基于LDPC-OFDM編碼調(diào)制在無源光網(wǎng)絡(luò)的研究

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(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,甘肅 蘭州　730070)

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基于LDPC-OFDM編碼調(diào)制在無源光網(wǎng)絡(luò)的研究

肖梟,趙璐,牛寶

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,甘肅 蘭州730070)

摘要將低密度奇偶校驗(yàn)碼與正交頻分復(fù)用相結(jié)合的編碼調(diào)制方式引入到無源光網(wǎng)絡(luò)中,并通過Optisystem和Matlab進(jìn)行聯(lián)合仿真,研究了基于LDPC-OFDM編碼調(diào)制的PON系統(tǒng)的下行傳輸性能。結(jié)果顯示,由LDPC-OFDM編碼調(diào)制的信號(hào),在無源光網(wǎng)絡(luò)中可以實(shí)現(xiàn)10 Gbit·s(-1)的下行傳輸。在誤碼率均為10(-4)時(shí),基于LDPC-OFDM編碼調(diào)制的系統(tǒng)傳輸性能較未編碼傳輸光有4.2 dB的提升。當(dāng)信噪比>2.6 dB時(shí),Gallager構(gòu)造法較Mackay構(gòu)造法和BIBD構(gòu)造法有更好的誤碼率性能,以及當(dāng)信噪比>4.6 dB時(shí),LLR-BP及其改進(jìn)譯碼算法能使系統(tǒng)性能得到改善。

關(guān)鍵詞低密度奇偶校驗(yàn);正交頻分復(fù)用;無源光網(wǎng)絡(luò)

隨著傳統(tǒng)基于音頻和文本的業(yè)務(wù)正在向基于圖像和視頻業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)變,目前已出現(xiàn)了大量新興互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù),如網(wǎng)絡(luò)電視(Internet Protocol Television,IPTV)、高清電視(High Definition Television,HDTV)、視頻流媒體、互動(dòng)游戲等,以及用戶數(shù)量的不斷增加[1],接入網(wǎng)的帶寬需求快速增長,光纖到戶(Fiber To The Home,FTTH)已成為業(yè)界公認(rèn)的接入網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)。無源光網(wǎng)絡(luò)(Passive Optical Network,PON)采用的是點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),具有帶寬高、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)性好等優(yōu)點(diǎn),已被認(rèn)為是解決寬帶光接入需求的最佳方案。近幾年,正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技術(shù)被引入到PON系統(tǒng)中,形成一種新的光纖接入模式OFDM-PON,其具有傳輸容量大、業(yè)務(wù)調(diào)度及帶寬管理靈活以及抗色散能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[2]。由于無源接入技術(shù)受限于發(fā)射功率,為在不增加系統(tǒng)的光功率預(yù)算前提下提升系統(tǒng)性能,有必要采用前向糾錯(cuò)碼(FEC)技術(shù)獲取高的編碼增益。低密度奇偶校驗(yàn)(Low-Density Parity-Check,LDPC)是于1962年由Gallager提出的一種基于稀疏矩陣的線性碼,Gallager證明了LDPC碼的最小漢明距離隨著碼長增加而線性增加,即LDPC碼是滿足G-V限的漸進(jìn)好碼[3-4]。

本文主要將LDPC編碼與OFDM技術(shù)結(jié)合引入到無源光網(wǎng)絡(luò)中,通過Optisystem和Matlab軟件對(duì)系統(tǒng)的搭建和仿真,實(shí)現(xiàn)了在下行鏈路上基于LDPC-OFDM編碼調(diào)制信號(hào)在20 km單模光纖上的傳輸,并比較了LDPC碼的不同編碼和譯碼方式對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

1無源光網(wǎng)絡(luò)

1.1無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)的基本原理

PON是指在ODN(光配線網(wǎng))中采用光分/合路器或光耦合器等無源器件來分配/匯聚各個(gè)ONU(光網(wǎng)絡(luò)單元)信號(hào)的一種接入網(wǎng),PON 的突出優(yōu)點(diǎn)之一是所有的信號(hào)處理過程都在OLT(光線路終端)和 ONU 處完成,從而消除了戶外有源設(shè)備。在下行方向,PON 通過廣播的方式將信息廣播給各個(gè)ONU,各ONU選擇性接收屬于自己的信息;在上行方向,各ONU為了能實(shí)現(xiàn)信道共享,則需根據(jù)某種多址接入?yún)f(xié)議來實(shí)現(xiàn)。PON的基本組成包括 OLT、ODN、ONU 這3部分,其中OLT可位于交換局內(nèi),也可位于遠(yuǎn)端,它提供網(wǎng)絡(luò)側(cè)與業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)之間的接口,以及分配和控制各信道的連接,對(duì)各個(gè)光電接口實(shí)施監(jiān)控、提供操作、維護(hù)及管理功能,OLT與ONU間的關(guān)系為主從通信關(guān)系;ODN的功能是在OLT和ONU之間建立光傳輸通道,完全由光纖無源器件組成;ONU處于ODN的用戶側(cè),提供直接或遠(yuǎn)端的用戶側(cè)接口[5],PON的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　PON結(jié)構(gòu)示意圖

1.2LDPC碼的構(gòu)造

低密度奇偶校驗(yàn)碼(LDPC)編碼具有較高的編碼增益,在編碼構(gòu)造的設(shè)計(jì)上自由度也較大[6]。它可以通過線性性生成一個(gè)矩陣G將信息序列映射成碼字序列,對(duì)于生成矩陣G,可被一個(gè)奇偶校驗(yàn)矩陣H唯一定義。通過高斯消元法可以將一個(gè)維數(shù)為m×n的H矩陣變成如下形式

(1)

(2)

式中,g表示周長;wc表示列重;d表示編碼的最小距離;?」指取小于或等于所括量的最大整數(shù)值。如何降低編碼過程中相對(duì)較高的時(shí)延和算法復(fù)雜度成為目前LDPC碼亟待解決的問題。

1.3光OFDM調(diào)制基本原理

OFDM是一種頻分復(fù)用技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)子載波域的復(fù)用,利用不同子載波的相互正交性可以避免相互之間的干擾,提高了頻譜利用率和可接入用戶容量。光OFDM發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示,在發(fā)射端,串行輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為速率較低的并行數(shù)據(jù),進(jìn)行星座映射后,通過IFFT變換實(shí)現(xiàn)OFDM信號(hào)的正交調(diào)制,達(dá)到在多個(gè)子信道中并行傳輸,然后加循環(huán)前綴來消除子載波間的干擾,最后進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換形成電域OFDM信號(hào),以上都是電域處理過程,接下來進(jìn)行光調(diào)制,即將電OFDM信號(hào)轉(zhuǎn)換為光OFDM信號(hào)。在接受端,光OFDM信號(hào)首先進(jìn)行光解調(diào)、低通濾波器得到電OFDM信號(hào),然后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換、去循環(huán)前綴、串并轉(zhuǎn)換、FFT變換、解星座映射、并串轉(zhuǎn)換獲得輸出數(shù)據(jù)[7]。

圖2　光OFDM中發(fā)射機(jī)和接收機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

2系統(tǒng)構(gòu)建

基于LDPC-OFDM編碼調(diào)制的無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基本原理如圖3所示。光OFDM的檢測(cè)方式主要是相干檢測(cè)和直接檢測(cè)兩種方式,在本文系統(tǒng)構(gòu)建中采用光直接檢測(cè)方式進(jìn)行接收,主要目的是考慮現(xiàn)實(shí)中無源光網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離及成本因素[2,8]。

在發(fā)射端中,LDPC編碼模塊先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼,編碼過程在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行,然后數(shù)據(jù)被送至OFDM下行發(fā)射模塊,在這個(gè)模塊中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行OFDM調(diào)制,調(diào)制后的數(shù)據(jù)通過上變頻后便得到下行射頻OFDM信號(hào),最后將信號(hào)經(jīng)光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)電到光的轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生下行光OFDM信號(hào),下行光信號(hào)經(jīng)過一個(gè)光環(huán)路器(OC)被發(fā)送至光纖信道進(jìn)行下行光鏈路傳輸至ONU。光信號(hào)經(jīng)過一個(gè)光分/合路器后被分為若干束,最后傳送給各個(gè)ONU。在此過程中,OFDM的形式可以描述為

s(t)=exp(j2πf0t)+β·sB(t)·exp(j2π(f0+Δf)t)

(3)式中,s(t)為光OFDM信號(hào);f0為主載波頻率;β為比例系數(shù),用來描述主載波能量和OFDM頻帶之間的關(guān)系;sB(t)為基帶OFDM信號(hào);Δf為光主載波與OFDM頻帶之間的保護(hù)帶寬?；鶐FDM信號(hào)sB(t)可以表示為

(4)

式中,Nsc為子載波個(gè)數(shù);ck為第k個(gè)子載波OFDM符號(hào);fk為第k個(gè)子載波的頻率。光OFDM信號(hào)經(jīng)過帶色度色散的光纖后,根據(jù)式(3)可得光纖信道輸出光OFDM信號(hào)為

(5)

(6)

其中,φD(fk)為第k個(gè)子載波色度色散引起的相位延遲;Dt為所積累的色度色散;fo為光OFDM頻譜的中心頻率;c為光速。

在接收端,各個(gè)ONU的下行光OFDM信號(hào)經(jīng)過光環(huán)形器后進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生下行射頻OFDM信號(hào),再進(jìn)行下變頻得到下行基帶OFDM信號(hào),然后在譯碼模塊進(jìn)行譯碼,獲得原始數(shù)據(jù)。在接收光OFDM信號(hào)時(shí)采用直接檢測(cè)方式,探測(cè)到的光電流信號(hào)可以表示為

(7)

式中,第一項(xiàng)為直流分量,在系統(tǒng)中可以用一個(gè)隔直電容將其去掉;第二項(xiàng)是構(gòu)成OFDM信號(hào)的基本項(xiàng),需要將其恢復(fù);第三項(xiàng)是二階非線性項(xiàng),是需要剔除的干擾項(xiàng)。

上行數(shù)據(jù)則采用合適的調(diào)制方式調(diào)制,經(jīng)電光轉(zhuǎn)換后回傳至OLT,在OLT中,再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和解調(diào)后得到上行數(shù)據(jù)。

圖3　LDPC-OFDM編碼調(diào)制無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3仿真實(shí)驗(yàn)

本文主要利用Optisystem和Matlab聯(lián)合對(duì)基于LDPC-OFDM編碼調(diào)制PON系統(tǒng)的下行傳輸性能進(jìn)行仿真。首先利用計(jì)算機(jī)編程,采用了碼率為0.8,圍長為6的LDPC(5 120,4 096)進(jìn)行編碼,OFDM信號(hào)的映射方式采用4QAM,子載波個(gè)數(shù)為512,過采樣率為2,射頻載波頻率為10GHz。然后由任意波形發(fā)生器產(chǎn)生10Gbit·s-1的編碼調(diào)制數(shù)據(jù),利用光強(qiáng)度調(diào)制器(IM)外調(diào)制DFB-LD產(chǎn)生下行光。OLT下行發(fā)射光載波數(shù)取值為8,頻率分布依次為193.1～193.8THz。產(chǎn)生的下行編碼調(diào)制光信號(hào)經(jīng)光配線網(wǎng)絡(luò)(ODN)傳遞給光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)。其中,ODN由20km單模光纖(SMF)和分光器構(gòu)成,ONU的個(gè)數(shù)為8。在ONU端,下行信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后由實(shí)時(shí)示波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣,最后經(jīng)解調(diào)制和譯碼后得到下行數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4　LDPC-OFDM編碼調(diào)制的PON系統(tǒng)性能圖

仿真結(jié)果分別顯示了20km未編碼,背靠背(B-to-B)未編碼和基于LDPC-OFDM編碼調(diào)制的20km下行信號(hào)傳輸性能。從圖中可見,在誤碼率(BER)為時(shí),基于LDPC-OFDM編碼調(diào)制的無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)OSNR=5.4dB,傳輸性能較未編碼傳輸光OSNR=9.6dB降低了4.2dB,而與未編碼背靠背傳輸光OSNR=8.1dB相比,有2.7dB的提升?？梢?采用LDPC-OFDM編碼調(diào)制對(duì)系統(tǒng)的性能有了明顯改善。

如圖5所示,分別采用了Gallager構(gòu)造法、Mackay構(gòu)造法和BIBD構(gòu)造法對(duì)LDPC碼進(jìn)行編碼。結(jié)果顯示,當(dāng)信噪比<2.6dB時(shí),Mackay構(gòu)造法和BIBD構(gòu)造法具有較好的誤碼率性能;當(dāng)信噪比>2.6dB時(shí),Gallager構(gòu)造法具有較好的誤碼率性能,當(dāng)信噪比為5dB時(shí)誤碼率能達(dá)到10-3。

圖5　不同編碼算法下的誤碼率曲線

不同譯碼算法下的性能曲線圖如圖6所示,圖中顯示了針對(duì)LLR-BP算法及其改進(jìn)算法和比特翻轉(zhuǎn)算法(BF)的仿真誤碼率曲線。結(jié)果顯示,當(dāng)信噪比<4.6dB時(shí),比特翻轉(zhuǎn)法有更好的誤碼率性能;當(dāng)信噪比>4.6dB時(shí),LLR-BP算法以及基于LLR-BP改進(jìn)算法有更好的誤碼率性能,而且改進(jìn)的LLR-BP算法降低了計(jì)算復(fù)雜度,使得在高信噪比環(huán)境下有更好的性能改善。

圖6　不同譯碼算法的誤碼率曲線

4結(jié)束語

本文主要研究了LDPC-OFDM編碼調(diào)制在無源光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用,通過理論分析和Matlab、Optisystem的聯(lián)合仿真表明,在20km單模光纖上,由LDPC-OFDM編碼調(diào)制的信號(hào)在無源光網(wǎng)絡(luò)中可以實(shí)現(xiàn)10Gbit·s-1的下行傳輸。而且在誤碼率為10-4時(shí),較未編碼20km傳輸光要求有4.2dB的提升,較未編碼背靠背傳輸有2.7dB的提升。最后通過對(duì)LDPC碼的不同編碼和譯碼方式研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)信噪比>2.6dB時(shí),Gallager構(gòu)造法較Mackay構(gòu)造法和BIBD構(gòu)造法有更好的誤碼率性能,以及當(dāng)信噪比>4.6dB時(shí),LLR-BP及其改進(jìn)譯碼算法可使系統(tǒng)性能得到改善。

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Research on and Simulation of LDPC-OFDM CodedModulation Based on Passive Optical Network

XIAO Xiao,ZHAO Lu,NIU Bao

(School of Electronic and Information,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

AbstractThe low-density parity-check codes and orthogonal frequency division multiplexing are used in the passive optical network in this paper,and the downlink transmission performance of PON system based on LDPC-OFDM is simulated by using Optisystem and Mablab.The results show that the 10 Gbit·s(-1) LDPC-OFDM coded modulation signal can be realized in the downlink transmission in passive optical network.The transmission performance of the system based on LDPC-OFDM is improved by 4.2 dB over that of the uncoded modulation at the bit error rate of.When the SNR is greater than 2.6 dB,the Gallager method has better error rate performance than the Mackay method and BIBD method,and the system has better performance with LLR-BP or its improved algorithm when the SNR is greater than 4.6 dB.

Keywordslow-density parity-check;orthogonal frequency division multiplexing;passive optical network

中圖分類號(hào)TN929.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)04-154-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.041

作者簡(jiǎn)介:肖梟(1989—),男,碩士研究生。研究方向:光通信。

收稿日期:2015- 09- 02