CN105763259A - 一种基于模式频率编码的模分复用光传输方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模式频率编码的模分复用传输方法和装置，其中所述方法包括：在发送端对信号进行模式?频率编码以引入多个传输模式之间的信息相关性；再经OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)调制后进行光调制、模式转换和复用。复用信号经过少模/多模光纤进行传输。接收端对信号进行模式解复用和模式转换，并采用多路光电探测器并行探测接收；对所述多路信号进行电域合并及数字信号处理，并采用基于最大似然估计的模式?频率译码方法补偿模式相关损耗以恢复出所发送信号。本发明通过对发送信号进行模式?频率编码，并在接收端利用相关算法补偿模式相关损耗，提高了少模光纤模分复用光传输系统中的分集增益，极大地提升了模分复用光传输系统的传输性能。

Description

一种基于模式频率编码的模分复用光传输方法和装置

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种基于模式频率编码的模分复用光传输方法和装置。

背景技术

单模光纤是目前高速长距离传输的主要介质。在过去的20年，在单模光纤中采用波分复用成为光通信容量提升的主要手段。随着目前互联网应用需求的进一步增长，在单模光纤中采用频谱效率更高的传输方式(如光正交频分复用，简称OOFDM)已经取得了广泛关注和应用。但是，近期的研究进展表明波分复用光传输的容量增长正在明显减速并快速接近单模光纤非线性仙农极限。基于少模光纤中的模式复用技术(MDM)是一种崭新的光多输入多输出传输形式，并被人们期待为实现进一步提升光网络容量的重要潜在方案。MDM技术是利用光纤各个模式间的正交性，将每一个模式视为独立的信道加载信号，形成多输入多输出(MIMO)通道，以提高系统传输容量和频谱效率。在少模光纤，通过合理设计光纤结构，只使其只支持有限个模式被激励并传输。这样，相比于单模光纤，可以采用MDM技术扩充单根光纤传输容量，而相比于多模光纤，可以控制模式个数，优化模式色散和串扰。

模式复用传输中，折射率的扰动会引起不同光纤模式所承载的信号之间的耦合，并导致传输场分布发生随机化演变。此外，在模分复用传输中，由于光纤传输过程中涉及到模式耦合、复用/解复用、模式放大等处理器件的级联，会导致各模式之间在串扰的同时，存在模式相关增益/损耗(MDL)、模式差分群时延(MDGD)等损伤效应，造成传输系统性能劣化并呈现随机性分布。如传输时MDL导致光信噪比变化，使得系统整体性能变差，它还能导致增益波动，对接收端补偿器的性能也会受到影响。

本发明针对目前少模光纤传输系统及对具有高频谱效率的OFDM调制技术现状，设计了OOFDM调制的模分复用系统中的一种模式频率编码(MFBC)方案，通过对模分复用中的多个传输模式间引入信息相关性，并在接收端利用相应的算法来实现对复用系统相关损耗的补偿，从而提升模分复用系统的传输性能。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种基于模式频率编码的模分复用光传输方法，该方法可以提高少模光纤模分复用光传输系统中的分集增益和抗模式损伤容限。

本发明的第二个目的在于提出一种基于模式频率编码的模分复用光传输装置。

为了实现上述目的，本发明第一方面实施例的基于模式频率编码的模分复用光传输方法包括以下步骤：

对信号进行星座映射，得到所要传输的复信号序列s；

对所述复信号序列s进行模式-频率编码以引入多个传输模式之间的信息相关性；

其中，所述模式-频率编码方法，具体包括：

步骤一，设OFDM子载波数为M，模分复用所采用的模式个数为2，则将所述复信号序列s分为并行的2路，s₁、s₂，且每路信号采用一种模式来承载所需传送的信息。其中，M为偶整数；

步骤二，对信号s₁、s₂分别按照式(1)、(2)进行正交编码，即保证了各路信号在符号周期内的内积为零，其中s₁(n)，s₂(n)表示信息序列s₁、s₂的第n个比特，n为整数。

S₁＝[s₁(1),-s₂*(1),s₁(2),-s₂*(2),…,s₁(n),-s₂*(n),……](1)

S₂＝[s₂(1),s₁*(1),s₂(2),s₁*(2),…,s₂(n),s₁*(n),……](2)

步骤三，将所述编码后的S₁、S₂序列分别按照表1、表2的规则，以M为一组并行分配到M个子载波f₁,f₂,…,f_M上。

表1模式2承载的信号格式S₂

表2模式2承载的信号格式S2

对所述已编码信号进行OFDM调制、光电调制、模式转换和模式复用。

将所述复用信号经过少模/多模光纤进行传输；

对接收到的信号进行模式解复用和模式转换，并采用多路光电探测器进行并行探测接收；

对所述多路信号进行电域合并及数字信号处理；

其中，在光纤波分复用系统中，接收端进行相干探测和数模转换后，需要对信号进行电域数字滤波以滤除相邻信道的干扰；

对所述数字信号处理后的信号采用基于最大似然估计的模式-频率译码方法补偿模式相关损耗；

其中，所述基于最大似然估计的模式-频率译码方法，包括：

步骤一，设接收端从两个模式接收信号的为r₁和r₂，分别代表在不同的模式中接收到的信号。设通过OFDM训练序列得到的信道传递函数分别为h₀，h₁，h₂，h₃。其中，h₀代表从模式LP11_a发射到接收端接收为模式LP11_a的信道状态估计信息(CSI)，h₁代表从模式LP11_b发射到接收端接收为模式LP11_a的信道状态估计信息(CSI)，h₂代表从模式LP11_a发射到接收端接收为模式LP11_b的信道状态估计信息(CSI)，h₃代表从模式LP11_b发射到接收端接收为模式LP11_b的信道状态估计信息(CSI)。因此，对于每个子载波，其信道传递矩阵为：

$H\left(f\right)=\left[\begin{array}{cc}{h}_0\left(f\right)& h_1\left(f\right)\\ h_2\left(f\right)& h_3\left(f\right)\end{array}\right]---\left(3\right)$

${\tilde{s}}_1=\left(\right|h_0{|}^2+\left|h_1{|}^2\right)s_1+h_0^{*}{n}_0+h_1{n}_1^{*}---\left(4\right)$

${\tilde{s}}_1=\left(\right|h_2{|}^2+\left|h_3{|}^2\right)s_2+h_2^{*}{n}_2+h_3{n}_3^{*}---\left(5\right)$

步骤二，对各路子载波信号按照式(6)、(7)进行与发送端模式-频率编码方式对应的模式-频率译码合并：

${\tilde{s}}_1\left(k\right)=\frac{1}{2}\left(S_1\right(2k-1)+S_2^{*}(2k\left)\right)---\left(6\right)$

${\tilde{s}}_2\left(k\right)=\frac{1}{2}\left(S_2\right(2k-1)-S_1^{*}(2k\left)\right)---\left(7\right)$

步骤三，将合并后的两路信号通过最大似然探测器(MLdetection)进行判决，恢复出原发送信号。

对所述译码后的信号进行星座解映射恢复出原发送信号。

为了实现上述目的，本发明第二方面实施例的基于模式频率编码的模分复用光传输装置，其特征在于包括：

发射机，用于进行星座映射产生已调电域复信号，如QPSK、16QAM等信号星座；

模式-频率编码模块，用于对所述电域复信号进行模式-频率编码；

其中，所述模式-频率编码模块具体包括：

模式串并转换模块，用于将要承载到不同模式上的信号转换成并行的两路、正交编码模块，用于按照式(1)、(2)进行模式-频率编码和子载波串并转换模块，用于将编码后的信号并行地分配到M个子载波上。

OFDM调制模块，用于对所述已编码信号进行OFDM调制；

光调制模块，用于将电信号转换为不同模式的光信号。

模式复用模块，用于将多路不同模式的光信号进行复用。

少模/多模光纤传输模块，模式复用信号传输媒介。

模式解复用模块，用于对接收信号进行模式解复用和模式转换，得到两路基模信号。

相干接收模块，用于对接收信号进行相干接收。

数字信号处理模块，用于对接收信号进行数字信号处理。

其中，所述数字信号处理模块包括OFDM帧头识别、符号同步、去除循环前缀、N*N路MIMO信道估计和均衡、频偏、相位噪声补偿等模块。

OFDM解调模块，用于对OFDM信号进行解调。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中，

图1是根据本发明一个实施例的一种基于模式频率编码的模分复用光传输方法的发送端流程示意图；

图2是根据本发明一个实施例的一种基于模式频率编码的模分复用光传输方法的接收端流程示意图；

图3是根据本发明一个具体实施例的一种基于模式频率编码的模分复用光传输装置的发送端流程示意图；

图4是根据本发明一个具体实施例的一种基于模式频率编码的模分复用光传输装置的接收端流程示意图。

Claims (7)

1.一种基于模式频率编码的模分复用光传输方法，其特征在于，所述方法包括：

在发送端对信号进行星座映射，得到所要传输的复信号序列s；

对所述复信号序列s进行模式-频率编码以引入多个传输模式之间的信息相关性；

对所述已编码信号进行OFDM调制、光电调制、模式转换和模式复用。

将所述复用信号经过少模/多模光纤进行传输；

对接收到的信号进行模式解复用和模式转换，并采用多路光电探测器进行并行探测接收；

对所述多路信号进行电域合并及数字信号处理；

对所述数字信号处理后的信号采用基于最大似然估计的模式-频率译码方法补偿模式相关损耗；

对所述译码后的信号进行星座解映射恢复出原发送信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所诉对所述复信号序列s进行模式-频率编码，具体包括：

步骤一，设OFDM子载波数为M，模分复用所采用的模式个数为2，则将所述复信号序列s分为并行的2路，s₁、s₂，且每路信号采用一种模式来承载所需传送的信息。其中，M为偶整数；

步骤二，对信号s₁、s₂分别按照式(1)、(2)进行正交编码，即保证了各路信号在符号周期内的内积为零，其中s₁(n)，s₂(n)表示信息序列s₁、s₂的第n个比特，n为整数。

S₁＝[s₁(1),-s₂*(1),s₁(2),-s₂*(2),….,s₁(n),-s₂*(n),……](1)

S₂＝[s₂(1),s₁*(1),s₂(2),s₁*(2),….,s₂(n),s₁*(n),……](2)

步骤三，将编码后的S₁、S₂序列分别按照M为一组的方式并行分配到M个子载波f₁,f₂,…,f_M上。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数字信号处理，具体包括：

对OFDM信号进行帧头识别、符号同步、去除循环前缀、N*N路MIMO信道估计和均衡、频偏、相位噪声补偿。

其中，在光纤波分复用系统中，接收端进行相干探测和数模转换后，还需要对信号进行电域数字滤波以滤除相邻信道的干扰。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于最大似然估计的模式-频率译码方法，具体包括：

步骤一，设接收端从两个模式接收信号的为r₁和r₂，分别代表在不同的模式中接收到的信号。设通过OFDM训练序列得到的信道传递函数分别为h₀，h₁，h₂，h₃。其中，h₀代表从模式LP11_a发射到接收端接收为模式LP11_a的信道状态估计信息(CSI)，h₁代表从模式LP11_b发射到接收端接收为模式LP11_a的信道状态估计信息(CSI)，h₂代表从模式LP11_a发射到接收端接收为模式LP11_b的信道状态估计信息(CSI)，h₃代表从模式LP11_b发射到接收端接收为模式LP11_b的信道状态估计信息(CSI)。因此，对于每个子载波，其信道传递矩阵为：

$H\left(f\right)=\left[\begin{array}{cc}{k}_0\left(f\right)& h_1\left(f\right)\\ k_2\left(f\right)& k_3\left(f\right)\end{array}\right]---\left(3\right)$

${\tilde{s}}_1=\left(\right|h_0{|}^2+\left|h_1{|}^2\right)s_1+h_0^{*}{n}_0+h_1{n}_1^{*}---\left(4\right)$

${\tilde{s}}_1=\left(\right|h_2{|}^2+\left|h_3{|}^2\right)s_2+h_2^{*}{n}_2+h_3{n}_3^{*}---\left(5\right)$

步骤二，对各路子载波信号按照式(6)、(7)进行与发送端模式-频率编码方式对应的模式-频率译码合并：

${\tilde{s}}_1\left(k\right)=\frac{1}{2}\left(S_1\right(2k-1)+S_2^{*}(2k\left)\right)---\left(6\right)$

${\tilde{s}}_2\left(k\right)=\frac{1}{2}\left(S_2\right(2k-1)-S_1^{*}(2k\left)\right)---\left(7\right)$

步骤三，将合并后的两路信号通过最大似然探测器(MLdetection)进行判决，恢复出原发送信号。

5.一种基于模式频率编码的模分复用光传输装置，其特征在于，所述装置包括：

发射机(101)，用于进行星座映射产生已调电域复信号，如QPSK、16QAM等信号星座；

模式-频率编码模块(102)，用于对所述电域复信号进行模式-频率编码；

其中，所述模块(102)包括偏振束分离器(PBS)、光I/Q调制器、偏振束合并器(PBC)，调制后的多路波分复用(WDM)信号被发送至光纤链路。

OFDM调制模块(103)，用于对所述已编码信号进行OFDM调制；

光调制模块(104)，用于将电信号转换为不同模式的光信号。

模式复用模块(105)，用于将多路不同模式的光信号进行复用。

少模/多模光纤传输模块(106)，模式复用信号传输媒介。

模式解复用模块(107)，用于对接收信号进行模式解复用和模式转换，得到两路基模信号。

相干接收模块(108)，用于对接收信号进行相干接收。

数字信号处理模块(109)，用于对接收信号进行数字信号处理。

其中，所述模块109包括OFDM帧头识别、符号同步、去除循环前缀、NxN路MIMO信道估计和均衡、频偏、相位噪声补偿等模块。

OFDM解调模块(1010)，用于对OFDM信号进行解调。

模式-频率译码模块(1011)，用于对信号进行模式-频率译码。

星座解调模块(1012)，用于对信号进行行走解映射，恢复出原始串行信号。

6.如权利要求5所述的一种基于模式频率编码的模分复用光传输装置，其特征在于，所述模式-频率编码模块(102)，具体包括：

模式串并转换模块(201)，用于将要承载到不同模式上的信号转换成并行的两路，每一路。

正交编码模块(202)，用于按照式(1)、(2)进行模式-频率编码。

子载波串并转换模块(203)，用于将编码后的信号并行地分配到M个子载波上。

7.如权利要求5所述的一种基于模式频率编码的模分复用光传输装置，其特征在于，所述模式-频率译码模块(1011)，具体包括：

信号合并模块(301)，用于对各路子载波信号按照式(6)、(7)进行与发送端模式-频率编码方式对应的模式-频率译码合并；

最大似然探测器(MLdetection)(302)，用于对译码后的信号进行判决以恢复信号。