正交模式与码片关联传输方法

摘要

本发明公开了正交模式与码片关联传输方法，属于光通信技术领域，1）根据系统的信道进行每种模式上码本设计，根据每种模式的码本对原本需要发送的数据流做扩频处理；2）对原始比特流信息进行重新的编码，在接收端通过每个模式对应的对应码本信息，进行积分判决，还原出原本的比特流信息。本发明以抑制模间串扰，针对少模光纤在应用中不可避免发生模间耦合产生的信号串扰问题，与使用复杂的MIMO均衡器和设计新型少模光纤技术相比，本发明专利从编码的角度出发，抑制信号串扰问题，节约了器件成本。通过获取一定的信道情况，来合理设计调整扩频倍数以及码本设计，可以有效的抑制模式耦合带来的信号串扰问题。

权利要求

1.正交模式与码片关联传输方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）根据系统的信道进行每种模式上码本设计，根据每种模式的码本对原本需要发送的数据流做扩频处理；

2）对原始比特流信息进行重新的编码，在接收端通过每个模式对应的对应码本信息，进行积分判决，还原出原本的比特流信息；

步骤1）中，所述的码本设计包括如下步骤：

1.1）确定传输使用的模式数量m，选定信源数据进行编码比特数b，设定进行扩频倍数v，编码比特数b和扩频倍数v的选择根据实际信道模间串扰程度决定；

1.2）在对其中一个模式进行码本设计时，先对b个bit的组合设计对应2b个码片，码片长度为b×v，则一个模式对应的码本维度为2b行，b×v列；码片由（0，1）元素组成；针对m个不同模式设计m个不同的码本；

1.3）相邻模式的码本在设计时选取相关性码片。

2.根据权利要求1所述的正交模式与码片关联传输方法，其特征在于：步骤1）中，所述的系统的信道情况包括模式数、模式间扰，每种模式发送的用户比特流数据经过模式、码片关联编码，从每种模式上挑选对应的码字发送到不同正交模式的链路上进行传输。

3.根据权利要求1所述的正交模式与码片关联传输方法，其特征在于：步骤2）中，所述的对原始比特流信息进行重新的编码，包括如下步骤：

2.1）在接收端处理时，进行对应的解码，在接收端需要每个模式使用的码本信息；

2.2）在接收到了受到串扰的信息后，通过不同模式对应的码本集，先判决还原出最优的码片，对比码本再将码片还原成原始的比特信息；

2.3）接收端收到的信号是经过信道噪声以及模式串扰后的信号，使得信号的频谱被展宽，展宽后的频谱带宽W，原始信号带宽F，则获得的扩频增益为G=W/F。

4.根据权利要求1所述的正交模式与码片关联传输方法，其特征在于：步骤1）中，所述的扩频处理的扩频增益在扩频系统中代表信噪比改善程度，根据香农公式C=B×log2（1+S/N），其中C表示信道容量，B表示信号占用的带宽，S表示所传信号的平均功率，N表示信道内部的高斯噪声功率，S/N表示该信道的信噪比；在同等信号速率情况下，信道容量C不变，增加信号占用的带宽B降低接收方对信噪比的要求。

5.根据权利要求1所述的正交模式与码片关联传输方法，其特征在于：步骤1.1）中，针对所述的模间串扰，将系统抗模间串扰的能力定义为GM=10 lg(Rc/Rb)，Rc,Rb分别为编码后的码片速率和编码前的信息速率，Rc/Rb等于扩频倍数v。

说明书

正交模式与码片关联传输方法

技术领域

[0001] 本发明属于光通信技术领域，具体涉及正交模式与码片关联传输方法。

背景技术

[0002] 在光纤通信领域，随着多种新技术的出现与多种新型器件的研制成功，传统的单模光纤已接近香农极限。为了突破单模光纤容量极限的限制，需要开发利用新的维度进行传输。空分复用技术（SDM）利用光纤中“空间”的维度进行复用，其中，模分复用技术(MDM)通过在单根光纤中使用多个相互正交的模式分别作为独立的信道同时对信号进行传输，被认为是提升光通信容量的有效手段，利用空间维度实现传输容量成倍的提升。近年来，模分复用技术与波分复用、时分复用及偏分复用技术逐渐融合，新式的光子灯笼模式复用/解复用器的出现，也解决了光信号耦合进出光纤的问题，为少模光纤的实用化做出了推进作用。在长距离的传输过程中，由于存在着模式色散（MD），光脉冲发生畸形，不同模式具有不同的群速度，传输距离过长会导致不同模式到达接收端的时间不同，造成误码。

[0003] 针对少模光纤中不可避免地会发生模式间的耦合问题，主要解决的方法有：（1）在接收端，使用数字信号处理对信号进行均衡处理。一般使用多输入多输出（MIMO）均衡系统，对信号进行均衡恢复。虽然，关于均衡算法有不断的研究提出，均衡效果可以达到很优秀的效果，但是算法的复杂度高仍然是面临实时通讯的一个挑战；（2）关于少模光纤、模式转换器、模分复用器/解复用器、模式放大器等器件的设计和制备。在算法优化之外，还可以在器件结构上进行调整，生产一批串扰程度低、高集成度的器件，使得增益更均衡，提高系统的稳定性，提高效率。

[0004] 现如今，我国在少模光纤模分复用系统方向上的研究还停留在初始阶段。国内包括吉林大学、北京邮电大学、华中科技大学和天津大学等一些高校和科研机构也在开始对基于少模光纤的模式复用技术采取研究，主要集中在理论层面，仿真实验规模较小。模分复用技术在下一代光纤通信系统领域拥有相当大的扩容潜力，可以为光传输系统与网络带来巨大的突破。如何将模分复用技术合理有效地运用在光纤通信系统并使其成为将来光通信领域的关键技术依然是一项艰巨的任务。

发明内容

[0005] 发明目的：针对模分复用技术使用过程中会发生的模式串扰问题，本发明的目的在于提供正交模式与码片关联传输方法，提出一种新的编码方法，将正交模式与码域相结合进行复用编码，区别于使用复杂的MIMO均衡器和设计新型模式光纤，从编码的角度出发，降低系统模式串扰，并且使得在原有模分复用的基础上继续提高传输容量。

[0006] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0007] 正交模式与码片关联传输方法，包括如下步骤：

[0008] 1）根据系统的信道进行每种模式上码本设计，根据每种模式的码本对原本需要发送的数据流做扩频处理；

[0009] 2）对原始比特流信息进行重新的编码，在接收端通过每个模式对应的对应码本信息，进行积分判决，还原出原本的比特流信息。

[0010] 进一步地，步骤1）中，所述的系统的信道情况包括模式数、模式间扰，每种模式发送的用户比特流数据经过模式、码片关联编码，从每种模式上挑选对应的码字发送到不同正交模式的链路上进行传输。

[0011] 进一步地，步骤1）中，所述的码本设计包括如下步骤：

[0012] 1.1）确定传输使用的模式数量m，选定信源数据进行编码比特数b，设定进行扩频倍数v，编码比特数b和扩频倍数v的选择根据实际信道模间串扰程度决定；

[0013] 1.2）在对其中一个模式进行码本设计时，先对b个bit的组合设计对应2b个码片，码片长度为b×v，则一个模式对应的码本维度为2b行，b×v列；码片由（0，1）元素组成；针对m个不同模式设计m个不同的码本；

[0014] 1.3）相邻模式的码本在设计时选取相关性码片。

[0015] 进一步地，步骤2）中，所述的对原始比特流信息进行重新的编码，包括如下步骤：

[0016] 2.1）在接收端处理时，进行对应的解码，在接收端需要每个模式使用的码本信息；

[0017] 2.2）在接收到了受到串扰的信息后，通过不同模式对应的码本集，先判决还原出最优的码片，对比码本再将码片还原成原始的比特信息；

[0018] 2.3）接收端收到的信号是经过信道噪声以及模式串扰后的信号，使得信号的频谱被展宽，展宽后的频谱带宽W，原始信号带宽F，则获得的扩频增益为G=W/F。

[0019] 进一步地，步骤1）中，所述的扩频处理的扩频增益在扩频系统中代表信噪比改善程度，根据香农公式C=B×log（2 1+S/N），其中C表示信道容量，B表示信号占用的带宽，S表示所传信号的平均功率，N表示信道内部的高斯噪声功率，S/N表示该信道的信噪比；在同等信号速率情况下，信道容量C不变，增加信号占用的带宽B降低接收方对信噪比的要求。

[0020] 进一步地，步骤1.1）中，针对所述的模间串扰，将系统抗模间串扰的能力定义为GM=10 lg(Rc/Rb)，Rc,Rb分别为编码后的码片速率和编码前的信息速率，Rc/Rb等于扩频倍数v。

[0021] 该方法通过正交模式与码片联合，设计码本，将用户发送的比特数据映射成扩频后的码片加载到模式上发送。该编码方法可以有效提升系统的抗干扰能力，抑制因模式耦合造成的信号串扰。本专利借鉴扩频的思想，却又区别于普通的扩频方式，结合信道模式耦合造成的串扰构造不同程度的码本，进行一定程度的扩频，避免了多倍扩频导致信息速率下降。对使用本专利提出的新型编码方法，在接收端使用对应的检测译码方法。接收端对每一路模式的信号进行解码时，具备码本信息，将收到已经发生了串扰的信号与原始码本做相关运算，取出相关度最高的一组根据码本还原出原始比特。在这个过程中，由于码本设计，模式耦合造成的串扰影响在接收端判决时，造成的影响会被扩频后的码片抑制，抑制效果取决于码片扩频倍数以及码片设计的优劣。

[0022] 有益效果：与现有技术相比，本发明的正交模式与码片关联传输方法，以抑制模间串扰，针对少模光纤在应用中不可避免发生模间耦合产生的信号串扰问题，与使用复杂的MIMO均衡器和设计新型少模光纤技术相比，本发明专利从编码的角度出发，抑制信号串扰问题，节约了器件成本。通过获取一定的信道情况，来合理设计调整扩频倍数以及码本设计，可以有效的抑制模式耦合带来的信号串扰问题。

附图说明

[0023] 图1是正交模式与码片联合编码传输系统框图；

[0024] 图2是正交模式与码片联合解码过程框图；

[0025] 图3是正交模式与码片联合解码过程框图。

具体实施方式

[0026] 以下结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。

[0027] 如图1-3所示，正交模式与码片关联传输方法，包括如下步骤：

[0028] 1）根据系统的信道情况，例如模式数、模式间扰大小进行每种模式上码本设计。每种模式需要发送的用户比特流数据经过本专利提出的模式、码片关联编码，即从每种模式上挑选对应的码字发送到不同正交模式的链路上进行传输；

[0029] 2）对原始比特流信息进行重新的编码，在接收端通过每个模式对应的对应码本信息，进行积分判决，还原出原本的比特流信息；

[0030] 3）在传输过程中，由于码本设计存在扩频倍数，即对原本需要发送的数据流做了扩频处理，得益于扩频增益，模式耦合导致的串扰在接收端发生误判的几率会大大减小，从而降低模式耦合的串扰。

[0031] 步骤1）中，码本设计包括如下步骤：

[0032] 1.1）确定传输使用的模式数量m，选定信源数据进行编码比特数b，设定一个进行扩频倍数v，编码比特数b和扩频倍数v的选择根据实际信道模、模间串扰程度大小决定，若串扰程度大则降低编码比特数b或提高扩频倍数v；

[0033] 1.2）在对其中一个模式进行码本设计时，先对b个bit的组合设计对应2b个码片，码片长度为b×v，则一个模式对应的码本维度为2b行，b×v列；码片由（0，1）元素组成；针对m个不同模式设计m个不同的码本；

[0034] 1.3）为了对抗模模间串扰，相邻模式的码本在设计时选取相关性良好的码片，有效减弱信号串扰后接收端的误判。

[0035] 步骤2）中，对原始比特流信息进行重新的编码，包括如下步骤：

[0036] 2.1）在接收端处理时，进行对应的解码，因此，在接收端需要每个模式使用的码本信息。

[0037] 2.2）在接收到了受到串扰的信息后，通过不同模式对应的码本集，先判决还原出最优的码片，对比码本再将码片还原成原始的比特信息。

[0038] 2.3）接收端收到的信号是经过信道噪声以及模式串扰后的信号，因为经过编码对原比特信息做了扩频处理，信号取得一定的扩频增益，使得信号的频谱被展宽，展宽后的频谱带宽W，原始信号带宽F，则获得的扩频增益为G=W/F。同时，相比于传统的直接扩频思想，该方法选用部分扩频，做到使用扩频技术对抗干扰能力的同时，一定程度上地扩展频谱带宽，避免过多冗余。

[0039] 步骤3）中，扩频增益在扩频系统中代表信噪比改善程度，根据香农公式C=B×log2（1+S/N），在同等信号速率情况下，信道容量C不变，增加信号占用的带宽B将可以降低接收方对信噪比的要求，增强对抗干扰能力。

[0040] 步骤3）中，针对串扰，将系统抗模间串扰的能力定义为GM=10 lg(Rc/Rb)，Rc,Rb分别为编码后的码片速率和编码前的信息速率，即扩频倍数v；扩频倍数越大，抗模间串扰能力越强。但是，倍数越大会使信号占用带宽增加，传输速率下降，因此需要根据信道情况选择设计合适的码本。

[0041] 本发明基于正交模分复用的相关研究，提出一种新的编码方法，将正交模式与码域相结合进行复用编码，借鉴扩频思想，在模分复用传输系统的基础上，对每一路模式上的信号进行重新编码，对抗模式间耦合对信号的干扰。该方法属于一种编码方法，使用该方法的完整系统框图如图1所示。虚线框内为本专利提出的两个保护点：一、正交模式与码片关联的编码方法；二、对应的正交模式、码片关联解码。

[0042] 图1中的编码部分，最关键的部分为码本设计部分。本专利提出的编码方法，通过将不同模式需要发送的数据设计成不同的码本，进行编码后发送，码本的设计成为决定传输性能的关键。为了降低因模式耦合造成的串扰，相邻模式之间的码本构造应具备一定的正交性，使得发生串扰后在接收端可以被判决否定掉串扰。

[0043] 如图2所示，对原始比特流信息进行重新的编码，在接收端处理时，需要进行对应的解码。过程主要为解码的逆过程，因此，在接收端需要每个模式使用的码本信息。在接收到了受到串扰的信息后，通过不同模式对应的码本集，判决还原出原始的比特信息。接收端收到的信号是经过信道噪声以及模式串扰后的信号，因为经过编码对原比特信息做了扩频处理，信号取得一定的扩频增益，使得信号的频谱被展宽，展宽后的频谱带宽W，原始信号带宽F，则获得的扩频增益为G=W/F。扩频增益在扩频系统中代表信噪比改善程度，根据香农公式，在同等信号速率情况下，增加信号占用的带宽将可以降低接收方对信噪比的要求。在本专利中，将系统抗模间串扰的能力定义为GM=10 lg(Rc/Rb)，Rc,Rb分别为编码后的码片速率和编码前的信息速率，即扩频倍数v。可以看出，扩频倍数越大，抗模间串扰能力越强。但是，倍数越大会使信号占用带宽增加，传输速率下降，因此需要根据信道情况选择设计合适的码本。

[0044] 码本设计时需要考量多个方面，例如码片之间的相关性，码片的自相关性和互相关性好坏决定着系统性能的好坏。增加码片的随机性可以提高通信的安全性，同时，如果增加码片周期长度来提高复杂度，可以增加非法使用者的破译难度，也可以增强模式串扰的抑制作用，但是会增加系统冗余，所以，具体设计时需要考虑平衡性优异的码本结构。实施例

[0045] 详细的编解码过程如图3所示。假设传输使用4个正交模式，将用户所需要发送的比特数据每2bit进行编码，扩频倍数为2。针对4个不同模式，设计了4个不同种类的码本。例如，在码本1中，每行表示每2bit分别对应(00)、(01)、(10)、(11)编码后的码片，码片中有颜色表示码片中的“1”。第一个模式传输了（00），选取码本中第一个码片(1 0 0 0)进行传输，以此类推，然后组成一个码片周期内的信息，依次传输。

[0046] 如图3所示的这4组码片进行传输，则这个编码的抗干扰能力GM= 10 lg(Rc/Rb) =3.01dB。在传输过程中，模式之间发生了模式串扰，信号会发生突变。在接收端进行接收解调时，会与每个模式对应的码本集做相关运算，求出相关性最高的码片对应还原出原始比特信号。

[0047] 如图3所示的4个模式，根据实际情况，例如使用的模式不同、模式间耦合程度不同，可以将每3bit或者每4bit等等进行扩频编码，选择扩频倍数也可以为3、4或者更多，进行相应的码本设计。例如，当模式间耦合程度较高时，可以提高扩频倍数，码本设计的核心思想是为了抑制模式耦合的影响，将码本的码片设计成准正交性的关系，在接收还原时，因为码片间较高的区分度，提高还原的精准度，从而抑制模式耦合串扰水平。

[0048] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以作出若干改进和变型，这些改进和变型也应该视为本发明保护范围。