OFDM光網(wǎng)絡(luò)中軟件定義的信號傳輸性能優(yōu)化

朱慶明+彭繼宗+蘇翼凱

摘要：針對正交頻分復(fù)用（OFDM）光網(wǎng)絡(luò)，提出兩項OFDM傳輸性能優(yōu)化技術(shù)，分別可以抑制OFDM信號的旁瓣分量和降低峰均功率比（PAPR）。通過在每個OFDM符號前插入一段軟件定義的旁瓣抑制碼（SSC），OFDM信號旁瓣可以得到顯著抑制，從而有效降低密集波分復(fù)用-正交頻分復(fù)用（DWDM-OFDM）系統(tǒng)中的相鄰載波干擾。此外，利用軟件定義的方式更改保護(hù)頻帶（FGB），以降低OFDM信號的PAPR，改善信號傳輸性能。通過實驗對兩項OFDM傳輸性能優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了驗證。

關(guān)鍵詞： 正交頻分復(fù)用；旁瓣抑制；峰均功率比

Abstract： In this paper， we propose two techniques for optimizing transmission performance in OFDM networks. These techniques reduce the sidelobe component and PAPR of an OFDM signal. By inserting a software-defined sequence called sidelobe suppression code （SSC）， the sidelobes of the OFDM signal are significantly suppressed， and the interference between adjacent channels in DWDM-OFDM systems can be reduced. Furthermore， we utilize frequency guard band （FGB） to reduce PAPR through software definition and improve transmission. Our two methods are validated by experiments.

Key words： orthogonal frequency division multiplexing； sidelobe suppression； peak to average power ratio

隨著軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）等下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟，光網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)資源管理顯得日益重要。下一代光接入網(wǎng)要求實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)容量以及靈活的資源管理功能，正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)具備優(yōu)越的抗碼間干擾（ISI）能力、高頻譜效率、透明傳輸及子載波獨(dú)立調(diào)制的特點(diǎn)[1-2]，已經(jīng)成為下一代光纖接入網(wǎng)的重要候選技術(shù)。

然而，傳統(tǒng)OFDM調(diào)制技術(shù)存在較嚴(yán)重的頻譜泄漏[3]以及較高的峰均功率比（PAPR）[4]，這限制了OFDM技術(shù)的推廣應(yīng)用。已有OFDM旁瓣抑制技術(shù)包括時域加窗濾波[5]、插入補(bǔ)償載波[6]、子載波預(yù)加重[7]、自適應(yīng)OFDM符號過渡[8]，然而這些方案只在無線領(lǐng)域中得到驗證。光域OFDM旁瓣抑制技術(shù)包括正交頻分復(fù)用/偏移正交幅度調(diào)制（OFDM/OQAM）[9]、數(shù)字濾波[10]、OFDM/OQAM技術(shù)可以降低OFDM帶外分量，但是會使信道估計變得更加復(fù)雜[11]，數(shù)字濾波濾除旁瓣會引起信號失真。PAPR降低技術(shù)主要包括μ律壓擴(kuò)變換[12]、部分傳輸序列[13]、子載波預(yù)留[14]，其中μ律壓擴(kuò)變換技術(shù)和部分傳輸序列技術(shù)會引起失真，而子載波預(yù)留技術(shù)缺乏傳輸性能優(yōu)化的實驗驗證。

本文針對光網(wǎng)絡(luò)提出兩項OFDM傳輸性能優(yōu)化技術(shù)，分別可以抑制OFDM信號的旁瓣分量以及降低PAPR。

旁瓣抑制技術(shù)是在傳統(tǒng)OFDM符號前加入一段軟件定義的旁瓣抑制碼（SSC），該序列由傅立葉變換-逆傅立葉變換（FFT-IFFT）循環(huán)迭代產(chǎn)生，旁瓣抑制效果隨迭代次數(shù)增加而提升。本文以實驗和仿真一致驗證了其旁瓣抑制效果，通過在傳統(tǒng)OFDM序列中加入5% SSC序列，OFDM信號的旁瓣可以被額外抑制約18 dB。

SSC技術(shù)是一項全新的密集波分復(fù)用-正交頻分復(fù)用（DWDM-OFDM）系統(tǒng)頻譜優(yōu)化技術(shù)，可以使DWDM-OFDM系統(tǒng)中相鄰載波間的干擾有效降低，提升系統(tǒng)誤碼性能。另一方面，我們以軟件定義的方式更改OFDM系統(tǒng)中的保護(hù)頻帶（FGB），即在FGB中插入一組軟件定義的頻率分量（PRT），以生成尖峰消除OFDM（PC-OFDM）信號，從而得到PAPR降低約2.5 dB的效果。經(jīng)實驗驗證，當(dāng)入纖功率為2.5 dBm，經(jīng)50 km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSMF）傳輸后，相對于傳統(tǒng)OFDM信號，PC-OFDM信號的接收靈敏度提升約2 dB。

1 旁瓣抑制碼和尖峰消除

正交頻分復(fù)用技術(shù)工作

原理

SSC是針對DWDM-OFDM系統(tǒng)開發(fā)的頻譜優(yōu)化技術(shù)，其通過FFT-IFFT循環(huán)迭代產(chǎn)生，并具有顯著的OFDM旁瓣抑制效果。

PC-OFDM是基于傳統(tǒng)OFDM調(diào)制方式的PAPR優(yōu)化技術(shù)，其通過在FGB中插入一組軟件定義的頻率分量（PRT），就可以成功地實現(xiàn)PAPR的降低。

1.1 旁瓣抑制碼

SSC定義：對于任意一段包含M個符號且長度為l的OFDM序列syms，在其中插入一段總長為lSSC的序列，可以得到一個新序列syms，如果新序列的帶外功率譜之和sum達(dá)到最小值，則插入的序列稱為SSC。

由于sum的值總是隨著迭代次數(shù)的增加而減小，尋找最小值的意義并不大，通常只要迭代次數(shù)足夠多，sum的值足夠小，即可以認(rèn)為此時插入的序列為SSC。

圖1所示是SSC的典型結(jié)構(gòu)，原有OFDM符號的結(jié)構(gòu)被保留，僅在每個OFDM symbol（i）前插入一段軟件定義的優(yōu)化序列SSC（i）。值得一提的是，SSC性能與OFDM符號中循環(huán)前綴（CP）長度無關(guān)，若CP長度為0，則OFDM符號中不包含CP。

帶有SSC單元的OFDM結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，即在傳統(tǒng)OFDM結(jié)構(gòu)中插入SSC生成單元，更加詳細(xì)的SSC生成算法如圖3所示，一共分為4步進(jìn)行。

（1）將第i個OFDM符號，第i個SSC以及第i-1個OFDM符號作為一個整體entity進(jìn)行FFT運(yùn)算，得到其頻譜。

（2）將頻譜上OFDM有效頻帶以外的分量置零。

（3）對該頻域序列做IFFT運(yùn)算，得到其時域序列entity。

（4）將entity中的SSC序列替換為entity中的SSC。

SSC具有顯著旁瓣抑制效果的原因可以從頻域和時域兩個角度理解：

（1）頻域：在四步迭代算法中，其中第二步是將帶外分量全部置零，不斷進(jìn)行這樣的迭代操作可以使得正交頻分復(fù)用信號頻譜中的帶外分量逐漸趨于0，從而旁瓣可以得到很強(qiáng)的抑制。

（2）時域：既然單個OFDM符號的頻譜無旁瓣分量，而兩個或多個OFDM符號在時域上串行連接在一起，頻譜上便會產(chǎn)生旁瓣，因此旁瓣存在的原因是人為地將多個頻域及時域不相關(guān)的OFDM符號在時域上連接在一起，在每兩個OFDM符號的交界處即會因為這種頻域及時域上的突變而產(chǎn)生額外的干擾。因此可以在相鄰兩個OFDM符號間插入一段軟件定義的優(yōu)化序列SSC。如圖3所示，盡管OFDM symbol（i-1）和OFDM symbol（i）是不相關(guān)的，但是OFDM symbol（i-1）、SSC（i）、OFDM symbol（i）被當(dāng)作一個整體做FFT-IFFT變換后，SSC（i）和OFDM symbol（i-1）相關(guān)，也和OFDM symbol（i）相關(guān)，例如，設(shè)序列a和序列b是不相關(guān)的，但是可以產(chǎn)生序列c = （a + b）/2，c既和a相關(guān)，也和b相關(guān)。可以認(rèn)為，SSC（i）實際上在相鄰兩個OFDM符號的交界處起到一個頻域及時域上的緩沖作用，交界處序列的相關(guān)性增強(qiáng)，突變減小，旁瓣也會相應(yīng)得到抑制。

如圖4（a）所示，PRTs分布于低頻的FGB，由PRTs產(chǎn)生的脈沖信號p[n]是一個奈奎斯特脈沖。圖4 （b）為多個奈奎斯特脈沖疊加產(chǎn)生的尖峰消除信號，圖4 （c）為原始OFDM信號與尖峰消除信號疊加產(chǎn)生的PC-OFDM信號。

2 實驗驗證

旁瓣抑制碼技術(shù)與尖峰消除OFDM技術(shù)以獨(dú)立的實驗分別進(jìn)行了驗證。

2.1 旁瓣抑制碼實驗驗證

SSC的旁瓣抑制效果得到了實驗和仿真的一致驗證。實驗裝置如圖5所示，在發(fā)送端，可調(diào)激光器（SP TLS150D）產(chǎn)生了一束波長達(dá)到1 550.01 nm的光載波經(jīng)過偏振控制器（PC）入射進(jìn)馬赫-曾德爾調(diào)制器（MZM）（Fujitsu FTM7921ER），由任意波形發(fā)生器（AWG）（Tektronix AWG7122C）產(chǎn)生的OFDM信號經(jīng)過電放大器放大后驅(qū)動MZM調(diào)制光載波。MZM的輸出經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器（PD）（Bookham PT10G4094）轉(zhuǎn)換為電信號，并用電譜儀（R&S FSUP）觀察其功率譜，驗證SSC在光域的性能，同時用電譜儀觀察AWG輸出的OFDM信號的功率譜，驗證SSC在電域的性能，并與光域結(jié)果進(jìn)行對比。

仿真和實驗均分別以不帶SSC的OFDM序列和帶SSC的OFDM序列為測試對象，觀察并對比其旁瓣抑制性能。兩種OFDM序列的符號數(shù)均為1 000，子載波數(shù)為64，F(xiàn)FT長度和CP長度分別為256、26，SSC長度為13，迭代次數(shù)為70，采樣率為2.5 GHz。

實驗結(jié)果如圖6所示，設(shè)DWDM-OFDM系統(tǒng)中保護(hù)頻帶帶寬為信號帶寬的10%，旁瓣抑制比定義為信號功率譜中的最大分量與保護(hù)頻帶之外最大分量的比值，可以看出，仿真結(jié)果和電域?qū)嶒灲Y(jié)果一致驗證了加入5% SSC序列可以將OFDM信號的旁瓣抑制比提升至約40 dB，與不加SSC的傳統(tǒng)OFDM信號相比，旁瓣抑制比提高了約18 dB。

相比之下，SSC在光域中體現(xiàn)出的性能不如電域，旁瓣抑制比提升約9 dB，其原因可以總結(jié)為以下3點(diǎn)：（1）光基底噪聲以及PD拍頻噪聲較大；（2）MZM的Vπ限制了射頻信號的幅度；（3）MZM具有非線性，產(chǎn)生了高階分量。

2.2 尖峰消除OFDM實驗驗證

本文以實驗驗證了尖峰消除OFDM技術(shù)。實驗裝置如圖7所示，在發(fā)送端，分布反饋激光器（DFB）（SP TLS150D）產(chǎn)生一束波長為1 551.01 nm的光載波經(jīng)過偏振控制器（PC）入射馬赫-曾德爾調(diào)制器（MZM）（Fujitsu FTM7921ER），由任意波形發(fā)生器（AWG）（Tektronix AWG7122C）產(chǎn)生的數(shù)據(jù)速率約為8.62 Gb/s的OFDM/PC-OFDM信號經(jīng)過電放大器（EA）放大后驅(qū)動MZM調(diào)制光載波。OFDM信號數(shù)據(jù)由Matlab產(chǎn)生，子載波數(shù)為256，其中數(shù)據(jù)載波序號為65～127，加載16QAM數(shù)據(jù)，F(xiàn)GB載波序號為1～64，OFDM信號頻譜結(jié)構(gòu)滿足厄米特對稱，循環(huán)前綴長度為16。PC-OFDM信號由原始OFDM信號和尖峰消除信號疊加產(chǎn)生，產(chǎn)生尖峰消除信號的迭代次數(shù)為20，預(yù)設(shè)最大幅度A設(shè)置為原始OFDM信號最大峰值的70%。MZM的輸出經(jīng)摻鉺光纖放大器（EDFA）放大及帶通濾波器（BPF）濾波后，通入一個90：10光耦合器，其中一端輸出以功率計測量發(fā)射功率，另一端輸出耦合至光纖進(jìn)行傳輸。在接收端，光信號經(jīng)過可調(diào)光衰減器（VOA）、EDFA、BPF后進(jìn)入10 GHz PD，得到的電信號被40 GSa/s采樣率的實時示波器（LeCroy 806Zi-A）采樣，并用Matlab處理采樣數(shù)據(jù)，計算誤碼性能。

圖8為傳輸50 km SSMF后PC-OFDM信號與傳統(tǒng)OFDM信號誤碼率曲線以及解調(diào)后的星座圖，其發(fā)射功率為約2.5 dBm。前向糾錯的誤碼率閾值約為10-3，而PC-OFDM信號在前向糾錯閾值處的接收靈敏度約為-18.1 dBm，比傳統(tǒng)OFDM信號在該處的接收靈敏度高出約2 dB。

3 結(jié)束語

本文提出兩項OFDM傳輸性能優(yōu)化技術(shù)，分別可以降低OFDM信號的旁瓣分量和PAPR。通過在傳統(tǒng)OFDM序列中加入5%軟件定義的優(yōu)化序列SSC，OFDM信號的旁瓣可以被多抑制約18 dB。SSC技術(shù)對應(yīng)DWDM-OFDM系統(tǒng)中保護(hù)頻帶較窄的特點(diǎn)，將SSC技術(shù)應(yīng)用于DWDM-OFDM系統(tǒng)，可以大大減小相鄰載波間的干擾，提升系統(tǒng)性能。此外本文提出PAPR降低技術(shù)，即在FGB中插入一組軟件定義的PRT，可以實現(xiàn)約2.5 dB的PAPR降低，從而提升接收靈敏度約2 dB。

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