CN113472434A - Pdm相干光通信系统中高速rsop追踪及损伤定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域，公开了一种PDM相干光通信系统中高速RSOP追踪及损伤定位方法。本发明的第一个特征在于，使用NPCA技术来对相干接收信号进行偏振解复用。相比传统的偏振解复用算法，NPCA技术能够适用于多种调制格式信号，具有更快的偏振追踪能力，同时能够避免奇异性问题。本发明的第二个特征在于，基于周期性发射训练序列的方式，进行高速RSOP损伤定位。本发明能够在不增加额外测量仪器的情况下，在数字域检测偏振解复用系数的变化，从而实现RSOP损伤定位，降低光纤链路性能检测成本，提高检测效率。

Description

PDM相干光通信系统中高速RSOP追踪及损伤定位方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更具体地，涉及一种基于NPCA技术的PDM相干光通信系统中高速RSOP追踪及损伤定位方法。

背景技术

近年来，随着云计算、大数据、物联网、视频会议、社交媒体等新型信息产业的迅猛发展，互联网数据流量正急剧增长，从而对现代光纤通信系统提出了更高的传输速率要求。传统的强度调制和直接检测技术只利用了光场强度这一维度来调制信息，这将成为通信速率提高的瓶颈。随着工业水平的大大提升和数字信号处理技术的高速发展，为了进一步提高光纤通信系统的容量，相干光通信技术成为高速率的现代光通信系统的必然选择。相干光通信系统能够利用偏振复用(PDM)和高阶调制格式技术实现超高频谱效率的通信传输。但由于光纤制作工艺非理想，光纤介质折射率分布非均匀，光信号在光纤传输中的双折射呈现多重级联随机耦合现象，这种现象随环境温度、振动、应力和压力等因素不断改变。

在实际光纤传输系统中，光纤会受到外力而振动，从而导致信号光偏振态旋转(RSOP)。早在2004年，德国西门子公司研究团队进行了相关实验测试，实验结果表明机械振动导致光纤中RSOP速度超过了4500转每秒，等效于旋转角速度为283krad/s。并且，在电力通信网中，架空光缆常会受到雷击的影响。电力通信的光缆主要是OPGW缆，一般挂于杆塔之上，每当雷雨季节来临时，OPGW光缆易被雷电击中。雷击会导致光缆外层的螺旋金属保护层产生螺旋电流，螺旋电流再通过电磁感应在光纤传输方向产生磁场，由于法拉第磁致旋光效应，光纤传输的光信号会发生高速RSOP。2017年，美国光纤通信设备制造商Ciena公司的研究团队对北美地区受到雷击影响的架空光缆进行了性能监测，结果显示受雷击影响的架空光缆中RSOP角速度高达5.1Mrad/s。综上，在实际PDM相干光通信系统中，由于受到各种外界环境的影响，信号光偏振态会发生高速旋转，从而要求接收端能够进行高速的偏振追踪解复用。传统偏振解复用算法——CMA，收敛速度慢，动态偏振追踪能力差，难以适用于高速RSOP的传输场景。此外，为了对光纤链路进行性能监测和维护，还需要对发生高速RSOP损伤的光纤链路进行定位。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于NPCA技术的PDM相干光通信系统中高速RSOP追踪及损伤定位方法。基于NPCA技术的偏振解复用算法能够避免奇异性问题，适用于多种通信调制格式信号，具有更快的偏振追踪能力，能够适用于高速RSOP的通信传输场景。同时基于本发明提出的周期性发射训练序列的方式，发生高速RSOP损伤的光纤链路能够通过接收端数字域算法进行定位。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的PDM相干光通信系统中高速RSOP追踪及损伤定位方法，是一种基于NPCA技术的PDM相干光通信系统中高速RSOP追踪及损伤定位方法，包括：基于NPCA技术的偏振解复用算法，对偏振耦合信号进行偏振解复用处理，实现高速RSOP追踪，同时基于周期性发射训练序列的方式，进行高速RSOP损伤定位。

所述的方法中，可以采用以下方法对偏振耦合信号进行偏振解复用处理，包括：先设定PDM相干光通信系统接收信号，再对偏振解复用过程进行建模，然后采用NPCA技术对偏振耦合信号进行分离，最后得到发射的两个偏振态信号。

所述的方法中，典型的PDM相干光通信系统接收信号表示为：

R(t)＝J(t)·S(t)+N(t)，

式中，t表示当前某一数据进行处理的时刻，S(t)和R(t)分别是发射和接收的两个偏振态信号组成的二维向量，N(t)表示二维的加性高斯白噪声信号，J(t)为二维的琼斯矩阵。

所述的方法中，在偏振解复用的过程中，采用了以下的偏振解复用模型，表示为：

式中，t表示当某一数据进行处理的时刻，Z(t)为偏振解复用后二维信号向量，J^-1(t)为二维的琼斯矩阵J(t)的逆矩阵，R(t)为接收的偏振态信号组成的二维向量，W(t)为偏振解复用算法需要求解的解复用矩阵，其中w_xx，w_xy，w_yx，w_yy为矩阵W(t)中的四个系数。

所述的方法中，可以采用NPCA技术对接收的偏振耦合信号进行分离，其代价函数为：

J(W(t))＝E{|e(t)|²}＝E{R(t)-W(t)^H·g(Z(t))}

式中：t表示当前某一数据进行处理的时刻，e(t)代表误差函数，E{|e(t)|²}指的是误差函数平方的统计期望，R(t)为接收的两个偏振态信号组成的二维向量，W(t)指的是解复用矩阵，Z(t)为偏振解复用后二维信号向量，g(Z(t))表示对Z(t)进行非线性函数处理，上标H所示的复共轭转置运算；

非线性函数g(·)表示为如下形式：

式中，y表示待处理的数据。

所述的方法中，可以采用随机梯度下降法进行NPCA代价函数最优化的算法，其解复用矩阵W(t)更新过程表示为：

W(t)＝W(t-1)+μ·[e^*(t)·g^T(Z(t-1))]^T

式中：t表示当前某一数据进行处理的时刻，μ为收敛步长，W(t)指的是解复用矩阵，e(t)代表误差函数，上标*表示共轭运算，g(Z(t-1))表示对Z(t-1)进行非线性函数处理，上标T表示转置运算。

所述的方法中，可以采用递归最小二乘法，对NPCA代价函数进行优化，所用算法为RLS-NPCA，其代价函数表示为：

式中：t表示当前进行某一数据进行处理的时刻，i为处理数据的序号，λ表示可调谐的遗忘因子，R(t)为接收的两个偏振态信号组成的二维向量，W(t)指的是解复用矩阵，Z(t)为偏振解复用后二维信号向量，g(Z(t))表示对Z(t)进行非线性函数处理，上标H所示的复共轭转置运算。

所述的方法中，基于RLS-NPCA的解复用矩阵W的更新算法表示为：

h(t)＝P(t-1)·g(Z(t)))

K(t)＝h(t)/(λ+g(Z(t))^H·h(t))

P(t)＝1/λ·Tri[P(t-1)-K(t)·h^H(t)]

W(t)＝W(t-1)+K(t)·e^H(t)

式中：t表示当前进行某一数据进行处理的时刻，P(t)通常设为单位矩阵，h(t)为算法中间变量，g(Z(t))表示对Z(t)进行非线性函数处理，K(t)称为卡尔曼增益，λ表示可调谐的遗忘因子，上标H所示的复共轭转置运算，W(t)指的是解复用矩阵，e(t)代表误差函数，符号Tri表示矩阵只计算上三角部分元素，下三角部分的元素通过上三角部分的元素进行转置共轭得到。

所述的方法中，可以采用以下方法进行高速RSOP损伤定位，包括：

S1.在发射端的传输信号帧中每间隔时间

插入一小段已知的训练序列，其中L为光纤链路长度，c为真空中光速，n为光纤介质折射率；

S2.在接收端不断记录更新最近到达接收端的已知训练序列的时刻t₁，同时检测偏振解复用系数开始剧烈变化的信号帧时刻位置t₂，计算出两者时间差Δt＝t₂-t₁；

S3.根据时间差Δt，计算发生高速RSOP损伤的光纤链路位置到接收端的距离l＝Δt·c/n，从而进行RSOP损伤定位。

本发明所述的方法，用于雷击情况下OPGW光缆法拉第旋光造成的相干光通信系统误码追踪并定位消除误码。

本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：

1.相比传统的偏振解复用算法——CMA，本发明提出的基于NPCA技术的偏振解复用算法估计的偏振解复用矩阵是一个酉矩阵，能够避免传统CMA中出现的奇异性问题；NPCA使用普适性很强的非线性函数能够对各类混合信号进行分离，因此其对调制格式是透明的；NPCA具有快速的收敛速度和动态追踪能力，能够适用于高速RSOP的通信传输场景。

2.本发明基于周期性发生训练序列的方式，提出了新颖的高速RSOP损伤定位的方法，能够在不增加额外测量仪器的情况下，在数字域进行RSOP损伤地点定位，大大降低了光纤链路性能检测成本，提高了检测效率。

附图说明

图1是本发明的偏振解复用及RSOP损伤定位原理示意图；

图2是偏振态旋转模型示意图；

图3是利用NPCA技术对PDM-QPSK信号进行偏振解复用前后的星座图；

图4是利用NPCA技术对PDM-16QAM信号进行偏振解复用前后的星座图

图5是三种算法对PDM-QPSK信号的动态偏振追踪能力比较图；

图6是三种算法对PDM-16QAM信号的动态偏振追踪能力比较图；

图7是传输信号帧结构图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于非线性主成分分析(Nonlinear Principal ComponentAnalysis,NPCA)技术的偏振复用PDM(Polarization Division Multiplexing,PDM)相干光通信系统中高速光偏振态旋转(Rotation of State of Polarization,RSOP)追踪及损伤定位方法。本发明的第一个特征在于，使用NPCA技术来对相干接收信号进行偏振解复用。相比传统的偏振解复用算法，NPCA技术能够适用于多种调制格式信号，具有更快的偏振追踪能力，同时能够避免奇异性问题。本发明的第二个特征在于，基于周期性发射训练序列的方式，进行高速RSOP损伤定位。能够在不增加额外测量仪器的情况下，在数字域检测偏振解复用系数的变化，从而实现RSOP损伤定位，降低光纤链路性能检测成本，提高检测效率。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。

本发明提供的PDM相干光通信系统中高速RSOP追踪及损伤定位方法，具体是：基于NPCA技术的偏振解复用算法，对偏振耦合信号进行偏振解复用处理，实现高速RSOP追踪，同时基于周期性发射训练序列的方式，进行高速RSOP损伤定位。

1.使用NPCA算法对偏振耦合信号进行偏振解复用处理，包括：

由于光纤制作工艺的缺陷或者光纤光缆受到的外力挤压等原因，光纤的折射率分布并不呈现圆对称，会存在双折射效应，从而导致信号受到RSOP损伤。通常用一个琼斯矩阵J(t)表示偏振态旋转，典型的PDM相干光通信系统接收信号可表示为：

R(t)＝J(t)·S(t)+N(t)，

式中：t表示当前某一数据进行处理的时刻，S(t)和R(t)分别是发射和接收的两个偏振态信号组成的二维向量，N(t)表示二维的加性高斯白噪声信号，J(t)为二维的琼斯矩阵。

图2展示了偏振态旋转模型结构，其中J表示为：

式中：α表示偏振耦合角度，e^jδ表示两个偏振态信号存在δ大小的相位差，cos和sin分别表示余弦和正弦计算。

值得注意的是在传输过程中，偏振态并不是固定旋转变化，偏振态会随机的旋转变化。因此在接收端的DSP算法中，偏振解复用的基本思想就是通过算法自适应的求解上述偏振旋转琼斯矩阵的逆矩阵，接收端信号乘以该逆矩阵即可实现偏振解复用。因此偏振解复用模型可以表示成：

其中，t表示当某一数据进行处理的时刻，Z(t)为偏振解复用后二维信号向量，J^-1(t)为J(t)的逆矩阵，W(t)为偏振解复用算法需要求解的解复用矩阵，其中w_xx，w_xy，w_yx，w_yy为矩阵W(t)中的四个系数。

偏振解复用模型恰好能够满足BSS技术的三个前提条件，第一，发射的两路偏振态信号相互独立；第二，通信传输信号通常不是高斯分布，而是次高斯分布；第三，偏振耦合矩阵是一个酉矩阵，可逆。因此能够使用BSS技术中的NPCA来进行偏振解复用。

在PDM相干光通信系统中，两个相互独立的正交偏振态信号由于偏振耦合而相互串扰混合，本发明采用NPCA对偏振混合混合信号进行分离，其代价函数为：

J(W(t))＝E{|e(t)|²}＝E{R(t)-W(t)^H·g(Z(t))}，

其中，t表示当前某一数据进行处理的时刻，e(t)代表误差函数，E{|e(t)|²}指的是误差函数平方的统计期望，R(t)为接收的两个偏振态信号组成的二维向量，W(t)指的是解复用矩阵，Z(t)为偏振解复用后二维信号向量，g(Z(t))表示对Z(t)进行非线性函数处理，上标H所示的复共轭转置运算；

非线性函数g(·)表示为如下形式：

式中，y表示待处理的数据，g(y)表示非线性处理函数。

特别地，由于处理的是复数信号，非线性函数也分为对实部处理和虚部处理两个部分，表示为：

g(Z(t))＝g(real(Z(t)))+g(imag(Z(t)))

式中：g(Z(t))表示对偏振解复用后的二维向量Z(t)进行非线性处理，real(Z(t))和imag(Z(t))分别表示Z(t)的实部和虚部。

通常针对NPCA的代价函数常采用随机梯度下降法的自适应算法进行最优化，上述代价函数可以类比于经典的最小均方(LMS)误差函数，这种收敛方式的NPCA算法在本发明中称为LMS-NPCA，其解复用矩阵W(t)更新过程表示为：

W(t)＝W(t-1)+μ·[e^*(t)·g^T(Z(t-1))]^T，

式中：上标*和T分别表示共轭和转置运算，μ为收敛步长，t表示当前某一数据进行处理的时刻，W(t)指的是解复用矩阵，e(t)代表误差函数，g(Z(t-1))表示对Z(t-1)进行非线性函数处理，上标T所示的转置运算；

通常LMS-NPCA算法的性能受到收敛步长μ的影响，一般较小的步长能够保证更优的收敛稳态均方误差，但是收敛性能和动态追踪能力稍弱。为了进一步提升NPCA算法的收敛速度和追踪能力，可以考虑通过递归最小二乘法(RLS)作为NPCA的代价函数的最优化算法，称为RLS-NPCA算法，其代价函数表示为：

式中：t表示当前进行某一数据进行处理的时刻，i为处理数据的序号，λ表示可调谐的遗忘因子，R(t)为接收的两个偏振态信号组成的二维向量，W(t)指的是解复用矩阵，Z(t)为偏振解复用后二维信号向量，g(Z(t))表示对Z(t)进行非线性函数处理，上标H所示的复共轭转置运算。

一般如果λ＝1时，所有的采样数据被给予同样的权重，因此不考虑数据的遗忘特性。通常针对动态变化的系统，设置λ＜1。基于RLS-NPCA的解复用矩阵W的更新算法表示为：

h(t)＝P(t-1)·g(Z(t))

K(t)＝h(t)/(λ+g(Z(t))^H·h(t))

P(t)＝1/λ·Tri[P(t-1)-K(t)·h^H(t)]

W(t)＝W(t-1)+K(t)·e^H(t)

这里，t表示当前进行某一数据进行处理的时刻，P(t)通常设为单位矩阵，h(t)为算法中间变量，g(Z(t))表示对Z(t)进行非线性函数处理，K(t)称为卡尔曼增益，λ表示可调谐的遗忘因子，上标H所示的复共轭转置运算，W(t)指的是解复用矩阵，e(t)代表误差函数，符号Tri表示矩阵只计算上三角部分元素，下三角部分的元素通过上三角部分的元素进行转置共轭得到，降低了矩阵计算的复杂度。通常RLS-NPCA算法的收敛速度和动态追踪能力快于LMS-NPCA算法。

本发明通过搭建的一个28GBaud速率的PDM-QPSK/16QAM信号传输仿真系统，来说明NPCA是一种新型的偏振解复用算法，同时具有很强的动态偏振追踪能力。

如图3和图4分别展示了PDM-QPSK和PDM-16QAM信号偏振解复用前后的星座图的变化，可以发现NPCA算法能够成功的进行偏振解复用，并且NPCA算法对于调制格式透明。

为了验证NPCA算法的动态偏振追踪能力，在仿真中加入了一个偏振态旋转矩阵J(t)来仿真模拟动态的偏振旋转场景，J(t)表示为如下：

其中，t表示当前进行某一数据进行处理的时刻，ω为偏振旋转角速度，e^jξ和e^jη表示两个偏振态信号进行耦合时存在的额外相位，cos和sin分别表示余弦和正弦计算。

本仿真中的范围设置为100krad/s到100Mrad/s。仿真比较了本发明提出的LMS-NPCA/RLS-NPCA算法和传统的CMA/RDE算法对于PDM-QPSK和PDM-16QAM信号的动态偏振追踪的性能，分别展示于图5和图6中。其中设置LMS-NPCA的步长为0.1，RLS-NPCA的遗忘因子为0.85。由图5可以发现，对于PDM-QPSK信号，偏振旋转速率超过1Mrad/s时，CMA性能急剧下降，而两种NPCA算法都能追踪超过10Mrad/s的偏振旋转速率，其中RLS-NPCA算法在误码率硬判线(HD-FEC)上的极限偏振追踪速率达到50Mrad/s。由图6可以发现，对于PDM-16QAM信号，偏振旋转速率超过300krad/s时，RDE性能急剧下降，而两种NPCA算法都能追踪超过了2Mrad/s的偏振旋转速率，其中RLS-NPCA算法在HD-FEC上的极限偏振追踪速率达到7Mrad/s。

综上，仿真证实了NPCA是一种具有快速追踪能力的偏振解复用算法。

2.为了实现光纤链路中RSOP高速旋转损伤位置的检测，可以在发射端的传输信号帧中每间隔光纤通信链路传输时延的时间插入一小段已知的训练序列，包括：

本发明提出了一种包含周期性训练序列的传输信号帧结构。具体帧结构如图7所示。假设整个光纤链路长度为L，传输时延为T＝L/c，其中c为光速。

3.基于周期性的训练序列的帧结构，在接收端数字域进行RSOP损伤定位，包括：

在发射端的传输信号帧中每间隔时间

插入一小段已知的训练序列，其中L为光纤链路长度，c为真空中光速，n为光纤介质折射率；

在接收端不断记录更新最近到达接收端的已知训练序列的时刻t₁，同时检测偏振解复用系数开始剧烈变化的信号帧时刻位置t₂，计算出两者时间差Δt＝t₂-t₁；

根据时间差Δt，计算发生高速RSOP损伤的光纤链路位置到接收端的距离l＝Δt·c/n，从而进行RSOP损伤定位。

本发明提供的上述的方法，用于雷击情况下OPGW光缆法拉第旋光造成的相干光通信系统误码追踪并定位消除误码。

以上内容本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种PDM相干光通信系统中高速RSOP追踪及损伤定位方法，其特征是一种基于NPCA技术的PDM相干光通信系统中高速RSOP追踪及损伤定位方法，包括：基于NPCA技术的偏振解复用算法，对偏振耦合信号进行偏振解复用处理，实现高速RSOP追踪，同时基于周期性发射训练序列的方式，进行高速RSOP损伤定位。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用以下方法对偏振耦合信号进行偏振解复用处理，包括：先设定PDM相干光通信系统接收信号，再对偏振解复用过程进行建模，然后采用NPCA技术对偏振耦合信号进行分离，最后得到发射的两个偏振态信号。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，典型的PDM相干光通信系统接收信号表示为：

R(t)＝J(t)·S(t)+N(t)，

式中，t表示当前某一数据进行处理的时刻，S(t)和R(t)分别是发射和接收的两个偏振态信号组成的二维向量，N(t)表示二维的加性高斯白噪声信号，J(t)为二维的琼斯矩阵。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在偏振解复用的过程中，采用了以下的偏振解复用模型，表示为：

式中，t表示当某一数据进行处理的时刻，Z(t)为偏振解复用后二维信号向量，J^-1(t)为二维的琼斯矩阵J(t)的逆矩阵，R(t)为接收的偏振态信号组成的二维向量，W(t)为偏振解复用算法需要求解的解复用矩阵，其中w_xx，w_xy，w_yx，w_yy为矩阵W(t)中的四个系数。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，采用NPCA技术对接收的偏振耦合信号进行分离，其代价函数为：

J(W(t))＝E{|e(t)|²}＝E{R(t)-W(t)^H·g(Z(t))}

式中：t表示当前某一数据进行处理的时刻，e(t)代表误差函数，E{|e(t)|²}指的是误差函数平方的统计期望，R(t)为接收的两个偏振态信号组成的二维向量，W(t)指的是解复用矩阵，Z(t)为偏振解复用后二维信号向量，g(Z(t))表示对Z(t)进行非线性函数处理，上标H所示的复共轭转置运算；

非线性函数g(·)表示为如下形式：

式中，y表示待处理的数据。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，采用随机梯度下降法进行NPCA代价函数最优化的算法，其解复用矩阵W(t)更新过程表示为：

W(t)＝W(t-1)+μ·[e^*(t)·g^T(Z(t-1))]^T

式中：t表示当前某一数据进行处理的时刻，μ为收敛步长，W(t)指的是解复用矩阵，e(t)代表误差函数，上标*表示共轭运算，g(Z(t-1))表示对Z(t-1)进行非线性函数处理，上标T表示转置运算。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，采用递归最小二乘法，对NPCA代价函数进行优化，所用算法为RLS-NPCA，其代价函数表示为：

式中：t表示当前进行某一数据进行处理的时刻，i为处理数据的序号，λ表示可调谐的遗忘因子，R(t)为接收的两个偏振态信号组成的二维向量，W(t)指的是解复用矩阵，Z(t)为偏振解复用后二维信号向量，g(Z(t))表示对Z(t)进行非线性函数处理，上标H所示的复共轭转置运算。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，基于RLS-NPCA的解复用矩阵W的更新算法表示为：

h(t)＝P(t-1)·g(Z(t)))

K(t)＝h(t)/(λ+g(Z(t))^H·h(t))

P(t)＝1/λ·Tri[P(t-1)-K(t)·h^H(t)]

W(t)＝W(t-1)+K(t)·e^H(t)

式中：t表示当前进行某一数据进行处理的时刻，P(t)通常设为单位矩阵，h(t)为算法中间变量，g(Z(t))表示对Z(t)进行非线性函数处理，K(t)称为卡尔曼增益，λ表示可调谐的遗忘因子，上标H所示的复共轭转置运算，W(t)指的是解复用矩阵，e(t)代表误差函数，符号Tri表示矩阵只计算上三角部分元素，下三角部分的元素通过上三角部分的元素进行转置共轭得到。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用以下方法进行高速RSOP损伤定位，包括：

S1.在发射端的传输信号帧中每间隔时间

插入一小段已知的训练序列，其中L为光纤链路长度，c为真空中光速，n为光纤介质折射率；

S2.在接收端不断记录更新最近到达接收端的已知训练序列的时刻t₁，同时检测偏振解复用系数开始剧烈变化的信号帧时刻位置t₂，计算出两者时间差Δt＝t₂-t₁；

S3.根据时间差Δt，计算发生高速RSOP损伤的光纤链路位置到接收端的距离l＝Δt·c/n，从而进行RSOP损伤定位。

10.权利要求1至9中任一所述的方法，其特征是用于雷击情况下OPGW光缆法拉第旋光造成的相干光通信系统误码追踪并定位消除误码。

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