振面发送和接收数据，并经由另一个偏振面发送/接收未经调制的连续波光；

-使得所述另一个偏振面的所述接收机的部件至少部分以减小功率模式操作，在所述减小功率模式中，所述部件中的至少部分进入待机模式并以减小的时钟速率操作或者被关闭。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述装置为光学通信系统中的网络节点的线路卡或者发送系统的传送单元。

10.一种通信系统，包括至少一个根据权利要求8或9中任一项所述的装置。