利用色度时间编码的用于WDM传输的方法和系统
阅读：1025发布：2020-06-22
专利汇可以提供利用色度时间编码的用于WDM传输的方法和系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及用于WDM型光学电信系统的发射器和接收器。该发射器使用 色度 时间 编码器 （325），该色度时间编码器将代码矩阵关联于待发射的各符号 块 ，其中，矩阵的各个元素对应于 波长 和信道使用。该发射器包括多个 调制器 （321），其中，各个调制器在信道使用期间通过与代码矩阵相对应的元素来调制一个波长下的 激光束 。以这种方式调制的光束在光纤（240）中被多路复用（330）。，下面是利用色度时间编码的用于WDM传输的方法和系统专利的具体信息内容。
1.一种用于WDM型光学电信系统的使用多个波长的发射器，其特征在于，包括：
被称为色度时间编码器的编码器（325），将待传输的每个数据块d1,...,dM转换为代码矩阵：
其中，所述矩阵的每个元素均涉及一个信道使用和所述多个波长中的一个波长，并且涉及偏振方向；
多个偏振器（315），分别与所述多个波长相关联，其中，每个偏振器使一个波长下的激光束在两个偏振方向上偏振；
多个调制器（321，322），其中，每个调制器在信道使用期间通过相应的矩阵元素来调制在偏振方向上偏振的一个波长下的激光束，其中，每个波长的所述两个方向均通过这种方式来调制；
多路复用器（330），能够在光纤中多路复用以所述这种方式偏振和调制的激光束。
2.根据权利要求1所述的发射器，其特征在于，所述代码是线性的。
3.根据权利要求2所述的发射器，其特征在于，所述代码为阿拉莫提码。
4.根据权利要求2所述的发射器，其特征在于，所述代码为银码或金码。
5.根据权利要求2所述的发射器，其特征在于，所述代码为完备码。
6.一种用于接收由根据权利要求1所述的发射器发射的符号块的接收器，其中，所述接收器包括能够将所接收的信号多路分配为具有不同波长的多个光束的多路分配器（250），所述接收器的特征在于还包括：
多个偏振器（355），其中，每个偏振器均使所述多个光束中的一个在第一偏振方向和第二偏振方向上偏振；
多个解调器（361，362），其中，每个解调器解调所述偏振的光束中的一个，并且在所述信道使用期间提供决策变量；
点阵解码器（365），能够在多个信道使用期间接收所述决策变量，并且从所述决策变量中推导出所述块的符号的估计。
7.根据权利要求6所述的接收器，其特征在于，所述点阵解码器为球解码器。
8.根据权利要求6所述的接收器，其特征在于，所述点阵解码器为SB堆栈型解码器。
9.根据权利要求6所述的接收器，其特征在于，所述点阵解码器实现网络的LLL减少。
利用色度时间编码的用于WDM传输的方法和系统
技术领域
[0001] 本发明总体上涉及光学电信领域，并且更具体地，涉及使用波分多路复用或WDM的光学电信领域。
背景技术
[0003] 图1示意性地示出了本领域的情况下通常使用的WDM型电信系统。
[0005] 在光纤140中，以这种方式（通过相位和/或电流）调制的光学信号由多路复用器130来波长复用，这总体上是单模式的。当接收信号时，由多路信号分配器150将不同的信号进行波长多路分配（解复用），并且由检测器160来估计不同流的数据。
[0006] 实际上，光纤网络的节点同时充当发射器和接收器：通过复用来本地地插入若干波长从而远程地发射局部数据，并且通过多路分配来消除其他波长从而服务本地用户（分叉多路复用器）。
[0007] WDM型光学电信系统使得能够达到高传输速率，但是相反也受到某些限制。
[0008] 当注入光纤中的光功率足够高从而在其中产生非线性效应时，出现第一限制。特别当需要使用高强度的光学信号来补偿通过长距离传输的光纤衰减时，将是这种情况。
[0009] 实际上，在第一波长传输的高强度波可以通过克尔效应来更改在接近该第一波长的第二波长下的光纤指标。更一般地，当两个波在光纤中传播时，一个波的相位调制被视为另一个波的强度的函数，而反之亦然。如果讨论中的光强度高并且如果波长接近，则通称为交叉相位调制或XPM的该现象是特别敏感的。其首先影响具有高频谱密度的跨越长传输距离（长途）操作的WDM系统，其又被称为DWDM（密集WDM）。当同时发射由OOK（开关键控）调制来调制的强度调制低速传输光学信号以及相位调制（PSK）和/或幅度调制（QAM）高速传输光学信号时，该现象特别明显。它们的频谱效率越高或（以相等的方式）它们的调制阶数越高，则在接收这些相位和/或幅度调制信号时的信噪比会下降的越多。
[0010] 在本领域的情况下提出了几个解决方案以克服XPM调制的影响，特别是使用调制光学信号的技术，或可选地，使用补偿或预先补偿由XPM引起的色散的技术。对于调制的具体示例，可以对由J.Leibrich et al所著的文章进行参考，该文章名为“CR-RZ-DPSK for suppression of XPM on dispersion-managed long-haul optical WDM transmission on standard single-mode fiber”刊登于IEEE Photonics Technology Letters,vol.14,No.2,Feb.2002,pp155。对于色散补偿的示例，特别可以参考专利申请US-A-2009/0334224。
[0011] 然而，这些调制或补偿技术的实现很复杂。此外，在第一情况下，它们一般预先假设在光纤中出现的所有光学信号都由相同种类的调制来调制。当如上述文中推荐的开关键控（OOK）调制信号和通过CR-RZ-DPSK调制来调制的信号在光纤中共同被传播时，后者显然会受到XPM调制的影响。
[0012] 光学电信系统的另一限制是由于光纤内的偏振相关损耗（或PDL）的现象以及偏振模扩散（或PMD）的现象。实际上，在理想光纤中，在两个正交轴上线性偏振的两个信号受到相同的衰减，并且以同一速度传播。然而实际上，光纤的不对称缺陷和随机的非理想性不同地影响两个正交偏振，并且导致信号的失真，这限制了在光纤中可以达到的最大传输速率。
[0013] 这里再次地，使用如申请US-A-2004/0004755中描述的补偿技术或如专利US-B-7643760中描述的各个偏振模的独立调制在本领域的情况下提出不同的解决方案。
[0014] 然而，这些解决方案实现复杂，特别是在高频谱密度WDM系统的情况下更复杂。
[0015] 本发明的一个目标是补救上述缺点以及特别地提出用于WDM光学电信系统的发射器/接收器，从而使得能够简单地避免XPM调制的影响，并且其次使得能够避免光纤中的PDL和PDM的影响。
发明内容
[0016] 在第一实施方式中，本发明由WDM型光学电信系统的使用多个波长的发射器定义，包括：
[0018]
[0019] 其中，矩阵的各个元素涉及一个信道使用以及所述多个波长的一个波长；
[0020] 多个调制器，分别与所述波长相关联，其中，每个调制器均通过相应的矩阵元素在信道使用期间调制一个波长下的激光束；
[0021] 多路复用器，能够在光纤中多路复用以这种方式调制的激光束。
[0022] 在第二实施方式中，本发明由被称为色度时间编码器的编码器定义，该编码器将待发射的各块数据d1,...,dM转换为代码矩阵：
[0023]
[0024] 其中，矩阵的各个元素涉及一个信道使用以及所述多个波长的一个波长，并且涉及偏振方向；
[0025] 多个偏振器，分别与所述多个波长相关联，其中，各个偏振器使一个波长下的激光束在两个偏振方向上偏振；
[0026] 多个调制器，其中，每个调制器均通过相应的矩阵元素在信道使用期间调制在偏振方向上偏振的一个波长下的激光束；
[0027] 多路复用器，能够在光纤中多路复用以这种方式偏振和调制的激光束。
[0028] 所述编码有利地是线性的。其可以是阿拉莫提码（Alamouti's code）、银码（silver code）、金码（golden code）又或是完备码（perfect code）。
[0029] 本发明还涉及接收由根据第一实施方式的发射器所发射的符号块的接收器，其中，该接收器包括能够多路分配具有不同波长的多个光束的去多路复用器，该接收器的特征在于还包括：
[0030] 点阵解码器（lattice decoder，格解码器），能够在多个信道使用期间接收所述决策变量，并且能够从所述决策变量中推导出所述块的符号的估计。
[0031] 本发明还涉及由根据第二实施方式的发射器所发射的符号块的接收器，其中，所述接收器包括能够将收到的信号去复用为具有不同波长的多个光束的去多路复用器，还包括：
[0032] 多个偏振器，其中，每个偏振器在第一偏振方向和第二偏振方向上偏振所述光束中的一个；
[0033] 多个解调器，其中，每个解调器解调所述偏振光束中的一束，并且在信道使用期间提供决策变量；
[0034] 点阵解码器，能够在多个信道使用期间接收所述决策变量，并且能够从决策变量中推导所述块的符号的估计。
[0036] 本发明的其他特性和优点将在参考附图阅读本发明的优选实施方式时产生，其中：
[0037] 图1示意性地示出了在现有技术中已知的WDM型电信系统；
[0038] 图2A示出了根据本发明第一实施方式的用于WDM型电信系统的发射器；
[0039] 图2B示出了根据本发明的第一实施方式的用于WDM型电信系统的接收器；
[0040] 图3A示出了根据本发明的第二实施方式的用于WDM型电信系统的发射器；
[0041] 图3B示出了根据本发明的第二实施方式的用于WDM型电信系统的接收器。
具体实施方式
[0042] 本发明的根本思想在于使用与MIMO（多入多出）系统中的空间-时间编码相似的技术，不仅避免交叉相位调制（XPM），而且还利用由后者引起的分集。
[0043] 更具体地，图2A示意性地示出了根据本发明的第一实施方式的用于WDM光学电信系统的发射器。本领域中的技术人员应当理解，该发射器特别地可以用于分插（add-and-drop）型光纤网络的节点。
[0044] 我们将预先假设发射器必须发射M多个数据流，并且对于TTI（时间传输间隔），我们应当注意待发射的符号d1至dM。这些符号由色度时间编码器225编码，该色度时间编码器225使下文中被称为色度时间矩阵的大小为N×T的矩阵C与符号(d1,...,dM)的每个块或向量相关联：
[0045]
[0046] 其中，代码的系数cn,t，n=1,...,N，t=1,..,T（在N≥2并且T≥2的情况下）根据信息符号一般为复系数，N是由发射器使用的波长数，T是表示代码的时间范围的整数，即PCU（每信道使用）。
[0047] 当使用信道t时，系数cn,t调制由激光器210在波长λn发射的光学信号。在调制器220中实施的该调制可以是相位和/或幅度调制。用于不同波长的调制类型和调制顺序不需要相同。然后，以这种方式调制的光学信号由多路复用器230多路复用并且随后在光纤240中发射。因此应当理解，当使用信道t时，矩阵C的第t个列向量在光纤中被发射，并且在T个信道使用之后将发射完矩阵的所有系数。
[0048] 依照空间时间代码的示例，色度时间代码由其传输速率表征，即由其每信道使用（PCU）传输的信息符号的数量来表征。如果代码比单波长的传输速率高N倍，则该代码被称为“全速率”代码。
[0049] 色度时间代码可以是线性的，换言之，代码的矩阵C可以被写成以下：
[0050] vec(C)=Gd （2）
[0051] 其中vec(C)是通过连接矩阵C,的列向量所获得的列向量、d=(d1,...,dM)T并且G是大小为NT×M的矩阵，被称为“代码生成”矩阵。
[0052] 根据利用两个波长λ1和λ2的用于发射器的线性色度时间编码的第一示例，可以使用由阿拉莫提（S.M.Alamouti）在他的名为entitled"A transmit diversity technique for wireless communications"的文章中提出的空间时间代码矩阵,该文章刊登于IEEE Journal on selected areas in communications,vol.16,pp.1451-1458,Oct.1998。阿拉莫提的代码由以下2×2大小的矩阵定义：
[0053]
[0054] 其中，d1和d2是两个待传输的信息符号而 和 是它们相应的共轭。
[0055] 根据线性色度时间编码的第二示例实施方式，将有利地利用由J.C.Belfiore等在题目为“The golden code:a2x2full-rate space-time code with non-vanishing determinants”的文章中定义的金码，其矩阵如下给出：
[0056]
[0057] 其中 α=1+i(1-θ)、 其中待传输的信息符号d1至d4是具有QAM星座图的符号，该星座图可以以λ+iμ的形式写出，其中，λ和μ为相关的整数。
[0058] 金码具有它是全速率和最大分级的优点。
[0059] 根据色度时间编码的第三示例实施方式，将有利地利用例如由E.Biglieri等在刊登于IEEE Trans.on Inf.Theory,pages524-530,vol.55,N°2,Feb.2009的名为“On fast-decodable space-time block codes”的文章中或由G.Rekaya Ben Othman等在刊登于Proc.of ISIT2009,Seoul,June28-July3,2009,pp.2818-2822的题目为“Ideal Structure of the silver code”的文章中所描述的银码。
[0060] 银码的矩阵如下给出：
[0061]
[0062] 其中 U是由以下定义的酉矩阵：
[0063]
[0064] 银码具有其为全速率和最大分级的优点。
[0065] 根据色度时间编码的第四示例实施方式，对于任意数 的波长，可以使用如由F.Oggier等在刊登于IEEE Trans.Inf.Theory,vol.52,no.9,pp.3885-3902,Sep.2006的名为“Perfect space-time block codes”的文章中所定义的矩阵N×N的完备码。应记起，完备码的属性是全速率的，当调制星座图的尺寸趋向于无穷时，其具有不趋向于零的行列式，或换言之高于与调制星座图无关的非零极限的增益，完备码对于与星座图的符号同阶的各个编码的符号具有能量，并且对于各个代码的符号具有相同的平均能量（其中，该平均被N个连续的传输间隔接收）。对于任意数目N的波长（而不是天线）的完备码的示例将在由P.Elia等著的名为“Perfect space-time codes for any number of antennas”刊登于IEEE Trans.Inf.Theory,vol.55,no11,Nov.2007,pp.3853-3868的文章中找到。
[0066] 根据色度时间编码的第五实施方式，除了空间自由度（ST系统的不同天线）由色彩自由度（色度时间系统的不同波长）替换以外，还可以使用如由M.O.Damen等所著的题目为“Linear threaded algebraic space-time constellations”刊登于IEEE Trans.on Information Theory,Vol.49,No.10,pp.2372-2388,Oct.2003的文章中描述的TAST（纹状代数空间时间）型代码矩阵。
[0067] 在任何情况下，本领域中的技术人员均应当理解，不管使用哪个色度时间代码矩阵，由不同波长的XPM调制引起的干扰都不再如现有技术的系统中那样对立，相反，利用通过编码引入的在不同波长之间的相关关系来减少这些干扰的敏感度。
[0068] 图2B示意性地示出了根据本发明的第一实施方式的用于WDM电信系统的接收器。该接收器可以特别地用于分插型光纤网络的节点。
[0069] 接收器包括分离波长λ1到λN的波长多路分配器250，其中，解调器260提供决策变量yn,t而色度时间解码器265从决策变量中推导出信息符号 ,…, 的确定值。在260中的解调操作本质上是对相应波长的调制操作220的逆反。更具体地，色度时间解码器使用关于给定传输间隔的决策变量yn,tn=1,..,N,t=1,...,T，并且以已知方式进行格解码操作，以便从格子中的点中推导出符号 ,…, 点阵解码器可以有利地为球解码器、由LLL（Lenstra,Lenstra,Lovasz）格点减少又或者由L.Luzzi等所著的题目为“Augmented Lattice Reduction for MIMO decoding”的文章中的增量LLL减少格点所协助的点阵解码器。
[0070] 在传输间隔期间，或换言之，在信道的N个连续使用期间接收的信号可以被表示为以下矩阵形式：
[0071] Y=HC+N （7）
[0072] 其中，Y为尺寸N×T的矩阵，它的元素为值yn,t，n=1,..,N，t=1,...,T，C是在接收时使用的色度时间代码矩阵，H为具有表示传输信道的尺寸N×N的复系数的矩阵，而N为尺寸N×T的噪声矩阵。
[0073] 如果假设在不损失一般性的条件下色度时间编码是线性的，则表达式（7）变为以下向量形式：
[0074] vect(Y)=Fd+vec(N) （8）
[0075] 其中，F为从矩阵H和产生代码的矩阵G获得的大小为NT×M的矩阵。H的系数可以以已知方式通过引导符号（pilot symbol）由接收器估计。
[0076] 表达式（8）示出了尽管符号d1,...,dM属于QAM调制星座图，但如果没有噪声则向量vect(Y)确实属于一个格点。凭借解码器265从格点获得估计的符号 ,…, ，该格点与属于积星座图的vect(Y)最接近。
[0077] 根据一个变型，色度时间解码器可以是使用例如软输出球解码器的软输出解码器，该软输出球解码器的类型在由J.Boutros等所著的题目为"Soft-input soft-output lattice sphere decoder for linear channels",Proc.of the IEEE Globecom’03的文章中描述，其又被称为LSD（列表球解码器，list sphere decoder）。该解码器使用列表算法，并且以例如LLR（似然比的对数）的形式通过迭代来确定信息符号的后验概率，应记住，格点均包括在球中，该球以表示接收到的信号的点为中心或优选地以与某种意义上为最大似然的第一估计（ML估计）相对应（即与接收到的信号最近的星座图的点相对应）的格点为中心。
[0078] 根据另一变型，色度时间解码器可以有利地使用球界堆叠解码器，该球界堆叠解码器的类型在由R.Ouertani等所著的题目为“The spherical bound stack decoder”刊登于IEEE International Conf.on wireless and mobile computing,networking and communications,(WiMob),Avignon,France,October2008的文章中描述，还在通过引用结合于此的专利申请FR-A-2930861中描述。该变型以具有硬输出的版本或具有软输出的版本的形式存在。
[0079] 图3A示意性地示出了根据本发明第二实施方式的用于WDM电信系统的发射器。
[0080] 与第一实施方式不同，该发射器使用由XPM调制引入的分集（diversity）和由偏振相关损耗PDL引入的分集两者。这使得能够在接收器中补偿XPM调制的影响和偏振相关损耗PDL的影响。
[0081] 更具体地，发射器包括在多个波长λ1,...,λN下发射的N个多个激光源310；相等数量的多个偏振器315，每个偏振器均提供两个正交偏振；2N个多个调制器（其中，对于各个波长包括调制器对321、322）；色度时间编码器325以及偏振和波长多路复用器350。色度时间编码器325将符号块(d1,...,dM)编码到2N×T的代码矩阵C中：
[0082]
[0083] 其中， 和 通常是取决于信息符号d1,...,dM的复系数，其中，第一个用于调制在波长λn的光束的第一偏振方向，并且第二个用于调制与第一个垂直的第二偏振方向。更具体地，对于各个波长，第一调制器321将使用系数 来调制第一偏振方向，而第二调制器322将调制第二偏振方向。将优选T=2N。
[0084] 通过使用两个正交偏振，可以达到第一实施方式中两倍高的传输速率。
[0085] 特别地，如上所述的矩阵2N×2N的完备码将被用作该代码。例如，在两个波长和两个偏振的情况下，将使用尺寸4×4的完备码。
[0086] 可选地，可以使用在由S.Yang等所著的题目为“Perfect space-time block codes for parallel MIMO channels”的刊登于IEEE International Symposium on Information Theory(ISIT),Seattle,USA July2006的文章中描述的类型的完备码，只是再次由色散自由度来替换空间自由度。
[0087] 然后，一般地，由光纤340中的多路复用器350来多个复用2N个偏振和调制的光束。
[0088] 图3B示意性地示出了根据本发明第二实施方式的用于WDM电信系统的接收器。
[0089] 接收器包括分离波长λ1到λN的波长多路分配器350；N个多个偏振器，对于各个波长，提供根据所述第一偏振方向偏振的第一光束和根据所述第二偏振方向偏振的第二光束。调制器361和362分别调制在各个波长λn的第一光束和第二光束，以生成决策变量和 这2N个决策变量被提供至色度时间解码器365。
[0090] 色度时间解码器365使用关于相同的传输间隔的2N个决策变量n=1,..,N，t=1,...,T，并且从这些决策变量中推导出接收信号 ,…, 的硬估计。
[0091] 如在第一实施方式中，解码器365通过与以上提出的那些变型相同的变型来实施格解码。特别地，可以设想使用软输出球解码器来生产色散时间解码器365。
[0092] 本领域中的技术人员应当理解，在任何不超出本发明的范围的情况下可以设想其他的实施方式。例如，发射器可以对于第一子集的N'个波长来执行根据第一实施方式的色度时间编码并且对于第二子集的N″个波长来执行根据第二实施方式的色度时间编码。然后在光纤中多路复用2N'个偏振光束和N″个非偏振光束。在接收时，使用N″个偏振器和2N″+N'个解调器来一起提供2N″+N'个决策变量。解码器进行这些2N″+N'个变量的格解码并且然后从这些变量中推导估计的符号 ,…, 。
[0093] 对于第一实施方式描述的色度时间解码变型加上必要的变更也应用于第二实施方式中。
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