CN111988090B

CN111988090B - 码片模式载波复合关联光编码方法

Info

Publication number: CN111988090B
Application number: CN202011152184.5A
Authority: CN
Inventors: 刘博�; 吴泳锋; 张丽佳; 张皓景; 赵立龙; 孙婷婷; 忻向军; 毛雅亚; 刘少鹏; 宋真真; 王俊锋; 哈特; 姜蕾
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2020-10-26
Publication date: 2021-01-26
Anticipated expiration: 2040-10-26
Also published as: CN111988090A

Abstract

本发明公开了码片模式载波复合关联光编码方法，属于光通信技术领域，包括如下步骤：1）在发射端，对需要进行发送的多路用户数据进行重新编码，将这多路用户数据编码后调制到不同的模式、载波上，然后输入少模光纤中进行传输至接收端；2）接收端收到信号后，先进行码片、模式、载波复合编码对应顺序解码，解码后再还原出各路用户的原始数据。本发明通过结合不同的复用技术，大幅度提升光通信系统的传输容量，使得系统过载获得通信效率被大幅度提高；编码时，将用户数据分配给不同模式、载波形成码字，通过编码实现三个维度的扩频，可以有效提升系统的抗干扰能力；该方法主要是一种编码方法的创新，发生在数字信号处理调制中，具有广阔的应用前景。

Description

码片模式载波复合关联光编码方法

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体涉及码片模式载波复合关联光编码方法。

背景技术

随着5G基建、大数据中心、人工智能等“新基建”项目的开展，面向差异化应用的流量将会显著增加，作为基础带宽承载技术，光通信将面临新一轮的技术演进与革新。并且随着高清视频、云计算、物联网及大数据等新一轮信息技术的发展，光接入网架构势必会发生系统性、多融合、大容量的综合优化调整。

长远来看，50G PON网络也会被新一代的网络所取代，大容量、海量用户灵活接入是大势所趋。为适应网络业务的持续增长，需要进一步研究和发展具有突破性的光纤传输技术和系统，以满足信息通信网的带宽需求，具有现实的紧迫性。

在光纤通信领域，随着多种新技术的出现与多种新型器件的研制成功，传统的单模光纤已接近香农极限。为了突破单模光纤容量极限的限制，需要开发利用新的维度进行传输。空分复用技术（SDM）利用光纤中“空间”的维度进行复用，其中，模分复用技术（MDM）通过在单根光纤中使用多个相互正交的模式分别作为独立的信道同时对信号进行传输，被认为是提升光通信容量的有效手段，利用空间维度实现传输容量成倍的提升。

近年来，模分复用技术与波分复用、时分复用及偏分复用技术逐渐融合，新式的光子灯笼模式复用/解复用器的出现，也解决了光信号耦合进出光纤的问题，为少模光纤的实用化做出了推进作用。在长距离的传输过程中，由于存在着模式色散（MD），光脉冲发生畸形，不同模式具有不同的群速度，传输距离过长会导致不同模式到达接收端的时间不同，造成误码。针对少模光纤中不可避免地会发生模式间的耦合问题，主要解决的方法有：一、在接收端，使用数字信号处理对信号进行均衡处理。一般使用多输入多输出（MIMO）均衡系统，对信号进行均衡恢复。虽然，关于均衡算法有不断的研究提出，均衡效果可以达到很优秀的效果，但是算法的复杂度高仍然是面临实时通讯的一个挑战。二、关于少模光纤、模式转换器、模分复用器/解复用器、模式放大器等器件的设计和制备。在算法优化之外，还可以在器件结构上进行调整，生产一批串扰程度低、高集成度的器件，使得增益更均衡，提高系统的稳定性，提高效率。

现如今，我国在少模光纤模分复用系统方向上的研究还停留在初始阶段，对基于少模光纤的模式复用技术采取研究，主要集中在理论层面，仿真实验规模较小。

模分复用技术在下一代光纤通信系统领域拥有相当大的扩容潜力，可以为光传输系统与网络带来巨大的突破。如何将模分复用技术合理有效地运用在光纤通信系统并使其成为将来光通信领域的关键技术依然是一项艰巨的任务。

发明内容

发明目的：针对模分复用技术使用过程中会发生的模式串扰问题，本发明的目的在于提供码片模式载波复合关联光编码方法，实现三维扩频，以获得扩频增益提升系统的抗干扰能力，起到一定的模间串扰抑制。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

码片模式载波复合关联光编码方法，包括如下步骤：

1）在发射端，对需要进行发送的多路用户数据进行重新编码，将这多路用户数据编码后调制到不同的模式、载波上，然后输入少模光纤中进行传输至接收端；

2）所述的接收端收到信号后，先进行码片、模式、载波复合编码对应顺序解码，解码后再还原出各路用户的原始数据。

进一步地，步骤1）中，所述的对需要进行发送的多路用户数据进行重新编码，具体包括如下步骤：

1.1）确定传输使用的模式数量m和系统使用的载波数量k；

1.2）根据系统传输距离、信道损伤程度，设定编码比特数b以及扩频倍数v；

1.3）根据确定的传输使用的模式数量m，载波数量k，联合编码比特数b和扩频倍数v设计三维码本空间，其中x轴表示载波数量k，y轴表示模式数量m，z轴表示扩频倍数v。

进一步地，步骤1.2）中，当串扰程度大时，则降低编码比特数b或提高扩频倍数v。

进一步地，步骤1.3）中，所述的设计三维码本空间，具体包括如下步骤：在码本设计时，首先从载波数量k和扩频倍数v两个维度联合设计二维码本，码本对应的大小为b×k，再与m个模式联合，生成三维的码本空间，则其大小为v×k×m；其中，应满足b＜2^v×k×m；码片由（0，1）元素组成；原始用户的b个bit数据被编码扩频成分配在不同载波、模式上的码字，然后调制到光信号上进行发送。

进一步地，步骤1.3）中，在设计所述的三维码本空间时，最多设计2^v×k×m个不同码本且不使用相邻的资源块进行设计。

进一步地，步骤2）中，所述的接收端收到信号后的处理过程包括如下步骤：

2.1）在接收端处理时，进行对应的解码，因此，在接收端需要整个码本信息；

2.2）在接收到了受到串扰的信息后，先通过积分判决输出每个载波、模式上最接近的码字，结合接收端使用的码本，还原出成原始的用户比特信息；

进一步地，步骤2）中，所述的接收端收到的信号是经过信道噪声以及模式串扰后的信号。相比于传统的直接扩频思想，该编码方法使用的是三维扩频，将普通扩频的思想提升到载波、模式多维度上，做到使用扩频技术对抗干扰能力的同时，降低系统误判的几率，从而提升系统的误码性能。

本发明专利提出一种基于码片、模式、载波复合关联的新型编码方法。该方法通过将三个正交的维度：码片、模式、载波频率联合，设计成多维度的码本，将用户发送数据分成多维度数据流，映射到不同的资源块上，调制到模式、载波上进行发送。三维复合码本设计是本发明的独创，是本发明的保护点。二、对使用本专利提出的新型编码方法，用户的数据被编码映射成三维码字发送，在接收端需要知晓码本信息才能对应解码，本专利在接收端使用对应的检测译码方法，将码字进行还原成原始用户信息。在将码本设计时，将码字设计具备一定的稀疏性，降低在接收端对叠加信号的检测译码的复杂度，避免对所有情况遍历检测的暴力枚举方式。码分复用、模分复用、频分复用技术都是通过使用正交的资源块复用数据，提高光纤传输通信容量的技术，各自复用的维度分别是码域、模式和载波频率。在此基础上，本专利提出一种码片、模式、载波复合关联的新型传输方法，利用正交的码域、模式与载波频率组成的资源块联合构成不同码本，将用户数据映射成三个维度联合构成的码字叠加传输。该方法可以大幅度的提升信道通信容量，大大提升传输效率；该编码方法将编码和扩频相结合，获得编码增益的同时可以提升系统的抗干扰能力，起到一定的模间串扰抑制。

有益效果：与现有技术相比，本发明的码片模式载波复合关联光编码方法，通过结合不同的复用技术，大幅度提升光通信系统的传输容量，使得系统过载获得通信效率被大幅度提高；编码时，将用户数据分配给不同模式、载波形成码字，通过编码实现三个维度的扩频，可以有效提升系统的抗干扰能力；该方法主要是一种编码方法的创新，发生在数字信号处理调制中，无需额外的器件成本，灵活可调，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是码片、模式、载波复合关联光编码方法流程图；

图2是模式、载波、码片联合编码的码本模型。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。

本发明提出了码片模式载波复合关联光编码方法，该方法属于一种编码方法，具体包括如下步骤：

1）在发射端，对需要进行发送的多路用户数据进行重新编码，将这多路用户数据编码后调制到不同的模式、载波上，然后输入少模光纤中进行传输；

2）接收端收到信号后，先进行码片、模式、载波复合编码对应顺序解码，将解码后再还原出各路用户的原始数据。

步骤1）中，所述的将需要进行发送的多路用户数据进行编码发生在发射端，包括如下步骤：

1.1）先确定系统中两个关键参数，第一个是传输使用的模式数量m，第二个是系统使用的载波数量k。根据系统传输距离、信道损伤程度等情况，设定一个编码比特数b，以及进行的扩频倍数v，若串扰程度大则降低编码比特数b或提高扩频倍数v；

1.2）根据确定的m，k，联合b和v设计一个三维码本空间，该码本空间如图2所示。图2中x轴表示载波数量k，y轴表示模式数量m，z轴表示扩频后的码字维度v。图2中颜色的块表示在该位置上的码字表示1，空白处为码字0。在码本设计时，首先从载波和数据扩频倍数v两个维度联合设计二维码本，码本对应的大小为b×k，再与m个模式联合，生成三维的码本空间，则其大小为v×k×m；码本在设计时，应满足b＜2^v×k×m；码片由（0，1）元素组成；原始用户的b个bit数据被编码扩频成分配在不同载波、模式上的码字，然后调制到光信号上进行发送。

1.3）码本空间为三维，可以一共最多设计2^v×k×m个不同码本，在码本设计时，为了提升系统对抗模间串扰以及不同波长见产生串扰的能力，无需完全利用整个码本空间，需要尽量不使用相邻的资源块进行设计。例如，相邻模式间产生串扰的几率最高，在结合模式的维度设计码本时，可以将码字尽量选取较远的模式上，在检测时更容易区分出所属资源块，提升系统抗干扰能力，有效减弱信号串扰后接收端的误判，减轻接收端压力。

2.1）在接收端处理时，进行对应的解码，因此，在接收端需要整个码本信息。

2.2）在接收到了受到串扰的信息后，先通过积分判决输出每个载波、模式上最接近的码字，结合接收端使用的码本，还原出成原始的用户比特信息。

2.3）接收端收到的信号是经过信道噪声以及模式串扰后的信号，相比于传统的直接扩频思想，该编码方法使用的是三维扩频，将普通扩频的思想提升到载波、模式多维度上，做到使用扩频技术对抗干扰能力的同时，降低系统误判的几率，从而提升系统的误码性能。

发明基于正交模分复用的相关研究，提出一种新的编码方法，将正交模式、载波与码域相结合进行复用编码，借鉴扩频思想，在模分复用传输系统的基础上，对每一路用户数据的信号进行重新编码传输，使得系统获得对抗模式间耦合串扰、波长间串扰对信号的干扰。该方法属于一种编码方法。

编码过程主要发生在发射端，发生在数字处理端，进行额外的编码过程，无需额外的器件支持。

图1中的编码部分，最关键的部分为码本设计部分。本专利提出的编码方法，通过将用户数据根据由载波、模式不同的码本，进行编码后发送，码本的设计成为决定传输性能的关键。为了降低因模式耦合、波长展宽等造成的串扰，码本需要被设计的尽量避免相邻的资源块，使得发生串扰后在接收端可以被判决否定掉串扰。

实施例

详细的编解码过程如图2所示。假设传输使用4个波长和两个正交模式，扩频倍数设定为将用户所需要发送的比特数据每16bit进行编码，扩频倍数为4。针对4个不同波长、两个正交模式、扩频倍数为4，该三维的码本空间可以随机设计成2¹⁶个不同的码本，每个码本对应16个bit的数据。例如，在图2中的码本中，三维空间码本的黑色部分表示调制为1，空白表示调制为0，假设16位比特数据（0010 1010 0010 1101）对应的码本就是图中所示部分，则通过在相应的载波、模式对应的部分上进行调制，例如图2中，第一个模式的第一个载波发送（0001），第二个载波发送（0100），第三个载波发送（0001），第四个载波发送（0100），而第二个模式上的第一个载波发送（000），第二个载波发送（1010），第三个载波发送（0000），第四个载波发送（1010）。16位bit数据被设计成一一对应的码本，在发射端对应编码调制到不同的载波、模式上，然后组成一个码片周期内的信息，耦合进少模光纤进行传输。

在接收端，因为码本设计的区别，接收到的信号被设计成容易区分、易检测的信号，耦合等原因产生的串扰在接收还原时更容易被减弱掉，从而增强系统的误码性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以作出若干改进和变型，这些改进和变型也应该视为本发明保护范围。

Claims

1.码片模式载波复合关联光编码方法，其特征在于：包括如下步骤：

2）所述的接收端收到信号后，先进行码片、模式、载波复合编码对应顺序解码，解码后再还原出各路用户的原始数据；

步骤1）中，所述的对需要进行发送的多路用户数据进行重新编码，具体包括如下步骤：

1.1）确定传输使用的模式数量m和系统使用的载波数量k；

2.根据权利要求1所述的码片模式载波复合关联光编码方法，其特征在于：步骤1.2）中，当串扰程度大时，则降低编码比特数b或提高扩频倍数v。

3.根据权利要求1所述的码片模式载波复合关联光编码方法，其特征在于：步骤1.3）中，所述的设计三维码本空间，具体包括如下步骤：在码本设计时，首先从载波数量k和扩频倍数v两个维度联合设计二维码本，码本对应的大小为b×k，再与m个模式联合，生成三维的码本空间，则其大小为v×k×m；其中，应满足b＜2^v×k×m；码片由（0，1）元素组成；原始用户的b个bit数据被编码扩频成分配在不同载波、模式上的码字，然后调制到光信号上进行发送。

4.根据权利要求3所述的码片模式载波复合关联光编码方法，其特征在于：步骤1.3）中，在设计所述的三维码本空间时，最多设计2^v×k×m个不同码本且不使用相邻的资源块进行设计。

5.根据权利要求1所述的码片模式载波复合关联光编码方法，其特征在于：步骤2）中，所述的接收端收到信号后的处理过程包括如下步骤：

2.1）在接收端处理时，进行对应的解码；

2.2）在接收到了收到串扰的信息后，先通过积分判决输出每个载波、模式上的码字，结合接收端使用的码本，还原出成原始的用户比特信息。

6.根据权利要求1所述的码片模式载波复合关联光编码方法，其特征在于：步骤2）中，所述的接收端收到的信号是经过信道噪声以及模式串扰后的信号。