基于双向星座图概率整形的灵活速率调节接入网系统

技术领域

本发明属于相干光接入网技术领域，具体涉及一种用于光接入网中的灵活速率调节系统。

背景技术

相干检测技术在近年逐渐成熟，已经被广泛用于长距离光通信。在相干无源光网络(Passive optical network,PON)中信号可以在多个维度(包括相位、振幅和偏振)进行调制。另外，在相干系统中可以应用更强大的数字信号处理(Digital signal processing,DSP)来处理接收信号，这些特点可以让传输的比特率在相同的带宽下轻松地增加数倍。随着吞吐量的增加，PON的灵活性受到越来越多的研究关注。传统的时分复用PON(Time-division multiplexed PON,TDM-PON)为所有用户提供相同的比特率，忽视了它们的实际不同的传输条件。在这种情况下速度通常受到信道条件最差的光网络单元(Opticalnetwork unit,ONU)的限制。这使得大部分用户没能得到他们应得的速率。基于以上因素，灵活PON(flexible PON,FLCS-PON)将成为未来相干接入网架构的关键技术之一。

基于概率整形(Probabilistic shaping,PS)技术的PON网络，能够实现接入网络的灵活速率调整。相较于传统的正交振幅调制格式(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)，能够通过改变其中所有星座点的分布概率的方式调节发射信号的速率和接收性能。与传统TDM-PON相比，可以让几乎所有用户得到明显的速率提升，且能够更好的利用所有的信道容量。这种方法现在被广泛用于相干长距离传输系统中，可以通过牺牲数据速率来提供整形增益。然而，商业PON系统中的传输信号通常受到其峰值功率的制约，即峰值功率制约(Peak power constraint,PPC)，而不是长距离系统中的平均功率制约(Average powerconstraint APC)，因为它一般不采用任何光放大器来降低复杂性。这种差异使得经典的PS技术(Classical PS,CPS)在没有光放大器的CPON系统中不再有效。然而，反向PS(ReversedPS,RPS)显示了其在PPC系统中的性能。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于双向星座图概率整形技术的灵活速率调节接入网系统，以克服传统的TDM-PON系统的不足。

本发明提供的基于双向星座图概率整形的灵活速率调节接入网系统，其结构参见图1所示，包括信道估计模块、符号与幅度数据分离模块、概率整形模块、前向纠错编码模块、相干信号生成发射模块以及相干信号接收和解调模块；其中：

所述信道估计模块，根据发射的测试信号估计出信道的传输条件；

所述符号与幅度数据分离模块，将原始的二进制数据分离为两部分：表示符号位和信号强度位的数据；

所述概率整形模块，对信号强度位的二进制数据进行概率整形编码；

所述前向纠错编码模块，对符号位数据和整形后的强度位数据进行前向纠错编码，生成编码后的二进制信号；

所述相干信号生成发射模块，将编码后的二进制数据映射为符号，并通过相干发射机调制到载波上发射出去；

所述相干信号接收和解调模块，通过相干接收机接收转换为电信号，并进行后端的数据处理。

进一步地：

本发明中，信道估计模块中，所述根据发射的测试信号估计出信道的传输条件，具体包括：使用QPSK信号训练信号估计信道的信噪比，归一化广义互信息。信噪比一般可以通过计算接收到的QPSK信号的误差矢量大小(EVM)来估计，公式为：

广义互信息(GMI)可以用来反映PS信号传输后的性能，它可以表示为:

其中，b

NGMI＝1-(H-GMI)/m，(3)

其中，H表示发射端信号的星座熵，m表示发射端信号的比特数。通过计算训练信号的信噪比和NGMI，结合接收数据的接收光功率，可以帮助选择合适的发射信号，如当接收光功率高而信噪比低时，应该选用正向PS信号，而如接收光功率低信噪比也低时，应该选用反向PS信号。

本发明中，符号与幅度数据分离模块，从原始的二进制信号中将其分成：表示最终信号的正负的符号位和表示信号强度的强度位。强度位部分数据接受概率整形模块的整形，加入部分冗余数据，而符号位部位数据则在前向纠错编码模块被填充进用于纠错编码的码元。

本发明中，概率整形模块，分成正向分布的整形和反向分布的整形两部分模块，依据在信道测试部分得到的数据进行选择。在相干光接入网系统中，当信号的接收功率过大时，由于，模数转换器的采样范围限制，会使信号出现削峰现象，此时采用正向分布的星座点整形技术，以减少或避免信号出现削峰现象；当信号的接收功率过小时，则采取反向分布星座点整形技术，以提升信号的信噪比。概率整形技术为我们提供了一种控制发射熵的有效方法。可以通过将星座分布更改为麦克斯韦-玻尔兹曼分布来调整信号的发射熵：

其中，v是控制熵的塑造因子，取大于0的值时为正向分布，取小于0的值时为反向分布。当v＝0时，发射信号的星座分布均匀。对于相同的正交幅度调制(QuadratureAmplitude Modulation，QAM)阶次，v的指定值对应特定的发射熵，公式为：

本发明中，前向纠错编码模块，联合符号位数据和整形后的强度位数据进行前向纠错编码，生成编码后的二进制信号。为了不破坏经过整形后的信号分布，因此前向纠错编码(Forward Error Correction，FEC)插入的冗余作为符号位插入进二进制序列中。

本发明中，相干信号生成发射模块，将编码后的二进制数据映射为符号。在该模块中，信号首先通过一个符号映射模块，将上一步中加入了前向纠错编码的两部分比特合并变成QAM信号的某一路。完整的QAM信号包含实部和虚部两部分，其中每一部分都需要单独经历上述的操作，最终输入到信号发射的某一路中。最终通过相干发射机一起调制到载波上发射出去。

本发明中，相干信号接收和解调模块中，通过相干接收机接收转换为电信号，并进行后端的数据处理。在接收端数据处理中，经过一系列解码操作，得到接收的二进制数据流。

本发明提供的基于双向星座图概率整形的灵活速率调节接入网系统，其工作流程：

(一)通过信道估计模块，估计出信道的传输条件；

(二)通过符号与幅度数据分离模块，将原始的二进制数据分离出表示符号位和信号强度位的两部分；

(三)通过概率整形模块对信号强度位的二进制数据进行概率整形编码；

(四)通过前向纠错编码模块联合符号位数据和整形后的强度位数据进行前向纠错编码，生成编码后的二进制信号；

(五)通过相干信号生成发射模块将编码后的二进制数据映射为符号，并通过相干发射机调制到载波上发射出去；

(六)通过相干信号接收和解调模块通过相干接收机接收转换为电信号并进行后端的数据处理。

本发明提出的基于双向星座图概率整形的灵活速率调节接入网系统，是对无光放大器的短距离相干系统中的PS技术的灵活应用，在上行传输的各种信道条件下，能够灵活的在CPS和RPS方案之间进行切换，利用最适合的调制方式。在本发明中，采用双重查找表预均衡算法(Dual-look-up-table,dual-LUT)来缓解任意波形发生器(Arbitrary waveformgenerator,AWG)和相干接收器中电子放大器的非线性影响。采用PS技术将发射信号的星座图分布向麦克斯韦-波尔兹曼分布进行改变来调整信号发射熵。基于PS的系统，在系统设计和实现方面没有产生额外的复杂性，是一种简洁的控制发射熵的方法。对于信噪比受限的用户，由于星座图中那些相邻点更少时将减少符号被错判的概率，进而最外环的点被误判概率比内环的点小。因而对于远端的或接收功率受限的用户，在进行PS调制整形时增加其最外侧点的概率，以改善整体信号质量。对于光链路损耗低的信号，最外层的点将因为有限的模数转换器(ADC)范围而被削去，最终将导致内部点的误码率更低。此时根据误码率分布，在削波限制的情况下，将把系统调节为内部点出现概率更大的CPS。

本发明具有以下的优越性：

(1)本发明基于相干接入技术，能够实现更大的动态范围和更高的灵敏度，相比于基于直调直检系统的接入网，能够为更多用户同时提供更高的接入速率，同时接入面积也能够覆盖更大的用户群体；

(2)本发明可以实现全区域的用户速率调节。与传统的接入网系统相比，能够为所有用户提供更大的传输速率。同时利用CPS和RPS调制格式，能够同时为接收光功率受限的用户和信号功率过大的用户提供支持。对于网络结构设计和用户速率提升有着显著改善；

(3)本发明能够实现颗粒度更低的速率调控，基于PS整形技术能够实现超高精度的速率调控，能够更好的利用信道容量。

附图说明

图1为本发明基于双向星座图概率整形的灵活速率调节接入网系统结构框图。

图2为信噪比受限情况下的信道模型和此时应用的RPS信号模型。

图3为削峰受限情况下的信道模型和此时应用的CPS信号模型。

图4为在背靠背系统中和20公里传输的系统中净速率与光链路损耗的函数关系。

图中标号：101为信道估计模块，102为符号与幅度数据分离模块，103为概率整形模块，104为前向纠错编码模块，105为相干信号生成发射模块，106为相干信号接收和解调模块。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例进一步介绍对本发明。

本发明提出的基于双向星座图概率整形的灵活速率调节接入网系统，其结构参见图1。包括信道估计模块101、符号与幅度数据分离模块102、概率整形模块103、前向纠错编码模块104、相干信号生成发射模块105以及相干信号接收和解调模块106；其中：

信道估计模块101根据发射的测试信号估计出信道的传输条件，其包含测试信号发射步骤、信号经历信道传输步骤和最后信号接收及信道估计步骤。经过这三步操作后将得到信号传输的系统模型。

符号与幅度数据分离模块102将原始的二进制数据分离出表示符号位和信号强度位的两部分数据；

概率整形模块103对信号强度位的二进制数据进行概率整形编码；其中包括正向整形和反向整形两部分内容，将基于信道测试的结果灵活的选择采用的整形方式和整形系数。

前向纠错编码模块104联合符号位数据和整形后的强度位数据进行前向纠错编码，生成编码后的二进制信号。前向纠错编码的冗余将作为信号的正负号的一部分，最终与经过整形的幅度部分一起映射为符号。

相干信号生成发射模块105将编码后的二进制数据映射为符号，并通过相干发射机调制到载波上发射出去。其中将使用两路偏振共同调制的相干调制器进行调制，并将调制了信号的光载波传入光纤信道中。

相干信号接收和解调模块106通过相干接收机接收转换为电信号并进行后端的数据处理。在接收端数据处理中，经过一系列解码操作得到接收的二进制数据流。

本发明提出的基于双向星座图概率整形的灵活速率调节接入网系统，具体工作流程为：

(一)使用信道估计模块估计信道条件。将使用QPSK信号训练信号估计信道的信噪比和归一化广义互信息。信噪比一般可以通过计算接收到的QPSK信号的误差矢量大小(EVM)来估计，公式为：

广义互信息(GMI)可以用来反映PS信号传输后的性能，它可以通过下式计算:

其中，b

NGMI＝1-(H-GMI)/m，

通过计算训练信号的信噪比和NGMI，结合接收数据的接收光功率，可以帮助选择合适的发射信号，如当接收光功率高而信噪比低时，应该选用正向PS信号，而如接收光功率低信噪比也低时，应该选用反向PS信号。在实施例中，当OPL小于6时，此时由于接收信号过大，部分信号超出了接收端模数转换器的范围而被削去。经过信道估计得出应发射v值大于0的PS信号，具体则是在OPL为1和4时分别发射v值为0.22和0.14的PS-16QAM信号。当OPL大于26时，此时由于接收信号过小，信噪比过低，经过信道估计得出应发射v值小于0的PS信号，具体则是在OPL为30、31、32、35.5时分别发射v值为-0.14、-0.22、-0.30和-0.42的PS-16QAM信号。

(二)使用符号与幅度数据分离模块将原始的二进制信号中的表示正负的部分和表示强度的部分分开。原始的二进制信号在映射到实际的QAM符号时分为表示最终信号的正负的符号位和表示信号强度的强度位。在步骤二中将会将这两部分的比特分开，强度部分会接受概率整形模块的整形，加入部分冗余数据，而符号位数据则会在前向纠错编码模块被填充进用于纠错编码的码元。在实施例中，采用的时冗余为15％的FEC编码。

(三)使用概率整形模块对信号进行强度整形。其中概率整形模块会接收来自信道估计的指令，选择性的将信号输入到进行正向分布的整形模块或反向分布的整形模块的这两部分模块中。这是依据在信道测试部分得到的数据进行选择。在相干光接入网系统中，当信号的接收功率过大时，由于，模数转换器的采样范围限制，会使信号出现削峰现象，此时采用正向星座点整形技术能够有效降低接收信号的NGMI。而如果接收信号功率过小时，则可以采取反向星座点整形技术，可以提升信号的信噪比。概率整形技术为我们提供了一种控制发射熵的有效方法。可以通过将星座分布更改为麦克斯韦-玻尔兹曼分布来调整信号的发射熵：

其中，v是控制熵的塑造因子，取大于0的值时为正向分布，取小于0的值时为反向分布。当v＝0时，发射信号的星座分布均匀。对于相同的QAM阶次，v的指定值对应特定的发射熵，公式为：

在实施例中，当OPL小于6时，此时由于接收信号过大，部分信号超出了接收端模数转换器的范围而被削去。经过信道估计得出应发射v值大于0的PS信号，具体则是在OPL为1和4时分别发射v值为0.22和0.14的PS-16QAM信号，此时信号的发射熵分别为3.2和3.6bits。当OPL大于26时，此时由于接收信号过小，信噪比过低，经过信道估计得出应发射v值小于0的PS信号，具体则是在OPL为30、31、32、35.5时分别发射v值为-0.14、-0.22、-0.30和-0.42的PS-16QAM信号,此时的信号发射熵分别为3.6、3.2、2.8和2.4bits。

(四)使用前向纠错编码模块联合符号位数据和整形后的强度位数据进行前向纠错编码，生成编码后的二进制信号。为了不破坏经过整形后的信号分布，因此FEC插入的冗余作为符号位插入进二进制序列中。

(五)使用相干信号生成发射模块将编码后的二进制数据映射为符号。在这一步中，信号首先通过一个符号映射模块，将上一步中加入了前向纠错编码的两部分比特合并变成QAM信号的某一路。完整的QAM信号包含实部和虚部两部分，其中每一部分都需要单独经历上述的操作，最终输入进信号发射的某一路中。最终通过相干发射机一起调制到载波上发射出去。

(六)使用相干信号接收和解调模块中的相干接收机将光信号接收转换为电信号并进行后端的数据处理。相干信号接收模块中信号与发射的LO光混合后由集成相干接收机(ICR)检测。使四个输出端口的相对相差分别是0°、90°、180°、270°。四个端口得到的光电流分别如下所示：

其中，P

在接收端数据处理中，经过一系列解码操作得到接收的二进制数据流。

接下来介绍基于双向星座图概率整形的灵活速率调节接入网系统在光纤实验系统的验证步骤与验证结果。

基于双向星座图概率整形的灵活速率调节接入网系统在光纤实验系统中具体步骤如下：

本实例中光纤系统实验框架也可以在图1中获得，包括信道估计模块101、符号与幅度数据分离模块102、概率整形模块103、前向纠错编码模块104、相干信号生成发射模块105、相干信号接收和解调模块106。

图2为RPS整形方案对于信噪比受限信号的用途，在OPL高时，此时信号中高斯噪声占主导地位。噪声将接收到的星座从几个非常小的点转化为彼此相交的弥散圆圈。越过边界并与其他圆圈相交的点被错误地分类。因此，有更多邻居的点有更高的错误概率。在欧氏距离不变的前提下，提高低BER点的概率可以提高整体性能。在这种情况下，RPS是最适用的方法。

图3为CPS整形方案对于削峰非线性受限信号的用途，在OPL低时，由于模数转换器范围的限制，最外层的部分点会被削去。由于载波的偏差，星座会旋转；因此，削波效应比虚线所示的更复杂。最后，它促成了环形的BER分布的相反，即内部点的BER较低。根据误码率分布，具有相反概率分布的CPS是在削波-非线性限制范围内灵活调整NDR的更合适方法。

图4展示了在背靠背系统中和20公里传输的系统中净速率(Net Date Rate,NDR)与光链路损耗(Optical Path Loss,OPL)的函数关系。这里，通过使用PS-16QAM信号,系统的动态范围分别从20和19dB扩大到35和30dB。圆形图标的灰线表示16QAM的性能，正方形图标的黑线表示混合PS-16QAM信号的NDR。在20公里的情况下，受限于4dB的光纤损耗，图4(b)中动态范围的左边边界被限制在4dB。这导致动态范围的增益比B2B情况下的增益少20公里。浅灰色区域表明了这两种情况下被提升的DRNRP，分别从3360和3192提升到5341和4719dB-Gbps，收益分别高达59％和48％。为了更好地展示在动态范围两边使用的PS技术的多样性，插图中显示了四个不同的RPS或CPS信号的三维概率分布。深色高条表示概率较高。在插图中，低OPL时，信号中的星座点往往集中在中心；相反，高OPL时往往分布在外围中。

综上所述，在上述色散均衡方案中可以看出，本发明提出了一种基于双向星座图概率整形技术的灵活速率调节接入网系统。本发明基于对无光放大器的短距离相干系统中的PS技术的灵活应用，在上行传输的各种信道条件下，能够灵活地在CPS和RPS方案之间进行切换，利用最适合的调制方式。为更多用户同时提供更高的接入速率，可以同时为接收光功率受限的用户和信号功率过大的用户提供支持。得益于PS技术，本发明能够实现颗粒度更低的速率调控。有着较广的适用范围，也因此有着较大的商用价值。

本实施方式中各步骤的划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本发明的保护范围内。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。