CN114144980B - 发送信息符号向量的光发送器及其发送方法与光接收器 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及发送信息符号向量的光发送器及其发送方法与光接收器。本发明的实施方式提供了一种在由多芯光纤形成的光纤传输信道(13)上发送信息符号向量的光发送器(11)，承载所述信息符号向量的光信号按照两个或更多个芯沿所述多芯光纤传播，其中，光发送器(11)包括预编码器(87)，所述预编码器(87)被配置为根据与所述多芯光纤相关联的一个或更多个光纤参数确定预编码矩阵，并通过将信息符号向量乘以所述预编码矩阵来对所述信息符号向量进行预编码。
Description
技术领域
本发明总体上涉及光通信，并且具体涉及用于多芯光纤中的线性预编码的设备和方法。
背景技术
光纤广泛用于数据传输系统。
光纤构成引导光谱中的电磁波的光波导。光纤包括透明芯，该透明芯被具有更低折射率的透明包层材料包围。光跟随着一系列的内部反射在光纤中传播。光承载数据并允许以比基于有线的或无线通信系统更高的带宽在长距离内进行传输。
随着互联网业务的增加，光通信网络中的数据业务量呈指数增长。由于波分复用(WDM)、相干检测和偏振分复用(PDM)以及先进的信号处理的实际应用，所以使用单模光纤的光通信系统的传输容量和范围已有所增加。
然而，使用常规单模光纤(其芯半径小，其中波沿单传播模式传播)的WDM-PDM系统几乎达到了光传输系统的非线性容量极限，并且无法应对更高网络带宽需求的指数增长。
使用多模光纤(MMF)或多芯光纤(MCF)执行的空分复用(SDM)是克服当前光传输系统的容量限制并跟上网络带宽需求的指数增长的最后自由度(last degree offreedom)。空分复用利用光纤中的空间作为复用维度来创建多个独立的空间信道，独立的数据流可以在所述空间信道上复用并承载在同一光纤中。使用SDM，容量可以以独立空间信道的数量的倍数增长，从而增加光纤传输链路的范围和传输容量两者。
多模光纤允许根据许多空间传播模式传播光。多模光纤的芯被扩大，以允许超过一个空间模式的传播。随着光传递通过芯，所产生的反射次数增加，从而产生在给定时隙内传播更多数据的能力。
多芯光纤在单个光纤中包含多个相同的或不同的芯，各个芯是单模的或多模的。多芯光纤可以被分类为非耦合MCF和耦合MCF。
在非耦合MCF中，各个芯都必须适当布置，以保持芯间串扰足够小来用于长距离传输应用，以分别检测来自各个芯的信号(即，接收器处不需要多输入多输出均衡)。已经根据不同的芯布置结构设计了若干类型的非耦合多芯光纤。这些设计包括包含多个相同芯的“同质MCF”和“具有沟槽辅助的同质MCF”，以及包含若干类型的多个芯的异质MCF。
在耦合MCF中，若干芯被放置成使得它们彼此强耦合和/或弱耦合。支持单空间模式和多空间模式的耦合MCF可以用于高功率光纤激光器应用。
多芯光纤由于未对准损耗和串扰效应而受到若干损伤的影响。串扰和未对准损耗会导致芯相关损耗(CDL)。CDL是一种类似于影响多模光纤的MDL的损伤影响。
由于光纤在接合处和连接器部分处的缺陷，所以未对准损耗增加。存在三种类型的未对准损耗，包括纵向移位损耗、横向移位损耗和角移位损耗。
串扰效应是由于在一个包层中存在多个芯(这会在相邻芯之间产生串扰)造成的。串扰随着芯间距离的减小而增加，并且表示在光信号质量和多芯光纤内部集成的芯数量方面对容量的主要限制。此外，低串扰效应使得能够降低光接收器处的解码复杂度，因为针对小串扰值不需要多输入多输出均衡。
可以在光纤的制造期间应用光解决方案，以便减少串扰效应。
第一种方法在于增加芯间距离。该方法使得能够减少串扰效应。然而，由于包层直径，所以该方法限制了光纤内部的芯数量，从而降低了芯密度和容量。
第二种方法基于使用沟槽辅助的同质多芯光纤的沟槽辅助。沟槽辅助通过用低折射率沟槽层围绕各个芯来降低耦合系数。沟槽辅助光纤设计中的串扰与芯间距离无关。
第三种解决方案使用异质MCF，其中引入了相邻芯之间的固有折射率差异，从而能够减少串扰效应。
此外，可以在光纤传输信道的设计期间使用如下光解决方案，该光解决方案通过安装芯扰模器来实现，该芯扰模器对多芯光纤的不同芯中的损耗进行平均，从而降低平均芯相关损耗。现有的加扰技术包括在“A.Abouseif，G.R.Ben-Othman andY.CoreMode Scramblers for ML-detection based Multi-Core Fibers Transmission，in AsiaCommunications and Photonics Conference，OSATechnical Digest，2017”中公开的随机芯加扰以及在“A.Abouseif，G.Rekaya-Ben Othman andY./>“Deterministic CoreScrambling for Multi-Core Fiber Transmission”，OECC，Jeju Island，Korea，July2018”中公开的确定性芯加扰。
尽管现有的光解决方案能够减少多芯光纤中的串扰，但它们无法最佳地缓解芯相关损耗影响。
因此，需要开发低复杂度的解决方案，所述解决方案将提高基于多芯光纤的传输系统的性能并减少芯相关损耗的影响。
发明内容
为了解决这些问题和其它问题，提供了一种在由多芯光纤形成的光纤传输信道上发送信息符号向量的光发送器，承载所述信息符号向量的光信号按照两个或更多个芯沿所述多芯光纤传播，所述光发送器包括预编码器，所述预编码器被配置为根据与所述多芯光纤相关联的一个或更多个光纤参数确定预编码矩阵，并通过将所述信息符号向量乘以所述预编码矩阵来对所述信息符号向量进行预编码。
根据一些实施方式，所述预编码器可以被配置为根据所述光纤参数和至少一个未对准损耗值确定与所述两个或更多个芯中的各个芯相关联的芯损耗值，各个芯损耗值是由均值和方差值限定的对数正态分布随机变量，所述均值和所述方差值是取决于所述光纤参数和所述至少一个未对准损耗值的；所述预编码器被配置为：
-将归一化因数确定为所述两个或更多个芯的数量与所述两个或更多个芯所关联的所述芯损耗值之和之间的比率；
-随机确定第一酉矩阵和第二酉矩阵；
-确定包括对角分量的对角矩阵，所述对角分量等于限定与所述两个或更多个芯相关联的所述芯损耗值的所述随机变量的所述均值；
-将辅助矩阵确定为所述归一化因数的平方根、所述第一酉矩阵、所述对角矩阵和所述第二酉矩阵之间的乘积；
-将所述预编码矩阵确定为所述辅助矩阵的逆矩阵。
根据一些实施方式，所述光纤参数可以包括光纤长度、与所述两个或更多个芯的所述数量相对应的芯数量、串扰系数以及耦合系数，各个串扰系数表示所述多芯光纤中两个芯之间的串扰，各个耦合系数表示所述多芯光纤中两个芯之间的耦合。
根据一些实施方式，所述未对准损耗值可以表示在包括以下项的组中选择的所述多芯光纤的未对准：纵向未对准、横向对准和角度对准。
根据一些实施方式，所述预编码器可以被配置为将与各个芯相关联的芯损耗值的各个均值确定为第一值与第二值之间的乘积，所述第一值对应于表示与各个芯相关联的总未对准损耗的对数正态随机变量的均值，所述第二值对应于与各个芯相关联的总串扰系数，所述预编码器被配置为根据表示给定芯与所述多芯光纤中不同于所述给定芯的芯之间的串扰的所述串扰系数来确定与所述给定芯相关联的所述总串扰系数，所述预编码器还被配置为将与所述多芯光纤的各个芯相关联的各个芯损耗值的方差值确定为与所述各个芯相关联的所述总串扰系数的平方与第三值之间的乘积，所述第三值对应于表示与所述各个芯相关联的所述总未对准损耗的所述对数正态随机变量的方差。
根据一些实施方式，所述光发送器还可以包括：
-纠错码编码器，所述纠错码编码器被配置为通过应用至少一个纠错码来将数据编码为码字向量；
-调制器，所述调制器被配置为通过将调制方案应用于所述码字向量来确定所述信息符号向量。
还提供了一种光接收器，所述光接收器被配置为接收和解码承载由根据前述特征中任一项所述的光发送器发送的数据的所述光信号。
还提供了一种在由多芯光纤形成的光纤传输信道上发送信息符号向量的方法，承载所述信息符号向量的光信号按照两个或更多个芯沿所述多芯光纤传播，所述方法包括：根据与所述多芯光纤相关联的一个或更多个光纤参数确定预编码矩阵，以及通过将所述信息符号向量乘以所确定的预编码矩阵来对所述信息符号向量进行预编码。
根据一些实施方式，所述方法还可以包括：根据光纤参数和至少一个未对准损耗值确定与所述两个或更多个芯中的各个芯相关联的芯损耗值，各个芯损耗值是由均值和方差值限定的具有对数正态分布的随机变量，所述均值和所述方差值是取决于所述光纤参数和所述至少一个未对准损耗值的，所述方法还包括：
-将归一化因数确定为所述两个或更多个芯的数量与所述两个或更多个芯所关联的所述芯损耗值之和之间的比率；
-随机确定第一酉矩阵和第二酉矩阵；
-确定包括对角分量的对角矩阵，所述对角分量等于限定与所述两个或更多个芯相关联的所述芯损耗值的所述随机变量的所述均值；
-将辅助矩阵确定为所述归一化因数、所述第一酉矩阵、所述对角矩阵和所述第二酉矩阵之间的乘积；
-将所述预编码矩阵确定为所述辅助矩阵的逆矩阵。
有利地，根据本发明的实施方式的线性预编码技术使得能够以降低的复杂度对所发送的信息符号进行预编码，而无需经由反馈链路的在光发送器处的任何信道状态信息。
有利地，根据本发明的实施方式的线性预补偿技术使得能够在不损害解码错误性能的情况下减轻光接收器处的解码操作。
有利地，根据本发明的各种实施方式的光传输设备和方法使得能够增强多芯光纤传输系统的性能。
本领域技术人员在审查附图和具体实施方式后将清楚本发明的另外优点。
附图说明
包含在本说明书中并构成本说明书一部分的附图例示了本发明的各种实施方式。
图1例示了本发明在光通信系统中的示例性应用的示意图。
图2例示了示例性多芯光纤的横截面图。
图3描绘了多芯光纤的横截面图，其中12芯同质多芯光纤包括被布置在绕光纤轴线的环上的十二个芯，并且19芯同质光纤包括被布置成包括中心芯的二维网格的十九个芯。
图4描绘了根据一些实施方式的多芯光纤的横截面图，其中，多芯光纤是12芯同质沟槽辅助多芯光纤。
图5例示了根据一些实施方式的多芯光纤的横截面图，其中，多芯光纤是包括被布置在绕光纤轴线的环上的十二个芯的12芯异质多芯光纤。
图6例示了多芯光纤的横截面图，其中7芯异质光纤包括7个芯，并且19芯异质光纤包括三个芯组，不同组中的各个组的芯具有不同类型。
图7例示了根据一些实施方式的多芯光纤的横截面图，其中第一多芯光纤是包括被布置在绕光纤轴线的环上的十二个芯的12芯异质沟槽辅助多芯光纤以及7芯异质沟槽辅助多芯光纤。
图8是例示了根据本发明的一些实施方式的其中实现了线性预编码的光发送器的结构的框图。
图9是例示了根据本发明的一些实施方式的光接收器的结构的框图。
图10是例示了根据本发明的一些实施方式的在多芯光纤传输系统中发送信息符号向量的方法的流程图。
图11是例示了根据本发明的一些实施方式的预编码矩阵确定步骤的流程图。
图12例示了根据本发明的一些实施方式的在针对7芯异质光纤进行线性预编码之后的发送信号的特征值。
图13例示了根据本发明的一些实施方式的作为在7芯异质光纤中获得的信噪比的函数的位误码率性能。
图14例示了根据本发明的一些实施方式的作为在12芯异质光纤中获得的信噪比的函数的位误码率性能。
具体实施方式
本发明的实施方式提供了实现线性预编码技术的光传输设备和方法，该线性预编码技术预补偿光纤传输信道而不需要光发送器处的反馈回路和完善的信道状态信息。
根据本发明的各种实施方式的设备和方法可以在应用于多种应用的光纤传输系统中实现。示例性应用包括但不限于光纤通信、航空航天和航空电子、数据存储、汽车工业、成像、运输、感测和光子学。
示例性通信应用包括台式计算机、终端和全国性网络。光纤可以用于在短距离(小于一米)或长距离(例如，在城域网、广域网、跨洋链路上的通信中长达数百或数千公里)上发送光并因此发送信息/数据。这种应用可能涉及传送语音(例如，在电话学中)、数据(例如，向家庭和办公室供应数据，称为光纤到户)、图像或视频(例如，互联网业务的传送)或网络连接(例如，交换机的连接或高速局域网中的路由器和数据中心连接)。
在本发明在航空航天和航空电子工业领域中的示例性实现方式中，基于光纤的产品可以用于军事和/或商业应用。在这种应用中，光纤技术和产品被设计为满足恶劣环境和条件下的严格测试和认证要求。
在本发明在数据存储应用中的示例性实现方式中，光纤可以在数据存储设备中用作网络中多个设备之间的链路和/或用作存储系统的一部分。光纤连接即使在延长的距离上也能提供非常高的带宽。
在本发明针对汽车工业应用的另一示例性应用中，光纤技术可以用于例如照亮/照明、通信以及安全和控制设备和系统的感测。
在本发明针对成像应用(例如，远程医疗)的又一示例性应用中，光纤的光学传输属性可以用于将目标或主题区域的图像发送至图像查看端以供分析和/或解释。
本发明还可以用于运输系统，其中具有智能交通灯、自动收费站和可变信息标志的智能高速公路可以使用基于光纤的遥测系统。
本发明还可以用于感测应用，其中光纤传感器可以用于感测一些量，诸如温度、位移、振动、压力、加速度、旋转和化学物质的浓度。光纤传感器的示例性应用包括在高电压和高功率机械中的感测或在微波中的感测、建筑物中用于远程监测(例如，监测飞行器的机翼、风力涡轮机、桥梁、管线)的分布式温度和应变测量、石油勘探应用的井底感测等。
在本发明针对光子学的另外的应用中，光纤可以用于连接光纤设备中的部件，诸如干涉仪和光纤激光器。在这种应用中，光纤的作用与电线在电子设备中的作用相似。
仅出于例示的目的，以下某些实施方式的描述将参考通信应用进行。然而，本领域技术人员将容易理解，本发明的各种实施方式可以应用于针对不同应用的其它类型的系统。
图1例示了本发明在基于光纤传输的光传输系统100(也称为“光通信系统”)中的示例性实现方式。光传输系统100包括至少一个光发送器设备11(以下称为“光发送器”)，其被配置为将输入数据序列编码成光信号，并通过被配置为在一定距离上发送光的光纤传输信道13(以下称为“光纤链路”)将该光信号以光学方式发送至至少一个光接收器设备15(以下称为“光接收器”)。
光通信系统100可以包括对系统可操作性进行控制的计算机和/或软件。
光纤传输信道13包括多芯光纤，该多芯光纤包括多个光纤区段131(也称为“光纤段”或“光纤片”)的级联。光纤区段131可以是对准的或未对准的。
多芯光纤是圆柱形非线性波导，其由两个或更多个芯、围绕所述两个或更多个芯的包层以及涂层组成。各个芯具有折射率。由光发送器11发送的光信号被复用，并且由于芯的折射率与包层的折射率之间的差异而通过全内反射在多芯光纤的各个芯中被引导。
在多芯光纤是非耦合光纤的一些实施方式中，多芯光纤的各个芯可以充当单独的波导，使得光信号可以被视为独立地传播通过芯。
在多芯光纤是耦合光纤的一些实施方式中，如果两个芯之间的距离太小以致于沿不同芯传播的光信号重叠，则芯之间可能存在一些耦合。
通常针对长距离传输，光纤可以由玻璃(例如，二氧化硅、石英玻璃、氟化物玻璃)制成。针对短距离传输，光纤可以是塑料光纤。
多芯光纤的特征在于几何参数和光学参数。几何参数可以包括包层直径、芯到芯的距离以及芯到外包层距离。光学参数可以包括波长、表示多芯光纤的不同芯之间的串扰的串扰系数以及各个芯与包层之间的折射率差异。
在一些实施方式中，光纤通信系统100可以在对应于从包括以下项的组中选择的区域的波长区域中操作：
-波长范围为800nm-900nm的窗口，适合短距离传输；
-波长约1.3μm的窗口，例如用于长途传输；
-波长约1.5μm的窗口，由于石英光纤的损耗在该波长区域中最低，因此使用较多。
图2描绘了六芯光纤的横截面，Dclad表示包层直径，dc-c表示芯间距离，并且dc-Clad表示芯到外包层距离。
在一些实施方式中，多芯光纤中的芯可以被布置在绕光纤轴线的环上，例如被布置在六边形的边上。在其它实施方式中，芯可以被布置成某种二维网格。
在实施方式中，多芯光纤可以是包括两个或更多个相同类型的芯的同质多芯光纤。
图3描绘了两个示例性同质多芯光纤的两个横截面，第一个12芯光纤包括被布置在绕光纤轴线的环上的12个相同类型的芯，而第二个19芯光纤包括被布置在六边形的边上的18个芯和中心芯。
在实施方式中，多芯光纤可以是同质沟槽辅助多芯光纤，各个芯被低折射率沟槽层包围。
图4例示了包括12个相同类型的芯的示例性沟槽辅助同质多芯光纤的横截面。
在另一实施方式中，多芯光纤可以是包括多个芯的异质多芯光纤，其中至少两个芯具有不同类型。
图5例示了示例性异质多芯光纤的横截面，该示例性异质多芯光纤包括12个芯，其中编号为2i+1(其中i＝0,…,5)的芯相同，编号为2i+2(其中i＝0,…,5)的芯相同，并且编号为2i+1的芯的芯类型与编号为2i+2(其中i＝0,…,5)的芯的芯类型不同。这种异质多芯光纤中的各个芯具有两个邻居，各个芯的芯类型与其邻居芯的芯类型不同。
图6例示了两个示例性7芯光纤和19芯异质光纤的横截面。7芯光纤包括位于六边形的边上的编号为1-6的6个芯以及编号为7的中心芯。这种7芯光纤包括三种不同的芯类型，中心芯的芯类型与六边形的边上的芯的类型不同，并且被布置在六边形的边上的各个芯的芯类型与其邻居芯的芯类型不同。19芯光纤包括三种不同的芯类型，中心芯的芯类型与六边形的边上的芯的类型不同。
在实施方式中，多芯光纤可以是沟槽辅助异质多芯光纤。
图7描绘了两个示例性12芯沟槽辅助异质多芯光纤和7芯沟槽辅助异质多芯光纤的两个横截面。
在一些实施方式中，多芯光纤的各个芯可以是单模的，所述单模包括一个空间传播模式。
在一些实施方式中，多芯光纤可以包括至少一个多模芯，该至少一个多模芯包括两个或更多个空间传播模式。
光纤传输信道13还可以包括一个或更多个放大器132，所述一个或更多个放大器被插入光纤中，以重新放大光学功率并补偿光纤衰减，而无需重新生成光信号，从而可以在光信号需要被周期性放大的情况下在大距离内维持足够的信号功率。
放大器132可以被插入到各对光纤片131之间。具体地，插入在光纤传输信道末端处的放大器132在接收器15处的信号检测之前执行信号放大。
各个放大器132可以被配置为同时放大与多芯光纤中的多个芯相对应的光信号。
在一些实施方式中，放大器132可以由单芯光纤放大器的重复(duplication)组成。
在其它实施方式中，放大器132可以是光多芯放大器。示例性光放大器包括多芯掺铒光纤放大器(EDFA)，诸如芯泵浦(core-pumped)多芯EDFA和包层泵浦EDFA放大器。芯泵浦放大器和包层泵浦放大器可以使用单个或多个泵浦二极管。具体地，每芯的泵浦二极管可以用于EDFA放大器。
在一些实施方式中，可以使用非线性模拟拉曼散射效应以分布式方式执行光信号放大。在这样的实施方式中，光纤既用作传输链路又用作放大介质。
在其它实施方式中，信号放大可以通过规则布置的光放大器和模拟拉曼散射效应的联合使用来实现。
在又一些其它实施方式中，可以通过光/电转换(图1中未例示)在电域(electrical domain)中执行信号放大。在这样的实施方式中，光纤传输信道13在各个放大级可以包括：
-光电二极管，用于将光信号转换回电域；
-电放大器，用于对经转换的电信号进行放大；以及
-激光二极管，用于生成与经放大的电信号相对应的光信号。
根据一些实施方式(图1中未例示)，光传输信道13还可以包括以下项中的一项或更多项：
-色散补偿器，用于抵消色度色散影响，色散补偿器被配置为例如在接收器15处的光信号检测之前消除色度色散或补偿色散；
-光开关和复用器，诸如在波分复用系统中实现的光分插复用器；
-用于再生光信号的一个或更多个设备，诸如电子再生器和光再生器。
仅出于例示目的，本发明的某些实施方式的以下描述将参考使用单模多芯光纤的光通信系统100进行，其中各个芯包括单传播模式并使用单偏振。然而，本领域技术人员将容易理解，本发明的各种实施方式也可以与使用两个偏振的偏振复用组合地和/或与使用多个波长的波长复用组合地和/或与使用多模光纤芯的模式复用组合地应用于多芯光纤中。
为便于理解本发明的一些实施方式，下文使用以下符号和/或定义：
-L表示光纤传输信道13中多芯光纤的总长度。
-Nc≥2表示多芯光纤中的芯总数，对芯进行编号(即，各个芯与在1至Nc之间变化的芯编号相关联)，使得芯被表示为芯n，其中n取1至Nc之间的值。
-K表示多芯光纤中级联的光纤区段(也称为“光纤片”或“光纤段”)的数量。
-l表示用于补偿光纤链路中的损耗的归一化因数。
-d表示相关长度。
-Rb表示弯曲半径。
-Rn表示芯n的半径。
-XTn,m是指对芯n与芯m(其中n≠m)之间的串扰(也称为“芯间串扰”)进行量化的串扰系数(也称为“芯间串扰系数”)。
-kn,m是指对芯n与芯m(其中n≠m)之间的耦合(也称为“芯间耦合”)进行量化的耦合系数(也称为“芯间耦合系数”)。
-Δβnm表示芯n与芯m(其中n≠m)之间的传播常数差。
-表示预编码矩阵。
图8示出了根据本发明的一些实施方式的光发送器11的框结构。光发送器11可以被配置为将输入数据序列转换成将通过光传输信道13发送的光信号。
因此，光发送器11可以包括前向纠错码(FEC)编码器81(也称为“纠错码编码器81”)，其被配置为通过应用至少一个前向纠错码(FEC)(也称为“纠错码”)将长度为k(即，包括k个符号)的输入数据序列编码成长度n>k的码字向量形式的编码序列。
根据一些实施方式，输入数据序列可以是包括k个位的二进制序列。在这样的实施方式中，FEC编码器81可以被配置为通过应用至少一个二进制FEC码将输入二进制序列编码成包括n个位的二进制码字向量。
在其它实施方式中，输入数据序列可以包括在伽罗瓦域GF(q)中取值的符号，其中q>2表示伽罗瓦域的阶。在这样的实施方式中，FEC编码器22可以被配置为将输入数据序列编码成包括n个符号的码字向量，包括在码字向量中的各个符号在伽罗瓦域GF(q)中取值。这种情况下的编码过程可以使用在q>2的GF(q)上构造的非二进制FEC码来执行。
通过执行编码操作，FEC编码器81将冗余位(通常是冗余符号)添加至输入二进制序列，使得接收器可以检测和/或纠正常见的传输错误。FEC码的使用提供了附加保护和对传输错误的抗扰性，并允许在未编码传输(即，没有FEC编码的调制数据的传输)方面显著提高性能。
通过级联两个或更多个FEC码，可以实现附加改进和错误概率的降低。码的级联可以遵循串联、并联或多级架构。FEC编码器81可以相应地被配置为实现两个或更多个FEC码。
光发送器11还可以包括交织器83，其被配置为对编码序列进行混合，以向编码符号添加保护层以防止突发错误。然后，交织编码序列可以由调制器85处理，调制器85被配置为通过将调制方案应用于交织编码序列(或在发送器11不包括交织器的实施方式中应用于码字向量)来确定调制符号向量sc形式的调制符号集。可以实现不同的调制方案，诸如具有2q个符号或状态的2q-QAM或2q-PSK。调制向量sc可以是包括k个复值符号s1,s2,…,sk(每符号具有q个位)的复值向量。当使用诸如2q-QAM之类的调制格式时，2q个符号或状态表示整数域的子集。对应的星座由表示不同状态或符号的2q个点组成。另外，在方波调制的情况下，信息符号的实部和虚部属于同一有限字母表A＝[-(q-1),(q-1)]。
根据本发明的实施方式，光发送器11实现线性预编码技术，以使用被表示成并包括复值的预编码矩阵来将信息符号向量预编码成被表示成sp的预编码向量。因此，光发送器11可以包括预编码器87，其被配置为根据与多芯光纤相关联的一个或更多个光纤参数确定预编码矩阵P，并通过应用包括将信息符号向量与预编码矩阵相乘的线性预编码对信息符号向量进行预编码，使得预编码向量由sp＝P.sc给出。预编码向量/>是包括复值的Nc维向量。
本发明的实施方式提供有效的线性预编码技术来预补偿光发送器处的信道效应。在无线通信系统中使用的现有线性预编码技术依赖于发送器处的完善的信道状态信息(channel state information)，其中接收器经由反馈链路将信道矩阵的估计传送至发送器。本发明的实施方式提供了如下线性预编码技术，该线性预编码技术不需要来自接收器的将所估计的信道矩阵发送至发送器的反馈，并且考虑了被表示为的辅助矩阵(也称为“辅助信道矩阵”)，该辅助矩阵是基于定义了多芯光纤传输信道的信道模型来确定的。多芯信道模型在光发送器处实现，以通过评估由多芯光纤制成的多芯光纤传输信道的与预定光纤配置、光纤参数和未对准损耗值相关联的芯相关损耗来预测和估计多芯光纤传输信道的性能行为。
因此，预编码器87可以被配置为根据光纤参数以及至少一个未对准损耗值确定与各个芯芯n(其中n＝1,...,Nc)相关联的芯相关损耗值λn(也称为“芯损耗值”)。
根据一些实施方式，光纤参数包括光纤长度L、至少等于2的芯数量Nc≥2、串扰系数XTn,m(其中n,m∈{1,…,Nc})以及耦合系数kn,m(其中n,m∈{1,…,Nc})，各个串扰系数XTn,m表示多芯光纤中芯n与芯m(n≠m)之间的串扰，各个耦合系数kn,m表示多芯光纤中芯n与芯m(n≠m)之间的耦合。
光纤参数还可以包括弯曲半径、光纤片的数量K、包层直径、多芯光纤的各个芯的半径以及多芯光纤的各个芯的类型。
在一些实施方式中，由于光纤段处的光纤和连接器(例如，扇入设备/扇出设备与光纤传输信道的输入端/输出端之间的连接器)的缺陷，未对准损耗可能会增加。未对准损耗可以包括在以下组中选择的未对准，所述组包括：纵向未对准、横向未对准和角度未对准。
根据一些实施方式，未对准损耗可以建模为随机高斯变量。更具体地，与芯n相关联的未对准损耗可以建模为具有零均值和由σ(x，y)，n表示的标准偏差的随机高斯变量，σ(x，y)，n根据下式表示：
在式(1)中，rd表示多芯光纤在“x”和“y”方向上的横向位移。
信道模型考虑在多芯光纤传输信道(由信道矩阵H表示)上传输的信息符号向量(被表示为X)，该信息符号向量被发送至光接收器15。此外，被考虑以确定用于预编码的辅助信道矩阵的信道模型考虑了芯间串扰效应和未对准影响。因此，光纤传输信道13可以由如下关系描述的光多输入多输出(MIMO)系统表示：
Y＝H.X+N (2)
在式(2)中：
-X表示长度为Nc的复值向量，其包括在光传输信道13上发送的Nc个符号，使得第n个符号在芯n(其中n＝1,…,Nc)上发送；
-Y是长度为Nc的复值向量，其表示在光接收器15处的接收到的信号；
-H是Nc×Nc维的复值矩阵，其表示光信道矩阵并表示所遭受的衰减以及在光信号在多芯光纤中的不同芯上传播期间所经历的除了未对准损耗以外的损耗，以及
-N是长度为Nc的复值向量，其表示光信道噪声。
根据一些实施方式，光信道噪声可以是均值为零且方差为N0的高斯白噪声。
芯间串扰效应可以用串扰信道矩阵(由HXT表示)表示，HXT根据下式表示：
在式(3)中，串扰信道矩阵的对角线元素通过XTn＝1-Σn≠mXTn，m给出。串扰表示在芯之间交换能量，并且可以基于本领域技术人员已知的耦合功率理论来估计。
根据多芯光纤是同质的一些实施方式，对各个芯n与芯m(n≠m)之间的串扰进行量化的串扰系数XTn,m根据下式表示：
在式(4)中，Λ表示芯到芯的距离，并且β2是传播常数。
根据多芯光纤是异质的一些实施方式，对各个芯n与芯m(n≠m)之间的串扰进行量化的串扰系数XTn,m根据下式表示：
根据一些实施方式，预编码器87可以被配置为通过将奇异值分解应用于表示光纤传输信道13的光信道矩阵H来确定与各个芯芯n(其中n＝1,…,Nc)相关联的芯损耗值λn。光信道矩阵的奇异值分解可以根据下式表示：
在式(6)中，和/>表示两个酉矩阵，并且矩阵Σ是由下式给出的Nc×Nc对角矩阵：
在式(7)中，αi表示与芯芯i相关联的总未对准损耗系数，并且XTi＝1-∑i≠mXTi，m表示在光传输信道13的末端处与芯芯i相关联的总串扰进行量化的总串扰系数，与芯芯i相关联的总串扰系数依赖于对所述芯芯i与多芯光纤中的其余芯之间的串扰进行量化的串扰系数。
多芯光纤由K个光纤段的级联制成，各个段相当于串扰信道矩阵和未对准信道矩阵的乘积。因此，式(2)的光MIMO系统可以根据下式等效地表示：
在式(8)中：
-l表示用于补偿光纤链路损耗的归一化因数；
-HXT,k表示与第k个光纤段相关联的串扰信道矩阵，并且
-Mk表示与第k个光纤段相关联的未对准信道矩阵。
使用光纤分解成光纤段，总未对准损耗系数αi可以由下式给出：
在式(9)中，和/>(其中i＝1,…,Nc)表示具有一个自由度、均值等于(σ(x，y)，i)2并且方差等于2(σ(x，y)，i)4的卡方分布随机变量。
考虑到光纤段K的数量较大的实施方式，预编码器87可以被配置为将各个变量Zi确定为具有均值和方差/>的正态分布变量。因此，未对准损耗系数αi可以通过对数正态随机变量建模，该对数正态随机变量的均值μαi和方差值/>分别由下式给出：
根据光信道矩阵的奇异值分解的推导，式(2)和式(6)的光MIMO系统可以根据下式表示：
根据式(8)和式(12)中给出的信道模型，预编码器87可以被配置为确定与各个芯芯n(其中n＝1,…,Nc)相关联的芯损耗值λn，使得芯损耗值λn是均值为并且方差为/>的对数正态分布变量，各个芯损耗值的均值和方差取决于涉及与各个芯相关联的总串扰系数XTn的光纤参数以及以未对准损耗系数αi的对数正态分布的均值和方差出现的未对准损耗。更具体地，预编码器87可以被配置为将与多芯光纤的各个芯芯n相关联的各个芯损耗值λn的均值μλn确定为第一值与第二值之间的乘积，所述第一值/>对应于表示与芯芯n相关联的总未对准损耗的对数正态随机变量αn的均值，所述第二值XTn 2对应于与所述芯芯n相关联的总串扰系数的平方。预编码器87还可以被配置为将与多芯光纤的各个芯芯n相关联的各个芯损耗值λn的方差值/>确定为与芯芯n相关联的总串扰系数XTn与第三值之间的乘积，所述第三值对应于表示与芯芯n相关联的总未对准损耗的对数正态随机变量αn的方差/>
基于信道模型，预编码器87可以被配置为使用数学信道模型的平均值来确定平均信道矩阵实现。因此，预编码器87可以被配置为：
-将归一化因数l确定为两个或更多个芯的数量Nc与所述两个或更多个芯芯n(其中n＝1,…,Nc)相关联的芯损耗值λn之和之间的比率，使得：
-随机确定第一酉矩阵和第二酉矩阵/>
-确定包括对角分量的对角矩阵对角分量等于限定与两个或更多个芯相关联的芯损耗值的随机变量的均值，使得根据下式第n个对角分量是与多芯光纤的第n个芯相关联的芯损耗值λn的均值μλn：
-将辅助矩阵确定为归一化因数l的平方根、第一酉矩阵Ur、对角矩阵/>和第二酉矩阵Vr之间的乘积，使得：
-将预编码矩阵P确定为辅助矩阵的逆矩阵，使得/>
然后，预编码器87可以通过将信息符号向量乘以预编码矩阵来确定预编码信息符号向量，使得sp＝P.sc。
光发送器11还可以包括多个多载波调制器88，所述多个多载波调制器88被配置为通过在包括大量正交子载波的各个光载波内实现多载波调制技术来生成多载波符号。此外，可以实现多载波调制，以更好地抵抗由光纤色散引起的符号间干扰。示例性多载波调制格式包括正交频分复用(OFDM)和滤波器组多载波(FBMC)。
然后，由多载波调制器88递送的频域信号可以由被配置为将接收到的频域信号转换至光域的数字-光前端89进行处理。数字-光前端89可以使用多个给定波长的激光器和多个光调制器(图8中未示出)来执行转换，所述多个光调制器与多芯光纤的芯中的所使用的偏振状态和空间传播模式相关联。激光器可以被配置为使用波分复用(WDM)技术来生成具有相同或不同波长的激光束。然后可以借助于光调制器使用OFDM符号的不同输出(或在使用单载波调制的实施方式中，预编码信息符号的不同值)来对不同激光束进行调制。然后可以根据光纤的不同偏振状态对调制信号进行偏振。示例性调制器包括Mach-Zehnder调制器。可以使用相位和/或幅度调制。另外，各种光调制器用于调制不同光信号的调制方案可以相似或不同。
光调制器和激光器的数量取决于所使用的偏振状态的数量、多芯光纤的各个芯中所使用的传播模式的数量以及光纤中的芯的数量。
数字-光前端89还可以包括扇入设备(图8中未例示)，其被配置为将生成的光信号注入多芯光纤的各个芯中，以根据各个芯中的可用传播模式进行传播。光连接器可以用于连接扇入设备的输出端和多芯光传输信道13的输入端。
根据前述实施方式中任一实施方式生成的光信号可以沿光纤传播，直到到达光传输信道13的另一端为止，在该另一端处，该光信号被光接收器15处理。
发送的信号应满足发送功率约束，使得跨多芯光纤的所有Nc个芯的总发送能量等于Nc.E0，其中E0表示每芯发送的平均信号能量。
图9是根据一些实施方式的光接收器15的框图。光接收器15被配置为接收由光发送器11通过传输信道13发送的光信号并生成原始输入数据序列的估计。光接收器15处的接收信号可以写为：
y＝H.sp+N (16)
参考图9，光接收器15可以包括：
-光-数字前端91，其被配置为使用例如一个或更多个光电二极管来检测光信号，并将所述光信号转换为数字信号。光-数字前端91可以包括扇出设备(图9中未例示)；
-多个多载波解调器92，其被配置为移除循环前缀并生成将被递送至解码器93的决策变量集；
-解码器93，其被配置为通过应用解码算法根据决策变量集生成调制数据序列的估计；
-解调器94，其被配置为通过对解码器93估计的调制数据序列进行解调来生成二进制序列；
-解交织器95，其被配置为重新排列解调器94递送的二进制序列中的位(通常是符号)的顺序，以恢复所述位的原始顺序；以及
-FEC解码器96(也称为“纠错码解码器96”)，其被配置为通过将软决策FEC解码器或硬决策FEC解码器应用于由解交织器95递送的重新排序的二进制序列来递送由光发送器设备11处理的输入数据序列的估计。示例性软决策FEC解码器包括Viterbi算法。
解码器93可以实现在由最大似然(ML)解码器、迫零解码器、迫零决策反馈均衡器和最小均方误差解码器组成的组中选择的解码算法。示例性最大似然解码器包括球形解码器、Schnorr-Euchner解码器、堆栈解码器、球形边界堆栈解码器。这种ML解码器是序列解码器，其在与接收到的接收信号相关联的解码树中执行树搜索以搜索最优ML解。堆栈解码器和SB堆栈解码器的次优实现方式还可以通过使用称为“偏差”参数的参数来使用。
在使用单载波调制的实施方式中，多个多载波调制器88可以由单个调制器代替。类似地，多载波解调器92可以由单个解调器代替。
在FEC编码器81实现两个或更多个前向纠错码的级联的一些实施方式中，FEC解码器96可以实现对应结构。例如，在基于内码和外码的串联级联的实施方式中，FEC解码器96可以包括内码解码器、解交织器和外码解码器(图9中未示出)。在涉及并联架构中的两个码的实施方式中，FEC解码器96可以包括解复用器、解交织器和联合解码器(图9中未示出)。
参考图10，还提供了一种在由包括两个或更多个芯Nc≥2的多芯光纤制成的光纤传输信道上发送信息符号向量sc的方法。
在步骤1001，可以接收包括Nc个复值的信息符号向量
在步骤1003，可以确定预编码矩阵
在步骤1005，可以通过将信息符号向量与预编码矩阵相乘来确定预编码信息符号向量使得sp＝P.sc。
图11是描绘根据本发明的一些实施方式的确定预编码矩阵的步骤1003的流程图，其中基于限定多芯光纤传输信道确定的辅助矩阵用于确定预编码矩阵。
在步骤1101，可以接收多芯光纤的光纤参数和未对准损耗值。
在一些实施方式中，光纤参数可以包括芯数量Nc≥2、光纤长度L、串扰系数XTn,m(其中n,m∈{1,…,Nc})以及耦合系数kn,m(其中n,m∈{1,…,Nc})，各个串扰系数XTn,m表示多芯光纤中芯n与芯m(n≠m)之间的串扰，各个耦合系数kn,m表示多芯光纤中芯n与芯m(n≠m)的耦合。
在一些实施方式中，光纤参数还可以包括弯曲半径Rb、包层直径、光纤片的数量K、多芯光纤的各个芯的半径以及多芯光纤的各个芯芯n的类型Tn(其中n＝1,…,Nc)。
在一些实施方式中，未对准损耗包括纵向未对准、横向未对准和角度未对准。
在一些实施方式中，可以根据式(1)预先确定未对准损耗值。
在步骤1103，可以确定与各个芯n(n＝1,…,Nc)相关联的芯损耗值λn。具体地，与多芯光纤的芯相关联的芯损耗值可以根据至少一个串扰系数和至少一个未对准损耗值(也称为“未对准损耗系数”)来确定。更具体地，与各个芯芯n(其中n＝1,…,Nc)相关联的芯损耗值λn可以被确定为具有均值和方差/>的对数正态分布随机变量，各个芯损耗值的均值和方差取决于涉及与各个芯相关联的总串扰系数XTn的光纤参数以及以式(9)中给出的未对准损耗系数αi的对数正态分布的均值和方差出现的未对准损耗。
根据一些实施方式，与各个芯n相关联的各个芯损耗值λn的均值μλn可以确定为第一值与第二值之间的乘积，第一值对应于表示与芯芯n相关联的总未对准损耗的对数正态随机变量αn的均值，第二值XTn 2对应于与所述芯芯n相关联的总串扰系数的平方。
根据一些实施方式，与各个芯芯n相关联的各个芯损耗值λn的方差值可以确定为与该芯芯n相关联的总串扰系数XTn与第三值之间的乘积，第三值对应于表示与芯芯n相关联的总未对准损耗的对数正态随机变量αn的方差/>
在步骤1105，根据式(13)，归一化因数l可以被确定为两个或更多个芯的数量Nc与所述两个或更多个芯芯n(n＝1,…,Nc)所关联的芯损耗值λn之和之间的比率。
在步骤1107，可以随机确定第一酉矩阵和第二酉矩阵/>
在步骤1109，可以确定包括对角分量的对角矩阵对角分量等于限定与两个或更多个芯相关联的芯损耗值的随机变量的均值，使得根据式(14)，第n个对角分量是与多芯光纤的第n个芯相关联的芯损耗值λn的均值μλn。
在步骤1111，可以根据式(15)将辅助矩阵确定为归一化因数的平方根/>第一酉矩阵Ur、对角矩阵/>和第二酉矩阵Vr之间的乘积。
在步骤1113，可以将预编码矩阵P确定为辅助矩阵的逆矩阵，使得/>
已根据位误码率评估了所提出的线性预编码技术(称为“ZF预补偿”)的性能，并将其与针对芯相关损耗为空的高斯信道获得的性能进行了比较，并且与使用确定性芯加扰获得的性能进行了比较。考虑了两个多芯光纤，具有三种芯类型的7芯异质多芯光纤与snail加扰(snail scrambling)结合使用，并且具有两种芯类型的12芯异质多芯光纤与循环加扰(circular scrambling)结合使用。
图12例示了在针对7芯且每芯发送单一(unitary)平均能量的光纤进行线性预编码之后的发送信号的特征值。数值结果表明，特征值之和等于七(“7”)，这满足线性状态约束和总功率约束。
图13例示了对使用6个snail扰模器的基于snail加扰的传输系统、根据本发明的实施方式的ZF预补偿的7芯异质光纤、高斯信道(无CDL)以及既不具有加扰也不预编码的7芯异质光纤中获得的信噪比的位误码率性能函数进行评估的图。使用6个snail扰模器可以提供最佳的CDL减少。考虑了长度为100km(L＝300km)和300个光纤区段(K＝300)的光纤。光发送器使用16-QAM调制，并且在解码器93的光接收器处使用了ZF解码器。数值结果表明，ZF预补偿通过增加4dB增益而增强了系统性能，并且达到了与snail扰模器相同的性能，与高斯信道相比，在位误码率BER＝10-3下SNR损失等于2dB。
图14例示了对使用一个循环扰模器的基于循环加扰的传输系统、根据本发明的实施方式的ZF预补偿的12芯异质光纤、高斯信道(无CDL)以及既不具有加扰也不预编码的12芯异质光纤中获得的信噪比的位误码率性能函数进行评估的图。使用一个循环扰模器提供了最佳的CDL减少。考虑了长度为100km(L＝300km)和300个光纤区段(K＝300)的光纤。光发送器使用16-QAM调制，解码器93的光接收器处使用了ZF解码器。数值结果表明，根据本发明的实施方式的ZF预补偿相对于基于循环加扰的系统减轻了CDL损伤。ZF预补偿方案接近高斯信道的性能。
虽然本发明的实施方式已经在应用通信系统中进行了例示，但是本发明不限于通信应用并且可以集成在其它应用中，诸如数据存储和医学成像。本发明可以用于多种光传输系统，例如，汽车工业应用、石油或天然气市场、航空航天和航空电子行业、感测应用等。
虽然本发明的实施方式已经通过各种示例的描述进行了例示，并且虽然已经相当详细地描述了这些实施方式，但申请人的意图并不是将所附权利要求的范围限制或以任何方式限制到这些细节。本领域的技术人员将容易地明白附加优点和修改。因此，本发明在其更广泛的方面不限于所示和所描述的具体细节、代表性方法和例示性示例。
Claims (9)
1.一种在光纤传输信道(13)上发送信息符号向量的光发送器(11)，所述光纤传输信道包括多芯光纤，所述信息符号向量由光信号承载，所述光信号按照两个或更多个芯沿所述多芯光纤传播，其中，所述光发送器(11)包括预编码器(87)，所述预编码器(87)被配置为根据与所述多芯光纤相关联的一个或更多个光纤参数确定预编码矩阵，并通过将所述信息符号向量乘以所述预编码矩阵来对所述信息符号向量进行预编码，
其中，所述预编码器(87)被配置为：根据所述光纤参数和至少一个未对准损耗值来确定与所述两个或更多个芯中的各个芯相关联的芯损耗值，各个芯损耗值是由均值和方差值限定的对数正态分布的随机变量，所述均值和所述方差值是取决于所述光纤参数和所述至少一个未对准损耗值的。
2.根据权利要求1所述的光发送器(11)，其中，所述预编码器(87)被配置为：
将归一化因数确定为所述两个或更多个芯的数量与所述两个或更多个芯所关联的所述芯损耗值之和之间的比率；
随机确定第一酉矩阵和第二酉矩阵；
确定包括对角分量的对角矩阵，所述对角分量等于限定与所述两个或更多个芯相关联的所述芯损耗值的所述随机变量的所述均值；
将辅助矩阵确定为所述归一化因数的平方根、所述第一酉矩阵、所述对角矩阵和所述第二酉矩阵之间的乘积；
所述预编码器被配置为：将所述预编码矩阵确定为所述辅助矩阵的逆矩阵。
3.根据权利要求1或2所述的光发送器(11)，其中，所述一个或更多个光纤参数包括以下参数中的至少一个参数：光纤长度、与所述两个或更多个芯的数量相对应的芯数量、至少一个串扰系数和至少一个耦合系数，串扰系数表示所述多芯光纤中的两个芯之间的串扰，耦合系数表示所述多芯光纤中的两个芯之间的耦合。
4.根据权利要求1或2所述的光发送器(11)，其中，所述未对准损耗值表示在包括以下项的组中选择的所述多芯光纤的未对准：纵向未对准、横向未对准和角度未对准。
5.根据权利要求1或2所述的光发送器(11)，其中，所述预编码器(87)被配置为：将与各个芯相关联的芯损耗值的各个均值确定为第一值与第二值之间的乘积，所述第一值对应于表示与所述各个芯相关联的总未对准损耗的对数正态随机变量的均值，所述第二值对应于与所述各个芯相关联的总串扰系数，所述预编码器(87)被配置为：根据串扰系数来确定与给定芯相关联的所述总串扰系数，所述串扰系数表示所述给定芯与所述多芯光纤中不同于所述给定芯的芯之间的串扰，所述预编码器(87)还被配置为：将与所述多芯光纤的各个芯相关联的各个芯损耗值的所述方差值确定为与所述各个芯相关联的所述总串扰系数的平方与第三值之间的乘积，所述第三值对应于表示与所述各个芯相关联的所述总未对准损耗的所述对数正态随机变量的方差。
6.根据权利要求1或2所述的光发送器(11)，其中，所述光发送器(11)还包括：
纠错码编码器(81)，所述纠错码编码器被配置为通过应用至少一个纠错码来将数据编码为码字向量；
调制器(85)，所述调制器被配置为通过将调制方案应用于所述码字向量来确定所述信息符号向量。
7.一种光接收器(15)，所述光接收器被配置为接收和解码承载由根据前述权利要求1至6中任一项所述的光发送器(11)发送的数据的所述光信号。
8.一种在由多芯光纤制成的光纤传输信道上发送信息符号向量的方法，承载所述信息符号向量的光信号按照两个或更多个芯沿所述多芯光纤传播，其中，所述方法包括：根据与所述多芯光纤相关联的一个或更多个光纤参数来确定(1003)预编码矩阵，以及通过将所述信息符号向量乘以所述预编码矩阵来对所述信息符号向量进行预编码，
其中，所述确定(1003)预编码矩阵包括：根据光纤参数和至少一个未对准损耗值来确定(1103)与所述两个或更多个芯中的各个芯相关联的芯损耗值，各个芯损耗值是由均值和方差值限定的对数正态分布的随机变量，所述均值和所述方差值是取决于所述光纤参数和所述至少一个未对准损耗值的。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述方法还包括：
将归一化因数确定(1105)为所述两个或更多个芯的数量与所述两个或更多个芯所关联的所述芯损耗值之和之间的比率；
随机确定(1107)第一酉矩阵和第二酉矩阵；
确定(1109)包括对角分量的对角矩阵，所述对角分量等于限定与所述两个或更多个芯相关联的所述芯损耗值的所述随机变量的所述均值；
将辅助矩阵确定(1111)为所述归一化因数的平方根、所述第一酉矩阵、所述对角矩阵和所述第二酉矩阵之间的乘积；
将所述预编码矩阵确定(1113)为所述辅助矩阵的逆矩阵。
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