基于數(shù)字子載波和概率整形的相干光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

陸源/LU Yuan，牛文林/NIU Wenlin，王永奔/WANG Yongben，胡子荷/HU Zihe

（1. 山東省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，中國(guó) 濟(jì)南 250101；2. 中國(guó)聯(lián)通山東省分公司，中國(guó) 濟(jì)南 250000；3. 中興通訊股份有限公司，中國(guó) 深圳 518057 ）

光通信在過(guò)去幾十年里得到了巨大發(fā)展。就在10 年前，主流的商用系統(tǒng)還是直接探測(cè)的10G系統(tǒng)。如今，互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的流量大爆發(fā)推動(dòng)了100G系統(tǒng)的迅速發(fā)展。100G系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)得益于相干探測(cè)和數(shù)字信號(hào)處理（DSP）以及高速模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）/數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）的聯(lián)合使用[1]。

隨著5G 時(shí)代的到來(lái)，運(yùn)營(yíng)商對(duì)系統(tǒng)的容量需求急劇增加，互聯(lián)網(wǎng)流量增速已大大超過(guò)光網(wǎng)絡(luò)傳輸容量的增速。為了應(yīng)對(duì)容量需求的進(jìn)一步增長(zhǎng)，未來(lái)的光通信系統(tǒng)有以下幾個(gè)研究方向：1）基于靈活和感知光網(wǎng)絡(luò)的高效資源管理；2）采用更高階的調(diào)制格式和更高的波特率；3）采用更先進(jìn)的DSP 和前向糾錯(cuò)碼（FEC）算法；4）支持光纖多波段的傳輸器件；5）少模多芯等新型光纖的應(yīng)用。高效的光網(wǎng)絡(luò)資源管理是基礎(chǔ)，因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)高效地利用現(xiàn)有的光纖基礎(chǔ)設(shè)施，來(lái)推遲昂貴的新光纖和新器件的部署。采用更高階的調(diào)制格式（例如32 符號(hào)正交幅度調(diào)制）和更高的波特率（＞90 GBd）可以實(shí)現(xiàn)單波800 Gbit/s 的傳輸速率。而這會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的信道損傷，例如窄帶濾波效應(yīng)、器件非線性效應(yīng)以及I/Q之間的時(shí)延效應(yīng)。這些都需要更復(fù)雜的DSP算法以及更先進(jìn)的FEC方案進(jìn)行補(bǔ)償。此外，采用先進(jìn)的數(shù)字通信技術(shù)（例如概率整形和數(shù)字子載波復(fù)用）既可以實(shí)現(xiàn)靈活的頻譜效率，也可以提升傳輸性能。數(shù)字子載波復(fù)用技術(shù)更適用于靈活光網(wǎng)絡(luò)，可以更方便地處理信道的動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)。此外，使用C+L波段還可以進(jìn)一步提升整根光纖的傳輸容量。

本文重點(diǎn)介紹數(shù)字子載波技術(shù)和概率整形技術(shù)的理論背景以及它們?cè)趩尾?00G 系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)，并給出中國(guó)聯(lián)通研究院攜手中興通訊完成的單波800G現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試結(jié)果。

1 數(shù)字子載波復(fù)用技術(shù)

在傳統(tǒng)的相干光通信系統(tǒng)中，單個(gè)激光器產(chǎn)生的光信號(hào)占據(jù)一段連續(xù)的頻譜，如圖1（a）所示。而對(duì)于數(shù)字子載波復(fù)用技術(shù)，在發(fā)端通過(guò)數(shù)字域上的特殊處理，可以將頻譜上連續(xù)的光載波分割成若干個(gè)獨(dú)立的奈奎斯特子載波，如圖1（b）所示。子載波的個(gè)數(shù)可以根據(jù)總的波特率和應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)設(shè)定，一般選擇4、8或者16。

▲圖1 單載波頻譜與數(shù)字子載波頻譜

1.1 數(shù)字子載波的優(yōu)勢(shì)

（1）降低色散補(bǔ)償復(fù)雜度

目前大部分相干光通信系統(tǒng)會(huì)在收端數(shù)字域上補(bǔ)償光纖鏈路累積的色散。主流的色散補(bǔ)償算法對(duì)信號(hào)做快速傅里葉變換（FFT），并在頻域上進(jìn)行重疊存儲(chǔ)補(bǔ)償。補(bǔ)償色散需要的濾波器階數(shù)與色散和波特率大小密切相關(guān)[2]。假設(shè)采用4個(gè)子載波，在總波特率相同的情況下，每個(gè)子載波的波特率是單載波的1/4，那么在色散補(bǔ)償時(shí)需要的濾波器階數(shù)就只有單載波的1/16。這可以大大節(jié)省色散補(bǔ)償所需要的硬件資源。

除了降低色散補(bǔ)償?shù)膹?fù)雜度，數(shù)字子載波技術(shù)也可以降低色散補(bǔ)償導(dǎo)致的傳輸代價(jià)。對(duì)于目前收端通用的相干DSP處理結(jié)構(gòu)，均衡增強(qiáng)相位噪聲（EEPN）效應(yīng)并沒(méi)有得到很好的解決[3]。EEPN 效應(yīng)主要是由收端激光器線寬導(dǎo)致的相位變化和色散補(bǔ)償濾波器的共同作用引起的。當(dāng)采用低階調(diào)制格式且波特率較小時(shí)，EEPN的影響很小，可以忽略。然而，隨著高階調(diào)制格式的引入和波特率的上升（如上升到64 GBd和128 GBd），EEPN導(dǎo)致的色散補(bǔ)償代價(jià)就不能再忽略。例如，對(duì)于64 GBd的400G 16QAM傳輸系統(tǒng)，當(dāng)收端激光器線寬為300 kHz，累積色散為20 000 ps/nm 時(shí)，EEPN帶來(lái)的光信噪比（OSNR）代價(jià)有0.2 dB。而如果采用數(shù)字子載波技術(shù)，當(dāng)每個(gè)子載波的波特率為16 GBd時(shí)，EEPN的代價(jià)就不到0.05 dB。

（2）減少非線性傳輸代價(jià)

光纖中的非線性效應(yīng)，包括自相位調(diào)制（SPM）、交叉相位調(diào)制（XPM）、四波混頻（FWM），已經(jīng)成為限制光通信系統(tǒng)傳輸距離的主要因素之一。而光纖的非線性損傷補(bǔ)償也是業(yè)界面臨的挑戰(zhàn)之一。一些有效的非線性補(bǔ)償算法如數(shù)字反向傳輸補(bǔ)償算法（DBP），因?yàn)閺?fù)雜度太高而無(wú)法在硬件上實(shí)現(xiàn)，不具有實(shí)用性。因此，有研究人員提出，不采用補(bǔ)償方法，直接從源頭降低非線性效應(yīng)。這也是數(shù)字子載波技術(shù)誕生的原因之一。

通過(guò)優(yōu)化每個(gè)子載波的波特率、子載波的個(gè)數(shù)，數(shù)字子載波復(fù)用技術(shù)使SPM、XPM 和FWM 這3 種非線性效應(yīng)的綜合效應(yīng)最小，從而減少非線性的損傷。如圖2 所示，F(xiàn)WM效應(yīng)隨著子載波個(gè)數(shù)的增加而增加，SPM效應(yīng)隨著子載波個(gè)數(shù)的增加而減少，XPM 效應(yīng)介于兩者之間。可以看出，子載波數(shù)目存在一個(gè)最優(yōu)區(qū)間，它能使得三者的綜合效應(yīng)達(dá)到最小。文獻(xiàn)[4]深入分析和比較了多子載波和單載波的非線性傳輸性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與單載波相比，通過(guò)優(yōu)化子載波數(shù)目，100G正交相移鍵控（QPSK）采用數(shù)字子載波技術(shù)可以額外傳輸25%的距離。

▲圖2 光纖不同非線性效應(yīng)與子載波個(gè)數(shù)關(guān)系

（3）提高頻譜利用率

在發(fā)射端對(duì)數(shù)字信號(hào)做奈奎斯特整形，可以有效減少信號(hào)占用的頻譜帶寬。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被普遍應(yīng)用在單載波系統(tǒng)中。由于在收端需要恢復(fù)信號(hào)時(shí)鐘，因此發(fā)端奈奎斯特整形的滾降系數(shù)不能為0（一般設(shè)置在0.1～0.2 之間）。在數(shù)字子載波系統(tǒng)中，當(dāng)其中一個(gè)子載波的滾降系數(shù)設(shè)置高一些（用來(lái)做時(shí)鐘恢復(fù)）時(shí)，其余子載波的滾降系數(shù)就可以設(shè)置低一些。假設(shè)一個(gè)32 GBd的單載波系統(tǒng)的滾降系數(shù)為0.2，那么其占用的總頻譜帶寬為32×1.2=38.4 GHz。對(duì)于數(shù)字子載波系統(tǒng)，假設(shè)子載波數(shù)目為4，每個(gè)子載波的波特率為8 GBd，用來(lái)做時(shí)鐘恢復(fù)的子載波的滾降系數(shù)為0.2，其余子載波的滾降系數(shù)為0.025，那么其占用的總頻譜帶寬為8×1.2+24×1.025=34.2 GHz。這樣總的頻譜帶寬占用就比單載波系統(tǒng)少4.2 GHz，有效提高了頻譜效率。

1.2 數(shù)字子載波系統(tǒng)和單載波系統(tǒng)仿真性能對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)字子載波架構(gòu)相比于單載波架構(gòu)的性能優(yōu)勢(shì)，我們?cè)?00G 系統(tǒng)下對(duì)兩種架構(gòu)做了仿真研究，選擇調(diào)制格式為PM-16QAM，波特率為128 GBd，子載波個(gè)數(shù)為16。背靠背條件下子載波架構(gòu)和單載波架構(gòu)的OSNR曲線如圖3所示。其中，藍(lán)色曲線表示在128 GBd PM-16QAM理論情況下誤碼率（BER）隨OSNR的變化曲線。當(dāng)軟判決前向糾錯(cuò)（SD-FEC）的糾錯(cuò)門限為0.02時(shí)，其對(duì)應(yīng)的OSNR容限為22.8 dB。黑色和紅色曲線分別代表單載波128 GBd PM-16QAM 和16×8 GBd PM-16QAM 子載波系統(tǒng)下的BER 隨OSNR 的變化曲線。兩種方式對(duì)應(yīng)糾錯(cuò)門限的OSNR 都在23.3 dB左右，與理論值相比代價(jià)約為0.5 dB。因此，在背靠背傳輸條件下，子載波系統(tǒng)的OSNR代價(jià)與單載波基本相當(dāng)。

▲圖3 背靠背單載波系統(tǒng)和子載波系統(tǒng)BER隨OSNR變化曲線

在長(zhǎng)距離傳輸情況下我們對(duì)比了兩種不同架構(gòu)的性能。圖4中黑色曲線表示單載波128 GBd PM-16QAM傳輸下BER隨傳輸距離變化的曲線，其BER 達(dá)到0.02 時(shí)對(duì)應(yīng)第22 跨段（1 760 km）。紅色曲線代表子載波系統(tǒng)中BER（16個(gè)子載波的平均值）隨傳輸距離變化的曲線，其BER 達(dá)到0.02 時(shí)對(duì)應(yīng)第27 跨段（2 160 km）。仿真結(jié)果表明，16×8 GBd 子載波系統(tǒng)明顯要優(yōu)于單載波系統(tǒng)。在達(dá)到相同BER 要求的情況下，子載波系統(tǒng)要比單載波系統(tǒng)多傳輸4～5 個(gè)跨段（320～400 km）。這是因?yàn)樽虞d波架構(gòu)的傳輸方式對(duì)光纖傳輸中產(chǎn)生的非線性效應(yīng)有較好的容忍性。

▲圖4 單載波系統(tǒng)和子載波系統(tǒng)BER隨傳輸距離變化的曲線

2 概率整形技術(shù)

2.1 概率整形原理

1948 年，香農(nóng)在信息論中提出：當(dāng)信源的分布符合信道分布時(shí)，信道的傳輸容量達(dá)到最大。類似地，在光纖通信系統(tǒng)模型中，當(dāng)發(fā)端的離散星座點(diǎn)近似高斯分布時(shí)，傳輸性能達(dá)到最優(yōu)[5]。傳統(tǒng)的QAM 調(diào)制格式的星座點(diǎn)是均勻分布的，每個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)的概率相同。概率整形技術(shù)通過(guò)改變星座點(diǎn)的概率讓其近似高斯分布，進(jìn)而提升傳輸性能。在概率整形技術(shù)中，星座圖中各個(gè)星座點(diǎn)的間隔是等距的，但是每個(gè)星座點(diǎn)具有不同的概率。相比于傳統(tǒng)星座點(diǎn)的等概率分布，概率整形技術(shù)可以讓能量低的符號(hào)比能量高的符號(hào)出現(xiàn)的次數(shù)更多，即能量低的星座點(diǎn)出現(xiàn)概率大。這樣可以降低平均發(fā)射功率，有效應(yīng)對(duì)噪聲等因素帶來(lái)的損傷。概率整形16QAM的互信息高于均勻16QAM，更加接近香農(nóng)容限。

概率整形的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)靈活的頻譜效率調(diào)整，以適應(yīng)不同的信道環(huán)境。改變概率編碼模塊的輸入輸出比例有助于實(shí)現(xiàn)不同方差的高斯分布，調(diào)整有效的傳輸比特個(gè)數(shù)。不同的頻譜效率可以應(yīng)用于200～800 Gbit/s的傳輸速率，滿足長(zhǎng)距離骨干、中距離城際以及短距離數(shù)據(jù)中心等不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

2.2 概率分布匹配器的實(shí)現(xiàn)

分布適配器（DM）是概率整形能夠?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。它的作用是讓均勻分布的01 輸入比特變成非均勻的映射符號(hào)。目前業(yè)界的主流DM 算法為恒定成分分布適配器（CCDM）算法。該算法的性能好，編碼損失小，但是計(jì)算量非常大，主要用于離線實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于級(jí)聯(lián)查找表形式的DM方案（HiDM）。該方案不需要高精度的乘法運(yùn)算，使用二叉樹(shù)形式的并行結(jié)構(gòu)，因此非常適用于硬件實(shí)現(xiàn)。以82輸入128輸出概率整形比例為例，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)5 層級(jí)聯(lián)查找表的DM 實(shí)現(xiàn)方式，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。該結(jié)構(gòu)主要具有以下幾點(diǎn)特征：

▲圖5 82輸入128輸出的HiDM結(jié)構(gòu)圖

1）第n+1層的查找表個(gè)數(shù)是第n層的2倍，可形成二叉樹(shù)形式級(jí)聯(lián)，即Tn+1=2Tn；

2）每層所有的查找表都輸出8個(gè)比特，即Un=8；

3）第n+1層的查找表輸入由第n層的一半輸出（圖中紅色比特值）和該層的凈荷（圖中藍(lán)色比特值）共同構(gòu)成，其中凈荷處于低位。此時(shí)，Vn+1=Sn+1+Un/2；

4）總凈荷比特?cái)?shù)為∑Tn×Sn。

2.3 基于HiDM概率整形的FPGA驗(yàn)證

我們做了仿真和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）實(shí)驗(yàn)來(lái)比較概率整形16QAM的性能優(yōu)勢(shì)。仿真和FPGA實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。可以看出，F(xiàn)PGA 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果高度吻合。在FEC 糾錯(cuò)門限2E-2 處，相比于均勻16QAM，PS-16QAM大概有2.9 dB的信噪比（SNR）優(yōu)勢(shì)。在考慮概率整形編碼冗余之后，PS-16QAM仍然有1.84 dB的凈速率優(yōu)勢(shì)。

▲圖6 PS-16QAM和16QAM仿真和FPGA實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 數(shù)字子載波技術(shù)與概率整形的結(jié)合

在長(zhǎng)距離傳輸中，有些場(chǎng)景會(huì)級(jí)聯(lián)很多個(gè)可重構(gòu)光分插復(fù)用器（ROADM），這會(huì)增加濾波效應(yīng)，進(jìn)而影響傳輸性能。在正交頻分復(fù)用系統(tǒng)（OFDM）中，這種頻率相關(guān)的信噪比衰減損傷通常采用注水算法進(jìn)行補(bǔ)償，即不同的頻段加載不同的調(diào)制格式[7]。數(shù)字子載波和概率整形的結(jié)合就可以達(dá)到類似的效果。對(duì)于靠近中心的子載波，我們可以調(diào)制頻譜效率高的弱整形64QAM；對(duì)于頻率衰減比較嚴(yán)重且遠(yuǎn)離中心的子載波，我們可以調(diào)制頻譜效率低的強(qiáng)整形64QAM，以應(yīng)對(duì)更高的信道損傷和畸變。

4 基于數(shù)字子載波和概率整形技術(shù)的800G現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試

山東聯(lián)通攜手中興通訊進(jìn)行了單波800G現(xiàn)網(wǎng)傳輸測(cè)試。該測(cè)試采用新一代基于數(shù)字子載波和概率整形技術(shù)的800G光傳輸網(wǎng)（OTN）板卡。背靠背測(cè)試系統(tǒng)配置如圖7 所示。該系統(tǒng)最高波特率為95 GBd，調(diào)制格式為PS-64QAM。

▲圖7 800G背靠背測(cè)試配置

▲圖8 給出了背靠背OSNR-PreBER 測(cè)試結(jié)果。單波800G的OSNR容限約為26.2 dB，對(duì)應(yīng)糾錯(cuò)門限為1.9E-2。通過(guò)使用色散預(yù)補(bǔ)償和數(shù)字子載波技術(shù)，該系統(tǒng)支持404 000 ps/nm的色散補(bǔ)償容限。得益于數(shù)字子載波的帶寬優(yōu)勢(shì)，當(dāng)采用95 GBd 的波特率時(shí)，800G 速率只需要100 GHz 的通道間隔，進(jìn)一步提升了頻譜利用率。引入C++波段可提升傳輸帶寬，使整根光纖的傳輸容量達(dá)到48 Tbit/s。通過(guò)采用800G PS-64QAM 調(diào)制方式和C++傳輸系統(tǒng)，現(xiàn)網(wǎng)800G 傳輸完成了1×40、2×40、3×40、1×90 km等應(yīng)用場(chǎng)景測(cè)試。能達(dá)到這樣的測(cè)試效果與概率整形、數(shù)字子載波這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)密切相關(guān)。如果采用常規(guī)的均勻調(diào)制64QAM，800G 速率的OSNR 容限在仿真系統(tǒng)中會(huì)高達(dá)27.5 dB。概率整形將OSNR需求至少降低1.3 dB。數(shù)字子載波的引入同樣顯著提升了色散補(bǔ)償容限。常規(guī)單載波架構(gòu)系統(tǒng)的色散補(bǔ)償能力一般只有20 000～30 000 ps/nm。測(cè)試充分驗(yàn)證了傳輸后OSNR、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、保護(hù)倒換能力、頻譜分配等系統(tǒng)傳輸指標(biāo)。結(jié)果表明，各項(xiàng)性能指標(biāo)表現(xiàn)良好。

▲圖8 800G背靠背測(cè)試系統(tǒng)的OSNR容限

5 結(jié)束語(yǔ)

本文討論了數(shù)字子載波復(fù)用技術(shù)和概率整形技術(shù)在高速相干光通信系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)。數(shù)字子載波技術(shù)可以大幅降低色散補(bǔ)償復(fù)雜度，使非線性損傷容忍度高于單載波，還可以進(jìn)一步節(jié)省帶寬，提高頻譜效率。概率整形技術(shù)可以進(jìn)一步接近香農(nóng)容限，實(shí)現(xiàn)頻譜效率的靈活可調(diào)。數(shù)字子載波復(fù)用技術(shù)和概率整形技術(shù)的聯(lián)合使用，能夠提升系統(tǒng)的ROADM穿通能力和傳輸容量?，F(xiàn)網(wǎng)測(cè)試結(jié)果表明，這兩項(xiàng)技術(shù)在800G相干系統(tǒng)中具有很高的優(yōu)越性。