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用于短距离光通信系统中的先进调制格式研究

光通信研究 2014年第3期3期(22)卷 11-14,55页

作者：王智鑫陶理黄星星王一光迟楠复旦大学通信科学与工程系上海200433

在长距离光通信系统中,采用高阶外调制和相干接收技术来提高系统总的传输容量。但是在短距离光通信系统中更倾向于使用低成本的直接调制-直接检测技术,此时,要实现高速、大容量传输就必须采用多电平调制。目前国际上主流的调制方案有三... 详细信息

在长距离光通信系统中,采用高阶外调制和相干接收技术来提高系统总的传输容量。但是在短距离光通信系统中更倾向于使用低成本的直接调制-直接检测技术,此时,要实现高速、大容量传输就必须采用多电平调制。目前国际上主流的调制方案有三种:PAM(脉冲幅度调制)、DD-OFDM(直接检测-正交频分复用)调制和CAP(无载波幅度相位)调制,文章对这三种方案的原理与性能进行了分析与比较,希望以此作为未来短距离大容量光通信系统设计的依据。

关键词：短距离光通信脉冲幅度调制无载波幅度相位调制直接检测-正交频分复用

基于IMDD的短距离光通信系统中的高效能均衡方案研究

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基于IMDD的短距离光通信系统中的高效能均衡方案研究

作者：孙雨潼杭州电子科技大学

学位级别：硕士

随着各种新兴业务的涌现,网络用户对信息传输速率和质量要求越来越高,这将在一定程度上给未来网络进一步发展带来极大挑战。为此,承载大容量信息的光纤网络亟待向大带宽、高速率、高质量等方向发展。而作为距离用户最近的传输系统,短距... 详细信息

随着各种新兴业务的涌现,网络用户对信息传输速率和质量要求越来越高,这将在一定程度上给未来网络进一步发展带来极大挑战。为此,承载大容量信息的光纤网络亟待向大带宽、高速率、高质量等方向发展。而作为距离用户最近的传输系统,短距离光通信系统同样需要支持大带宽、高速率的传输。短距离光通信系统主要应用在光接入网、数据中心光互连等场景,这些场景下对系统升级成本较为敏感。因而如何高效能、低成本实现短距离光通信传输系统成为了当前研究热点。而在短距离光通信传输系统的诸多候选方案中,基于大带宽、高性能的强度调制直接检测(Intensity Modulation Direct Detection,IMDD)传输技术因其成本低、铺设简单等优点在短距离光通信系统中得到了业界的广泛关注。然而,在该系统中,因光电器件线性/非线性噪声、直接调制激光器(Directly Modulated Laser,DML)啁啾、光纤色散及各种损伤间的相互作用严重影响了系统传输性能。为此,本文聚焦于IMDD的短距离光通信系统中的均衡方案,研究补偿效果好、复杂度低的切实可行的系统均衡方案,用于高效能地实现基于IMDD的短距离光通信系统,具体工作如下:1)首先,概述了基于IMDD的短距离光通信系统均衡方案的研究意义和背景,通过总结分析国内外研究现状,提出现有均衡方案存在对系统性能提升有限或计算复杂度过高等问题;接着,分析了基于IMDD的短距离光通信系统中的损伤,包括DML非线性损伤、低调制带宽光电器件的带宽受限效应、光纤色散及其相互作用等。搭建了传输80 Gb/s四进制脉冲幅度调制(Quaternary Pulse Amplitude Modulation,PAM-4)信号和传输80 Gb/s不归零(Non-Returnto-Zero,NRZ)信号的基于IMDD的短距离光通信系统实验和仿真平台,并在该平台上对传统均衡算法的性能进行测试,为本文所设计的均衡方案提供对比数据。2)为了克服传统非线性均衡器计算复杂度高、性能提升有限等问题,本文设计了基于线性判别分析(Linear Discriminant Analysis,LDA)和基于多符号输出的特征简化Volterra均衡方案,并分析对应方案的原理,通过基于IMDD的短距离光通信系统仿真和实验平台对所设计的两种方案进行了可行性验证。其中,基于LDA的方案通过选择对系统性能提升贡献大的特征降低计算复杂度,仿真和实验结果表明仅用30%的特征数量即可达到与传统Volterra均衡器类似的均衡效果。基于多符号输出的方案通过优化Volterra的输入输出结构,减少对输入高阶特征的重复计算,在获得相同数量级的误码率的条件下,所设计方案仅需传统Volterra均衡器约33.4%的乘法次数和加法次数。3)为解决神经网络均衡方案存在结构复杂难以在实际系统中应用的问题,本文提出采用迁移学习思想降低基于神经网络均衡方案的训练复杂度。在此基础上,设计了基于简单全连接深度神经网络、循环神经网络、门循环单元神经网络迁移的简化均衡方案,使用Adam自适应优化算法合理调整神经网络中参数的学习率,并引入丢弃层减少出现过拟合现象的风险,设计三种不同的微调方法实现神经网络迁移。通过基于IMDD的短距离光通信系统实验平台对所设计的三种方案进行了验证;结果表明三种基于神经网络迁移的简化均衡方案分别仅需要30%、35%、50%的训练序列长度和23.5%、28.2%、26.7%的迭代次数即可获得稳定的性能,并且能够实现与传统基于神经网络的均衡方案几近相同的误码率性能。这些方案的设计,为未来基于神经网络均衡器在短距离光通信系统中的应用提供一定的技术支持。

关键词：信号均衡短距离光通信特征构建 Volterra 迁移学习神经网络

基于概率整形调制技术的短距离光通信系统研究

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基于概率整形调制技术的短距离光通信系统研究

作者：赵雪华侨大学

学位级别：硕士

随着云计算、物联网技术以及多媒体业务等高带宽应用的飞速发展,用户对数据的传输速率提出了更高的要求,推动通信带宽的需求呈指数级的增长。在5G网络大规模应用、全球数据流量需求暴增的大背景下,实现有限带宽资源条件下的大容量和高... 详细信息

随着云计算、物联网技术以及多媒体业务等高带宽应用的飞速发展,用户对数据的传输速率提出了更高的要求,推动通信带宽的需求呈指数级的增长。在5G网络大规模应用、全球数据流量需求暴增的大背景下,实现有限带宽资源条件下的大容量和高速率的信息通信成为了下一代光纤通信系统的研究目标。本文在强度调制-直接检测(Intensity-Modulation Direct-Detection,IM/DD)的短距离光通信系统中探究概率整形(Probabilistic Shaping,PS)技术和先进调制格式的联合应用对系统信道容量、频谱效率、光接收机灵敏度以及信号对光纤非线性效应容忍度的提升。其具体的研究工作与创新点如下:1.针对传统的基于算术编码的概率整形技术存在计算复杂度较高的问题,本文提出了一种新颖的、基于比特层级处理的比特权重分布匹配(Bit-Weighted Distribution Matching,BWDM)算法。该算法可以直接级联低密度奇偶校验(LowDensity Parity-Check,LDPC)编码,具有实现简单、硬件要求低的特点。将BWDM算法引入四级脉冲幅度调制(4-Level Pulse Amplitude Modulation,PAM4)信号和八级脉冲幅度调制(8-Level Pulse Amplitude Modulation,PAM8)信号中,生成符合类高斯分布的PS-PAM4信号和PS-PAM8信号。由理论仿真可知,在低信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)区域,经过概率整形后的信号更加接近香农极限。2.针对光电器件带宽受限造成的信号高频分量损失的问题,本文将恒模算法(Constant Modulus Algorithm,CMA)和面向判决的最小均方算法(DecisionDirected Least Mean Square,DD-LMS)应用于PS-PAM4 IM/DD光互连系统和PS-PAM8波分复用无源光网络(Wavelength-Division-Multiplexing PassiveOptical-Network,WDM-PON)系统中。并实验验证了,盲均衡算法可以有效地补偿信号高频分量的损伤,改善了系统的误码率性能。3.针对短距离光通信系统成本高效的需求,本文采用了结构简单、成本低廉的IM/DD技术,分别探究了基于BWDM算法的PS-PAM4信号在短距离光互连系统中以及PS-PAM8信号在WDM-PON系统中的传输性能。实验证明,基于BWDM算法的概率整形技术不仅能够提高光接收机灵敏度、降低信号的误码率,还能改善信号的光纤非线性效应容忍度。此外,概率整形参数的不同取值能够获得不同的符号概率分布,进而影响不同的光接收机灵敏度的改善。

关键词：概率整形强度调制-直接检测短距离光通信比特权重分布匹配脉冲幅度调制

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基于短距离光通信系统的新型调制格式的研究

基于短距离光通信系统的新型调制格式的研究

作者：张方流湖南大学

学位级别：硕士

近年来,云计算,IPTV和高清电视等高速服务的快速发展进一步提高了对短距离光接入网带宽的要求。对于短距离光通信系统而言,长距离光通信系统中常用的相干检测系统复杂度高,相对比较昂贵,而强度调制-直接检测(IM-DD)技术更适用于短距离... 详细信息

近年来,云计算,IPTV和高清电视等高速服务的快速发展进一步提高了对短距离光接入网带宽的要求。对于短距离光通信系统而言,长距离光通信系统中常用的相干检测系统复杂度高,相对比较昂贵,而强度调制-直接检测(IM-DD)技术更适用于短距离光通信系统。同时,为了满足人们日益增长的宽带业务需求,在带宽受限的IM-DD系统中使用的调制格式必须具备更高的频谱效率。本文基于光纤和可见光的短距离IM-DD通信系统,对具有高频谱效率的新型调制格式进行了研究,主要开展的工作如下:1.在基于直接调制激光器(DML)的IM-DD光纤通信系统中,提出并验证了一种自适应脉冲幅度调制格式APAM。APAM将信道分成两个子信道使得两路PAM信号在频域上进行复用,并可根据信道响应特性调整两路PAM的映射阶数,实现误码率(BER)性能和频谱效率的优化。该调制格式具有较高频谱效率,在接收端采用低复杂度的频域均衡技术,同时结合符号内频域平均(ISFA)算法的训练序列辅助信道估计来提高信道估计的准确度。通过对两种传输速率(20Gbps,24Gbps)的8/4-APAM信号在基于DML的IM-DD光纤通信系统中进行实验验证,实验结果表明,频谱效率高达5bit/s/Hz的8/4-APAM信号经过20公里单模光纤传输,其BER可以达到前向纠错编码软判决门限值2.4×10-2以下。2.提出了一种基于可变速率低密度奇偶校验码(LDPC)预编码的光载APAM传输系统,并在IM-DD光纤通信系统中进行了实验验证。实验结果表明,经过20公里单模光纤传输,当BER为3.8×10-3时,与无LDPC预编码相比,87.5%和75%的LDPC编码速率可以使得系统的接收灵敏度分别提高2.76dB和4.17dB。3.基于低成本的DML和蓝光激光二极管(LD),结合正交脉冲幅度与离散多音调制(O-PAM-DMT)提出一种光纤-激光可见光混合通信系统。该系统整合了光纤接入和激光可见光通信的优点。同时,O-PAM-DMT有效降低了传统DMT存在的高峰值平均功率比,明显改善了系统的传输性能。实验结果表明,经过20公里单模光纤和5-m自由空间传输,当BER为1×10-3时,三种具有不同PAM比例的O-PAM-DMT信号相对DMT接收灵敏度可以分别提高0.4dB,1.4dB和2.7dB。

关键词：短距离光通信强度调制直接检测自适应脉冲幅度调制低密度奇偶校验码混合光通信系统正交脉冲幅度与离散多音调制

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偏振复用短距离光传输技术的研究

偏振复用短距离光传输技术的研究

作者：李梦园北京交通大学

学位级别：硕士

随着高清电视、云计算等高速率、高质量数据业务的应用和普及,短距离光通信系统对带宽的需求显著增加。因此,先进的调制格式、数字信号处理技术(Digital Signal Processing,DSP)、偏振复用技术(Polarization Division Multiplexing,PDM... 详细信息

随着高清电视、云计算等高速率、高质量数据业务的应用和普及,短距离光通信系统对带宽的需求显著增加。因此,先进的调制格式、数字信号处理技术(Digital Signal Processing,DSP)、偏振复用技术(Polarization Division Multiplexing,PDM)、强度调制(Intensity Modulation,IM)、直接检测(Direct Detection,DD)的结合成为提高短距离光通信系统传输速率的热门方案之一。该方案可以将短距离光通信系统的传输速率增加一倍,且成本较低。偏振复用技术利用单模光纤中两个相互正交且独立的偏振态传输两路信号,这两路信号在传输过程中会受到偏振模色散(Polarization Mode Dispersion,PMD)和偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss,PDL)的影响,从而导致信号间发生相互耦合和串扰,严重影响系统的传输质量。因此本文围绕如何在保持低成本、低复杂度的前提下,应用先进的调制格式、DSP技术及偏振复用技术,使传输容量增加一倍,提高系统传输性能方面做了如下研究工作:(1)本文首先介绍了离散多音调制(Discrete Multi-tone,DMT)技术的基本原理,并将一种基于m序列的互相关符号同步算法应用于DMT IIM/DD短距离光通信系统中,该算法能够在仅采用一个训练序列的情况下实现DMT符号起始位置的精确定位。本文从循环前缀长度、光信噪比(Optical Signal Noise Ratio,OSNR)方面对采用的同步算法和传统同步算法进行仿真对比。仿真结果表明,基于m序列的符号同步算法与其他经典的符号同步算法相比,同步精度更高,在误码率为3.8×10.3 时约有 0.5 dB 的 OSNR 改善。(2)其次,为了对DMTIM/DD光通信系统进行信道估计,本文采用了一种期望最大化(Expectation Maximization,EM)算法,并从 OSNR、接收光功率(Received Optical Power,ROP)、星座图方面对EM算法、最小均方算法和基于导频的信道估计算法进行仿真比较。仿真结果表明,EM算法的性能与传统的基于相同数量训练序列的信道估计算法性能相比,在误码率为3.8x10-3时约有2 dB OSNR改善。(3)最后,本文重点介绍了 PDM技术,基于Optisystem 13.0和MATLAB平台搭建了 200 Gbit/s DMT-PDM IM/DD短距离光通信系统,并仿真验证了基于斯托克斯空间的解复用方案的可行性,同时分析了偏振模色散、色散对解复用效果的影响。仿真结果表明,传输10 km的200 Gbit/s双偏振系统与传输10 km的200 Gbit/s单偏振系统的性能相比,在误码率为3.8×10-3时,有4dB OSNR改善。

关键词：短距离光通信 DMT IM/DD PDM 基于m序列的互相关同步算法 EM SV-DD 斯托克斯

基于PAM4和FTN的直接检测光纤传输系统研究

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基于PAM4和FTN的直接检测光纤传输系统研究

作者：吕婉婷北京邮电大学

学位级别：硕士

随着互联网时代的到来,云计算、大数据、物联网等技术迅猛发展,我们已经生活在一个全新的信息化、数字化时代。互联网用户量激增,用户对信息的需求也呈指数型增长,短距离光通信在城域网系统中距离用户最近,和用户利益联系最紧密,因此如... 详细信息

随着互联网时代的到来,云计算、大数据、物联网等技术迅猛发展,我们已经生活在一个全新的信息化、数字化时代。互联网用户量激增,用户对信息的需求也呈指数型增长,短距离光通信在城域网系统中距离用户最近,和用户利益联系最紧密,因此如何提高频谱效率,降低成本成为了重点研究的课题。本文就短距离光通信系统做了如下研究:研究在短距离直调直检系统中增加频谱效率的两种方式,一种是应用频谱压缩,主要为超奈奎斯特(FTN);另一种是应用高阶调制格式,主要为脉冲幅度调制(PAM)、无载波幅相调制(CAP)、离散多音调制(DMT)。其中对四进制脉冲幅度调制(PAM4)的短距离光通信系统进行了详细研究和仿真实现,包括发送、传输以及接收。研究PAM4短距离直调直检通信系统中,接收端的数字信号处理主要包括均衡、后置滤波以及判决三个部分。本文中,均衡采用最小判决均方算法,并针对算法收敛性进行了改进;在后置滤波算法中,分别对传统2抽头和经过改进计算的3抽头对系统影响进行了仿真,结果表明在信噪比为9-14dB范围内,尤其在带宽为14-16GHz情形下,3抽头系统误码率明显小于2抽头系统,如信噪比为14dB,带宽为16GHz时降低了一个单位;进而根据抽头系数等高线验证最优抽头系数计算方法的正确性,结果表明系统仿真的抽头系数值和利用矩阵计算的抽头系数值一致,且利用矩阵计算的系统得出的Q值也为最佳值。判决采用最大似然算法(MLSE)和最大后验概率算法(BCJR),并针对各个阶段进行了改进。针对两种判决算法的系统性能分别仿真,结果表明BCJR系统性能更好,在状态数为8,信噪比为14dB,带宽为12GHz时,BCJR Q值比MLSE升高了 1个dB。最后对BCJR系统量化比特值进行研究,结果表明当量化比特值大于4时,系统性能接近理论值。未来FTN短距离通信系统和卷机码等技术结合时,BCJR算法有良好的应用前景。

关键词：短距离光通信直调直检 PAM4 数字信号处理

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基于对偶学习的PAM4短距离光互连研究

基于对偶学习的PAM4短距离光互连研究

作者：陈昊华南理工大学

学位级别：硕士

近年来,随着云计算技术的普及,硬件虚拟化、电子商务、内容分发网络等云端业务加速了数据中心对网络带宽的需求。相关数据显示,数据中心间短距离通信流量已经成为当前通信网络流量的主导,在短距离光互联系统中,基于PAM4调制技术的强度... 详细信息

近年来,随着云计算技术的普及,硬件虚拟化、电子商务、内容分发网络等云端业务加速了数据中心对网络带宽的需求。相关数据显示,数据中心间短距离通信流量已经成为当前通信网络流量的主导,在短距离光互联系统中,基于PAM4调制技术的强度调制直接检测(IM/DD)系统由于其成本低廉和低功耗等特性成为主流的选择。在IM/DD PAM4短距离光互联系统中,通信信号的损伤主要来自光纤信道的色散效应。色散效应本属于线性信号损伤,可通过数字信号处理技术恢复。但是在IM/DD系统中,由于光电探测器(PD)器件的平方律检测和色散效应的相互作用会进一步导致信号的非线性损伤。传统的线性均衡算法只能恢复线性信号损伤,而对于非线性信号损伤,非线性滤波器的均衡能力有限。目前基于神经网络的深度学习技术,相比于传统的线性、非线性均衡算法有更强的非线性表达能力,在许多场景已被证明具有更加优异的信号均衡性能。深度学习通常需要大量的训练数据以表现良好的泛化性能,而大量的训练数据又会极大的提高神经网络的训练成本。本文探究了对偶学习技术在IM/DD短距离光互联系统中信号均衡方面的应用。本文首先分析了色散在不同传输距离和符号速率下对信号质量的影响,并通过仿真的方式验证了IM/DD PAM4系统中传输信号的损伤机理。基于仿真实验,我们提出了基于对偶学习的PAM4信号均衡算法。区别于传统基于神经网络的均衡器,基于对偶学习的神经网络均衡器利用了对偶一致性原理来提高均衡器模型的泛化性能,可以减小对数据集规模的依赖。我们分析和对比了传统均衡算法及基于神经网络的均衡算法在不同传输场景下的性能差异,同时验证了在相同训练集规模的条件下本文所提出的基于对偶学习的神经网络均衡器性能要优于传统线性与非线性均衡器。此外我们还通过仿真对比了在不同规模训练集与不同神经网络输入维度条件下对偶学习模型与传统神经网络模型的均衡性能,解释了神经网络算法在信号均衡任务中泛化性与训练成本的矛盾及对偶学习能够提高神经网络均衡性能的原因。最后我们通过实验证明了基于对偶学习的神经网络均衡器明显优于传统均衡器模型,同时在小训练集的场合下,基于对偶学习方法的神经网络模型性能优于传统神经网络均衡模型,提高了短距离光互联系统的容量。

关键词：短距离光通信数据中心神经网络机器学习

数据中心光互连中基于可扩展集成树的自适应均衡技术研究

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数据中心光互连中基于可扩展集成树的自适应均衡技术研究

作者：甄星华北京邮电大学

学位级别：硕士

现阶段,数据中心光通信主要以中短距离传输为主,随着网络流量的爆发式增长,对数据中心光互连传输速率提出了更高的要求。在高速率、强度调制/直接检测（IM/DD）系统中低成本器件的双重影响下,数据中心光互连系统内的传输信号将会严重受... 详细信息

现阶段,数据中心光通信主要以中短距离传输为主,随着网络流量的爆发式增长,对数据中心光互连传输速率提出了更高的要求。在高速率、强度调制/直接检测（IM/DD）系统中低成本器件的双重影响下,数据中心光互连系统内的传输信号将会严重受损,而传统的单一功能静态均衡技术已不能满足对通信系统内的多损伤动态补偿需求。在光通信领域已有利用神经网络技术实现信号均衡的研究,然而神经网络在系统复杂度方面还差强人意,是一种用高复杂度换取高准确率的算法。作为机器学习算法族群中的另一大类重要分支,集成树模型在处理较小数据集的应用场景中不但具备良好的性能,并且具有较低的复杂度。本论文围绕集成树算法提出了一种自编码方案,并对中短距离光通信中存在的信号受损问题提出并验证了相应的均衡方案,本文的主要研究工作和创新点包括:第一,针对现有光通信网络中的主流机器学习技术仍为神经网络,而以XGBoost为代表的集成树模型在最近的数据挖掘相关比赛中得到了广泛关注的问题,分析并总结了 XGBoost算法相较于神经网络的技术特性并在数据中心光通信场景中进行了验证。实验结果表明,XGBoost运行速度快,在处理结构化数据方面具有得天独厚的优势,而且具有极强的可解释性,在数据中心之间的光通信场景下,XGBoost的运行速度比神经网络快30倍以上,大大提升了模型的训练效率。第二,针对现有的端到端学习主要依赖于神经网络技术而神经网络算法具有调参难度大、模型复用率低的问题,研究并设计了一种基于集成树算法的端到端光通信学习方案并对自编码器进行了可行性验证。实验结果表明,基于集成树算法的自编码器能够在1000个随机生成的样例中得到MSE为1.4699 × 10-6的重建输入,并且在经过取整操作后能够完全复原输入。第三,针对数据中心光通信中的信号受损问题,提出将XGBoost算法应用于短距离光通信均衡场景的方案,并对比了三种接收侧均衡算法的应用效果。实验结果表明,XGBoost能够得到更低的误码率,随着距离的增加,可以进一步降低功率预算,尤其是在数据中心之间的光通信场景中,与神经网络相比,XGBoost能够实现2dB的发射功率改善,验证了 XGBoost算法在基于数据中心的光信号均衡领域具有良好性能。

关键词：数据中心短距离光通信机器学习集成树算法均衡策略

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POF在局域网中的应用

光纤与电缆及其应用技术 2003年第4期 39-41页

作者：储九荣王学忠吴祥君张海龙中科院西安光学精密机械研究所四川汇源光通信有限公司四川成都610036

　综合比较了各种局域网接入方式,介绍了国内外近期有关聚合物光纤局域网的研究成果。认为聚合物光纤在短距离光通信中具有成本与技术优势,特别在局域网与光纤入户中的应用潜力巨大。

关键词： POF 局域网聚合物光纤短距离光通信塑料光纤