抑制多用戶干擾的串行反饋干擾抑制算法研究

蘇國瑞,林浩坤,蒲濤*,鄭吉林,譚業(yè)騰,牟衛(wèi)峰

(1陸軍工程大學(xué)通信工程學(xué)院,江蘇 南京 210007;2華中科技大學(xué)軟件學(xué)院,湖北 武漢 430070;3國防科技大學(xué)信息與通信學(xué)院,湖北 武漢 430010)

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與業(yè)務(wù)的高速發(fā)展,具有多業(yè)務(wù)支持和靈活帶寬能力的新型接入網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)成為當(dāng)前關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。光碼分多址(OCDMA)技術(shù)因具有異步接入,數(shù)據(jù)的高速傳輸、交換,靈活網(wǎng)絡(luò)接入等優(yōu)點(diǎn),成為一種極具吸引力的、靈活的接入體系結(jié)構(gòu)[2]。通過改變接入用戶的碼字參數(shù),可以直接支持物理層的多業(yè)務(wù)和多速率傳輸需求,實(shí)現(xiàn)魯棒性、大容量的無源光網(wǎng)絡(luò)[3]。

OCDMA系統(tǒng)是一種噪聲受限系統(tǒng),其傳輸性能主要受多用戶接入引入的多用戶干擾(MAI)和差拍噪聲的影響。隨著系統(tǒng)承載用戶數(shù)的增加,目標(biāo)用戶受到其他用戶帶來的多用戶干擾和差拍噪聲的影響急劇增加,用戶傳輸性能受到影響。

為進(jìn)一步抑制多用戶干擾,改善用戶傳輸性能,提高OCDMA傳輸系統(tǒng)承載用戶數(shù),研究者通過構(gòu)造自、互相關(guān)性能好的地址碼字方法抑制多用戶干擾。如:帕斯卡三角模式構(gòu)造零相關(guān)碼字[4]、可變的互相關(guān)碼字[5]等;通過采用光時(shí)間門技術(shù)對時(shí)隙外各種噪聲進(jìn)行抑制[6,7];通過采用光纖非線性閾值方法抑制系統(tǒng)噪聲[8,9];通過采用互補(bǔ)接收抑制方法抑制碼字之間的互相關(guān)干擾[10]。上述四種抑制方法都是將多用戶干擾作為一種隨機(jī)噪聲進(jìn)行抑制,實(shí)現(xiàn)了抑制多用戶干擾的目的。但是,這些方法不僅沒有完全抑制OCDMA系統(tǒng)中的多用戶干擾,還提高了系統(tǒng)成本,嚴(yán)重影響了OCDMA-PON接入網(wǎng)的發(fā)展。

借鑒電CDMA系統(tǒng)中多用戶檢測技術(shù)的思路[11],將OCDMA傳輸系統(tǒng)中的多用戶干擾看作是一種可估計(jì)、可去除的“有效信號”,可以從接收信號中進(jìn)行重構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)對多用戶干擾的抑制?；谶@一抑制多用戶干擾的新思路,采用現(xiàn)有成熟的、高采樣速率的數(shù)字信號處理技術(shù)[12,13],在電域中對接收信號進(jìn)行多用戶干擾的重構(gòu)、抑制,不僅可以減少為抑制噪聲增加的系統(tǒng)成本,還較好地抑制了多用戶OCDMA系統(tǒng)中的多用戶干擾,改善了系統(tǒng)的傳輸性能。

目前為止,采用數(shù)字信號處理算法抑制OCDMA系統(tǒng)中的多用戶干擾、改善系統(tǒng)傳輸性能的工作還未見報(bào)道。本文基于將多用戶干擾看作可重構(gòu)的“有效信息”的新思路,提出了一種基于數(shù)字信號處理技術(shù)的串行反饋干擾抑制算法,抑制系統(tǒng)中的多用戶干擾。同時(shí),搭建了2用戶同步接入頻譜幅度編碼OCDMA系統(tǒng)仿真平臺,并進(jìn)行了系統(tǒng)仿真驗(yàn)證。

1 串行反饋干擾抑制算法

1.1 多用戶OCDMA傳輸系統(tǒng)噪聲模型

OCDMA傳輸系統(tǒng)模型及噪聲分布如圖1所示。脈沖光源經(jīng)過強(qiáng)度調(diào)制器將傳輸數(shù)據(jù)調(diào)制到光載波上,利用光編碼器對寬譜調(diào)制信號進(jìn)行編碼,隨后注入到星型無源光網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸。在傳輸過程中,由于其他用戶信號也在該網(wǎng)絡(luò)中傳輸,會對目標(biāo)用戶引入多用戶干擾。在接收端通過對應(yīng)的光解碼器對目標(biāo)用戶信號進(jìn)行解碼,得到的光解碼信號經(jīng)過光電檢測器轉(zhuǎn)換為電信號,并對其進(jìn)行分析、判決。在光電轉(zhuǎn)換過程中引入差拍噪聲和熱噪聲。

圖1 OCDMA傳輸系統(tǒng)模型及噪聲分布Fig.1 OCDMA transmission system model and noise distribution

發(fā)送端M個(gè)接入用戶的混合編碼信號為

式中:Sm(tm)為第m個(gè)用戶的調(diào)制信號,為第m個(gè)用戶采用的碼字,fm(tm)第m個(gè)用戶的編碼信號。

M個(gè)用戶的混合編碼信號同時(shí)經(jīng)過光纖傳輸,光信號的衰減由光放大器(EDFA)進(jìn)行補(bǔ)償,過程中引入了ASE噪聲n(t)。光信號在光纖傳輸過程中受到色散和偏振模色散的影響,導(dǎo)致脈沖展寬。設(shè)定光纖傳輸函數(shù)為h(t),經(jīng)過光纖傳輸后的光信號為

傳輸光信號在接收端進(jìn)行匹配解碼接收,以用戶1為目標(biāo)用戶,通過相匹配的光解碼器對接收信號進(jìn)行解碼,得到的解碼光信號包含三項(xiàng):目標(biāo)用戶的自相關(guān)信號、干擾用戶的互相關(guān)信號(光域內(nèi)的多用戶干擾)和ASE噪聲,可表示為

假設(shè)傳輸過程中采用光放大器對信號衰減進(jìn)行補(bǔ)償,采用色散補(bǔ)償光纖對傳輸鏈路中的色散進(jìn)行補(bǔ)償,在不考慮高階色散、偏振模色散和非線性效應(yīng)的情況下,假設(shè)光纖傳輸函數(shù)h(t)=1。解碼信號注入平方律器件光檢測器,得到相對應(yīng)的電流信號的表達(dá)式

式中:R為接收機(jī)的響應(yīng)度,Tb為比特周期。

在多用戶OCDMA系統(tǒng)中,接收端接收到的信號如(4)式所示,其中第一項(xiàng)為目標(biāo)用戶的有效信息,第二項(xiàng)為一階主差拍噪聲,第三項(xiàng)為二階次差拍噪聲,第四項(xiàng)為多用戶干擾,最后一項(xiàng)為熱噪聲、散粒噪聲。從(4)式中可以看出,有效信息和噪聲都可以由各個(gè)用戶的調(diào)制信號與各個(gè)用戶使用的正交碼字的自、互相關(guān)函數(shù)表示。此時(shí),系統(tǒng)中多用戶干擾和差拍噪聲成為抑制系統(tǒng)傳輸性能的主要噪聲。為進(jìn)一步簡化接收到的電信號,當(dāng)系統(tǒng)承載用戶數(shù)較少時(shí),接收信號中的一階主差拍噪聲與二階次差拍噪聲相對較小,即多用戶干擾成為影響系統(tǒng)傳輸性能的主要因素,此時(shí)(4)式可化簡為

從(5)式中可以看出,系統(tǒng)中的多用戶干擾與干擾用戶和目標(biāo)用戶之間的互相關(guān)函數(shù)相關(guān)?；谏鲜隼碚摲治?提出了在電域內(nèi)針對接收信號進(jìn)行相對應(yīng)的數(shù)字信號處理算法,從而抑制系統(tǒng)中的多用戶干擾,改善系統(tǒng)傳輸性能。

1.2 串行反饋干擾抑制算法

在OCDMA系統(tǒng)中抑制多用戶干擾的方法主要是通過增加物理器件實(shí)現(xiàn)的,如光時(shí)間門、光閾值器件、平衡接收等。而在無線CDMA系統(tǒng)中則是采用多用戶檢測技術(shù)對接收信號進(jìn)行處理,達(dá)到抑制噪聲的目的。其中,串行干擾抵消多用戶檢測算法利用級聯(lián)的方法在每一級中進(jìn)行噪聲消除,該算法具有結(jié)構(gòu)簡單、計(jì)算復(fù)雜度低、易于實(shí)際應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)?；谏鲜鏊惴ǖ乃悸?結(jié)合多用戶OCDMA系統(tǒng)中信號、噪聲的模型,提出了針對OCDMA系統(tǒng)抑制多用戶干擾的串行反饋干擾抑制算法。

以2用戶同步接入頻譜幅度編碼SAC-OCDMA傳輸系統(tǒng)為例,根據(jù)干擾用戶2的傳輸信號,以及用戶1碼字與用戶2碼字之間的互相關(guān)函數(shù)構(gòu)造比特內(nèi)的多用戶干擾“信號”。得到對應(yīng)的多用戶干擾的分布情況,其構(gòu)造公式可表示為

式中:C為構(gòu)造MAI信號的反饋系數(shù),用來修正MAI信號的幅度大小;S2(t)={0,1},用戶2的傳輸信號為1或者0;θ21(τ)為2用戶碼字之間的互相關(guān)函數(shù),表明每個(gè)比特周期內(nèi)的變化受互相關(guān)函數(shù)的影響。

式中:N為用戶碼字的碼長,τ為碼元周期。

依據(jù)上述的理論推導(dǎo),在電域內(nèi)針對接收信號采用數(shù)字信號處理技術(shù),提出了串行反饋干擾抑制算法,該算法流程圖如圖2所示。

圖2 串行反饋干擾抑制算法流程圖Fig.2 Flow chart of serial feedback interference suppression algorithm

在接收端得到的解碼光信號經(jīng)過光探測器探測后得到對應(yīng)的電信號,通過A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號。將得到的數(shù)字電信號提取出來,在MATLAB軟件中進(jìn)行串行反饋干擾抑制算法處理。仿真平臺采用1280 GSample/s采樣速率對10 Gb/s速率的數(shù)據(jù)進(jìn)行高速采樣,得到相對應(yīng)的數(shù)字信號。對接收到的數(shù)字信號進(jìn)行再采樣,實(shí)現(xiàn)每個(gè)比特周期內(nèi)存在32個(gè)采樣點(diǎn)。根據(jù)波形主要分布在比特周期中間位置的特點(diǎn),將每個(gè)比特周期內(nèi)第一個(gè)和最后一個(gè)采樣點(diǎn)去掉,得到每比特周期內(nèi)存在30個(gè)采樣點(diǎn)。

在多用戶干擾“信號”的重構(gòu)過程中,由于每個(gè)比特內(nèi)計(jì)算得到的互相關(guān)函數(shù)共存在15個(gè)采樣點(diǎn),無法直接與得到的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行運(yùn)算,采用內(nèi)插法將信號的采樣率提升為30個(gè)采樣點(diǎn)每比特。將兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行相同采樣速率處理后,由于目標(biāo)用戶1和干擾用戶2屬于同步接入,檢測到的目標(biāo)用戶信號可以直接減去干擾用戶信號,從而實(shí)現(xiàn)多用戶干擾的抑制。

構(gòu)造的MAI信號并不能針對不同光功率的接收信號進(jìn)行修復(fù),主要是因?yàn)椴煌夤β实男盘柟夂胁煌鹊腗AI信號。在電域進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí),如果不考慮MAI隨接收光功率的變化情況,則接收端的噪聲抑制情況并不能達(dá)到較好的狀態(tài)。因此,引入了判決反饋回路,當(dāng)判定的誤碼率值不符合要求時(shí),通過反饋算法改變構(gòu)造MAI信號的比例系數(shù)C,得到不同幅度的MAI信號,對信號進(jìn)行修正,最終得到最佳的噪聲抑制效果。接收到的信號經(jīng)過串行反饋干擾抑制算法的數(shù)字處理后,再次注入仿真平臺系統(tǒng)中,與目標(biāo)用戶1發(fā)送端的發(fā)送信息逐比特對比,得到處理數(shù)據(jù)后的系統(tǒng)誤碼率。

2 系統(tǒng)描述

搭建了一個(gè)2用戶的頻譜幅度編碼SAC-OCDMA傳輸系統(tǒng)仿真平臺,其系統(tǒng)框圖如圖3(a)所示,仿真平臺框圖如圖3(b)所示。系統(tǒng)中光源采用重復(fù)頻率為10 GHz的鎖模激光器,通過光調(diào)制器將用戶傳輸?shù)挠行畔㈤L度為27-1、速率為10 Gb/s的偽隨機(jī)序列(PRBS)調(diào)制到光載波上,隨后將調(diào)制信號注入到光編碼器中進(jìn)行編碼。仿真平臺中采用由50 GHz間隔的波分解復(fù)用器(DWDM)、光衰減器和耦合器(PLC)構(gòu)成的頻譜幅度光編碼器,其編碼器結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示。將頻譜寬度為350 GHz的光源通過DWDM器件均分成7份,通過用戶對應(yīng)的碼字對頻譜分量進(jìn)行編碼。仿真中選擇碼容量較大、自相關(guān)旁瓣λa=1、互相關(guān)峰值λc=1、且能夠降低互相關(guān)峰值和自相關(guān)峰值比值的對稱平衡不完全區(qū)組設(shè)計(jì)碼(BIBD)作為用戶的地址碼[14]。碼字參數(shù)為(7,3,1),設(shè)定用戶1采用碼字為(1101000),用戶2采用的碼字為(0110100)。在多用戶OCDMA系統(tǒng)仿真平臺的發(fā)送端,設(shè)定兩個(gè)編碼用戶的光功率相同,都為-6 dBm。耦合后的編碼信號通過同一根光纖進(jìn)行傳輸。其中,混合編碼信號在單模光纖中傳輸100 km,并通過對應(yīng)的色散補(bǔ)償光纖對傳輸引入的色散進(jìn)行匹配補(bǔ)償,使傳輸系統(tǒng)不受色散的影響。同時(shí)采用光放大器(EDFA)對信號光的衰減進(jìn)行補(bǔ)償。

圖3 兩用戶頻譜幅度編碼SAC-OCDMA系統(tǒng)。(a)系統(tǒng)框圖;(b)仿真框圖Fig.3 SAC-OCDMA system with two users simultaneously.(a)Block diagram of system;(b)Block diagram of simulation

在接收端,傳輸用戶1和2分別通過相對應(yīng)的光解碼器進(jìn)行解碼,得到對應(yīng)的解碼光信號,其解碼器結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示。接收到的光信號通過光電探測器(PD)轉(zhuǎn)換為電信號,隨后注入誤碼測試儀中進(jìn)行系統(tǒng)誤碼率的測試。同時(shí),對于目標(biāo)用戶1得到的接收電信號,經(jīng)過低通濾波器和時(shí)鐘恢復(fù)模塊后,得到高采樣速率的接收數(shù)字信號。針對該數(shù)字信號,通過MATLAB實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字信號處理的串行反饋干擾抑制算法修正,抑制用戶信號中的多用戶干擾。將經(jīng)過算法處理的用戶信號與發(fā)送端信號進(jìn)行對比,得到傳輸系統(tǒng)的誤碼率。

3 仿真結(jié)果與分析

基于搭建的傳輸速率為10 Gb/s、傳輸距離為100 km、目標(biāo)用戶1和干擾用戶2同步接入SACOCDMA傳輸系統(tǒng)的仿真平臺,在2用戶同時(shí)傳輸?shù)那闆r下,研究分析了目標(biāo)用戶1在未采用和采用串行反饋干擾抑制算法情況下的波形圖與眼圖,結(jié)果如圖4所示。從仿真結(jié)果中可以看出,當(dāng)系統(tǒng)承載2用戶同時(shí)傳輸時(shí),目標(biāo)用戶1在接收端得到的眼圖與波形圖如圖4(a)、(b)所示。從眼圖中可以看出:其下眼皮厚度較小,主要受多用戶干擾的影響;而上眼皮厚度較大,是由系統(tǒng)中的多用戶干擾和差拍噪聲導(dǎo)致的。從波形圖中相應(yīng)地可以看出:小幅度的脈沖為用戶2對用戶1產(chǎn)生的多用戶干擾;對應(yīng)的大幅度的脈沖信號是由目標(biāo)用戶1的有效信號和系統(tǒng)噪聲疊加導(dǎo)致的。因此,在2用戶同步接入SAC-OCDMA傳輸系統(tǒng)時(shí),目標(biāo)用戶的傳輸性能受多用戶干擾的影響較為嚴(yán)重。當(dāng)系統(tǒng)承載用戶數(shù)逐漸增加時(shí),系統(tǒng)中多用戶干擾相對應(yīng)地增加。受多用戶干擾的影響,眼圖中下眼皮和上眼皮厚度同時(shí)增加,導(dǎo)致眼圖中的眼睛張開度減小,系統(tǒng)傳輸性能惡化。

為較好地抑制多用戶干擾,研究分析了基于數(shù)字信號處理技術(shù)的串行反饋干擾抑制算法對系統(tǒng)中多用戶干擾的抑制效果。針對目標(biāo)用戶1接收到的電信號進(jìn)行串行反饋干擾抑制算法處理,得到抑制多用戶干擾后信號的眼圖與波形圖如圖4(c)和4(d)所示。通過與圖4(a)相對比,圖4(c)中下眼皮和上眼皮厚度都明顯減小,說明系統(tǒng)中的多用戶干擾受到了抑制;但其上眼皮仍較厚,是由系統(tǒng)中仍存在的差拍噪聲導(dǎo)致的。同理,與圖4(b)相對比,圖4(d)中的波形圖也有明顯的改善,多用戶干擾代表的小幅度脈沖得到了較好的抑制,系統(tǒng)傳輸性能得到了較好的改善。

同時(shí),對傳輸速率為10 Gb/s、傳輸距離為100 km、2用戶同步SAC-OCDMA傳輸系統(tǒng)的誤碼率性能進(jìn)行了研究,其誤碼率曲線如圖5所示。仿真結(jié)果表明:當(dāng)目標(biāo)用戶1單獨(dú)傳輸時(shí),傳輸用戶可實(shí)現(xiàn)無誤碼傳輸,其誤碼率如圖5中的正方形黑色曲線所示;當(dāng)2個(gè)用戶同時(shí)傳輸時(shí),目標(biāo)用戶1的誤碼率達(dá)到10-9量級,如圖5中圓形黑色曲線所示。相對于單用戶傳輸,引入的功率代價(jià)為21 dB,這是由于傳輸過程中目標(biāo)用戶受到多用戶干擾和差拍噪聲的影響。

圖4 兩用戶頻譜幅度編碼SAC-OCDMA系統(tǒng)的眼圖與波形圖。(a)用戶1的眼圖;(b)用戶1的波形圖;(c)多用戶干擾抑制后用戶1的眼圖;(d)多用戶干擾抑制后用戶1的波形圖Fig.4 Eye diagram and waveform diagram of two users SAC-OCDMA system.(a)Eye diagram of user 1;(b)Waveform diagram of user 1;(c)Eye diagram of user 1 after multi-user interference suppressed;(d)Waveform diagram of user 1 after multi-user interference suppressed

當(dāng)針對受到多用戶干擾的目標(biāo)用戶1信號進(jìn)行串行反饋干擾抑制算法處理,得到的誤碼率曲線如圖5中正三角形黑色曲線所示,其傳輸性能得到了極大改善。與單用戶傳輸?shù)那闆r相比,引入的功率代價(jià)僅為2.3 dB,說明系統(tǒng)中的多用戶干擾得到了有效抑制。

為對比驗(yàn)證串行反饋干擾抑制算法對多用戶干擾抑制的效果,在接收端將解碼光信號注入到基于SC效應(yīng)的光閾值器中進(jìn)行噪聲抑制。光閾值器件由EDFA放大器、高非線性光纖(HNLF)和帶通濾波器構(gòu)成。由于目標(biāo)用戶的信號功率較高,在HNLF中會發(fā)生非線性效應(yīng);而干擾噪聲的功率較低,在HNLF中不會產(chǎn)生非線性效應(yīng)。帶通濾波器將含有目標(biāo)信息的有效帶寬濾出,實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)噪聲的抑制。仿真實(shí)驗(yàn)中,HNLF光纖長度為2 km,衰減系數(shù)為0.7 dB/km,二階色散系數(shù)為0;非線性系數(shù)為4×10-20m2/W;纖芯面積為12×10-12m2。通過光閾值器后得到的系統(tǒng)誤碼率曲線如圖5中倒三角形黑色曲線所示。可以看出,該方法能夠?qū)π盘栔械脑肼曔M(jìn)行一定程度上的抑制,與單用戶傳輸情況相比,引入的功率代價(jià)為4.8 dB。用戶的傳輸性能仍沒有算法抑制方法的傳輸性能好,說明閾值方法僅僅抑制了部分多用戶干擾。

通過上述的對比可以看出,相對于光閾值器的噪聲抑制方法,提出的串行反饋干擾抑制算法能夠有效地抑制OCDMA系統(tǒng)中的多用戶干擾,改善用戶的傳輸性能,提高系統(tǒng)的傳輸容量。但是,隨著系統(tǒng)承載用戶數(shù)的不斷增加,該算法構(gòu)造多用戶干擾的復(fù)雜度隨之增加,不僅體現(xiàn)在多用戶之間互相關(guān)函數(shù)的構(gòu)造上,更體現(xiàn)在其他用戶與目標(biāo)用戶之間多用戶干擾的反饋系數(shù)的判定上。此處僅僅針對2用戶OCDMA系統(tǒng)中的多用戶干擾進(jìn)行算法抑制研究,要實(shí)現(xiàn)多用戶OCDMA系統(tǒng)中多用戶干擾的抑制,該算法仍需要進(jìn)一步的優(yōu)化與改進(jìn)。

4 結(jié)論

針對多用戶光碼分多址系統(tǒng)中多用戶干擾對系統(tǒng)傳輸性能的影響,借鑒將多用戶干擾看作一種可重構(gòu)“有效信息”的研究思路,提出了一種抑制多用戶干擾的串行反饋干擾抑制算法。仿真結(jié)果表明:所提出的串行反饋干擾抑制算法能夠有效地抑制多用戶干擾,改善系統(tǒng)傳輸性能,為OCDMA系統(tǒng)中多用戶干擾的抑制提供了一種有效的研究手段。