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激光与光电子学进展, 2018, 55 (3): 030601, 网络出版: 2018-09-10   

基于八维调制格式的变速率方法 下载： 833次

Rate-Adaptive Scheme Based on Eight-Dimensional Modulation Formats
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段净化 胡贵军 *
作者单位
吉林大学通信工程学院, 吉林 长春 130012
光通信 变速率 八维调制格式 谱效率 optical communications adaptive rate eight-dimensional modulation formats spectral efficiency 
摘要
在采用球填充理论生成八维调制格式的基础上,提出了一种基于八维调制格式的变速率方法。与当前变速率实现方法相比,该方法仅通过自适应地切换调制格式符号集即可实现更为精细的谱效率调整。仿真结果表明,这种基于八维调制格式的变速率方法可以自适应地实现谱效率的灵活切换,谱效率的调节粒度为0.25 bit。在符号速率为7 GBaud的条件下,比特速率的自适应范围为28~84 Gb·s -1。这种变速率方法可为弹性光网络提供精细的谱效率及比特速率的调整。
Abstract
Using the sphere-packing theory to generate eight-dimensional modulation formats, we propose a rate-adaptive scheme based on eight-dimensional modulation formats. Compared with the existing rate-adaptive schemes, the proposed scheme can achieve a finer granularity in spectral efficiency only by adaptive switching of modulation alphabet. The simulation results show that the proposed rate-adaptive scheme can adaptively realize the flexible switching of spectral efficiency and the granularity of spectral efficiency is 0.25 bits. Moreover, the bit rate range is 28-84 Gb·s -1 at a fixed symbol rate of 7 GBaud. The proposed rate-adaptive scheme can be applied to the elastic optical network to provide a finer granularity in spectral efficiency and bit rate adjustment.

1 引言

近年来,随着人们对带宽需求的日益提高,最大化利用网络资源以及简化通信网络结构显得愈加重要。在此需求下,弹性光网络[1-3]和软件定义网络[4]应运而生。这些网络构架要求发射机能够根据用户需求和信道质量自适应地改变传输速率或传输距离[5]。改变信号调制格式是实现变速率传输的有效方法之一。实现变速率传输的传统方法有3种,第1种是通过调节偏振复用m进制正交幅度调制格式(PDM-mQAM)的进制数m的大小来改变频谱效率,实现变速率传输[6-8];第2种是时域混合方式,通过调节时分复用(TDM)帧长度及两种具有不同进制数m的PDM-mQAM调制格式的时隙占用率来实现精细的速率调整[9-13];第3种是基于前向纠错(FEC)编码法实现变速率传输。最早是通过改变FEC编码速率并固定调制格式来实现变速率传输的[14],随后扩展为改变FEC编码速率与调节调制格式相结合的方式来实现更精细的速率调整[15-19]。

进一步的研究表明,改变高维调制格式的阶数也可以实现谱效率和传输速率的更精细调节。其中,采用四维(4D)调制格式实现变速率传输的研究报道较多。例如,人们在PM-mQAM等二维调制格式的基础上,采用Ungerbock's集分割方法,提出了一种四维调制格式,即:集合划分-正交幅度调制格式(mSP-QAM),通过调节四维进制数m来实现变速率传输。这种调制格式可以实现奇数的谱效率,通常与调制格式PDM-mQAM结合来实现变速率传输,以弥补调制格式PDM-mQAM只能实现偶数谱效率的不足[20-22]。文献[ 22]中,切换调制格式,保持符号速率不变,其谱效率(每偏振态每符号所包含的比特数)的可调范围为1~6 bit,调节粒度为0.5 bit,对应传输速率自适应范围为50~300 Gb·s-1。另外,也可以采用偏振复用-符号校验-正交相移键控(PM-kSC-QPSK)四维调制格式来实现变速率传输[23]。文献[ 23]在符号率为32 GBaud条件下,调节由单奇偶校验(SPC)关联在一起的连续符号的个数k,使谱效率的可调范围控制为1.5~2.0 bit,对应传输速率的自适应范围为96~128 Gb·s-1;文献[ 24]提出将四维调制与低密度奇偶校验码(LDPC)编码相结合的变速率实现方法,调节编码速率,使调制格式16-4D的速率自适应范围为166.7~180 Gb·s-1,而调制格式64-4D的速率自适应范围为250~270 Gb·s-1;文献[ 25]提出了基于PDM-mQAM的四维网格编码调制(TCM)法,通过调节调制格式进制数m及映射方式来实现变速率。这种变速率方法可以实现谱效率的调节范围为3~6 bit。

目前,随着高维调制技术的不断成熟,人们将研究目标由四维调制格式转向八维调制格式。文献[ 26]提出了对2个连续的四维符号进行SPC来生成八维调制格式SP-8D-mQAM的方法,仿真结果验证了这种方法在谱效率及功率效率之间的权衡优于四维调制格式mSP-QAM;文献[ 27]提出了一种八维排列调制格式,仿真结果也验证了它在谱效率与功率效率之间的权衡优于四维排列调制格式;文献[ 28]提出了采用球填充生成八维调制格式pb-8D的方法,通过提高调制格式的维度,更好地实现谱效率与功率效率之间的权衡。可见,高维调制格式随着维度的增高,其谱效率与渐进功率谱效率权衡得更好。另外,采用更高维度的调制格式可以更好地实现谱效率的精细调整。为此,本文在球填充理论的基础上,提出了一种基于八维调制格式的变速率方法。

2 基于八维调制格式的变速率方法的原理及实现

球填充是生成八维调制格式的有效方法之一。球填充理论指出,要得到八维空间中每符号p比特的调制格式,首先要把每p个二进制比特分为一组,记作ck=(ck,1,ck,2,…,ck,p);然后根据sk=u(ck)(u代表高维映射规则,sk是从八维星座集χp=s1,s2,…sM选出来的相应的星座点),将每个符号ck映射为八维空间中的一个星座点sk,sk=(xk,1,xk,2,xk,3,xk,4,xk,5,xk,6,xk,7,xk,8);最终得到八维调制格式,记为pb-8D。生成的八维调制格式的谱效率fSE表示为[29]

fSE=2lbMN,(1)

式中,N为维度,M为调制格式符号集,故谱效率可以理解为每偏振态每符号所包含的比特数。取N=8,M=2p,调制格式的比特速率Rb可表示为

Rb=RslbM,(2)

式中Rs为符号速率。当Rs固定时,若要调节Rb,就必须调节调制格式符号集M,即调节f值。由(1)式可知,调节p值即可调节f值,实现变速率传输。

基于八维调制格式的变速率方法实现变速率传输需要解决以下3大关键问题。

1) 选择生成八维星座集χp的元素。球填充理论表明,八维空间存在最佳晶格即E8晶格[29]。因此,选择E8晶格星座点作为生成八维星座集χp的元素。

2) 规定高维映射规则。首先,采用E8晶格星座点为所有八维调制格式构建统一的符号集,并将它表示为一个以E8晶格星座点坐标为元素的一个T×8矩阵(T代表矩阵的行数),记为Γ。然后,采用统一的“look-up-Γ”规则作为高维映射方式。具体的原理是:将组成符号ck的p个二进制比特转化为十进制数后加1(保证十进制数0对应矩阵的第1行)作为矩阵Γ的行坐标,然后查矩阵Γ对应行坐标的星座点,该星座点即为此符号ck映射后对应的八维空间星座点。例如p=4,则ck的取值范围为0000~1111(记为04~14),映射后与矩阵Γ的前1~16行星座点一一对应,此16个星座点也是生成调制格式4b-8D对应的八维星座集χ4(χ4为M=24=16)的元素;如p=8,则ck的取值范围为08~18,映射后与矩阵Γ的前1~256行星座点一一对应,此256个星座点也是生成调制格式8b-8D对应的八维星座集χ8(χ8为M=28=256)的元素。

根据上述高维映射的特点,依据最小化能量准则构建矩阵Γ。观察E8晶格星座点的特征发现,E8晶格所有星座点之间的最小欧式距离保持不变,即dmin始终为 2。为方便实现变速率传输,不再进行选点。而E8晶格星座点距原点越近,其能量代价越小。设p取值范围为4~12,则矩阵行数T=212=4096。

构建矩阵Γ从第一层开始,按照层的顺序依次标识E8晶格星座点坐标,直到星座点总数等于4096为止。E8晶格星座点坐标如表1所示,其中E表示对元素设置偶数个负号,D表示对元素设置奇数个负号,C表示对元素求其所有排列组合。然后将标识的E8晶格星座点坐标按顺序依次放入矩阵Γ中,每一行为一个八维星座点。

表 1. E8晶格前3层星座点坐标

Table 1. Constellation point coordinates of the first three layers of E8 lattice

LayerSquared normType of pointNumber of constellation points
12C(±1206)C[E(1/2)8]240
24C(±207)C(±1404)C[D(3/2)(1/2)7]2160
36C(±2±1205)C(±1602)C[E(3/2)2(1/2)6]6720
︙︙︙︙

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构建矩阵Γ后,保证矩阵Γ中的星座点按照能量代价由小到大依次排列,在高维映射规则下,当按照矩阵行数由小到大依次选取矩阵Γ中的星座点来生成八维空间星座集χp时,可始终保证每种八维调制格式的能量最小。

3) 实现自适应切换八维调制格式。在上述高维映射规则下,根据ck的取值范围,可以自适应地从矩阵Γ中选择出每种八维调制格式对应的八维星座集χp。通过调节p值来调节符号ck的取值范围,可以自适应地调节映射范围以切换具有不同M值的八维星座集χp,进而改变fSE值以实现变速率传输。

基于八维调制格式的变速率原理的构架如图1所示,其中T=4096,PRBS为伪随机二进制脉冲序列。首先,通过比特数选择模块确定p值,将每p个二进制比特分为一组,组成符号ck=(ck,1,ck,2,…,ck,p);然后,在高维映射规则下,根据ck的取值范围,自适应地从矩阵Γ中选择出八维星座集χp,并将每个符号ck一一映射成八维星座集χp中的星座点,最终生成调制格式pb-8D。因此,通过比特数选择模块来切换p的值,可自适应切换具有不同M值的八维星座集χp,实现变速率传输。

图 1. 基于八维调制格式的变速率原理

Fig. 1. Schematic of rate-adaptive scheme based on eight-dimensional modulation formats

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3 基于八维调制格式的变速率传输系统的构成

采用光纤通信系统仿真软件(VPI transmission Maker TM Optical Systems)搭建的基于八维调制格式的变速率传输系统如图2所示。系统由发射机、传输链路及接收机三部分组成。

发射机部分如图2(a)所示。其中,变速率实现模块如图1所示,可自适应地切换八维调制格式。生成的八维符号的传输方式如图3所示[30]。生成的八维符号分成由偏振态、同向分量I、正交分量Q及时隙等自由度来承载的4个部分,由两个双偏振的I/Q调制器进行调制。仿真中的光源为连续波形激光器,经过偏振分束器(PBS)分为x和y两个偏振态作为光载波。采用的二进制码长度为216。

图 2. 基于八维调制格式的变速率传输系统

Fig. 2. Schematic of rate-adaptive transmission system based on eight-dimensional modulation formats

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图 3. 八维符号的传输方式

Fig. 3. Transmission method of eight-dimensional symbol

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光纤链路如图2(b)所示,单模光纤参数如下:光纤损耗为0.2 dB·km-1,色散为16 pm·(nm·km)-1,偏振模色散为0.2 ps·km-1/2。采用噪声系数为5 dB的掺铒光纤放大器(EDFA)进行损耗补偿。在进入相干接收机前,用4阶高斯型带通滤波器(BPF)抑制放大自发辐射(ASE)噪声。

相干接收机如图2(c)所示,经过探测后的信号由模数转换器(ADC)进行采样,并送入Matlab中进行离线数字信号处理器(DSP)处理。采样后的信号在频域内进行色散补偿。选用最小均方(LMS)算法进行均衡,然后利用最小欧式距离算法进行判决,最后进行解映射还原为二进制码。

4 基于八维调制格式的变速率仿真结果及分析

通过比特数选择模块切换4≤p≤12的p值,以实现调制格式由4b-8D到12b-8D的自适应切换,分别在B2B系统及800 km单模光纤传输系统下对其误码率(BER)性能进行仿真,结果如图4所示。

图4中,在符号速率为7 GBaud的条件下,八维调制格式pb-8D(4≤p≤12)对应比特速率的自适应范围为28~84 Gb·s-1。由图4(a)可知,当BER为3.8×10-3时,调制格式4b-8D约为5.3 dB,8b-8D约为9.5 dB,而12b-8D约为14.5 dB;由图4(b)可知,同样条件下,在800 km单模光纤系统中,调制格式4b-8D、8b-8D和12b-8D的信噪比(OSNR)分别约为5.4 dB、10.0 dB和15.6 dB,损失分别约为0.1 dB、0.5 dB和1.1 dB。可见,随着p的增大,八维调制格式pb-8D(4≤p≤12)的谱效率逐渐增大,但灵敏度增益下降。

为进一步验证在不同符号速率下变速率系统的性能,分别仿真在符号速率为14 GBaud及28 GBaud的条件下,八维调制格式pb-8D(4≤p≤12)经过800 km单模光纤传输后的性能,仿真结果如图5所示。

图 4. 符号速率为7 GBaud的条件下,八维调制格式pb-8D(4≤p≤12)的误码率(BER)与光信噪比(OSNR)的关系。(a)在背靠背系统中;(b)在800 km单模光纤(SMF)系统中

Fig. 4. BER versus OSNR for eight-dimensional modulation formats pb-8D (4≤p≤12) at the symbol rate of 7 GBaud (a) in back-to-back system and (b) in 800 km SMF system

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图 5. 八维调制格式pb-8D (4≤p≤12)经过800 km单模光纤系统传输后的BER与OSNR关系。(a)符号速率为14 GBaud;(b)符号速率为28 GBaud

Fig. 5. BER versus OSNR for eight-dimensional modulation formats pb-8D (4≤p≤12) in 800 km SMF system at the symbol rates of (a) 14 GBaud and (b) 28 GBaud

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对比图4(b)、图5(a)和图5(b)可以看出,对于同一种调制格式,传输符号速率越小,达到同一BER时所需的OSNR越小。例如:在目标误码率为3.8×10-3、符号速率为7 GBaud的条件下,调制格式12b-8D的OSNR为15.6 dB,比符号速率为14 GBaud和28 GBaud时的值分别改善了约1.2 dB和3.7 dB。

为进一步说明仿真结果,将八维调制格式pb-8D在4≤p≤12、BER为3.8×10-3时所需的OSNR与fSE的关系作图,如图6所示。由图6可知,当BER为3.8×10-3时,调制格式所需的OSNR随其符号速率的增大而增大。因为传输速率越大,调制格式受到噪声及色散等因素的影响越大,致使其在相同OSNR条件下的误码率性能变差。调节p值,fSE和OSNR的值也随之调节以适应不同的传输路径。此时,谱效率的自适应范围为1~3 bit,调节粒度为0.25 bit。证实

图 6. BER为3.8×10-3下八维调制格式pb-8D(4≤p≤12)的OSNR与fSE关系

Fig. 6. OSNR versus fSE for eight-dimensional modulation formats pb-8D with BER of 3.8×10-3(4≤p≤12)

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了该变速率方法可以精细调节fSE及OSNR容忍度。

5 结论

提出了一种基于八维调制格式的变速率方法,通过比特数选择模块调节p值,可以自适应地切换具有不同M值的八维星座集χp,实现变速率传输;搭建了基于八维调制格式的变速率传输系统,并在此系统上对八维调制格式pb-8D (4≤p≤12)在背靠背系统及800 km单模光纤系统传输条件下的误码率性能进行了仿真。结果表明,基于八维调制格式的变速率方法可自适应地精细调整1~3 bit范围内的谱效率,在符号速率为7 GBaud的条件下,比特速率的自适应范围为28~84 Gb·s-1。这种变速率方法可应用到弹性光网络,根据用户需求和信道质量达到自适应改变比特速率、OSNR容忍度以及谱效率的目的。

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