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1、密级: 保密期限: 硕士研究生学位论文题目:应用于偏振模色散补偿系统中的前向纠错技术的研究学 号: 086871 姓 名: 颜 菲 专 业: 物理电子学 导 师: 张晓光 学 院: 信息光子学与光通信研究院2011 年 01 月 15 日Forward Error Correction applied to Polarization Mode Dispersion Compensation SystemA dissertation submitted to Beijing University of Posts and Telecommunications for Master DegreeB
2、yYan FeiSupervised byProf. Zhang Xiaoguang2011.01.15摘 要 光纤通信使高速率、大容量、长距离的通信成为现实和未来发展的趋势。具有损耗低、传输频带宽容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点。在光纤通信系统中,早期由于光纤及与系统相关的光电子器件的发展,系统性能优于一般电缆及无线通信,因而无需采用前向纠错(FEC)技术;另一方面由于光传输信息速率相对较高,没有与其匹配的纠错编译码器。直到光传输速率提高到Gb/s,并且光放大延长了无中继传输距离后,一些在短距离、低速率系统中表现不明显的因素如偏振模色散等,限制了系统性能的进一步改善,于是才
3、开始了将FEC应用于光通信系统的研究。低密度奇偶校验码(LDPC codes)是性能接近香农极限的“好”码且编译码复杂度相对较低。将偏振模色散补偿和偏振模色散缓解(前向纠错技术)结合使用,具有一定的理论价值和实用价值。论文主要有如下内容:u 简单介绍了光纤传输过程中的偏振态的表示方法、偏振模色散的产生机制以及偏振模色散补偿方案及控制算法等。u 介绍了前向纠错(FEC)的一些基本概念和FEC中目前理论性能最优秀的低密度奇偶校验码(LDPC codes)的定义、H矩阵构造方法、常用译码方法:和积算法(SPA)和比特反转算法(bit-flipping)。u 分析比较了LDPC码在高斯信道与在有PMD
4、模拟器的光纤传输中的纠错性能,并进行了数值模拟,结果表明LDPC码对于降低光纤传输系统的误码率,提高系统PMD的容忍度起到了很好的作用,对10Gb/s的OOK信号补偿和译码,可以将BER降低47dB。u 建立LDPC与LDPC交织级联的FEC方案并集合偏振模色散补偿系统的数值仿真模型,结果分析表明,对偏振模色散的补偿和缓解器起到了一定的效果,提高了误码率和对PMD的容忍度。u 建立了LDPC与RS级联交织的增强型FEC方案并结合偏振模色散补偿系统。结果分析发现,对偏振模色散的补偿起到了一定的效果,降低了误码率,提高了偏振模色散的容忍度,对40Gb/s的OOK信号补偿和级联交织译码后,BER降低
5、了至少6dB。关键词:前向纠错 低密度奇偶校验码 偏振模色散 里德所罗门码 级联码AbstractOptical fibre communications have been expected to be a high-speed and high-capacity communication, which has a lot of advantages such as low loss, high spectra capacity, small size, low weight. In the early period, due to the development of optical f
6、ibre and relevant optoelectronic equipments and devices, system performance was so good that forward error correction technique was not even needed to be used in fibre communication system, and the relatively faster optical information rate made that error correction did not match the codec with the
7、 transmission system. Until the light transmission rate gone up to the Gb/s , and the transmission distance without repeaters had been extended by the applying of optical amplification, some factors such as polarization mode dispersion, were found to be bottleneck in the further improvement of syste
8、m performance, while these factors in the short-range, low-rate system was not obvious , . So the research of FEC applied in optical communication system started. LDPC code is near the Shannon limit performance of good code and the decoding complexity is relatively low. The polarization mode dispers
9、ion compensation and polarization mode dispersion mitigation (FEC) in combination has some theoretical and practical value.u Brief introduction oftheproduction mechanism ofpolarization mode dispersion, the representation of state of polarization(SOP)and the relatedconcept of feedback controlalgorith
10、m forpolarizationmode dispersion.u Introduction of some basic concepts and the definition of low-density parity-check (LDPC) codes (which currently has the best theoretical performance), the method for constructing and the H matrix, and some commonly used decoding method, such as (SPA ) and bit reve
11、rsal algorithms (bit-flipping).u LDPC codes are compared with the Gaussian channel is transmitted in optical fibre transmission error correction performance of the simulator, numerical simulation and the specific discussion, concluded that the LDPC codes for optical fiber transmission to reduce the
12、error rate and improve the tolerance of PMD Played a good role. Obtained simulation result of 56dB BER improvement for 10Gb/s OOK transmission by using both PMDC and LDPC.u The error correction performance of LDPC codes in the Gaussian channel and the optical fiber transmission system with PMD simul
13、ator have been simulated and compared. It has been proofed that he LDPC codes for optical fiber transmission could reduce the error rate and improve the tolerance of PMD. And the simulation result of 47dB BER improvement for 10Gb/s OOK transmission by using both PMDC and LDPC has been obtained.u Est
14、ablishment of LDPC and LDPC FEC scheme interwoven cascade of polarization mode dispersion compensation system, a collection of numerical simulation model to analyze the results of polarization mode dispersion compensation and mitigation devices to a certain effect and improve the BER and the toleran
15、ce of PMD Degrees. Established cascade LDPC and RS FEC programs intertwined with enhanced polarization mode dispersion compensation system, to analyze the results showed that the compensation of polarization mode dispersion played a certain effect and improve the bit error rate, and increased the po
16、larization mode dispersion tolerance. Obtained simulation result of at least 6dB BER improvement for 40Gb/s OOK transmission by using PMDC and eFEC.Key words: forward error correction, LDPC codes, PMD, RS codes, Concatenated code目 录第一章 概述11.1 通信和通信系统11.2 偏振模色散补偿11.3 前向纠错的发展历程21.4 LDPC码的应用前景41.5 论文的结
17、构安排5第二章 偏振模色散的基本理论92.1 偏振光基本概念92.2 偏振态的表示方法92.2.1 琼斯矢量92.2.3 斯托克斯(Stokes)矢量102.2.3 邦加球的表示方法112.3偏振模色散的产生142.4 偏振模色散补偿控制技术142.4.1光域偏振模色散补偿方案152.4.2偏振模色散补偿单元152.4.3 偏振模色散监测模块162.4.4反馈控制模块162.5 PSO算法172.5.1 PSO算法的搜索算法流程182.5.2 PSO跟踪算法流程192.6本章小结20第三章 LDPC码基本原理和编译码方法223.1 前向纠错技术概述223.2 分组码223.3 低密度奇偶校验码
18、概述233.4 LDPC码的分类243.5 LDPC规则码随机构造方法243.5.1 构造规则码校验矩阵的要求243.5.2 LDPC码基于行分裂和列分裂的构造方法243.6 LDPC码的译码算法253.6.1 比特翻转译码算法263.6.2置信传播译码算法273.7 本章小结37第四章 前向纠错性能仿真以及在光纤PMD补偿系统中应用仿真404.1 LDPC码译码性能仿真分析404.2 LDPC码应用于PMD补偿424.3 FEC编码应用于有PMD补偿器的系统434.4 增强型FEC应用于有PMD补偿器的系统444.5 本章小结46攻读硕士期间发表论文情况48致谢49第一章 概述自从出现了人类
19、,就有了伴随人类的通信系统。打手势、书信往来、电报、广播、电话、电视等都是传递消息的方法,都是通信。通信的目的就是传递消息,传输信息。近代以来的通信就是借助电信号抑或光信号以及相关的的设备来完成的。1.1 通信和通信系统信源、信道和信宿即可构成最简单的通信系统。通常说起来,提供消息的设备、人或者物体就可以称之为信源。而接收消息的设备、人或者物体就是信宿。中间用来传递信息的通路,从信源到信宿间传递物理信号的传输介质和设施就是信道。数字通信系统中有两个问题:有效性和可靠性。数字通信的有效性主要体现在一个信道通过的信息速率来体现,是数字通信中信源编码的主要问题。信源编码技术使得用尽量少的马子符号来描
20、述语音、图像等消息。可靠性说明信宿对接收到的消息进行判断评估、去伪留真处理的能力,是数字通信中信道编码的主要任务。可靠性主要可以用误码率和误比特率来衡量,所以提高可靠性,主要任务就可以看做让误码率或者误比特率尽量小的工作。而信息论最初就是为了解决通信系统的有效性和可靠性而建立并发展起来的。而传输过程中,数字信号因为受到各种噪声和干扰的影响,其信号码元的波形一定程度上遭到破坏,导致在传输到接收端会出现误判决。普遍实际存在的加性噪声的干扰影响,通常有几种常见方法可以提高可靠性,采用更好的调制格式、采用更好的解调方式,增大发射功率,还有运用好的差错控制编码。纠错编码技术可以保证通信系统的数据可以可靠
21、地传输,具体的做法是在信源处在需要传输的信息中加入一些具有一定相关性的校验码,使得信宿出可以检测到错误并且能够纠正错误,通过这样的处理达到改善通信性能的效果,提高数据传输质量,降低比特误码率,降低发射功率等。1.2 偏振模色散补偿光纤由于制造工艺的缺陷造成截面并非圆形,或者由于受到挤压、扭曲、温度、电磁场等因素的影响造成其中传输的两个正交模式的传播速度不同,发生“走离”,这种现象称之为偏振模色散(PMD:polarization mode dispersion)。光纤PMD的大小一般用PMD系数表示。目前的光纤通信系统主要采用普通单模光纤(G.652),ITU-T规定G.652光纤的PMD系数
22、小于。新型光纤的PMD系数一般比较小,但是早些时间铺设的光纤PMD系数都较大。如果对骨干网铺设的光纤进行升级,成本将非常昂贵,所以需要研究偏振模色散补偿技术以缓解光纤中的PMD对信号造成的影响。对于光信号在传输过程中的损伤,由于色度色散和非线性在光纤中较为稳定,易于补偿,因而目前的研究较为成熟,然而,对于PMD,由于其随机性,目前尚无非常成熟的补偿技术。已有的偏振模色散缓解和补偿技术分为电域补偿和光域补偿19。其中,电域补偿主要采用电均衡技术,其特点是结构紧凑,能够修复由于多种原因引起的信号恶化。但是,电域补偿的设备比较复杂,补偿量有限,且受电子器件速率瓶颈的限制,不适于40Gb/s及其以上的
23、系统。光域补偿主要采用反馈控制的方式,通过算法实现对偏振模色散的缓解。其特点是结构简单、成本低、补偿量大,控制信号敏感度高,且响应速度较高,没有器件瓶颈的限制20。此外,可以采用对偏振模色散容忍度高的码型来缓解信号损伤。当然,也可以将上述三种方案两两结合,来缓解偏振模色散对光纤通信信号质量的影响,比如目前研究较多的结合采用多级相位调制码和光域补偿技术。2000年康宁公司推出第一款10Gb/s的偏振模色散补偿器,Yafo公司也先后推出了Yafo10(10Gb/s)、Yafo40(40Gb/s)的偏振模色散补偿器,采用的都是光域补偿的方案。2008年,日本OKI公司采用CSRZ码型,实现了从东京到
24、大阪速率高达160Gb/s的传输,在接收端采用的也是光域的偏振模色散补偿器,它所采用的反馈控制算法粒子群优化算法(PSO:particle swarm optimization)最早在OFC2004报道首次被应用到偏振模色散补偿领域21,此后相继在OOK、DPSK、DQPSK及8-DPSK系统中被验证适宜用于偏振模色散自适应补偿器。1.3 前向纠错的发展历程前向纠错的故事要从上个世纪40年代开始说起。当时的R.W.Hamming发明了汉明码,用来纠正矩阵式打孔计算机的读卡错误。几乎与此同时,C.E.Shannon 发表了他那篇开创新时代的论文通信的数学理论,就有噪信道上可靠的数据传输限制进行研
25、究,并建立了信息论。Shannon在信息论里主要讨论了信息的度量、信息传输的基本限制等,给信道编码技术建立了理论依据。随后的50年代和60年代,如循环码、Bose-Chaudhuri-Hocquenghem ( BCH)码、Reed-Solomon(RS)码、卷积码等码型相继被发明出来。再后来的十多年里,一些高效译码算法被提出。如BCH码和RS码所用的Berlekamp-Massey算法和欧几里得(Euclid)算法,还有应用于卷积码的维特比(Viterbi)算法。一直以来,在无线数字通信系统和卫星通信系统中,科研人员投入大量努力,为了找到高效的应用FEC的方法。然而在光通信领域,很长一段时间
26、以来,前向纠错技术都处于被忽略的状态。这是因为相较于典型的无线和卫星通信10-3至10-5的BER,在以前的光纤通信系统中,信号传输有着很高的数据完整性,其误码率(Bit error ratios,BER)可以达到10-9到10-15。在1988年,Grover发表了一篇在光纤通信系统中应用FEC的实验报告。实验中用的是(224,216)的缩短的Hamming码,冗余为3.7%,码率0.96。应用于单支路565Mb/s信号,在输出端BER达到10-13,获得了2.5dB的FEC编码增益。 1990年以后,才第一次完备成熟地将FEC部署于实际系统之中:潜水艇系统的光传输系统。在潜水艇的光缆系统之
27、中应用的是众所周知的分组码:BCH码和RS码。特别的,(255,239)的RS码大范围的被应用于长距离传输系统之中,并被推荐作为ITU-T G.975和G.709的标准。紧接着,为了避免编码产生的不必要的线路速率的增加,科研人员开始研究应用于地面上通信系统中的带内FEC (in-band FEC)。基于这一阶段的FEC译码方法都是硬判决的,我们可以称这段时期的FEC为第一代FEC。随着波分复用技术(wavelenth-division multiplexing, WDM)的成熟,系统设计者们开始寻找可以超过第一代的、更强大、性能更好的FEC编码。在随后的几年间,多种强大的编码方式陆续出现,大多
28、基于级联码的形式,如RS(239,223)+RS(255,239)的级联码。这一类以硬判决为译码方法的级联码,我们称之为第二代FEC。交织和迭代译码技术一起与级联共同应用,以达到改善纠错性能的效果。ITU-T G.975.1标准中就列出了多种级联码,如:自正交卷积RS码(255,239)的净增益(Net Coding Gain,NCG)可以达到8.3dB,两个正交交织的BCH码的净增益可以达到9.4dB。目前的研究人员的研究兴趣集中在两个方面,并且很快地取得了成果:一、比二代效果更好的FEC;二、更深度的用于传输损伤的FEC。342001年以前,为了能够向消费者提供多媒体的应用,全世界数以亿计
29、的金钱投资给了电信公司。这一个时期被称作IT泡沫时代,全世界范围内经济分析师都十分看好电信业,在一个全球约有几乎17.5亿人经常使用互联网的时代,像北美这样的大洲约有75%的人口的日常生活都要依靠互联网的时代,高速、可靠的通信系统变得异常重要。在上两个十年里,互联网的使用上发生了彻底的变化。90年代初期,互联网络主要由以文本和链接为主要内容的页面组成,而用户的数量还不到人口数的1%,其中有25%的用户将互联网做为日常生活的基础。现在,有各种各样的方法,可以让人在任何地方接入互联网。而像视频流媒体、文件分享、动态页面、VoIP电话、视频会议等这些网页上的多媒体内容不再需要严格地限定尺寸大小和质量
30、,所有这些变化主要是持续增长的高速传输速率来支持的。而传输速率的大幅提高有赖于研究人员的不断努力。长距离高标准的情况下,需要使用光纤传输系统。因为,为了满足需求,光纤传输系统必须能够提供更高的速度和更高的可靠性。近年来,对带宽的需求驱动着密集波分复用(the Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM)网络从10Gb/s每信道升级到更有效率的40Gb/s甚至100Gb/s每波长信道,1.4 LDPC码的应用前景LDPC全称低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check Codes),是一种线形分组码,它通过一个生成矩阵G将信息序列
31、映射成发送序列,也就是码字序列。对于生成矩阵G,完全等效的存在一个奇偶校验矩阵H,所有的码字序列V构成了H的零空间。LDPC码的奇偶校验矩阵H是一个稀疏矩阵,相对于行与列的长度(N,M),校验矩阵每行、列中非零元素的数目(我们习惯称作行重、列重)非常小,这也是LDPC码之所以称为低密度码的原因。最近几年,国外在LDPC编码、迭代译码等的理解和设计方面大规模开展研究,取得了重要进展或突破。许多论文被IEEE收录,如IEEE Transaction on Information Theory,IEEE Communications Magazine等。一些重要进展或突破举例分析如下:LDPC码的迭
32、代译码是说明迭代信号处理的典型例子。这主要由于LDPC码的简单性使得关键思想特别明显。现在,LDPC码的设计改进和硬件实现,利用了它的基础简单性,生产出性能接近甚至超过Turbo码的系统,但所需复杂度降低。迭代译码系统采取完全不同的研究途径。基本概念如下:因信息比特与校验比特之间的关系(冗余度结构)式描述简单,允许本地节点简单译码。码的本地描述是以复杂方式相互连接的,引入了比特之间的长距离关系为代价。好的LDPC码关键在于要有好的码性能和需要较少的译码时间。LDPC码结构才可用几何方法、图论方法、实验设计方法和置换方法等来设计。在寻找码的结构方面,Mackay等提出对非规则码采用先选择轮廓再选
33、择结构的两步选择方法,并指出,能快速编码的LDPC码的校验矩阵通常具有下三角的结构。一些学者提出:通过优化非正则图的次数结构来寻找逼近容量的非正则LDPC码。探讨了要获得高效编码器,如何确定校验矩阵稀疏度的问题,以及如何构造码使得编码时间与码块长度实际上符合线性关系,而不是通常认为的平方关系等问题。M. G. Luby等也提出了一类基于级联二分图的LDPC码,用于可擦除信道,不仅可以实现线性时间编码,也能实现线性时间译码。D.A.Spielman开发了一种试探法来寻找非正则LDPC码参数的分布,据此构建了在很低信噪比下误码率低于Turbo的码率为1/2的LPDC码。更有学者探讨了基于有限几何学
34、的LDPC码结构。译码算法的改进和优化离不开译码性能的分析。对于消息传播的译码器的性能分析时,当码的长度有限时,分析将很困难,而当允许码长趋于无限时则可大大简化分析。T. J. Richardson和R. L. Urbanke把译码算法从二元的条件推广到各类信道模型,对于具有离散或连续输出字符集的任何二元输入无记忆信道,提出了一种通用的方法,即采用消息传播MP算法译码提高LDPC的性能。国外在硬件方面的研究也取得了很多成果。美国Flarion Technology公司实现了可编程LDPC译码器。美国Digital fountain公司有一个LDPC码研究的工作团队,他们为删除信道分析了LDPC
35、码。美国Lucent公司在为光纤网络实现了LDPC码,器件运行在100Gbit/s吞吐量,编码比率为0.93,目标误码性能达到10-15 。LDPC码被美国喷气推进实验室推荐给美国航天数据系统顾问委员会并被采用。存储器工业界也对LDPC码表现出了浓厚的兴趣,要把LDPC码应用到下一代存储器件中。23在ECOC2009会议上,日本Mitsubishi Electric Corporation 的T. Mizuochi, Y. Konishi等人的论文展示了一个100Gb/s DP-QPSK光传输系统的FEC原型机,采用的是LDPC码与RS码级联,总的冗余为20%,误码性能能够从10-3经过补偿到
36、 10-13。8LDPC码性能优良,其应用前景广阔,值得投入研究。1.5 论文的结构安排本文做如下安排,首先第二章介绍偏振模色散相关的理论知识,包括表示方法,补偿器结构,PSO补偿算法。第三章介绍前向纠错技术的理论知识,从线性分组码的基本概念写到LDPC的编码、解码算法第四章运用FEC技术结合PMD补偿器对高速光纤传输过程中PMD造成的信号损伤的缓解和恢复进行仿真运算。参考文献:1Proakis, G. John,“Digital Communications,”第四版,电子工业出版社,20062周炯磐,庞沁华,续大我等,“通信原理”,北京邮电大学出版社,20083 Jianjun Yu, X
37、iang Zhou, Ming-Fang Huang, et al, “Transmission of hybrid 112 and 44 Gb/s PolMux-QPSK in 25 GHz channel spacing over 1600 km SSMF employing digital coherent detection and EDFA-only amplification”C, OFC2009, paper OThR3, 2009.4 R.G. Gallager,“Low Density Parity Check Codes,” IRE Trans. Inform. Theor
38、y,IT-8:21-28, January 19625 R.G Gallager,Low Density Parity Check Codes,MIT Press,Cambridge,19636 D.J.C Mackay,R. M Neal,“Near Shannon Limit Performance of Low Density Parity Check Codes,” Electron. Lett. ,32(18):1645-1646,19967 张晓光,“光纤偏振模色散的缓解与补偿技术研究与进展”J,中国激光,2009,36(3):525539.8 T Mizuochi, Y Koni
39、shi, Y Miyata, T. Inoue, K. Onohara , S. Kametani, T. Sugihara, K. Kubo, T. Kobayashi, H. Yoshida and T. Ichikawa “FPGA based Prototyping of Next Generation Forward Error Correction”, ECOC2009, paper5.4.19 张晓光,“光纤偏振模色散自适应补偿系统的研究”D,北京邮电大学,2004.10 王新梅,肖国镇,纠错码原理与方法. 西安电子科技大学出版社,200111 T. Richardson, R
40、Urbanke, “The Capacity of Low-Density Parity Check Codes Under Message-Passing Decoding,”IEEE Trans. Inform. Theory,47: 599-618,February 200112 Xiaoguang Zhang, Li Yu, Yuan Zheng, et al, “Adaptive PMD compensation using PSO algorithm”C, OFC2009, paper ThF1, 2003.13 A.Hidayat, B.Koch, V.Mirvoda, H.Zh
41、ang, et al, “Fast Optical Endless Polarization trackingwithLiNbO3 Component”C, OFC2008, paper JWA28.14 刘慧洋,许玮,段高燕,席利霞,张晓光,“光DQPSK调制格式原理及仿真”J,光通信技术,16.15 G. J. Foschini, C. D. Poole, Statistical theory of polarization dispersion in single mode fibers, J. Lightwave Technology., 1991,9(11):1439-1456.16
42、 G. J. Foschini, L. E. Nelson, R. M. Jopson, et al., Probability densities of second order polarization mode dispersion including polarization dependent chromatic fiber dispersion, IEEE Photon. Technol. Lett., 2000, 12(3):293-295.17 G. Shtengel, E. Ibragimov, M. Rivera et al, Statistical dependence
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45、EE Photo. Tech. Lett., 1992, 4:1066-1069.22 赵鑫媛,刘慧洋,王少康,张晓光,“光的8-DPSK调制解调原理及偏振模色散补偿性能分析”J,光学学报,2009,29:1116.23 贺鹤云, LDPC码基础与应用,第一版,北京:人民邮电出版社,2009.724 M. Esmaeili, M.H. Tadayon, A novel approach to generating long LDPC codes using two configurations, IET Commun 2 (4) ,2008, pp. 587597.25 胡辽林,刘增基,“光纤
46、通信的发展现状和若干技术,”电子技术, 2004年第2期,pp3-10。26 Xiaoguang Zhang, Li Yu, Yuan Zheng, Yu Shen, Guangtao Zhou, and Bojun Yang,“Adaptive PMD compensation using PSO algorithm,” OFC2004, Los Angeles, CA, Paper ThF1, 2004.27 Xiaoguang Zhang, Li Yu, Yuan Zhang, Yu Shen, Guangtao Zhou, Lin Chen, Lixia Xi,Tiecheng Yua
47、n, Jianzhong Zhang, and Bojun Yang, “Two-stage adaptive PMD compensation in a 10Gbit/s optical communication system using particle swarm optimization algorithm,” Opt. Commun., Vol. 231, pp233-242, 2004.28 A.Chiu, R.Doverspike, G.Li, J.Strand, “Restoration Signaling Protocol Design for Next-Generation Optical Network1”C, OFC2009, paper NTuC2, 2009.29 Xiang Zhou, Jianjun Yu, Mei DU, Guodong Zhang, “2Tb/s(20*107Gb/s) RZ-DQPSK straight-line transmission over 1005km of standard single mode fiber (SSMF) without Raman amplification”, OFC