CN105359445B - 用于对数据进行调制以进行光通信的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种对数据进行调制以进行光通信的方法，该方法通过首先使用前向纠错(FEC)编码器编码数据以产生编码数据，使用分组编码器编码该编码数据以产生分组编码数据，使得表示该分组编码数据的码字之间的Lee距离增大。按照使得星座点之间的欧几里得距离增大的方式映射分组编码数据被以产生映射数据。然后，在发射器中调制该映射数据，以产生用于光信道的调制信号。

Description

用于对数据进行调制以进行光通信的方法和系统
技术领域
本发明总体上涉及调制光信号，并且更具体地，涉及为了可靠的光纤通信在多个维度中调制光信号。
背景技术
光相干通信系统自然适用于利用四维(4D)信号星座图的调制。与诸如双偏振四相相移键控(DP-QPSK)和16进制正交幅度调制(DP-16QAM)的传统格式相比，四维调制格式能够实现可观的增益。偏振切换QPSK(PS-QPSK)和集合划分(set-partitioned)128进制QAM(SP-128QAM)已知为实用4D星座图，并且它们分别能够实现1.76dB和2.43dB的渐进功率效率增益。可利用前向纠错(FEC)来实现高达1.5dB的增益。虽然已知一些高维调制格式，但是因为它们的增加的复杂性而使其针对光通信的应用受限于4D情况。
发明内容
本发明的实施方式提供用于调制用于可靠光纤通信的光信号的方法和系统。该方法可使用短分组码来增加代表数据的高维网格上的星座点之间的汉明距离和欧几里得距离。在一个实施方式中，该方法将扩展格雷(Colay)码用于24维(24D)超立方体网格或者在8D超立方体网格中使用奇偶校验码。对于其它维度，已知的准完备(near perfect)码可以与立方体网格星座图共同使用。另一个实施方式在最密的超球网格星座图上使用非线性码。
该方法将这些代码用于它们的距离属性，而不是将代码常规地用于无线通信和存储系统中的简单纠错。代码最大化基本星座图上的汉明距离，为此，汉明距离与立方体网格(例如，网格的每个维度上的二进制相移键控(BPSK)的基本星座图)上的欧几里得距离的平方成线性正比。
在一个实施方式中，扩展格雷码被用作准完备码的示例，该码具有针对其速度的最大增益，并提供了优异的性能。该方法将扩展格雷码的码字映射到24D超立方体，以实现每赫兹/偏振每秒1比特的频谱效率(b/s/Hz/pol)。在本文中，该格式被称为12比特24D格雷码超立方体(12b-24D-GCHC)。
利用该调制信号，对加性白高斯噪声(AWGN)的容差相比双偏振二进制相移键控(DP-BPSK)在10-3的误码率(BER)处要好3dB，在10-2的BER处要好1.9dB。在非线性光纤通信中，该方法相比DP-BPSK可以增加至少4dB的最大可允许跨度损耗，相比DP-QPSK可以增加8dB。
在我们之前的工作中，通过首先使用前向纠错(FEC)编码器对数据编码以产生编码数据来调制用于光通信的数据。进一步使用二进制分组编码器对数据编码以产生分组编码数据，产生分组编码数据的方式是使得表示该分组编码数据的码字之间的汉明距离增大。按照使得星座点之间的欧几里得距离增大的方式映射分组编码数据以产生映射数据。然后，在发射器中调制该映射数据，以产生用于光信道的调制信号。
此处，为了更高的频谱效率，我们通过利用基于较高级别的分组编码的高维调制来将高维调制。
附图说明
图1是根据本发明的实施方式的用于调制光信号的系统和方法的框图；
图2是根据本发明的实施方式的映射的框图；
图3、图4和图5根据本发明的实施方式对比传统编码的性能；以及
图6A、图6B和图6C是根据本发明的实施方式的用于基于网格的编码的示例映射的框图。
图7A是根据本发明的实施方式的光发射器的框图；以及
图7B是根据本发明的实施方式的调制器的框图。
具体实施方式
图1示出了根据我们的发明的实施方式的用于调制光信号的系统和方法。该系统包括通过光纤信道150连接到接收器200的发射器100。
在发射器处，来自源101的数据被外部编码110。外部编码器110增加前向纠错(FEC)冗余115。然后，分组编码器被应用到外部编码器的输出以产生编码数据125。分组编码被设计成增加代表数据的星座点之间的汉明距离。映射器130增加了星座点之间的欧几里得距离，以产生映射数据135。然后，映射数据形式的代码可以被调制140成通过光信道150传输的调制信号。该传输可以使用密集波分复用(WDM)、多模式空间复用、多核空间复用、子载波信令、单载波信令、以及它们的组合。
在接收器处，发射器的步骤以相反的顺序执行，其中，调制信号被解调、解映射、分组解码和FEC解码，以恢复数据。具体地说，前端处理210和信道均衡220被应用到所接收的光调制信号。分组判决230被做出以向外部编码240提供软判决信息以恢复用于数据宿(datasink)102的数据。
使用格雷编码超立方体(Gray-coded hypercube)的24D调制
为了通过4D光信道传输利用24维(4D)格式调制的光信号，我们将24D正交信号矢量映射到4D光载波。要做到这一点，我们把同相、正交相位、偏振以及时间视作正交维度。
图2示出了在时域中24D基础矢量(D1、...、D24)至4D载波的示例映射，其中，EXI是水平偏振上的光载波的同相分量、EXQ是水平偏振上的光载波的正交分量、EYI是垂直偏振上的同相分量以及EYq是垂直偏振上的正交分量。
在格雷编码超立方体星座图(即，每个维度具有独立于所有其它维度的±1的值并且每一个维度独立地进行比特标记的星座图)中，星座点之间的欧几里得距离的平方与汉明距离成线性正比。因此，我们使用被设计为增加星座点之间的汉明距离和欧几里得距离的代码。利用该效果，我们使用扩展格雷码来确定24D超立方体的子集。然后，该子集确定了我们的星座图。
扩展格雷码将12比特的信息编码成具有最小汉明距离的24比特字。虽然已经与适合的解码矩阵一起使用该代码以纠正无线通信和存储器中的错误，但是我们采用24D中的最大似然(ML)判决来保持用于前向纠错(FEC)解码器的软信息。
尽管在24D中用于12比特字的传统的ML判决通常是高度复杂的，但是我们使用这种格式的低复杂度解调，例如，基于相关度量计算的无乘法器过程(multiplier freeprocedure)。在另一个实施方式中，分组判决可以通过在分组代码的图形表示(因子图)上使用软信息置信传播来完成。另外，也可以使用网格解码或球形解码以减小复杂性，这使得能够针对短的分组大小和实时处理来实际实现本发明。
在12b-24D-GCHC中，对应于有效的扩展格雷码字的212个点是我们的星座点，所述212个点来自于24D超立方体上的可能的224个点。与24D超立方体相比，欧几里得距离的最小的平方增加了8倍，其具有与DP-QPSK的性能相同的性能，而每比特的平均能量加倍。因此，与24D超立方体相比，渐近功率效率提高了6dB。因为星座图是超立方体的子集，因此发射器和接收器可以类似于与DP-QPSK调制一起使用的发射器和接收器。
图3比较了12b-24D-GCHC、DP-BPSK/QPSK、PS-QPSK和12b-24D Leech网格的噪声灵敏度(以dB为单位)的加性白高斯噪声(AWGN)信道上的比特误码率(BER)性能。令人惊奇的是一个意想不到的结果，相比DP-BPSK/QPSK，噪声灵敏度在10-3的BER处减小了3dB，在10-3的BER处减小了1.5dB。这相比PS-QPSK是极其有利的，PS-QPSK是在渐进功率效率方面最佳的4D格式，其在10-3的BER处具有超出DP-QPSK 1dB的增益，并且在10-2的BER处具有0.6dB的增益。此外，相比基于Leech网格(24D中已知最密的网格)的球形切割的12比特24D星座图，12b-24D-GCHC具有优越的性能。12b-24D Leech相比于DP-QPSK的性能增益在10-3的BER处为2.8dB，在10-2的BER处为1.6dB。这意味着，针对这样的高维调制的标记和填充的优化是困难的，我们的具有线性代码的超立方体网格可以解决其困难。
图4示出了在具有95％的每跨度内联(inline)色散补偿的情况下，具有10-3的目标BER的50跨度传输链路的跨度损耗预算，并且图5为无内联色散补偿的情况。
使用单奇偶校验编码的超立方体的8D调制
另一个实施方式使用单一的奇偶检验码，以增加8D超立方体网格调制的汉明距离。通过分组编码器将7比特数据编码，以生成8比特编码字。每维度通过BPSK调制各个比特，并然后将8维BPSK映射到4D光载波。解码器过程与前述实施方式相同。8D调制的好处是在编码器和解码器二者中都较低的复杂度。
使用准完备分组码的高维超立方体网格调制
另一个实施方式使用准完备分组码，其针对目标数据率和维度提供了超立方体网格上的最大可能的汉明距离。准完备分组码包括线性和非线性码，或准完备码的组合。使用超立方体网格，汉明距离的增加可导致欧几里得距离的增加。高维网格调制可实现针对经受线性和非线性噪声的信号的更好的解码。
在另选实施方式中，我们使用最密的超球网格将星座图映射到4D光载波。分组码通过贪婪(greedy)球形切割被设计成在高维晶格点上顺序地选择最接近的点。
将高维网格星座图映射到光载波上
为了映射高维网格星座图，可以使用图6A所示的方法外的其它映射方法。作为其它实施方式，图6B和图6C中示出了示例映射。图6B具有的好处是，每个偏振信号都成为独立的，并因此，更有效地抵抗不期望的偏振偏度(skewness)。图6C的优点在于无需精确的4D信号发生器。
在另一个实施方式中，诸如不同的频域子载波、波长、不同的纤芯和空间模式的其它正交基可被用于映射多维星座图。星座图可表示按照诸如正交幅度调制(QAM)和相移键控(PSK)的调制方案调制的数据。星座图将数据表示为采样时刻处复平面中的多维散布图。
具有12个空间和偏振模式的24D信道上的光通信的空分复用也适用于24D的格雷码调制。该优选实施方式中，我们适时使用包括六个连续4D符号的24D基底。其它可能的映射在线性领域具有类似的性能。
标记优化以最小化BER
尽管无法确保最小化BER，但分组编码网格调制可以最大化多个比特上的最小欧几里得距离。在本发明中，成对错误概率矩阵的特征值分解被用于在目标信噪比(SNR)最小化BER的联合界。该方法首先确定所有可能的网格星座图之间的成对错误概率。使用曲线频谱技术，只有少数主导特征向量可以通过非负矩阵(即，成对错误概率表)的特征值分解来获得。该特征向量可以按照其符号来分割比特标记。在本征集分割后，模拟退火(SA)被用于提炼标记以最小化BER。
针对高维网格调制的FEC优化
本发明的方法针对不同的调制使用不同的FEC码。使用LDPC码的外部信息转移(EXIT)图分析，可针对不同的高维调制来优化边度分布(edge distribution)。本发明使用用于实际有限的迭代解码的交互信息轨迹，而不是常规地拟合EXIT曲线。在一个实施方式中，FEC码可具有与诸如BCH和Reed-Solomon(RS)码的另一个代数码级联的LDPC码。LDPC优化直接考虑代数码的纠错能力来设计度分布(degree distribution)。这种改变可通过排除在高SNR领域处的EXIT曲线收敛的约束来增强性能。
为了进一步提高性能，一个实施方式从FEC编码器将软判决信息135反馈至短分组编码调制解码器。该turbo迭代可以减少剩余的错误，尽管可能增加复杂性。
高维调制格式和四进制分组编码
图7A示出了使用将8-D调制用于12比特码(b1、...、b12)的示例光发射器。
从编码器接收这些比特用于串行至并行转换701。这之后是到(D1、...、D8)的调制702、4-D映射703以及数模转换704，随后进行低通滤波(LPF)705。经滤波的信号被I/Q调制706以用于传输(TX)激光器707。
更详细地，针对p＝12比特每符号，在N维空间中，高维调制将p数位编码二进制码字映射到2p个点上，产生p/N个比特、p/N个符号或者p/N维频谱效率(SE)。因此，该设计构成(i)N维空间中2P个星座点的位置的确定和(ii)相应的p数位二进制标记的确定。
‘超符号(supersymbol)’内的连续分配的多个简单子格式(serially allocatedmultiple simple sub-format)的形式的混合调制是用于高维调制的一种方法。针对给定的p/N调整子格式的比例，其中N由supersymbol的大小来确定，，星座图利用针对目标误码率(BER)调整的平均功率由子格式的星座图形成。此处，我们考虑由产生每比特、符号或者维度1到1.5之间的总SE的DP-QPSK和DP-8QAM子格式获得的混合调制格式。
另一个高维调制是球形网格切割，其中，从N维空间中的无限大小最密网格中确定2p个符号点，以将平均星座能量减到最小。针对每个星座点的相应二进制标记,在传统的DP发射器内使用随机搜索方法，球形晶格切割调制通过尺寸为2p乘N的查找表来实现。
短长度的分组码构成第三种高维调制方法。通过长度为4的二进制单奇偶校验码实现4D PS-QPSK是一个示例。假设每维度l信号电平，针对目标SE，分组码应具有分组长度N以及消息长度p/l。
此处，集中讨论四进制分组码，我们限定l＝4，得到小于2比特/符号/维度的SE。类似于星座图的最小欧几里得距离对二进制分组码调制的代码的最小汉明距离的依赖性。对于四进制码，我们选择具有最大最小Lee距离(maximum minimum Lee distance)的代码。Lee距离是在q进制字母表{0、1、...、q-1}(大小，q≥2)上等长度n的两个字符串x1x2...xn和y1y2...yn之间的距离。这是度量标准，定义为
如果q＝2，则Lee距离与汉明距离一致。然而，在这种情况下，我们感兴趣的是除二进制码之外的代码。
因为最大似然解调复杂度为O(N·2p)，因此期望足够小的N。
示例性四进制分组编码高维调制包括如图7B中所示的级。该示例使用如图7A中所示的12个比特710。
1)四进制字符映射-720：编码比特b 710通过4-PAM格雷映射器函数被映射720到四进制符号s 725
G:(b2m,b2m+1)→sm，其中m＝1,…,p/2
2)四进制分组编码-730：冗余信息被添加到四进制符号分组码730，如[s1…sN]T＝Q[s1…sp/2]T(mod 4)740，其中Q是对应于具有最小Lee距离h的四进制[N,p/2,h]码的四进制生成矩阵。
3)I/Q映射-750：零均值四进制编码分组[D1…DN]T＝[s1-1.5…sN-1.5]T被映射到I/Q维度作为复杂星座点760。
本发明的效果
在线性传播效应占主导的低发射功率领域中，四进制分组编码格式以及球形网格切割格式(如从加性白高斯噪声(AWGN)信道预期的)提供相对于混合调制格式的高达0.5dB的增益。在非线性占主导的情况下，性能的提升变得更加显著，特别是对于较高的SE。
DP-QPSK因为高的噪声容限和低的峰均功率比而有效地对抗非线性，而DP-8QAM显著受到非线性影响。因此，对于高信号功率，混合调制格式产生更糟糕的可实现的最佳性能和较高的易感性。
与此相反，四进制分组编码格式以及球形网格切割格式具有较高的噪声容限和非线性容限，因此相比于具有相同SE的混合调制格式得到高达1.3dB的最优跨度损耗预算改善。球形网格切割调制可被观察到针对许多SE情况具有与四进制编码调制类似的性能，直到最佳发射功率。然而，球形网格切割调制格式具有非常不均匀的功率分布，从而导致超出最佳发射功率时对非线性的极大易感性。
综上所述，四进制分组编码调制格式具有较低的实现复杂度、较高的噪声容限以及较高的非线性容限，这使得这些代码可作为下一代容量逼近超长通信距离系统的候选。

Claims (7)

1.一种对数据进行调制以进行光通信的方法，该方法包括：
使用前向纠错编码器对所述数据进行编码以产生编码数据；
使用分组编码器对所述编码数据进行编码以产生非二进制分组编码数据，使得与具有相同映射的未编码的星座图相比，表示所述非二进制分组编码数据的星座点之间的Lee距离增大；
按照使得与具有相同映射的未编码的星座图相比，所述星座点之间的欧几里得距离增大的方式映射所述分组编码数据以产生映射数据；以及
在发射器中使用球形网格切割格式将所述映射数据调制成用于光信道的四个或更多个维度的调制信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述分组编码器使用非线性二进制码。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述分组编码器使用四进制分组码。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述映射使用包括偏振、相位、时间、频率、波长、空间模式以及纤芯的多个正交基的任意组合。
5.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括：
在接收器中对所述调制信号进行解调、解映射、分组解码以及FEC解码以恢复所述数据。
6.一种对数据进行调制以进行光通信的系统，该系统包括：
前向纠错编码器，该前向纠错编码器被配置成从所述数据产生编码数据；
分组编码器，该分组编码器被配置成产生非二进制分组编码数据，使得与具有相同映射的未编码的星座图相比，表示所述非二进制分组编码数据的星座点之间的Lee距离增大；
映射器，该映射器被配置成按照使得与具有相同映射的未编码的星座图相比，所述星座点之间的欧几里得距离增大的方式从所述分组编码数据产生映射数据；
发射器，该发射器被配置成使用球形网格切割格式将所述映射数据调制成用于光信道的四个或更多个维度的调制信号。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述分组编码器使用非线性二进制码。
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