CN106716873A - 无损多速率光传输和接收 - Google Patents

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Abstract

一种装置，包括：处理单元，被配置用于以多种调制格式对数据序列进行编码，以产生多速率数据流，其中所述多种调制格式中的第一调制格式提供第一传输数据速率，并且其中所述多种调制格式中的第二调制格式提供不同于所述第一传输数据速率的第二传输数据速率，并且在所述多速率数据流中插入速率改变信令块，以指示从所述第一传输数据速率到所述第二传输数据速率的速率改变；以及前端，耦合到所述处理单元并且被配置用于将所述多速率数据流转换为光信号，并且将所述经转换而得到的光信号通过光网络发射到远程光接收机。

Description

无损多速率光传输和接收
相关申请的交叉引用
本申请要求获得于2014年10月13日提交的申请号为14/512,753、申请人为张筑虹等人、发明名称为“无损(hitless)多速率光传输和接收”的美国专利申请的优先权，其通过引用并入本申请。
有关联邦政府赞助的研究或开发的声明
不适用
对微缩胶片附录的引用
不适用
背景技术
光通信系统被广泛运用于数据通信。光通信系统可包括光发射机、通道(如光纤)以及光接收机。光发射机可以将数据编码到光信号上，通道可将光信号从光发射机运载到接收机，而接收机则可从接收到的光信号中还原出数据。光接入网目前被用于传送多种高吞吐量数据和服务，包括光纤到户(fiber to the home，FTTH)、光纤到楼(fiber to thebuilding，FTTB)、企业连接、业务连接以及用于第四代(fourth generation，4G)和/或下一代无线通信的移动回传和前传。随着对提高光网络容量的需求不断增长，对现在和未来的网络设计提出了挑战。为了在有限的频谱带宽内实现大容量通信，最近的研究将焦点放在了通过运用较高阶的调制方案，例如偏振复用-二进制相移键控(polarization-multiplexed binaryphase-shift keying，PM-BPSK)、偏振复用-正交相移键控(polarization-multiplexed quadrature phase-shift keying，PM-QPSK)、偏振复用-8阶正交幅度调制(polarization-multiplexed 8quadrature amplitude modulation，PM-8QAM)或偏振复用-16阶QAM(polarization-multiplexed 16 QAM，PM-16QAM)，提供20千兆比特每秒(gigabits per second，Gbps)以上的数据速率，来提升频谱利用率。此外，光网络行业还在向着以更灵活和自适应的网络推进，以提供具备成本效益的解决方案，其中的网络和/或网络设备可以被重配置或软件可编程，即类似于无线通信中软件定义无线电(software defined radio，SDR)的方式，并可以适应应用需求和流量状况的改变。
发明内容
在一个实施例中，本公开包括一种装置，其包括：处理单元，被配置用于以多种调制格式对数据序列进行编码，以产生多速率数据流，其中所述多种调制格式中的第一调制格式提供第一传输数据速率，并且其中所述多种调制格式中的第二调制格式提供不同于所述第一传输数据速率的第二传输数据速率，并且在所述多速率数据流中插入速率改变信令块，以指示从所述第一传输数据速率到所述第二传输数据速率的速率改变；以及前端，耦合到所述处理单元并且被配置用于将所述多速率数据流转换为光信号，并且将所述经转换而得到的光信号通过光网络发射到远程光接收机。
在另一个实施例中，本公开包括一种在光通信设备中使用的方法，其包括：根据提供第一传输数据速率的第一调制格式对数据序列的第一部分进行编码；生成速率改变信令信息，以指示从所述第一传输数据速率到不同于所述第一传输数据速率的第二传输数据速率的速率改变，其中所述第二传输数据速率由不同于所述第一调制格式的第二调制格式提供；以第三调制格式对所述数据序列的第二部分进行编码，以在所述速率改变期间提供连续数据传输；根据所述第二调制格式对所述数据序列的第三部分进行编码；基于所述第一部分、所述速率改变信令信息、所述第二部分和所述第三部分生成光信号；以及将所生成的光信号通过光网络发射到光接收机。
在又一个实施例中，本公开包括一种相干光接收机，其包括：前端，被配置用于接收携带有包括第一传输数据速率和第二传输数据速率的多速率数据信号的光信号；并且将所述光信号转换为一个或多个数字电信号；以及处理单元，耦合到所述前端并且被配置用于根据与所述第一传输数据速率相关联的第一调制格式对所述数字电信号的第一部分进行解码；在所述数字电信号中检测速率改变信令块，所述速率改变信令块指示从所述第一传输数据速率到与第二调制格式相关联的第二传输数据速率的速率改变；并且根据所述第二调制格式对所述速率改变信令块之后接收的所述数字电信号的第二部分进行解码。
通过以下详细描述，并结合附图和权利要求，将更加清楚地理解这些及其他特征。
附图说明
为更全面地理解本公开，现在将结合附图和详细描述进行简短描述，其中相似的附图标记代表相似的部件。
图1是光传输链路的示意图。
图2是根据本公开一实施例的支持无损速率改变的光传输链路的示意图。
图3是数据划分方案的一实施例的示意图。
图4是速率改变信令方案的一实施例的示意图。
图5是用于提供无损速率改变的方案的一实施例的时序图。
图6是用于速率改变信令的编码方案的一实施例的示意图。
图7是用于生成带速率改变信令信息的多速率数据流的方法的一实施例的流程图。
图8是用于处理速率改变信令信息的方法的一实施例的流程图。
图9是显示多速率数据流的模拟速率改变的图表。
图10是多速率数据流的模拟误码率(bit errorrate，BER)的图表。
图11是收发机单元的一实施例的示意图。
具体实施方式
首先应当理解的是，虽然下文提供了一个或多个实施例的示意性实施方式，但其所公开的系统和/或方法可以通过任意数量的技术加以实施，无论此技术是否已知或现有。本公开绝不局限于下文示出的示意性实施方式、附图和技术，包括本文所示出和描述的示例性设计和实施方式等，而是能够在随附权利要求及其等同技术的范围之内进行修改。
本文所公开的是用于在光通信系统中提供无损速率改变的多速率光收发机的实施例。无损速率改变是指在连续数据传输中无缝改变传输数据速率并以信令方式通知速率改变信息(如收发机无需停止发送或接收数据即可改变数据速率)，既不损失数据，也不损失带宽。本公开的实施例适用于生成基于正交调幅(quadrature amplitude modulation，QAM)的多速率信号，其中不同的传输数据速率通过改变调制阶数来提供。在发射机处，所述多速率光收发机运用发射(transmit，Tx)速率控制器来确定和调整所述发射机输出的传输数据速率，例如，使之匹配于输入数据速率，而输入数据速率可基于传送的应用或服务而变化。例如，发射机确定将数据流的传输数据速率从第一传输数据速率改变为第二传输数据速率，其中第一传输数据速率由第一调制格式提供，而第二传输数据速率由第二调制格式提供。为了以信令方式告知所述速率改变，Tx速率控制器生成速率改变信令信息，并将该速率改变信令信息嵌入到数据流中进行传输。为了解决用于携带所述速率改变信令信息的带宽，以及提供连续的数据传输，Tx速率控制器在切换速率期间调整数据的编码。在接收机处，所述多速率光收发机运用接收(receive，Rx)速率检测器和Rx速率控制器来监控接收到的信号中有无速率改变信令信息，并相应地指示接收机执行解调。本公开的实施例基于冗余编码，为速率改变信令信息提供了一种鲁棒的编码方案。本公开的实施例适用于灵活的和自适应的相干光网络。在相干光网络中，接收机可以执行相干检测，以从接收到的光信号中还原出幅度和相位信息。
图1是光传输链路100的一实施例的示意图。光传输链路100包括发射机110，其通过光通道120可通信地耦合到相干接收机130。发射机110位于光传输链路100的发射端，被配置用于通过通道120向位于光传输链路100的接收端的接收机130发送光信号。通道120代表光通信网络中的传输链路，运载中心局(central office，CO)与用户端设备(customer-premises equipment，CPE)之间的上行和/或下行传输信号。例如，在下行传输中，发射机110可位于CO，而接收机130可位于CPE；而在上行传输中，发射机110可位于CPE，而接收机130可位于CO。为了便于双向数据通信，在CO和/或CPE的光收发机均同时包括发射机110和接收机130。
发射机110包括调制编码器112、Tx通道均衡器113、一个或多个数模转换器(digital-to-analog conventer，DAC)114、电光(electrical-to-optical，E/O)转换器115和激光器116。发射机110例如自数据生成器140接收输入数据流，数据生成器140可以是应用或服务传送系统的一部分。激光器116可以为发光源，例如可调谐激光器、无色激光器、分布式布拉格反射镜(distributed Bragg reflector，DBR)激光器。
调制编码器112被配置用于根据调制方案，将输入数据流映射到数据符号，以产生经编码的数字信号。调制方案的一些示例可包括PM-BPSK、PM-QPSK、PM-8QAM和PM-16QAM。调制编码器112耦合到Tx通道均衡器113。
Tx通道均衡器113被配置用于对经编码的数字信号执行频谱成形和/或Tx预补偿，例如以解决在通道上进行传输的过程中所可能出现的信号畸变，以及产生预补偿的数字信号。DAC 114耦合到Tx通道均衡器113，并被配置用于将预补偿的数字信号转换为模拟电信号。
E/O转换器115耦合到DAC 114。E/O转换器115包括E/O组件(未示出)，并被配置用于将模拟电信号调制到激光器116所提供的光载波上。例如，发射机110可发射光信号，该光信号包括两个正交的线偏振分量：X偏振分量和Y偏振分量，每个分量包括两个正交的相位分量：同相(in-phase，I)分量和正交相(quadrature-phase，Q)分量。两个偏振分量都可以包括相同的光载波频率，所述频率对应于激光器116所提供的光波长。
要注意的是，调制编码器112和Tx通道均衡器113适合于在处理单元中实现，所述处理单元包括通用处理器、单核处理器、多核处理器、专用集成电路(application-specificintegrated circuit，ASIC)和/或数字信号处理器(digital signal processor，DSP)。E/O转换器115、激光器116和DAC 114被称为发射机110的前端。
通道120包括滤光器，例如级联式波长选择开关(wavelength-selective switch，WSS)、光纤、放大器和其他组件(未示出)。通道120可以是色散(chromatic dispersion，CD)、非线性相位噪声、偏振模色散(polarization mode dispersion，PMD)、偏振相关损耗(polarizationdependent loss，PDL)、偏振相关增益、偏振旋转和光学高斯白噪声的来源。光纤可以是单模光纤或多模光纤。
接收机130被配置用于执行相干检测。相干检测是指从接收到的光载波信号中还原出幅度和相位信息。接收机130包括混频器131、本机振荡器(local oscillator，LO)132、一个或多个ADC 133、CD补偿器(CD compensator，CDC)134、1：M解复用器(de-multiplexer，DEMUX)135、多个多输入多输出均衡器(multip1e-input multiple-output equalizer，MIMO EQ)136和调制解码器137。接收机130被配置用于接收由发射机110发射并通过通道120传播的光信号。
混频器131被配置用于将接收到的光信号转换为一个或多个电信号。LO 132是一种光源，被配置用于提供频率与发射机110处的激光器116密切匹配的光信号，其中该光信号被称为基准信号。混频器131被配置用于将基准信号与传播的光信号混合，并将传播的光信号分解(split)为四个模拟电信号，每个分解信号都是发射信号的混合。例如，模拟电信号对于每个X偏振分量和Y偏振分量均可包含I分量和Q分量。ADC 133耦合到混频器131，并被配置用于将模拟电信号转换为数字信号。要注意的是，混频器131、LO 132和ADC 133被称作接收机130的前端。
CDC 134耦合到ADC 133，并被配置用于对数字信号执行CD补偿，以产生CD补偿的数字信号。1：M DEMUX 135耦合到CDC 134，并被配置用于将CD补偿的数字信号解复用为M个分支，其中M为正整数。例如，数值M可特定于硬件实现，并且可取决于硬件处理时钟速度。
在接收机130中，MIMO EQ 136耦合到1：M DEMUX 135，并布置为并行配置。各个MIMO EQ 136被配置用于处理所述M个分支中的一个，以还原并跟踪偏振状态的变化、补偿PMD、跟踪载波频率和相位、以及还原载波频率和相位。例如，各个MIMO EQ 136可以包括两个输入和两个输出。要注意的是，虽然MIMO EQ 136被配置用于在接收机130中进行并行处理，但1：M DEMUX 135和MIMO EQ 136可由本领域技术人员确定采取可替代的配置以实现同样的功能。
调制解码器137耦合到MIMO EQ 136，并被配置用于执行硬切片(slicing)或软切片，以还原原始发射数据。切片后，调制解码器137将还原后的数据提供给数据接收器(datasink)150，数据接收器150可以是与数据生成器140通信的应用或服务传送系统的一部分。要注意的是，MIMO EQ 136和调制解码器137适合于以处理单元的形式实现，后者可大体上类似于在发射机110中所描述的处理单元。
包括光发射机(例如发射机110)和光相干接收机(例如接收机120)的光收发机可能可以用多个数据速率发射数据。例如，光收发机可以通过更改调制方案或调制阶数来改变数据速率，但维持波特率不变。调制方案的调制阶数是指利用该调制方案在每个数据符号中所发射的信息位数。波特率是指符号速率或调制速率(单位：符号每秒)，而数据速率是指比特率，且随调制格式和/或调制阶数而变化。例如，光收发机可以按照约每秒28吉波特(gigabaud，GBaud)的固定波特率工作，但可以将调制格式从PM-BPSK改变为PM-QPSK，以产生从50Gbps切换到100Gbps的数据流，或者从PM-QPSK改变为PM-16QAM，以将传输数据速率从100Gbps切换到200Gbps。不过，这种光收发机可能不会配备速率改变控制机制来提供无损的速率改变。例如，这种光收发机中的发射机可能不会提供任何速率改变信息，且这种光收发机中的接收机可能不会得到关于速率切换时间和调制格式改变的信息。因此，在速率切换期间，传输可能无法保持连续性。
图2是根据本公开一实施例的支持无损速率改变的光传输链路200的示意图。光传输链路200包括发射机210，其通过光通道220可通信地耦合到相干接收机230。光通道220大体上类似于光通道120。如图所示，光传输链路包括与光传输链路100中类似的配置，其中发射机210位于光传输链路200的发射端，并且接收机230位于光传输链路200的接收端。发射机210和收机230大体上分别类似于发射机110和接收机130，但发射机210和接收机230均包括附加的模块，用于以信令方式告知、检测和控制速率改变，从而提供无损的速率改变。
发射机210包括调制编码器212、Tx通道均衡器213、一个或多个DAC 214、E/O转换器215、激光器216、数据成帧器217和Tx速率控制器218。调制编码器212、Tx通道均衡器213、DAC 214、E/O转换器215和激光器216分别类似于调制编码器112、Tx通道均衡器113、DAC114、E/O转换器115和激光器116。发射机210被配置用于接收来自数据生成器240(类似于数据生成器140)的输入数据流。
数据成帧器217被配置用于自数据生成器240接收携带有数据信息位的输入数据流。数据成帧器217还被配置用于将所述输入数据流划分为多个数据块以匹配处理时钟速度，并根据调制方案布置这些数据块。例如，使用PM-QPSK调制方案时，数据成帧器217可将数据位分为8个一组，其中每2个数据位映射到X偏振中的I分量、X偏振中的Q分量、Y偏振中的1分量、或者Y偏振中的Q分量的数据符号。具体组数可以取决于硬件实现，下文将有更详细的描述。
Tx速率控制器218耦合到调制编码器212和数据生成器240。Tx速率控制器218监控输入数据速率，输入数据速率为数据生成器240产生输入数据流的速率。当输入数据速率例如经过一定的时间长度而增大或减小，Tx速率控制器218确定更适当的传输数据速率。当Tx速率控制器218确定从第一传输数据速率切换到第二传输数据速率时，Tx速率控制器218确定引导至所述第二传输数据速率的调制格式、生成速率改变信令信息(例如，通过提供调制格式更改)、并指示调制编码器212用更新后的调制格式对输入数据流进行编码。要注意的是，输入数据速率是原始数据比特率，而传输数据速率是发射机210的输出数据速率，其可包括物理层的编码冗余或物理层的其他传输开销。
发射机210将速率改变信令信息与数据流一并发射到接收机230。例如，发射机210可以在速率切换时间之前的某些时间段插入速率改变信令信息，从而为接收机230提供充足的时间量来检测速率改变信令信息并配置接收机230，以使在所述切换时间期间接收机处不发生数据损失。
除了以信令方式告知所述速率改变之外，Tx速率控制器218指示调制编码器212采用阶数较高的调制格式对某些数据块进行编码，从而解决用于携带速率改变信令信息的带宽的问题，并提供连续的数据传输。例如，当Tx速率控制器218确定在某个具体的切换时间切换到较高的传输数据速率时，Tx速率控制器218可以在所述切换时间之前指示调制编码器212将某些数据块合并，并用提供较高数据速率的较高阶的调制格式对其进行编码。反之，当Tx速率控制器218确定在某个具体的切换时间切换到较低的传输数据速率时，Tx速率控制器218可以在所述切换时间之后指示调制编码器212将某些数据块合并，并用同样的较高阶的调制格式对其进行编码。需要合并及用较高阶的调制格式进行编码的数据块的个数可以改变，并可取决于速率改变的量，例如，大约两个数据块可足以让传输数据速率升高约一倍或降低约一半。
接收机230包括混频器231、LO 232、一个或多个ADC 233、CDC 234、1：M DEMUX235、多个MIMO EQ 236、调制解码器237以及Rx速率控制器238。混频器231、LO 232、ADC233、CDC 234、1：M DEMUX 235、MIMO EQ 236和调制解码器237大体上类似于混频器131、LO132、ADC 133、CDC 134、1：M DEMUX 135、MIMO EQ 136和调制解码器137。Rx速率控制器238耦合到MIMO EQ 236和调制解码器237。Rx速率控制器238被配置用于监控MIMO EQ 236的输出中是否出现速率改变信令信息，并基于所检测到的速率改变信令信息来控制MIMO EQ236处的均衡和调制解码器237上的数据编码。例如，一旦检测到速率改变信令信息，Rx速率控制器238可配置MIMO EQ 236和调制解码器237准备进行速率改变而不损失数据。将还原后的数据提供给数据接收器250(类似于数据接收器150)。要注意的是，速率改变信令信息在接收机230处终止，且速率改变信令信息对数据接收器250而言是透明的。
图3是数据划分方案300的一实施例的示意图，此方案被运用于光发射机(例如发射机200)，从而提供无损速率改变的多速率传输。在方案300中，数据序列310被划分为多个数据块311，每个块包含用相同调制格式进行编码的多个数据符号。在图3中，第i-1个数据块311中的数据符号用Di-1 0到Di-1 n-1表示，第i个数据块311中的数据符号用Di 0到Di n-1表示，而第i+1个数据块311中的数据符号则用Di+1 0到Di+1 n-1表示。数据符号的大小和/或数据符号中分量的个数取决于调制格式。例如，对于偏振复用-正交幅度调制(polarization-multiplexed quadrature amplitude modulation，PM-QAM)，各数据符号可以包含四个分量，即X偏振中的I分量和Q分量，以及Y偏振中的I分量和Q分量。
数据块311中符号的个数Ns的选择是为了在具体的硬件实现中实现具体的吞吐量。数值Ns取决于符号率、硬件架构和硬件处理时钟速度。数值Ns的计算方法如下：
其中RB为符号率，RP为硬件处理时钟速度，M为该硬件实现中所支持的并行分支的个数。例如，该硬件可以被配置用于在一个时钟周期内调制并产生M个数据符号。
当利用PM-QAM时，数据块311中经编码的数据位的个数Nd的计算方法如下：
Nd＝2×NQAM×Ns， (2)
其中NQAM为QAM数据符号的大小，例如在16QAM中，NQAM可为四。
图4是速率改变信令方案400的一实施例的示意图，其被运用于光发射机(例如发射机200)，从而提供无损速率改变的多速率传输。在方案400中，传输序列410包括多个数据块411和412(类似于数据块311)，以及速率改变信令块413。以提供第一传输数据速率r1的第一调制格式对数据块411进行编码。以提供第二传输数据速率r2的第二调制格式对数据块412进行编码。例如，以第一传输数据速率被编码的第i个数据块411用表示，而以第二传输数据速率被编码的第i+k+1个数据块412用表示。
为了以信令方式告知速率改变，同样以提供第一传输数据速率r1的第一调制格式对速率改变信令块413(用表示)进行编码，并将其插入到速率改变之前的传输序列410之中。如图4所示，被插入到速率改变之前的k个数据块411(图示部分414)处，其中k为正整数。例如，数值k可以依赖速率切换而变化，并且可被确定以使得部分414所包括的时长足以允许接收机(如接收机230)检测所述速率改变，并针对更新后的调制格式来配置接收机。
图5是用于提供支持无损速率改变的方案500的一实施例的时序图，其被运用于光发射机(例如发射机210)。方案500示出了速率改变信令块(例如速率改变信令块413)的编码，以及为了提供连续的数据传输以及解决用于速率改变信令块的带宽而在速率改变期间对数据块(例如数据块411、412或311)的编码调整。在图5中，x轴代表某任意单位的时间，并示出了目标传输数据速率570、数据序列510和某个时间段上的发射序列580。在方案500中，目标传输数据速率570在开始的时间561时采用约100Gbps的第一目标传输数据速率，然后在时间564切换为约200Gbps的较高的目标传输数据速率，并在时间566重新切回到约100Gbps的较低的传输数据速率。例如，目标传输数据速率570可以基于输入数据速率而确定。
作为示例，在方案500中，光发射机以固定的波特率工作，并通过利用不同的调制方案来提供不同的传输数据速率。为实现约100Gbps和200Gbps的传输速率，发射机分别利用了PM-QPSK和PM-16QAM。在图5中，方案500示出了一个偏振分量(例如X偏振分量或Y偏振分量)的速率改变机制，但类似的机制也可应用于其他偏振分量。
在时间561，数据序列510的第一部分520被划分为多个数据块521、522、523、524和525(类似于数据块411、412或311)并进行QPSK编码，从而提供100Gbps的传输数据速率。第一部分520的划分可以利用与数据划分方案300类似的机制执行。将第一部分520划分之后，用QPSK对数据块521进行编码，并组合到发射序列580中，用于传输到接收机(例如接收机230)。
在时间562，第一速率改变信令块551(例如速率改变信令块413)被插入到发射序列580中，以指示下一个调制格式(例如，16QAM)从而提供约200Gbps的传输数据速率。采用与数据块521相同的调制格式对速率改变信令块551进行编码。要注意的是，速率改变信令块551是在速率改变之前发射的，从而为接收机提供充足的时间量来检测速率改变，并针对更新后的调制格式做出配置。例如，速率改变信令块551可以被插入到速率改变之前预定个数的数据块处，其中数据块的个数可以基于当前调制格式和/或下一个调制格式而预先确定。
发射速率改变信令块551之后，采用QPSK对数据块522和523进行编码并将其发射到接收机。在时间563，为了在速率改变的时间564期间提供连续数据传输而不必等待16QAM数据块531开始，第一部分520最后的两个数据块524和525被合并，从而产生合并的数据块，并用16QAM编码，从而产生用16QAM编码的一个数据块552。合并的数据块的个数可以取决于速率的改变，例如，当前格式与下一个调制格式的调制阶数比。于是，通过使用即将起用的高阶调制格式对第一部分520中的一些数据块(如524和525)进行编码，发射机提供了具有连续数据传输的无损速率改变。
在时间564，数据序列510的第二部分530被划分为多个数据块531、532、533、534和535(类似于数据块411、412或311)并进行16QAM编码。将第二部分530划分之后，采用16QAM对数据块531-534进行编码并将其发射到接收机。
在时间565，第二速率改变信令块553被插入到发射序列580中，以指示下一个调制格式(例如，QPSK)从而提供约100Gbps的传输数据速率。采用与数据块531-534相同的调制格式(即16QAM)对速率改变信令块553进行编码。与速率改变信令块551类似的是，速率改变信令块553是在速率改变之前发射的，从而为接收机提供充足的时间量来检测速率改变，并针对更新后的调制格式做出配置。
在时间566，发射经编码的速率改变信令块553之后，采用16QAM对第二部分530最后的数据块535进行编码并将其发射到接收机。与此同时，数据序列510的第三部分540被划分为多个数据块541、542、543、544和545(类似于数据块521-525)并进行QPSK编码。
为了在速率改变的时间566期间提供连续数据传输，第三部分540中开始的两个数据块541和542被合并，并用16QAM编码，从而产生用16QAM编码的一个数据块554。合并的数据块的个数可以取决于速率的改变，例如，当前调制格式与下一个调制格式的调制阶数比。在时间567，调整编码之后，用QPSK对第三部分530中余下的块543-545进行编码。要注意的是，方案500中所述的操作既可以按照图示顺序执行，也可以按照其他任何合适的顺序执行。例如，发射机利用并行处理，可以在对当前到来的数据进行划分的同时，对之前已划分的数据进行编码。
如方案500中所示，当从低数据速率切换到高数据速率时，低数据速率的数据块末尾的数据以对应高数据速率的高阶调制格式进行编码。反之，当从高数据速率切换到低数据速率时，则低数据速率的数据块开始的数据以对应高数据速率的高阶调制格式进行编码。此外，以较高阶的QAM编码的低数据速率块的占比约等于较高阶的QAM与低阶的QAM的调制阶数比。
图6是用于速率改变信令的编码方案600的一实施例的示意图。编码方案600运用于多速率光收发机的光发射机(例如发射机210)和光接收机(例如接收机230)。在PM-QAM系统中，数据位被调制到两个正交的偏振上，即X偏振分量和Y偏振分量，其中每个偏振分量包括两个正交的相位分量：I分量和Q分量。例如，在PM-QAM系统中，第一数据子流可以被调制到X偏振分量的I分量上(用XI表示)，第二数据子流可以被调制到X偏振分量的Q分量上(用XQ表示)，第三数据子流可以被调制到Y偏振分量的I分量上(用YI表示)，并且第四数据子流可以被调制到Y偏振分量的Q分量上(用YQ表示)。由于四个数据子流是独立的，故而XI、XQ、YI和YQ在某个具体时间携带相同的符号值的可能性是相当低或者接近于零的。
因此，方案600利用了XI、XQ、YI和YQ的冗余编码，从而为速率改变信令信息的编码提供一种鲁棒的编码方案。如图6所示，要指示从100Gbps的PM-QPSK传输到150Gbps的PM-8PSK传输的速率改变(图示实线611)，速率改变信令块(如速率改变信令块413)中YI和YQ的数据位被设为相等的值。要指示从100Gbps的PM-QPSK传输到200Gbps的PM-16QAM传输的速率改变(图示实线612)，速率改变信令块中XI和XQ的数据位被设为相等的值，且YI和YQ的数据位也被设为相等的值。要指示从150Gbps的PM-8QAM传输到100Gbps的PM-QPSK传输的速率改变(图示虚线621)，速率改变信令块中XI和XQ的数据位被设为相等的值。要指示从150Gbps的PM-8QAM传输到200G的PM-16QAM传输的速率改变(图示虚线622)，速率改变信令块中YI和YQ的数据位被设为相等的值。要指示从200Gbps的PM-16QAM传输到150Gbps的PM-8QAM传输的速率改变(图示点划线631)，速率改变信令块中XI和XQ的数据位被设为相等的值。要指示从200Gbps的PM-16QAM传输到150G的PM-8QAM传输的速率改变(图示点划线632)，速率改变信令块中XI和XQ的数据位被设为相等的值，且YI和YQ的数据位也被设为相等的值。要注意的是，方案600可由本领域技术人员确定采取可替代的配置以实现同样的功能。
图7是用于生成带速率改变信令信息的多速率数据流的方法700的一实施例的流程图。方法700运用于光发射机(例如发射机210)，以提供无损的速率改变。方法700类似于方案500。例如，发射机可例如自类似于数据生成器240的数据生成器接收输入数据序列，该输入数据序列包括输入数据速率不同的多个部分；然后可生成多速率数据流，其包括多个与输入数据速率密切匹配的多个传输数据速率，其中不同的传输数据速率由不同的调制格式提供。在步骤710，通过利用与数据划分方案300类似的机制，基于第一调制格式和硬件处理时钟速度将数据序列的第一部分划分为多个第一数据块。
在步骤720，根据提供第一传输数据速率的第一调制格式对数据序列第一部分的第一数据块进行编码。例如，第一传输数据可以密切匹配第一部分的输入数据速率。在步骤730，例如基于输入数据速率的改变，确定从第一传输数据速率到第二传输数据速率的速率改变。为了提供第二传输数据速率，确定第二调制格式。在步骤740，确定速率改变之后，例如通过利用与编码方案600类似的机制，生成速率改变信令信息以指示所述速率改变。
在步骤750，生成速率改变信令信息之后，将速率改变信令信息插入到多速率数据流中，从而以信令方式告知所述速率改变。要注意的是，速率改变信令信息是插入在所述第一数据块末尾之前的。例如，发射机可以考虑光接收机(如接收机230)重新配置接收机的解调器和/或均衡器以切换从第一调制格式到第二调制格式的处理所需的时间量。可以预先确定时间量，从而对调制格式的任何改变都能提供充足的时间量，时间量可以采用若干个数据符号的方式。例如，当从PM-QSPK切换到PM-16QAM以提高传输数据速率时，可将速率改变信令信息插入到第一部分末尾之前的约4个数据块处。可替代地，当从PM-16QAM切换到PM-QPSK以降低传输数据速率时，可将速率改变信令信息插入到第一部分末尾之前的约1个数据块处。
在步骤760，插入速率改变信令信息之后，调整数据序列第二部分的编码，从而在速率改变期间提供连续的数据传输，其中第二部分是指余下的第一数据块。编码的调整取决于是要提高传输数据速率还是降低传输数据速率。所谓编码的调整，是指为第二部分的编码选择第三调制格式，并使其为第一调制格式或第二调制格式。例如，当从PM-QSPK切换到PM-16QAM时，速率改变信令块之后的4个余下的第一数据块的编码方式就有所不同，其中速率改变信令信息后所紧跟的前2个数据块依然以PM-QPSK编码，而后2个数据块则被合并并且以较高阶的调制格式PM-16QAM进行编码。可替代地，当从PM-16QAM切换到PM-QPSK时，余下的第一数据块依然以PM-16QAM编码，并且编码调整按如下所述稍后执行。
在步骤770，通过例如采用与数据划分方案300中所述的类似机制，基于第二调制格式和硬件处理时钟速度将数据序列的第三部分划分为多个第二数据块。在步骤780，根据所述第二调制格式对所述数据序列的第三部分进行编码。但是，当从高传输数据速率切换到低传输数据速率时，编码的调整在第三部分的起始处执行。例如，当从PM-16QAM切换到PM-QPSK时，第三部分的前2个数据块被合并，并且以较高阶的调制格式PM-16QAM进行编码。编码调整后，余下的第二数据块以第二调制格式编码。要注意的是，方法700旨在说明多速率数据流的生成操作，也可以按照其他任何合适的顺序执行。例如，在并行处理中，数据帧可以对数据序列的一部分进行划分，同时调制编码器对该数据序列的另一部分进行编码。
图8是用于处理速率改变信令信息的方法800的一实施例的流程图。方法800在光接收机(如接收机230)实现。在步骤810，接收机被配置用于根据与第一传输数据速率相关联的第一调制格式执行解调。在步骤820，例如光接收机接收光信号。在步骤830，此光信号被转换为多个数字电信号。例如，这些数字电信号可以包括两个正交的偏振分量：X偏振分量和Y偏振分量，其中X偏振分量可以包括I分量XI和Q分量XQ，并且Y偏振分量可以包括I分量YI和Q分量YQ。在步骤840，根据第一调制格式解调所述数字电信号的第一部分(如各XI、XQ、YI和YQ的第一部分)。
在步骤850，检测类似速率改变信令块413、551或553的速率改变信令块，其中速率改变信令块位于所述第一部分之后。此速率改变信令块指示从所述第一传输数据速率到与第二调制格式相关联的第二传输数据速率的速率改变。可以根据预先确定的速率改变信令编码方案，例如编码方案600对该速率改变信令块进行解码。例如，根据方案600，当从XI解调而得的值等于从XQ解调而得的值时，和/或当从YI解调而得的值等于从YQ解调而得的值时，检测到速率改变信令块。
在步骤860，接收速率改变信令块之后，根据第一调制格式解调所述数字电信号的第二部分，其中所述第二部分位于所述速率改变信令块之后。例如，所述第二部分可以包括预定个数的采样或符号，并且其所跨时间长度足以让接收机切换到第二调制格式。在步骤870，接收机被配置用于根据第二调制格式执行解调。在步骤880，根据第二调制格式解调所述数字电信号的第三部分，其中所述第三部分位于所述第二部分之后。要注意的是，确定第二调制格式之后，速率改变信令块被丢弃。
图9是显示多速率数据流的模拟速率改变的图表900。在图表900中，x轴代表数据块的个数，其中的数据块可类似于数据块311、411或412。y轴代表X值与Y值不匹配的个数，其中X值解码自X偏振分量，且Y值解码自Y偏振分量。模拟中包括通过光通道(例如光通道220)耦合到光相干接收机(例如接收机230)的光发射机(例如发射机210)。在模拟中，发射机被配置用于发射在100Gbps、150Gbps和200Gbps之间变化的多速率数据流，其中发射机利用PM-QPSK、PM-8QAM和PM-16QAM来分别提供100Gbps、150Gbps和200Gbps的传输速率。在模拟中，发射机依照150Gbps、100Gbps、200Gbps和150Gbps的顺序改变传输数据速率，并在每次速率改变之前插入速率改变信令信息。发射机对四个独立的数据子流进行编码，其中每个相位分量XI、XQ、YI和YQ上一个数据子流，并通过将XI、XQ、YI和YQ设置为相同值来指示速率改变。
曲线910显示了接收机处所检测的速率改变。例如，在模拟中，接收机被配置用于计算数据块中X值与Y值不匹配的个数，这可包括X偏振分量和Y偏振分量中的I分量和Q分量。部分911对应利用PM-8QAM编码来实现约150Gbps传输数据速率的部分。在部分911中，每个符号携带约3个数据位，每个数据块包含约500个符号，故每个数据块携带约1500个数据位。如图所示，部分911中X值与Y值不匹配的个数约为750，对应约百分之50(％)的不匹配，符合预期。在点921处，X值与Y值不匹配的个数约为零，对应速率改变信令信息的接收，与发射机中的配置相匹配。
部分912对应利用PM-QPSK编码来实现约100Gbps传输数据速率的部分。在部分912中，每个符号携带约2个数据位，每个数据块包含约500个符号，故每个数据块携带约1000个数据位。如图所示，部分912中X值与Y值不匹配的个数约为500，对应约50％的不匹配，符合预期。在点922处，X值与Y值不匹配的个数约为零，对应速率改变信令信息的接收。
部分913对应利用PM-16QAM编码来实现约200Gbps传输数据速率的部分。在部分913中，每个符号携带约4个数据位，每个数据块包含约500个符号，故每个数据块携带约2000个数据位。如图所示，部分913中X值与Y值不匹配的个数约为1000，对应约50％的不匹配，符合预期。
部分914对应使用PM-8QAM编码的部分，类似于部分911。在点923处，X值与Y值不匹配的个数约为零，对应速率改变信令信息的接收。
图10是多速率数据流的模拟BER的图表1000。在图表1000中，x轴的代表含义类似图表900中的x轴，而y轴代表BER。曲线1010代表通过类似图9所述模拟的模拟而生成的BER曲线，并对应接收机处每个数据块测得的的BER。区域1031对应使用PM-8QAM传输的部分911的BER，而点1041对应从150Gbps到100Gbps的第一速率改变。区域1032对应使用PM-QPSK传输的部分912的BER，而点1042对应从100Gbps到200Gbps的第二速率改变。区域1033对应使用PM-16QAM传输的部分913的BER，而点1043对应从200Gbps到150Gbps的第三速率改变。部分1034对应使用PM-8QAM传输的部分914的BER。如曲线1010中所示，不同调制格式之间的相对BER符合预期。要注意的是，在点1041、1042和1043处的速率改变期间，曲线1010并未显示突发错误。
图11是收发机单元1100的一实施例的示意图，收发机单元1100可以是发射和/或接收带编码数据的光信号的任意设备。例如，收发机单元1100可以位于光通信系统(例如光传输链路200)中，其可实现发射机210和接收机230。收发机单元1100也可以被配置用于实现或支持本文所述的任意一种方案，例如方法700和/或800。在一些实施例中，收发机单元1100也可作为光传送网络(optical transport network，OTN)中的其他节点，例如光线路终端(optical line terminal，OLT)、光网络单元(optical network unit，ONU)和/或其他的光学网元。本领域技术人员会认识到，“收发机单元”一词可包含范围很宽的设备，而收发机单元1100仅是其中一例。包含收发机单元1100的目的是为了让讨论更清楚，并非意在将本公开的应用限制为某个或某类具体的收发机单元实施例。本公开所述特征和方法中至少一部分可以在网络装置或组件例如收发机单元1100中实现。例如，本公开所述特征和方法可以采用硬件、固件和/或安装在硬件上以运行的软件来实现。如图11所示，收发机单元1100可以包括E/O前端1110和/或O/E前端1120，其可分别将电信号转换为光信号以在OTN中传输，和/或自OTN接收光信号并将光信号转换为电信号。处理单元1130可分别通过多个DAC1140和ADC 1150耦合到E/O前端1110和/或O/E前端1120，所述多个DAC 1140和ADC 1150可以是或不是处理单元1130的一部分。DAC 1140可将处理单元1130所生成的数字电信号转换为模拟电信号，从而馈送入E/O前端1110。ADC 1050可将自O/E前端1120所接收的模拟电信号转换为数字电信号，从而可由处理单元1130进行处理。处理单元1130可包括一个或多个处理器，其包括通用处理器、单核处理器、多核处理器、ASIC和/或DSP。处理单元1130可包括Tx速率控制器模块1133，其可类似于Tx速率控制器218，并可实现方法700；以及Rx速率控制器模块1134，其可以类似于Rx速率控制器238，并可实现方法800。在一个可替代实施例中，Tx速率控制器模块1133和Rx速率控制器模块1134可以通过存储器模块1132中所存储的指令来实现，并可以由处理单元1130执行。存储器模块1132可以包括缓存，用于临时性存储内容，例如可以是随机存取存储器(random-access memory，RAM)。附加地，存储器模块1132可以包括长期存储，用于相对长期地存储内容，例如可以是只读存储器(read-only memory，ROM)。例如，所述缓存和长期存储可以包括动态RAM(dynamic RAM，DRAM)、固态驱动器(solid-statedrive，SSD)、硬盘驱动器或其组合。
可以理解的是，通过编程和/或在收发机单元1100上加载可执行指令，处理单元1130和/或存储器模块1132中至少有一个会发生改变，从而将所述收发机单元1100部分转变为一种具体的机器或装置，例如多核转发架构，其具有本公开所教导的新颖功能。电气工程和软件工程中的基本常识是，能够通过将可执行软件加载到计算机中实现的功能，都可以通过公知的设计规则转化为硬件实现。要决定概念究竟采取软件还是硬件实现，考虑点通常维系于设计的稳定性、要制造的单元数量、和/或所需的时钟速度，而非从软件领域转换到硬件领域所存在的问题。一般而言，仍需频繁更改的设计，通常优选以软件实现，因为重新设计硬件实现比重新设计软件设计更为成本高昂。一般而言，已经稳定、将要大批量生产的设计，可能优选以硬件(例如采用ASIC)实现，因为对大批量生产而言，硬件实现的成本低于软件实现。通常，一项设计会先以软件形式进行开发和测试，之后再通过公知的设计规则进行转化，将软件的指令转化为ASIC中的硬连线，从而转化为同等的硬件实现。正如由新的ASIC控制的机械是一种具体的机械或装置，经过编程和/或加载有可执行指令的计算机也可被视为一种具体的机械或装置。
应当理解的是，本公开的任何处理均可通过使得计算机系统(如发射机210或接收机230)中的处理器(例如计算机系统中的通用中央处理单元(central processing unit，CPU))执行计算机程序而实现。其中，应可使用任意类型的非暂时性计算机可读介质为计算机或移动设备提供计算机程序产品。此计算机程序产品可以存储在计算机或网络设备中的非暂时性计算机可读介质中。非暂时性计算机可读介质包括任意类型的有形的存储介质。非暂时性计算机可读介质的示例包括磁性存储介质(如软盘、磁带、硬盘驱动器等)、光磁存储介质(如磁光盘)、光盘只读存储器(compact disc read-only memory，CD-ROM)、可记录光盘存储器(compact disc recordable，CD-R)、可重写光盘存储器(compact discrewritable，CD-R/W)、数字通用光盘(digital versatile disc，DVD)、蓝光(注册商标)光碟(Blu-ray disc，BD)和半导体存储器(例如掩模型ROM、可编程ROM(programmable ROM，PROM)、可擦写PROM、快闪ROM和RAM)。也可使用任意类型的暂时性计算机可读介质为计算机或移动设备提供计算机程序产品。暂时性计算机可读介质的示例包括电信号、光信号和电磁波。暂时性计算机可读介质可以通过有线通信线路(如电线、光纤)或无线通信线路向计算机提供程序。
虽然本公开提供了若干个实施例，但应当理解的是，本文所公开的系统和方法还可以采用其他多种具体形式实现，并不会偏离本公开的精神或范围。本文的示例应被视为示意性的而非限制性的，其目的并不局限于本文所给细节之内。例如，各种元素或组件可以组合或集成到另一个系统中，某些特征可以省略或不实施。
不仅如此，在各种实施例中分散或单独描述和示出的技术、系统、子系统和方法等，也可以组合或者集成到其他系统、模块、技术或方法中，并不会偏离本公开的范围。其他在图示或讨论中相互耦合或直接偶联或相互通信的物体，也可以通过某种接口、设备或中间组件(不论其为电性的、机械性的还是其他性质的)等间接耦合或通信。本领域技术人员可以在不偏离本文所公开的精神和范围的前提之下确定其他更改、替换和改装的示例。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
处理单元，被配置用于：
以多种调制格式对数据序列进行编码，以产生多速率数据流，其中所述多种调制格式中的第一调制格式提供第一传输数据速率，并且所述多种调制格式中的第二调制格式提供不同于所述第一传输数据速率的第二传输数据速率；并且
在所述多速率数据流中插入速率改变信令块，以指示从所述第一传输数据速率到所述第二传输数据速率的速率改变；以及
前端，耦合到所述处理单元并且被配置用于：
将所述多速率数据流转换为光信号；并且
将所述经转换而得到的光信号通过光网络发射到远程光接收机。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述速率改变信令块在所述速率改变之前被插入到所述多速率数据流中，并且其中所述处理单元还被配置用于以所述第一调制格式对所述速率改变信令块进行编码。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述处理单元还被配置用于：
基于所述第一调制格式的第一处理时间，将所述数据序列的第一部分划分为多个第一数据块；并且
基于所述第二调制格式的第二处理时间，将所述数据序列的第二部分划分为多个第二数据块。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述处理单元还被配置用于通过将所述速率改变信令定位在所述第一部分的末尾之前的若干个第一数据块处来插入所述速率改变信令块，以提供解调切换时间，并且其中所述第一数据块的个数取决于所述第一调制格式。
5.如权利要求3所述的装置，其中所述第一传输数据速率小于所述第二传输数据速率，并且其中所述处理单元还被配置用于在所述速率改变期间提供连续数据传输，其方式为：
将位于所述第一部分的末尾附近的若干个第一数据块合并以产生合并的数据块，其中待合并的所述第一数据块的个数取决于所述第二调制格式与所述第一调制格式的调制阶数比；并且
以所述第二调制格式对所述合并的数据块进行编码。
6.如权利要求3所述的装置，其中所述第一传输数据速率大于所述第二传输数据速率，并且其中所述处理单元还被配置用于在所述速率改变期间提供连续数据传输，其方式为：
将位于所述第二部分的末尾附近的若干个第二数据块合并以产生合并的数据块，其中待合并的所述第二数据块的个数取决于所述第一调制格式与所述第二调制格式的调制阶数比；并且
以所述第一调制格式对所述合并的数据块进行编码。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述速率改变信令块包括第一偏振分量和与所述第一偏振分量正交的第二偏振分量，其中所述第一偏振包括第一同相I分量和第一正交相Q分量，并且其中所述第一I分量和所述第一Q分量均包括第一值。
8.如权利要求7所述的装置，其中所述第二偏振分量包括第二I分量和第二Q分量，并且其中所述第二I分量和所述第二Q分量均包括第二值。
9.如权利要求1所述的装置，其中所述处理单元还被配置用于以恒定的符号速率产生所述多速率数据流。
10.如权利要求1所述的装置，其中所述处理单元还被配置用于基于所述数据序列的输入数据速率改变确定所述速率改变。
11.如权利要求1所述的装置，其中，所述调制格式包括偏振复用-二进制相移键控PM-BPSK、偏振复用-正交相移键控PM-QPSK、偏振复用-8正交幅度调制PM-8QAM、偏振复用-16QAM PM-16QAM或其组合。
12.一种在光通信设备中使用的方法，包括：
根据提供第一传输数据速率的第一调制格式对数据序列的第一部分进行编码；
生成速率改变信令信息，以指示从所述第一传输数据速率到不同于所述第一传输数据速率的第二传输数据速率的速率改变，其中所述第二传输数据速率由不同于所述第一调制格式的第二调制格式提供；
以第三调制格式对所述数据序列的第二部分进行编码，以在所述速率改变期间提供连续数据传输；
根据所述第二调制格式对所述数据序列的第三部分进行编码；
基于所述第一部分、所述速率改变信令信息、所述第二部分和所述第三部分生成光信号；以及
将所生成的光信号通过光网络发射到光接收机。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述第一调制格式包括的调制阶数低于所述第二调制格式的调制阶数，其中所述方法还包括基于所述第一调制格式将所述第一部分和所述第二部分划分为多个数据块，并且其中对所述第二部分进行编码包括：
基于所述第二调制格式与所述第一调制格式的调制阶数比，将所述第二部分最后的若干个数据块合并，以产生合并的数据块；
将所述第三调制格式设置为所述第二调制格式；以及
根据所述第三调制格式，对所述第二部分中所述合并的数据块进行编码。
14.如权利要求12所述的方法，其中，所述第一调制格式包括的调制阶数高于所述第二调制格式的调制阶数，其中所述方法还包括基于所述第二调制格式将所述第二部分和所述第三部分划分为多个数据块，并且其中对所述第二部分进行编码包括：
基于所述第一调制格式与所述第二调制格式的调制阶数比，将所述第二部分开始的若干个数据块合并，以产生合并的数据块；
将所述第三调制格式设置为所述第一调制格式；以及
根据所述第三调制格式，对所述第二部分中的所述合并的数据块进行编码。
15.如权利要求12所述的方法，其中所述速率改变信令块包括第一偏振分量和与所述第一偏振分量正交的第二偏振分量，其中所述第一偏振包括第一同相I分量和第一正交相Q分量，并且其中所述方法还包括通过将所述第一I分量和所述第一Q分量设置为相同值来生成所述速率改变信令信息。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述第二偏振包括第二I分量和第二Q分量，并且其中所述生成所述速率改变信令信息还包括将所述第二I分量和所述第二Q分量设置为相同值。
17.一种相干光接收机，包括：
前端，被配置用于：
接收携带有与第一传输数据速率和第二传输数据速率相关联的多速率数据信号的光信号；并且
将所述光信号转换为一个或多个数字电信号；以及
处理单元，耦合到所述前端并且被配置用于：
根据与所述第一传输数据速率相关联的第一调制格式对所述数字电信号的第一部分进行解码；
在所述数字电信号中检测速率改变信令块，所述速率改变信令块指示从所述第一传输数据速率到与第二调制格式相关联的第二传输数据速率的速率改变；并且
根据所述第二调制格式对所述速率改变信令块之后接收的所述数字电信号的第二部分进行解码。
18.如权利要求17所述的相干光接收机，其中所述处理单元还被配置用于根据所述第一调制格式对紧跟在所述速率改变信令块之后接收的所述数字电信号的第三部分进行解码。
19.如权利要求17所述的相干光接收机，其中所述处理单元还被配置用于：
丢弃所述速率改变信令块；并且
基于所述第一部分和所述第二部分产生解码后的数据流。
20.如权利要求17所述的相干光接收机，其中所述速率改变信令块包括第一偏振分量和与所述第一偏振分量正交的第二偏振分量，其中所述第一偏振包括第一同相I分量和第一正交相Q分量，并且其中所述第一I分量与所述第一Q分量均包括相同值。
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