基于分層調制的光網絡系統(tǒng)譜效率優(yōu)化方法及裝置制造方法
【專利摘要】一種光通信【技術領域】的基于分層調制的光網絡系統(tǒng)譜效率優(yōu)化方法及裝置，通過將至少兩個不同的數據串同過分層調制映射到高階碼型的星座圖上相應的點，通過調節(jié)星座圖來使各個數據的性能和數據串的傳輸特性進行折衷，進而使得兩組以上數據同時在相應的節(jié)點接收端進行無誤碼的接收，從而實現信號的傳輸總數據率的提高，即在帶寬不變的情況下提升了系統(tǒng)的頻譜效率。
【專利說明】基于分層調制的光網絡系統(tǒng)譜效率優(yōu)化方法及裝置

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種光通信【技術領域】的方法及裝置，具體是一種基于分層調制的光網絡系統(tǒng)譜效率優(yōu)化方法及裝置。

【背景技術】
[0002]信息與通信技術給人類社會帶來了翻天覆地的變化，隨著用戶數目的提升和各種高帶寬業(yè)務的出現，有效利用現有網絡資源來提升系統(tǒng)的帶寬可以減低每比特的成本，因此提升系統(tǒng)的頻譜效率是十分重要的。
[0003]在光網絡系統(tǒng)中，隨著互聯網數據量的增加和使用網絡人數的增加，同時隨著用戶需求的日益多樣化，各種各樣的業(yè)務需要在光網絡系統(tǒng)傳輸，提升網絡的傳輸容量成為研究的重點。面向下一代的高速傳輸網絡，光網絡系統(tǒng)主要提出了波分復用網絡(Wavelength divis1n multiplexed, WDM)和正交頻分復用的網絡(orthogonalfrequency divis1n multiplexing,OFDM)等技術。WDM技術中每個數據享用一個波長，從而可以有效提高數據量；在OFDM系統(tǒng)中，每個子載波可以采用高階的調制碼型有效的提高了帶寬利用率。針對OFDM網絡，由于系統(tǒng)的光信噪比(OSNR)隨著傳輸距離而降低，系統(tǒng)可以根據不同傳輸距離采用不同的調制碼型，但是由于不同的調制碼型的OSNR粒度較大，因此在多節(jié)點網絡中還有些節(jié)點還有剩余的OSNR沒有被充分利用。
[0004]經過對現有技術的檢索發(fā)現，中國專利文獻號CN103840886A公開(公告)日2014.06.04，公開了一種可見光通信中基于多光源的預編碼方法，串行的數據比特流在經過星座圖映射之后，經串并轉換為N路并行數據，分別使用N個正交子載波對N路并行數據進行調制，根據提前測得的信道衰落特性，得出各子信道的平衰落增益σ i，i =
0,1,..., N -1，若子信道i期望的接收功率為Pi，信道平衰落增益為σ i，則采用預編碼時，子信道i的發(fā)射功率為Pi’ =Pi/ σ i，之后根據各子信道的發(fā)射功率進行分組，然后將每組信號疊加，加載至不同的LED光源上，該技術不但可以降低OFDM符號較高的PAPR對可見光傳輸系統(tǒng)的影響，提高功率利用率，而且通過發(fā)射端的信道衰落反轉，可以提高接收端的信噪比。但該現有技術與本發(fā)明相比的缺陷和不足在于沒有考慮到不同節(jié)點的情況，同時沒有進行功率冗余的處理。
[0005]中國專利文獻號CN103618687A公開(公告)日2014.03.05，公開了一種擁有低峰均功率比(PAPR)的無線光正交多載波通信方法，按如下步驟進行:在發(fā)射端，首先調制后的頻域符號采用音調注入(TI)算法，用松弛法轉化為半正定規(guī)劃凸優(yōu)化問題，通過通用凸優(yōu)化和隨機化方法求解；其次，頻域信號共軛對稱的映射在子載波上，經過反快速傅里葉變換后添加循環(huán)前綴；最后，時域發(fā)射信號加入直流偏置驅動發(fā)光二極管發(fā)射。在接收端，光電二極管實現光電轉換；信號經放大濾波，模數轉換，快速傅里葉變換后移除循環(huán)前綴和共軛對稱部分；對信號取模將其恢復在原星座圖中；最后解調得到接收符號。該技術能夠有效降低無線光通信OFDM系統(tǒng)的PAPR，降低對功率放大器和LED線性度的要求，減小非線性失真，提高接收性能。但該現有技術與本發(fā)明相比的缺陷和不足在于通過編碼技術降低了PAPR的值，但沒有結合實際的網絡系統(tǒng)進行整體的傳輸數據率性能提升的考慮。
[0006]中國專利文獻號CN102148646A公開(公告)日，公開了一個基于雪崩二極管的高靈敏度光正交頻分復用系統(tǒng)接收機，主要應用于高速長距離光通信中，它對原有的普通光纖系統(tǒng)進行了改進，不僅僅采用了靈敏度更高的雪崩二極管來進行光電探測，還采取相關的算法來消除色散以及偏振模色散帶來的干擾。實驗中，將lOGbit/s的4QAM調制光OFDM信號在光纖中傳輸了 50公里，直接探測后得到的星座圖和誤碼率都達到了良好的效果。在此基礎上，對比了采用雪崩光電二極管和傳統(tǒng)的光電二極管(PIN)兩種不同的探測方式，發(fā)現使用APD探測在對OFDM系統(tǒng)接收的靈敏度方面有5.2dB的提升。但該現有技術與本發(fā)明相比的缺陷和不足在于通過硬件的技術提升系統(tǒng)的靈敏度，而本方案主要是通過軟件等技術在不增加系統(tǒng)成本的基礎上實現增加系統(tǒng)比特率的目標。


【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明針對現有技術存在的上述不足，提出一種基于分層調制的光網絡系統(tǒng)譜效率優(yōu)化方法及裝置，能夠基于分層調制技術來提高網絡系統(tǒng)頻譜效率。在網絡通信系統(tǒng)中當數據采用高階調制碼型的時候，可以假定各個數據之間有不同的優(yōu)先級，當不同的數據或者不同節(jié)點的數據在一個載波上傳輸的時候，數據可以采用不同的映射方式，組合成高階的星座圖進行傳輸，根據每個數據的特點靈活的改變星座圖的映射，通過采用這種靈活的方式結合網絡系統(tǒng)的實際光信噪比(OSNR)情況，可以提升不同網絡的譜效率。
[0008]本發(fā)明是通過以下技術方案實現的:
[0009]本發(fā)明涉及一種基于分層調制的光網絡系統(tǒng)譜效率優(yōu)化方法，通過將至少兩個不同的數據串同過分層調制映射到高階碼型的星座圖上相應的點，通過調節(jié)星座圖來使各個數據的性能和數據串的傳輸特性進行折衷，進而使得兩組以上數據同時在相應的節(jié)點接收端進行無誤碼的接收，從而實現信號的傳輸總數據率的提高，即在帶寬不變的情況下提升了系統(tǒng)的頻譜效率。
[0010]所述的分層調制中對于不同的數據類型和數據量對應改變分層調制中每個子層的碼型，從而得到更適合傳輸的分層調制星座圖。
[0011]所述的分層調制映射優(yōu)選為將傳送到節(jié)點OSNR較差的信號疊加上另外一個傳送到OSNR性能較好的節(jié)點的數據，然后兩個信號進行配對并映射在分層調制的不同層上。
[0012]本發(fā)明涉及實現上述方法的裝置，包括:光載波發(fā)生機構、調制機構、光接收機構以及位于調制機構和光接收機構之間的若干個由可調光衰減器V0A、摻鉺光纖放大器EDFA和/或光纖組成的并聯的傳輸段，其中:待發(fā)送數據由OFDM數字信號處理機構映射到OFDM的各個子載波上，調制機構將OFDM信號調制到光載波發(fā)生機構輸出的各個子載波，即光信道上，光信號經過各個不同的傳輸段，在每個接收節(jié)點處將光信號輸入到光電檢測器H)進行接收檢測并匯總得到各個接收節(jié)點對應的OFDM信號。
[0013]所述的并聯的傳輸段中，每一個發(fā)射節(jié)點輸出的調制后信號由任一接收節(jié)點接收，具體通過在每個節(jié)點處相應的濾波來實現將各個不同的含有載波或者子載波的信號傳輸到各個節(jié)點處。
[0014]所述的光載波發(fā)生機構采用但不限于激光器，優(yōu)選為能夠發(fā)射窄線寬的光載波的激光器，在傳輸節(jié)點端產生相應的波長，用于光信號的調制。
[0015]所述的OFDM數字信號處理機構內置OFDM芯片陣列，通過反快速傅里葉變換IFFT將串行進入的待發(fā)送數據轉化為OFDM電信號，優(yōu)選進一步加入循環(huán)前綴以及串并轉換。
[0016]所述的光接收機構包括:光可調諧濾波器TOF以及光電檢測器ro，其中:光電檢測器ro中設有執(zhí)行快速傅里葉變換FFT的數字信號處理芯片，運算流程與所述OFDM芯片陣列相反。
[0017]所述的調制機構采用但不限于馬赫曾德爾調制器MZM，該調制器將OFDM電信號轉換到光載波發(fā)生機構輸出的光波長上，該馬赫曾德爾調制器MZM偏置在正交點從而得到線性的電光轉換。
技術效果
[0018]與現有技術相比，本發(fā)明技術效果包括:
[0019]I)通過采用分層調制的技術，有效的提升了系統(tǒng)的譜效率。
[0020]2)在傳輸總數據量不變的情況下，通過采用分層調制技術可以減少系統(tǒng)需要的載波數目從而減少整個系統(tǒng)的能耗。
[0021]3)在每個節(jié)點處需要有靈活的波長選擇開關，同時分層調制的過程全部可以在中心站來完成，并且可以通過軟件層面來實現上述的功能，大大降低了系統(tǒng)的復雜度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1 - a兩個信號采用QPSK/16 - QAM的分層調制的映射示意圖；
[0023]圖1 - b為實施例的網絡結構示意圖；
[0024]圖1 - c為實施例的提升譜效率的原理示意圖；
[0025]圖1 - d為實施例的應用條件示意圖；
[0026]圖2為實施例的示意圖；
[0027]圖中:激光器CW、偏振控制器PC、摻鉺光纖放大器EDFA、可調光衰減器V0A、馬赫曾德爾調制器MZM、光可調諧濾波器T0F、光電檢測器H)、用于檢測帶內光信噪比的光譜儀OSNR。
[0028]圖3為實施例的實驗結果示意圖；
[0029]圖中:(a)為節(jié)點處的OSNR性能示意圖，(b)為不同OSNR性能下的誤碼性能示意圖。

【具體實施方式】
[0030]下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，為詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
實施例1
[0031]如圖1 - a所示，為分層調制的原理，本實施例采用的QPSK/16 - QAM的兩層數據分層調制的映射，在實施例中通過將兩種數據映射在不同的QPSK星座圖上，進而共同組成了16-QAM的星座圖。定義a = dl/d2為分層調制參數，從圖中可以很明顯的看出通過調節(jié)α可以控制兩層數據之間優(yōu)先級的差別，在功率一定的情況下，當α增大時第一層的信號由于星座圖符號距離增加而的傳輸性能有所提升；同時第二層的信號星座圖符號距離相應減小，因而傳輸性能有所降低，在實際的應用中為了使兩層數據的傳輸性能不同分層調制參數α應該滿足大于2。
[0032]如圖1 - b所示，為具體給出的網絡拓撲結構，光信號從節(jié)點A經過節(jié)點B，C，D，E然后到F。由于信號在每個節(jié)點之間都會衰減然后被放大，引入了自發(fā)輻射(ASE)的放大噪聲，因此當每個節(jié)點采用同樣的網絡結構，信號從A傳輸到后面的節(jié)點信號的OSNR會逐漸降低。
[0033]為圖1 -C所示，為信號從節(jié)點A傳輸到節(jié)點B和E時候的資源分配情況。左邊圖中為信號采用不同碼型分配的情況，由于信號從A到B只需要經過一個傳輸段，因此信號OSNR高可以支持高階的16 -QAM碼型，反之信號從A到E需要經過多個傳輸段，因此信號的OSNR降低，從而只能支持低階的QPSK碼型，同時兩個節(jié)點還有部分的OSNR冗余。假設16 - QAM和QPSK信號得到無誤碼的傳輸所需要的OSNR分別是R16.和Rqpsk,節(jié)點B和節(jié)點E的OSNR性能分別是OSNRb和OSNRe。這個時候節(jié)點B和E分別還有OSNRb-R1Pqam和OSNRe-Rqpsk的OSNR冗余。通過分層調制技術，將分配給節(jié)點E的子載波采用分層的QPSK/16 -QAM調制碼型，其中第一層的QPSK信號攜帶傳送到節(jié)點E的數據，同時第二層的QPSK信號攜帶到節(jié)點B的數據。由于引入了分層調制技術，信號的OSNR需求在兩層上有所不同，第一層的OSNR需求降低，反之第二層的OSNR需求升高。由于兩節(jié)點處分別有相應的OSNR冗余，因此兩個信號在各自的節(jié)點分別得到無誤碼的性能。
[0034]如圖1 -du所示，為可以提升信號從一個節(jié)點到其它兩個節(jié)點總數據率的條件，當信號從節(jié)點A傳輸到節(jié)點B的時候可以采用16 - QAM調制碼型，同時當信號從節(jié)點A傳輸到節(jié)點E的時候可以采用QPSK調制碼型，同時兩個節(jié)點都有少量冗余的0SNR。通過分層調制，將傳送到節(jié)點B的信號疊加在傳送到節(jié)點E的子載波上得到分層調制的QPSK/16 - QAM調制。Rlst和R2nd^yCT分別為第一次層和第二層信號得到無誤碼性能的OSNR需求。當系統(tǒng)滿足R16-QM>0SNRE>Rlst__OT和0SNRB>R2nd__OT的時候，疊加后的信號在節(jié)點B和原來的信號在節(jié)點E都能得到無誤碼的性能。當信號從A到B和E的有效帶寬都為&相同的時候，采用分層調制技術前后的總數據量分別為4&+2& = 6&和4&+4& = 8&。因此在帶寬不變的情況下譜效率提升了(8f0 - 6f0)/6f0 ^ 33.3%。
[0035]如圖2所示，為本實施例1實現裝置，包括:光載波發(fā)生機構、調制機構、光接收機構以及位于調制機構和光接收機構之間的若干個由可調光衰減器V0A、摻鉺光纖放大器EDFA和/或光纖組成的并聯的傳輸段，其中:待發(fā)送數據由OFDM數字信號處理機構映射到OFDM的各個子載波上，調制機構將OFDM信號調制到光載波發(fā)生機構輸出的各個子載波，即光信道上，光信號經過各個不同的傳輸段，在每個接收節(jié)點處將光信號輸入到光電檢測器PD進行接收檢測并匯總得到各個接收節(jié)點對應的OFDM信號。
[0036]所述的并聯的傳輸段中，每一個發(fā)射節(jié)點輸出的調制后信號由任一接收節(jié)點接收，具體通過每個節(jié)點處的波長選擇開關將相應的波長導出，接著通過中心站的統(tǒng)一分配實現了系統(tǒng)的整體資源分配。
[0037]所述的光載波發(fā)生機構采用但不限于激光器，優(yōu)選為能夠發(fā)射窄線寬的光載波的激光器，在傳輸節(jié)點端產生相應的波長，用于光信號的調制。
[0038]所述的OFDM數字信號處理機構內置OFDM芯片陣列，通過反快速傅里葉變換IFFT將串行進入的待發(fā)送數據轉化為OFDM電信號，優(yōu)選進一步加入循環(huán)前綴以及串并轉換。
[0039] 所述的光接收機構包括:光可調諧濾波器TOF以及光電檢測器ro，其中:光電檢測器ro中設有執(zhí)行快速傅里葉變換FFT的數字信號處理芯片，運算流程與所述OFDM芯片陣列相反。
[0040]所述的光纖是指:長度為50km以上的標準單模光纖，其損耗衰減系數為0.2dB/
km ο
[0041]所述的調制機構采用但不限于馬赫曾德爾調制器MZM，該調制器將OFDM電信號轉換到光載波發(fā)生機構輸出的光波長上，該馬赫曾德爾調制器MZM偏置在正交點從而得到線性的電光轉換。
[0042]圖2中假定節(jié)點A的光信號從激光器發(fā)出被OFDM分層調制的信號調制，接著信號被放大，分別經過多段光纖鏈路，用一段鏈路的性能結合鏈路OSNR的衰減公式來得到各個節(jié)點的OSNR性能，從而可以得出圖3(a)中各個節(jié)點的OSNR性能。光信號實施例采用的QPSK/16 -QAM的2層數據分層調制的映射有2層幅度不同的QPSK信號組合而成，將兩組數據通過OFDM編碼和映射使數據在OFDM的每個子載波的不同層上。光源發(fā)出的光載波進入偏振控制器PC，然后通過MZM將信號調節(jié)到光載波上，信號再經過多個傳輸段，最后在接收端得到相應的信號。在每個接收節(jié)點處，將接收到的信號進行數據的采樣和后處理得到相應的數據，并和原來的數據進行比較，得到相應的誤碼率。
[0043]如圖3所示，為每個節(jié)點的OSNR性能和每種碼型在不同OSNR下的誤碼性能。通過測量每個節(jié)點處信號的OSNR得到了每個節(jié)點處的OSNR性能，如圖3(a)所示。同時在圖2中的虛線中通過EDFA引入ASE噪聲的方法來得到相應的不同碼型和分層調制兩層信號在不同OSNR性能下的誤碼性能，從而得到圖3(b)。通過觀察圖3(a)和3(b)，可以得到R16.QAM>0SNRE>Rlst.Layer和0SNRB>R2ndx因此可以通過分層調制技術，將信號疊加在一起進行無誤碼的傳輸，因此疊加后的信號在節(jié)點B和原來的信號在節(jié)點E都能得到無誤碼的性能。
【權利要求】
1.一種基于分層調制的光網絡系統(tǒng)譜效率優(yōu)化方法，其特征在于，通過將至少兩個不同的數據串同過分層調制映射到高階碼型的星座圖上相應的點，通過調節(jié)星座圖來使各個數據的性能和數據串的傳輸特性進行折衷，進而使得兩組以上數據同時在相應的節(jié)點接收端進行無誤碼的接收，從而實現信號的傳輸總數據率的提高，即在帶寬不變的情況下提升了系統(tǒng)的頻譜效率。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征是，所述的分層調制中對于不同的數據類型和數據量對應改變分層調制中每個子層的碼型，從而得到更適合傳輸的分層調制星座圖。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征是，所述的分層調制映射是指:將傳送到節(jié)點OSNR較差的信號疊加上另外一個傳送到OSNR性能較好的節(jié)點的數據，然后兩個信號進行配對并映射在分層調制的不同層上。
4.一種實現上述任一權利要求所述方法的裝置，其特征在于，包括:光載波發(fā)生機構、調制機構、光接收機構以及位于調制機構和光接收機構之間的若干個由可調光衰減器V0A、摻鉺光纖放大器EDFA和/或光纖組成的并聯的傳輸段,其中:待發(fā)送數據由OFDM數字信號處理機構映射到OFDM的各個子載波上，調制機構將OFDM信號調制到光載波發(fā)生機構輸出的各個子載波，即光信道上，光信號經過各個不同的傳輸段，在每個接收節(jié)點處將光信號輸入到光電檢測器H)進行接收檢測并匯總得到各個接收節(jié)點對應的OFDM信號。
5.根據權利要求4所述的裝置，其特征是，所述的并聯的傳輸段中，每一個發(fā)射節(jié)點輸出的調制后信號由任一接收節(jié)點接收，具體通過每個節(jié)點處的波長選擇開關將相應的波長導出，接著通過中心站的統(tǒng)一分配實現了系統(tǒng)的整體資源。
6.根據權利要求4所述的裝置，其特征是，所述的光載波發(fā)生機構采用能夠發(fā)射窄線寬的光載波的激光器，在傳輸節(jié)點端產生相應的波長，用于光信號的調制。
7.根據權利要求4所述的裝置，其特征是，所述的OFDM數字信號處理機構內置OFDM芯片陣列，通過反快速傅里葉變換IFFT將串行進入的待發(fā)送數據轉化為OFDM電信號，優(yōu)選進一步加入循環(huán)前綴以及串并轉換。
8.根據權利要求4所述的裝置，其特征是，所述的光接收機構包括:光可調諧濾波器TOF以及光電檢測器H)，其中:光電檢測器H)中設有執(zhí)行快速傅里葉變換FFT的數字信號處理芯片，運算流程與所述OFDM芯片陣列相反。
9.根據權利要求4所述的裝置，其特征是，所述的光纖是指:長度為50km以上的標準單模光纖，其損耗衰減系數為0.2dB/km。
10.根據權利要求4所述的裝置，其特征是，所述的調制機構采用馬赫曾德爾調制器MZM,該調制器將OFDM電信號轉換到光載波發(fā)生機構輸出的光波長上，該馬赫曾德爾調制器MZM偏置在正交點從而得到線性的電光轉換。
【文檔編號】H04B10/25GK104079357SQ201410294279
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月26日 優(yōu)先權日:2014年6月26日
【發(fā)明者】曹攀, 胡小鋒, 潘聽, 吳佳旸, 蘇翼凱 申請人:上海交通大學