技术领域
[0001] 本
发明涉及的是一种光通信技术领域的方法及装置，具体是一种基于分层调制的光网络系统谱效率优化方法及装置。
背景技术
[0002] 信息与通信技术给人类社会带来了翻天覆地的变化，随着用户数目的提升和各种高带宽业务的出现，有效利用现有网络资源来提升系统的带宽可以减低每比特的成本，因此提升系统的
频谱效率是十分重要的。
[0003] 在光网络系统中，随着互联网数据量的增加和使用网络人数的增加，同时随着用户需求的日益多样化，各种各样的业务需要在光网络系统传输，提升网络的传输容量成为研究的重点。面向下一代的高速传输网络，光网络系统主要提出了波分复用网络(Wavelength division multiplexed，WDM)和
正交频分复用的网络(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)等技术。WDM技术中每个数据享用一个
波长，从而可以有效提高数据量；在OFDM系统中，每个
子载波可以采用高阶的调制码型有效的提高了带宽利用率。针对OFDM网络，由于系统的光
信噪比(OSNR)随着传输距离而降低，系统可以根据不同传输距离采用不同的调制码型，但是由于不同的调制码型的OSNR粒度较大，因此在多
节点网络中还有些节点还有剩余的OSNR没有被充分利用。
[0004] 经过对
现有技术的检索发现，中国
专利文献号CN103840886A公开(公告)日2014.06.04，公开了一种可见光通信中基于多
光源的预编码方法，串行的数据比特流在经过
星座图映射之后，经
串并转换为N路并行数据，分别使用N个正交子载波对N路并行数据进行调制，根据提前测得的信道衰落特性，得出各子信道的平衰落增益σi，i＝
0,1,...,N‐1，若子信道i期望的接收功率为Pi，信道平衰落增益为σi，则采用预编码时，子信道i的发射功率为Pi'＝Pi/σi，之后根据各子信道的发射功率进行分组，然后将每组
信号叠加，加载至不同的LED光源上，该技术不但可以降低OFDM符号较高的PAPR对可见光传输系统的影响，提高功率利用率，而且通过发射端的信道衰落反转，可以提高接收端的信噪比。但该现有技术与本发明相比的
缺陷和不足在于没有考虑到不同节点的情况，同时没有进行功率冗余的处理。
[0005] 中国专利文献号CN103618687A公开(公告)日2014.03.05，公开了一种拥有低
峰均功率比(PAPR)的无线光正交多载波通信方法，按如下步骤进行：在发射端，首先调制后的频域符号采用
音调注入(TI)
算法，用松弛法转化为半正定规划凸优化问题，通过通用凸优化和随机化方法求解；其次，频域信号共轭对称的映射在子载波上，经过反快速傅里叶变换后添加循环前缀；最后，时域发射信号加入直流偏置驱动发光
二极管发射。在接收端，
光电二极管实现光电转换；信号经放大滤波，
模数转换，快速傅里叶变换后移除循环前缀和共轭对称部分；对信号取模将其恢复在原星座图中；最后解调得到接收符号。该技术能够有效降低无线光通信OFDM系统的PAPR，降低对功率
放大器和LED线性度的要求，减小非线性失真，提高接收性能。但该现有技术与本发明相比的缺陷和不足在于通过编码技术降低了PAPR的值，但没有结合实际的网络系统进行整体的传输数据率性能提升的考虑。
[0006] 中国专利文献号CN102148646A公开(公告)日，公开了一个基于
雪崩二极管的高灵敏度光正交频分复用系统接收机，主要应用于高速长距离光通信中，它对原有的普通光纤系统进行了改进，不仅仅采用了灵敏度更高的
雪崩二极管来进行光电探测，还采取相关的算法来消除色散以及偏振模色散带来的干扰。实验中，将10Gbit/s的4QAM调制光OFDM信号在光纤中传输了50公里，直接探测后得到的星座图和误码率都达到了良好的效果。在此
基础上，对比了采用
雪崩光电二极管和传统的光电二极管(PIN)两种不同的探测方式，发现使用APD探测在对OFDM系统接收的灵敏度方面有5.2dB的提升。但该现有技术与本发明相比的缺陷和不足在于通过
硬件的技术提升系统的灵敏度，而本方案主要是通过
软件等技术在不增加系统成本的基础上实现增加系统比特率的目标。
发明内容
[0007] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于分层调制的光网络系统谱效率优化方法及装置，能够基于分层调制技术来提高网络系统频谱效率。在网络通信系统中当数据采用高阶调制码型的时候，可以假定各个数据之间有不同的优先级，当不同的数据或者不同节点的数据在一个载波上传输的时候，数据可以采用不同的映射方式，组合成高阶的星座图进行传输，根据每个数据的特点灵活的改变星座图的映射，通过采用这种灵活的方式结合网络系统的实际
光信噪比(OSNR)情况，可以提升不同网络的谱效率。
[0008] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0009] 本发明涉及一种基于分层调制的光网络系统谱效率优化方法，通过将至少两个不同的数据串同过分层调制映射到高阶码型的星座图上相应的点，通过调节星座图来使各个数据的性能和数据串的传输特性进行折衷，进而使得两组以上数据同时在相应的节点接收端进行无误码的接收，从而实现信号的传输总数据率的提高，即在带宽不变的情况下提升了系统的频谱效率。
[0010] 所述的分层调制中对于不同的数据类型和数据量对应改变分层调制中每个子层的码型，从而得到更适合传输的分层调制星座图。
[0011] 所述的分层调制映射优选为将传送到节点OSNR较差的信号叠加上另外一个传送到OSNR性能较好的节点的数据，然后两个信号进行
配对并映射在分层调制的不同层上。
[0012] 本发明涉及实现上述方法的装置，包括：光载波发生机构、调制机构、光接收机构以及位于调制机构和光接收机构之间的若干个由可调光
衰减器VOA、掺铒光纤放大器EDFA和/或光纤组成的并联的传输段，其中：待发送数据由OFDM
数字信号处理机构映射到OFDM的各个子载波上，调制机构将OFDM信号调制到光载波发生机构输出的各个子载波，即光信道上，
光信号经过各个不同的传输段，在每个接收节点处将光信号输入到光电检测器PD进行接收检测并汇总得到各个接收节点对应的OFDM信号。
[0013] 所述的并联的传输段中，每一个发射节点输出的调制后信号由任一接收节点接收，具体通过在每个节点处相应的滤波来实现将各个不同的含有载波或者子载波的
信号传输到各个节点处。
[0014] 所述的光载波发生机构采用但不限于
激光器，优选为能够发射窄线宽的光载波的激光器，在传输节点端产生相应的波长，用于光信号的调制。
[0015] 所述的OFDM数字
信号处理机构内置OFDM芯片阵列，通过反快速傅里叶变换IFFT将串行进入的待发送数据转化为OFDM
电信号，优选进一步加入循环前缀以及串并转换。
[0016] 所述的光接收机构包括：光可调谐
滤波器TOF以及光电检测器PD，其中：光电检测器PD中设有执行快速傅里叶变换FFT的数字信号处理芯片，运算流程与所述OFDM芯片阵列相反。
[0017] 所述的调制机构采用但不限于
马赫曾德尔
调制器MZM，该调制器将OFDM电信号转换到光载波发生机构输出的光波长上，该马赫曾德尔调制器MZM偏置在正交点从而得到线性的电光转换。技术效果
[0018] 与现有技术相比，本发明技术效果包括：
[0019] 1)通过采用分层调制的技术，有效的提升了系统的谱效率。
[0020] 2)在传输总数据量不变的情况下，通过采用分层调制技术可以减少系统需要的载
波数目从而减少整个系统的能耗。
[0021] 3)在每个节点处需要有灵活的波长选择
开关，同时分层调制的过程全部可以在中心站来完成，并且可以通过软件层面来实现上述的功能，大大降低了系统的复杂度。
附图说明
[0022] 图1‐a两个信号采用QPSK/16‐QAM的分层调制的映射示意图；
[0024] 图1‐c为实施例的提升谱效率的原理示意图；
[0025] 图1‐d为实施例的应用条件示意图；
[0026] 图2为实施例的示意图；
[0027] 图中：激光器CW、偏振
控制器PC、掺铒光纤放大器EDFA、可调光衰减器VOA、马赫曾德尔调制器MZM、光可调谐滤波器TOF、光电检测器PD、用于检测带内光信噪比的
光谱仪OSNR。
[0028] 图3为实施例的实验结果示意图；
[0029] 图中：(a)为节点处的OSNR性能示意图，(b)为不同OSNR性能下的误码性能示意图。
具体实施方式
[0030] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，为详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例1
[0031] 如图1‐a所示，为分层调制的原理，本实施例采用的QPSK/16‐QAM的两层数据分层调制的映射，在实施例中通过将两种数据映射在不同的QPSK星座图上，进而共同组成了16‐QAM的星座图。定义α＝d1/d2为分层调制参数，从图中可以很明显的看出通过调节α可以控制两层数据之间优先级的差别，在功率一定的情况下，当α增大时第一层的信号由于星座图符号距离增加而的传输性能有所提升；同时第二层的信号星座图符号距离相应减小，因而传输性能有所降低，在实际的应用中为了使两层数据的传输性能不同分层调制参数α应该满足大于2。
[0032] 如图1‐b所示，为具体给出的网络拓扑结构，光信号从节点A经过节点B，C，D，E然后到F。由于信号在每个节点之间都会衰减然后被放大，引入了自发
辐射(ASE)的放大噪声，因此当每个节点采用同样的网络结构，信号从A传输到后面的节点信号的OSNR会逐渐降低。
[0033] 为图1‐c所示，为信号从节点A传输到节点B和E时候的资源分配情况。左边图中为信号采用不同码型分配的情况，由于信号从A到B只需要经过一个传输段，因此信号OSNR高可以支持高阶的16‐QAM码型，反之信号从A到E需要经过多个传输段，因此信号的OSNR降低，从而只能支持低阶的QPSK码型，同时两个节点还有部分的OSNR冗余。假设16‐QAM和QPSK信号得到无误码的传输所需要的OSNR分别是R16‐QAM和RQPSK，节点B和节点E的OSNR性能分别是OSNRB和OSNRE。这个时候节点B和E分别还有OSNRB-R16-QAM和OSNRE-RQPSK的OSNR冗余。通过分层调制技术，将分配给节点E的子载波采用分层的QPSK/16‐QAM调制码型，其中第一层的QPSK信号携带传送到节点E的数据，同时第二层的QPSK信号携带到节点B的数据。由于引入了分层调制技术，信号的OSNR需求在两层上有所不同，第一层的OSNR需求降低，反之第二层的OSNR需求升高。由于两节点处分别有相应的OSNR冗余，因此两个信号在各自的节点分别得到无误码的性能。
[0034] 如图1‐du所示，为可以提升信号从一个节点到其它两个节点总数据率的条件，当信号从节点A传输到节点B的时候可以采用16‐QAM调制码型，同时当信号从节点A传输到节点E的时候可以采用QPSK调制码型，同时两个节点都有少量冗余的OSNR。通过分层调制，将传送到节点B的信号叠加在传送到节点E的子载波上得到分层调制的QPSK/16‐QAM调制。R1st‐Layer和R2nd‐Layer分别为第一次层和第二层信号得到无误码性能的OSNR需求。当系统满足R16‐QAM>OSNRE>R1st‐Layer和OSNRB>R2nd‐Layer的时候，叠加后的信号在节点B和原来的信号在节点E都能得到无误码的性能。当信号从A到B和E的有效带宽都为f0相同的时候，采用分层调制技术前后的总数据量分别为4f0+2f0＝6f0和4f0+4f0＝8f0。因此在带宽不变的情况下谱效率提升了(8f0‐6f0)/6f0≈33.3％。
[0035] 如图2所示，为本实施例1实现装置，包括：光载波发生机构、调制机构、光接收机构以及位于调制机构和光接收机构之间的若干个由可调光衰减器VOA、掺铒光纤放大器EDFA和/或光纤组成的并联的传输段，其中：待发送数据由OFDM数字信号处理机构映射到OFDM的各个子载波上，调制机构将OFDM信号调制到光载波发生机构输出的各个子载波，即光信道上，光信号经过各个不同的传输段，在每个接收节点处将光信号输入到光电检测器PD进行接收检测并汇总得到各个接收节点对应的OFDM信号。
[0036] 所述的并联的传输段中，每一个发射节点输出的调制后信号由任一接收节点接收，具体通过每个节点处的波长选择开关将相应的波长导出，接着通过中心站的统一分配实现了系统的整体资源分配。
[0037] 所述的光载波发生机构采用但不限于激光器，优选为能够发射窄线宽的光载波的激光器，在传输节点端产生相应的波长，用于光信号的调制。
[0038] 所述的OFDM数字信号处理机构内置OFDM芯片阵列，通过反快速傅里叶变换IFFT将串行进入的待发送数据转化为OFDM电信号，优选进一步加入循环前缀以及串并转换。
[0039] 所述的光接收机构包括：光可调谐滤波器TOF以及光电检测器PD，其中：光电检测器PD中设有执行快速傅里叶变换FFT的数字信号处理芯片，运算流程与所述OFDM芯片阵列相反。
[0040] 所述的光纤是指：长度为50km以上的标准单模光纤，其损耗衰减系数为0.2dB/km。
[0041] 所述的调制机构采用但不限于马赫曾德尔调制器MZM，该调制器将OFDM电信号转换到光载波发生机构输出的光波长上，该马赫曾德尔调制器MZM偏置在正交点从而得到线性的电光转换。
[0042] 图2中假定节点A的光信号从激光器发出被OFDM分层调制的信号调制，接着信号被放大，分别经过多段光纤链路，用一段链路的性能结合链路OSNR的衰减公式来得到各个节点的OSNR性能，从而可以得出图3(a)中各个节点的OSNR性能。光信号实施例采用的QPSK/16‐QAM的2层数据分层调制的映射有2层幅度不同的QPSK信号组合而成，将两组数据通过OFDM编码和映射使数据在OFDM的每个子载波的不同层上。光源发出的光载波进入偏振控制器PC，然后通过MZM将信号调节到光载波上，信号再经过多个传输段，最后在接收端得到相应的信号。在每个接收节点处，将接收到的信号进行数据的
采样和后处理得到相应的数据，并和原来的数据进行比较，得到相应的误码率。
[0043] 如图3所示，为每个节点的OSNR性能和每种码型在不同OSNR下的误码性能。通过测量每个节点处信号的OSNR得到了每个节点处的OSNR性能，如图3(a)所示。同时在图2中的虚线中通过EDFA引入ASE噪声的方法来得到相应的不同码型和分层调制两层信号在不同OSNR性能下的误码性能，从而得到图3(b)。通过观察图3(a)和3(b)，可以得到R16‐QAM>OSNRE>R1st‐Layer和OSNRB>R2nd‐Layer。因此可以通过分层调制技术，将信号叠加在一起进行无误码的传输，因此叠加后的信号在节点B和原来的信号在节点E都能得到无误码的性能。
