CN113676255B - 一种基于自适应调制的多波段光纤传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自适应调制的多波段光纤传输方法及系统。方法包括：建立多波段光纤的传输模型；对所述多波段光纤的传输模型中每个波段进行多载波自适应调制；对调制后的所有波段的信号进行超宽带波分复用，并进入光纤信道；通过DSP算法对经过光纤信道传输后的损伤信号进行均衡处理；基于星座图判别出处理后的信号的星座点，输出解调信号。本发明对每个波段进行多子载波自适应调制，然后不同波段进行波分复用的方式，实现信号的传输，以增加系统传输容量。

Description

一种基于自适应调制的多波段光纤传输方法及系统

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，特别是涉及一种基于自适应调制的多波段光纤传输方法及系统。

背景技术

21世纪以来，信息科学和技术方兴未艾，据预测骨干网的IP流量需求将继续以高达26％的复合年增长率(CAGR)增长，对于城域场景和数据中心互连(DCI)可能更大，此外，5G加上云服务扩展等，对骨干光网络基础设施提出了更高的要求，相干传输技术实现的每根光纤的吞吐量不再足以支持设想的IP流量爆炸，必须找到替代解决方案，而且运营商强烈要求充分利用已安装的传输设备，以最大化投资回报。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于自适应调制的多波段光纤传输方法及系统，对每个波段进行多子载波自适应调制，然后不同波段进行波分复用的方式，实现信号的传输，以增加系统传输容量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于自适应调制的多波段光纤传输方法，包括：

建立多波段光纤的传输模型；

对所述多波段光纤的传输模型中每个波段进行多载波自适应调制；

对调制后的所有波段的信号进行超宽带波分复用，并进入光纤信道；

通过DSP算法对经过光纤信道传输后的损伤信号进行均衡处理；

基于星座图判别出处理后的信号的星座点，输出解调信号。

进一步地，所述多波段光纤的传输模型的表达式如下：

MB＝O_多子载波+E_多子载波+S_多子载波+C_多子载波+L_多子载波

其中，MB表示多波段光纤的传输模型，O_多子载波表示一个发射端发送的O波段的多子载波信号，E_多子载波表示一个发射端发送的E波段的多子载波信号，S_多子载波表示一个发射端发送的S波段的多子载波信号，C_多子载波表示一个发射端发送的C波段的多子载波信号，L_多子载波表示一个发射端发送的L波段的多子载波信号。

进一步地，所述对所述多波段光纤的传输模型中每个波段进行多载波自适应调制，具体包括：

在不同波段进行比特和功率的分配；

根据分配到不同子载波的比特，进行自适应调制。

进一步地，所述通过DSP算法对经过光纤信道传输后的损伤信号进行均衡处理，具体包括：

对经过光纤信道传输后的损伤信号进行时钟恢复、非线性补偿、色散补偿、信道补偿、频偏估计和相位估计。

本发明还提供了一种基于自适应调制的多波段光纤传输系统，包括：

模型建立模块，用于建立多波段光纤的传输模型；

自适应调制模块，用于对所述多波段光纤的传输模型中每个波段进行多载波自适应调制；

超宽带波分复用模块，用于对调制后的所有波段的信号进行超宽带波分复用，并进入光纤信道；

处理模块，用于通过DSP算法对经过光纤信道传输后的损伤信号进行均衡处理；

解调模块，用于基于星座图判别出处理后的信号的星座点，输出解调信号。

进一步地，所述多波段光纤的传输模型的表达式如下：

MB＝O_多子载波+E_多子载波+S_多子载波+C_多子载波+L_多子载波

其中，MB表示多波段光纤的传输模型，O_多子载波表示一个发射端发送的O波段的多子载波信号，E_多子载波表示一个发射端发送的E波段的多子载波信号，S_多子载波表示一个发射端发送的S波段的多子载波信号，C_多子载波表示一个发射端发送的C波段的多子载波信号，L_多子载波表示一个发射端发送的L波段的多子载波信号。

进一步地，所述自适应调制模块具体包括：

分配单元，用于在不同波段进行比特和功率的分配；

自适应调制单元，用于根据分配到不同子载波的比特，进行自适应调制。

进一步地，所述通过DSP算法对经过光纤信道传输后的损伤信号进行均衡处理，具体包括：

对经过光纤信道传输后的损伤信号进行时钟恢复、非线性补偿、色散补偿、信道补偿、频偏估计和相位估计。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种基于自适应调制的多波段光纤传输方法及系统。方法包括：建立多波段光纤的传输模型；对所述多波段光纤的传输模型中每个波段进行多载波自适应调制；对调制后的所有波段的信号进行超宽带波分复用，并进入光纤信道；通过DSP算法对经过光纤信道传输后的损伤信号进行均衡处理；基于星座图判别出处理后的信号的星座点，输出解调信号。本发明对每个波段进行多子载波自适应调制，然后不同波段进行波分复用的方式，实现信号的传输，以增加系统传输容量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为单模光纤多波段示意图；

图2为本发明实施例基于自适应调制的多波段光纤传输方法的流程图；

图3为多波段波分复用框图；

图4为相DSP基本流程；

图5为多载波自适应模型；

图6为加非线性以后的星座图；

图7为Volterra级数补偿后的星座图；

图8为色散和非线性信道流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前为提高光纤传输系统的容量，有几种不同的方法，可以采用空分复用，也可以充分利用多个波段进行数据传输(multi-band transmission，MBT)，即利用从O波段到L波段进行数据传输，如图1所示。与空分复用相比，MBT更有效地利用了现有的基础设施，因此即使在没有可用的暗光纤的情况下，MBT也为光网络的高性价比吞吐量升级提供了很高的潜力。同时，在多波段系统中引入多子载波技术，在每个波段根据各子载波在频率选择性信道中不同的瞬时信道增益动态地分配比特和发射功率，不同子载波根据分配的比特进行不同的调制，不同波段可以组成一个超宽带(ultra-wide band,UWB)波分复用系统。

自适应调制的引入，通过对传输的参数进行变动，对不同频段上的信道特性进行不同的利用，相比比特均匀分配而言使得系统性能得以优化和提高。下表表示了系统容量扩展不同策略之间的比较

本发明的目的是提供一种基于自适应调制的多波段光纤传输方法及系统，对每个波段进行多子载波自适应调制，然后不同波段进行波分复用的方式，实现信号的传输，以增加系统传输容量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图2所示，本发明提供的一种基于自适应调制的多波段光纤传输方法，包括以下步骤：

步骤101：建立多波段光纤的传输模型。

所述多波段光纤的传输模型的表达式如下：

MB＝O_多子载波+E_多子载波+S_多子载波+C_多子载波+L_多子载波

其中，MB表示多波段光纤的传输模型，O_多子载波表示一个发射端发送的O波段的多子载波信号，E_多子载波表示一个发射端发送的E波段的多子载波信号，S_多子载波表示一个发射端发送的S波段的多子载波信号，C_多子载波表示一个发射端发送的C波段的多子载波信号，L_多子载波表示一个发射端发送的L波段的多子载波信号。

步骤102：对所述多波段光纤的传输模型中每个波段进行多载波自适应调制。具体包括：在不同波段进行比特和功率的分配；根据分配到不同子载波的比特，进行自适应调制。

通过每个波段的动态子载波、比特和功率分配可以充分利用频带资源且提高服务质量。利用自适应技术的动态分配，就是根据各子载波的实时信道条件及时调整各子载波上的传输方案，使信道上的传输方案与信道的传输能力更加匹配。所以首先在不同波段进行比特和功率的分配，根据分配到不同子载波的比特，进行自适应调制。

图5给出了多子载波的系统模型，发送端通过信道估计可以获得每个子载波的实时信道信息。自适应分配器根据实时信道信息和其内置的分配算法对用户的各个子信道设置相应的调制参数，各个子信道进行相应的自适应调制，得到N个频率符号，经过逆傅里叶变换(IFFT)、并串变换、加循环前缀后通过信道到达接收端；而接收端经过去CP、串并变换、傅里叶变换(FFT)后得到频域信号，最后经过自适应解调得到用户的数据。

调制方法如下：

首先，实现各个波段的多子载波自适应调制，本发明通过具体的算法对密集子载波进行均匀分组，使得每一组子载波标记后进行传输。

光纤通信多子载波系统的优点是子载波可以利用快速傅利叶变换(FFT/IFFT)实现调制和解调，而且通过多子载波的引入进行比特和功率分配进而实现自适应调制方法。

在相同传输功率或误码率不变的前提下，子载波的信道增益每提高一倍，子载波可分配的比特数加1。因此，分组方式依据的参数α₁如式(1)所示：

表示所有子载波中信道状况最好的子载波比信道环境最差的子载波理论上可以多分配的比特数目；参数α₁根据子载波波动程度作为分组依据。为了防止调制阶数过高，用n_max表示子载波最高阶调制模式能分配的比特数。

定义另一分组依据α₂：

R_target表示子载波传输时携带的总比特数目，N_sub表示所有传输的子载波的总数目。对子载波分为r组：

然后计算每组包含的子载波数目m_i，然后进行近似均匀分组，即将N_sub个子载波平均分配到r个子载波组中，即

再将剩余的子载波N_rem分配到N_rem组中，

计算各个子载波组的平均增益

根据式(4)计算各个子载波组平均分配的比特数(初始化N′_sub＝N_sub)：

找到所有b_i≤0的子载波组，剔除这些过差的信道，重新计算N′_sub＝N′_sub-m_i。

之后，按照分配的比特数发送比特并观察误比特率：

1)误比特率高于预定范围，减小比特数，重试。

2)误比特率低于预定范围，增大比特数，重试。

3)误比特率在预定范围内，结束。

同时，设定一个最大迭代次数，如果在运行到最大迭代次数后仍无法将误比特率控制在预定范围内，则一直减小比特数直到误比特率低于预定范围停止迭代。

以误比特率1×10^-3为例，首先将误比特率转换为对数形式，单位dB，然后设定误比特率预定范围为-30dB～-33dB，最大迭代次数16次。具体比特数调整方法如表1所示。这样在保证误码率的情况下，达到了每符号传输比特数的最大值。

如果分配到4个比特，就进行16QAM调制，如果分配到了3个比特进行8PSK调制，如果分配到2个比特，进行QPSK调制，分配到了1个比特进行BPSK调制。

表1比特调整方案

步骤103：对调制后的所有波段的信号进行超宽带波分复用，并进入光纤信道。

波分复用(WDM)是在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，每个波长信号经过数据调制后都在它独有的频带内传输。当完成各个波段的多载波自适应调制以后，本发明将所有波段的信号进行一个超宽带波分复用如图3，然后送入光纤信道。光纤通信系统，在接收端先进行光电转换，将光信号转换为电信号，对电信号通过DSP算法进行均衡处理。

步骤104：通过DSP算法对经过光纤信道传输后的损伤信号进行均衡处理。具体包括：对经过光纤信道传输后的损伤信号进行时钟恢复、非线性补偿、色散补偿、信道补偿、频偏估计和相位估计。

光信号在光纤中的传输会受到众多因素的干扰，查阅文献可知光脉冲单模光纤内传输的非线性薛定谔方程：

其中

其中A为脉冲包络的慢变振幅，z为传输距离，α为衰减系数，β₂为色散参数，γ为非线性参数，

为线性算子，

为非线性算子。

需要注意的是，衰减、色散、非线性等在不同波段的特征是不同的，如表2所示。

表2不同波段的参数

在传输系统中，当光信号经过较小的短距离h时，可以分别计算色散效应和非线性效应，得到近似结果。因此，从z到z+h的转移过程可以表示为：

图8即色散和非线性信道流程图，为减小误差，非线性因子在h/2处作用于信号。

如果只考虑光纤色散对信号包络影响的方程，通过求解非线性薛定谔方程，可以求出频域传输方程G(z,ω):

其中，ω表示任意频率分量。

在接收端，本发明采用数字信号处理技术在电域对接收信号进行处理，相干光通信中接收端的DSP基本流程如图4所示。

DSP技术在相干光纤通信中的应用主要是光纤信道传输损伤的补偿和载波相位恢复。光纤信道的传输损伤又可以分为线性损伤和非线性损伤，前者主要包括色度色散和偏振膜色散，后者主要为光纤非线性效应，通常的补偿顺序是先补偿非线性损伤，后补偿线性损伤，即色度色散和信道均衡，再进行频率估计和相位估计。由信号激光器和本振激光器的频率差引起的相邻符号间的相位差远大于相位噪声引起的相位差，即频偏会影响相位，因此在接收端的数字信号处理中通常是先进行频率补偿，后进行相位估计。

相应的DSP流程如图4所示，由色散的频域传输方程G(z，ω)可知，通过FIR数字滤波器来近似全通滤波器1/G(z，ω)，实现频域对色散的直接补偿。

对非线性的补偿，采用Volterra级数进行补偿，Volterra模型广泛用于非线性系统建模，首先通过数据的一部分进行非线性系统建模，然后对整体数据进行补偿，补偿前和补偿后的星座图如图6、图7。

目前，虽然可以在光域对接收信号进行补偿和恢复，但这不仅大大增加了系统的复杂度和成本，同时难以适应未来更高容量的传输系统的要求。而采用数字信号处理技术在电域对接收信号进行处理，不仅获得了很好的性能表现，也有效降低了通信系统的建设和运营成本。

步骤105：基于星座图判别出处理后的信号的星座点，输出解调信号。

根据星座图上的星座点坐标，计算每个星座点到每个标准点的最小欧式距离，判别出信号的星座点，最终输出解调信号。

星座图有助于定义信号元素的振幅和相位，它的水平X轴与同相载波相关，垂直Y轴与正交载波相关。图中每个点，可以包含4条信息，点在X轴的投影定义了同相成分的峰值振幅，点在Y轴的投影定义了正交成分的峰值振幅。点到原点的连线长度是该信号元素的峰值振幅，连线和X轴之间的角度是信号元素的相位。

发送端在星座图上，会把比特序列按照一定标准映射到几个标准点上，经过信道，在接收端计算每个星座点到每个标准点的最小欧式距离，判别出信号的星座点，以同样的映射规则，最终输出解调信号。

本发明专利根据高速大容量光传输系统的发展需求，利用单模光纤的低损耗光谱窗口进行数据传输，将C波段线路系统的可用带宽扩展11倍，将C+L波段线路系统的带宽扩展5倍。多子载波技术的引入，可以大大提高频谱效率，因为符号周期的变长，对色散有一定的抑制作用，另一方面可以在很大程度上增加传输容量。

多波段传输的使用，极大的扩展了光纤通信的带宽，多载波自适应调制方法引入，可以抵抗一部分色散效应以及有效提升单波长距离系统的频谱效率，综合以上方法增加系统容量。

本发明还提供了一种基于自适应调制的多波段光纤传输系统，包括：

模型建立模块，用于建立多波段光纤的传输模型；

自适应调制模块，用于对所述多波段光纤的传输模型中每个波段进行多载波自适应调制；

超宽带波分复用模块，用于对调制后的所有波段的信号进行超宽带波分复用，并进入光纤信道；

处理模块，用于通过DSP算法对经过光纤信道传输后的损伤信号进行均衡处理；

解调模块，用于基于星座图判别出处理后的信号的星座点，输出解调信号。

其中，所述自适应调制模块具体包括：

分配单元，用于在不同波段进行比特和功率的分配；

自适应调制单元，用于根据分配到不同子载波的比特，进行自适应调制。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于自适应调制的多波段光纤传输方法，其特征在于，包括：

建立多波段光纤的传输模型；

对所述多波段光纤的传输模型中每个波段进行多载波自适应调制；

对调制后的所有波段的信号进行超宽带波分复用，并进入光纤信道；

通过DSP算法对经过光纤信道传输后的损伤信号进行均衡处理；

基于星座图判别出处理后的信号的星座点，输出解调信号；

所述对所述多波段光纤的传输模型中每个波段进行多载波自适应调制，具体包括：在不同波段进行比特和功率的分配；根据分配到不同子载波的比特，进行自适应调制；

在相同传输功率或误码率不变的前提下，子载波的信道增益每提高一倍，子载波可分配的比特数加1，因此，分组方式依据的参数α₁如式(1)所示：

表示所有子载波中信道状况最好的子载波比信道环境最差的子载波理论上可以多分配的比特数目；参数α₁根据子载波波动程度作为分组依据；为了防止调制阶数过高，用n_max表示子载波最高阶调制模式能分配的比特数；

定义另一分组依据α₂：

R_target表示子载波传输时携带的总比特数目，N_sub表示所有传输的子载波的总数目；对子载波分为r组：

然后计算每组包含的子载波数目m_i，然后进行近似均匀分组，即将N_sub个子载波平均分配到r个子载波组中，即

再将剩余的子载波N_rem分配到N_rem组中，

计算各个子载波组的平均增益

根据式(4)计算各个子载波组平均分配的比特数，初始化N′_sub＝N_sub：

找到所有b_i≤0的子载波组，剔除这些过差的信道，重新计算N′_sub＝N′_sub-m_i；

之后，按照分配的比特数发送比特并观察误比特率：

1)误比特率高于预定范围，减小比特数，重试；

2)误比特率低于预定范围，增大比特数，重试；

3)误比特率在预定范围内，结束；

同时，设定一个最大迭代次数，如果在运行到最大迭代次数后仍无法将误比特率控制在预定范围内，则一直减小比特数直到误比特率低于预定范围停止迭代；

以误比特率1×10^-3为例，首先将误比特率转换为对数形式，单位dB，然后设定误比特率预定范围为-30dB～-33dB，最大迭代次数16次；这样在保证误码率的情况下，达到了每符号传输比特数的最大值；

如果分配到4个比特，就进行16QAM调制，如果分配到了3个比特进行8PSK调制，如果分配到2个比特，进行QPSK调制，分配到了1个比特进行BPSK调制。

2.根据权利要求1所述的基于自适应调制的多波段光纤传输方法，其特征在于，所述多波段光纤的传输模型的表达式如下：

MB＝O_多子载波+E_多子载波+S_多子载波+C_多子载波+L_多子载波

其中，MB表示多波段光纤的传输模型，O_多子载波表示一个发射端发送的O波段的多子载波信号，E_多子载波表示一个发射端发送的E波段的多子载波信号，S _多子载波表示一个发射端发送的S波段的多子载波信号，C_多子载波表示一个发射端发送的C波段的多子载波信号，L_多子载波表示一个发射端发送的L波段的多子载波信号。

3.根据权利要求1所述的基于自适应调制的多波段光纤传输方法，其特征在于，所述通过DSP算法对经过光纤信道传输后的损伤信号进行均衡处理，具体包括：

对经过光纤信道传输后的损伤信号进行时钟恢复、非线性补偿、色散补偿、信道补偿、频偏估计和相位估计。

4.一种基于自适应调制的多波段光纤传输系统，其特征在于，包括：

模型建立模块，用于建立多波段光纤的传输模型；

自适应调制模块，用于对所述多波段光纤的传输模型中每个波段进行多载波自适应调制；

超宽带波分复用模块，用于对调制后的所有波段的信号进行超宽带波分复用，并进入光纤信道；

处理模块，用于通过DSP算法对经过光纤信道传输后的损伤信号进行均衡处理：

解调模块，用于基于星座图判别出处理后的信号的星座点，输出解调信号；

所述自适应调制模块具体包括：

分配单元，用于在不同波段进行比特和功率的分配；

自适应调制单元，用于根据分配到不同子载波的比特，进行自适应调制；

在相同传输功率或误码率不变的前提下，子载波的信道增益每提高一倍，子载波可分配的比特数加1，因此，分组方式依据的参数α₁如式(1)所示：

表示所有子载波中信道状况最好的子载波比信道环境最差的子载波理论上可以多分配的比特数目；参数α₁根据子载波波动程度作为分组依据；为了防止调制阶数过高，用n_max表示子载波最高阶调制模式能分配的比特数；

定义另一分组依据α₂：

R_target表示子载波传输时携带的总比特数目，N_sub表示所有传输的子载波的总数目；对子载波分为r组：

然后计算每组包含的子载波数目m_i，然后进行近似均匀分组，即将N_sub个子载波平均分配到r个子载波组中，即

再将剩余的子载波N_rem分配到N_rem组中，

计算各个子载波组的平均增益

根据式(4)计算各个子载波组平均分配的比特数，初始化N′_sub＝N_sub：

找到所有b_i≤0的子载波组，剔除这些过差的信道，重新计算N′_sub＝N′_sub-m_i；

之后，按照分配的比特数发送比特并观察误比特率：

1)误比特率高于预定范围，减小比特数，重试；

2)误比特率低于预定范围，增大比特数，重试；

3)误比特率在预定范围内，结束；

同时，设定一个最大迭代次数，如果在运行到最大迭代次数后仍无法将误比特率控制在预定范围内，则一直减小比特数直到误比特率低于预定范围停止迭代；

以误比特率1×10^-3为例，首先将误比特率转换为对数形式，单位dB，然后设定误比特率预定范围为-30dB～-33dB，最大迭代次数16次；这样在保证误码率的情况下，达到了每符号传输比特数的最大值；

如果分配到4个比特，就进行16QAM调制，如果分配到了3个比特进行8PSK调制，如果分配到2个比特，进行QPSK调制，分配到了1个比特进行BPSK调制。

5.根据权利要求4所述的基于自适应调制的多波段光纤传输系统，其特征在于，所述多波段光纤的传输模型的表达式如下：

MB＝O_多子载波+E_多子载波+S_多子载波+C_多子载波+L_多子载波

其中，MB表示多波段光纤的传输模型，O_多子载波表示一个发射端发送的O波段的多子载波信号，E_多子载波表示一个发射端发送的E波段的多子载波信号，S _多子载波表示一个发射端发送的S波段的多子载波信号，C_多子载波表示一个发射端发送的C波段的多子载波信号，L_多子载波表示一个发射端发送的L波段的多子载波信号。

6.根据权利要求4所述的基于自适应调制的多波段光纤传输系统，其特征在于，所述通过DSP算法对经过光纤信道传输后的损伤信号进行均衡处理，具体包括：

对经过光纤信道传输后的损伤信号进行时钟恢复、非线性补偿、色散补偿、信道补偿、频偏估计和相位估计。

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