付松年　向夢(mèng)

摘要為了適應(yīng)不同顆粒度的業(yè)務(wù)需求，最大化波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)的頻譜效率，光網(wǎng)絡(luò)正逐漸朝著更靈活、高效、節(jié)能的趨勢(shì)發(fā)展.基于帶寬可變收發(fā)機(jī)（BVT）的靈活光網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)因而得到了廣泛的關(guān)注與研究.本文概述了國(guó)內(nèi)外支持靈活光網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字相干光傳輸技術(shù)的最新研究進(jìn)展，包括發(fā)射端支持傳輸速率可變的自適應(yīng)編碼、調(diào)制技術(shù)以及接收端相應(yīng)的調(diào)制碼型識(shí)別技術(shù)，最后對(duì)靈活光網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奈磥硌芯糠较蜻M(jìn)行了展望.

關(guān)鍵詞靈活光網(wǎng)絡(luò)；調(diào)制和編碼；數(shù)字信號(hào)處理；相干光傳輸

中圖分類號(hào)TN9291

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

0引言

近年來隨著互聯(lián)網(wǎng)的崛起，人們對(duì)帶寬的需求急劇增加.根據(jù)Cisco的分析，全球的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通信容量（IP traffic）從2014到2019年將以23%的年均復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）增長(zhǎng)[1].在頻帶資源一定的情況下，如何提高系統(tǒng)傳輸?shù)念l譜效率成為了研究熱點(diǎn).盡管傳統(tǒng)的波分復(fù)用（WDM）網(wǎng)絡(luò)在高速傳輸方面有很多優(yōu)點(diǎn)，但WDM光網(wǎng)絡(luò)是以固定的波長(zhǎng)信道間隔，譬如50 G/100 G，作為最小顆粒度給業(yè)務(wù)分配帶寬，在業(yè)務(wù)多樣性的情況下，WDM光網(wǎng)絡(luò)難以適應(yīng)不同顆粒度的業(yè)務(wù)要求，導(dǎo)致系統(tǒng)的頻譜效率偏低.另外一方面，靈活光網(wǎng)絡(luò)打破了傳統(tǒng)固定柵格光網(wǎng)絡(luò)信道間隔固定的約束，由于能夠靈活地使用光頻譜資源，因而能夠滿足多種顆粒度業(yè)務(wù)傳輸?shù)囊?，進(jìn)而使系統(tǒng)的頻譜效率最大化.2009年，Jinno 等[2]首次提出了基于OFDM技術(shù)的頻譜切片靈活光網(wǎng)絡(luò)的概念，并且詳細(xì)介紹了靈活光網(wǎng)絡(luò)作為一種高頻譜效率、可擴(kuò)展的光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠滿足動(dòng)態(tài)高效的帶寬服務(wù).隨后，這一靈活光網(wǎng)絡(luò)的思想受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注并成為近年來的研究熱點(diǎn).2010年，Jinno等[3]又研究了調(diào)制碼型和光頻譜整形寬度對(duì)靈活光網(wǎng)絡(luò)中帶寬分配的影響.2011年，Patel等[4]將靈活光網(wǎng)絡(luò)的概念推廣到NyquistWDM傳輸系統(tǒng).為了實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的靈活可變，可變帶寬收發(fā)機(jī)（BVT）是靈活光網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的支撐器件.圖1給出了基于BVT的靈活相干光傳輸系統(tǒng)框圖，主要由數(shù)字發(fā)射機(jī)、光纖鏈路和數(shù)字相干接收機(jī)三部分組成.發(fā)射端的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）能夠顯著提升系統(tǒng)的性能和靈活度.發(fā)射端的DSP包括編碼映射、奈奎斯特脈沖整形及預(yù)補(bǔ)償，之后離線產(chǎn)生的兩個(gè)偏振方向上的同向和正交分量被加載到DAC完成信號(hào)的數(shù)字域電域轉(zhuǎn)化.電光轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生的光信號(hào)在光纖鏈路中進(jìn)行傳輸.在接收端完成光電轉(zhuǎn)換后，信號(hào)首先由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）實(shí)現(xiàn)電域數(shù)字域轉(zhuǎn)化，之后在數(shù)字域進(jìn)行相應(yīng)的DSP對(duì)信號(hào)進(jìn)行恢復(fù).接收端的DSP包括前端校正、色散補(bǔ)償、時(shí)鐘恢復(fù)、頻偏糾正、信道均衡、載波相位恢復(fù)及解碼.本文綜述了國(guó)際上靈活光網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的最新研究進(jìn)展，包括發(fā)射端支持傳輸速率可變的自適應(yīng)編碼和調(diào)制技術(shù)、接收端的調(diào)制碼型識(shí)別技術(shù)，最后對(duì)靈活光網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奈磥硌芯糠较蜻M(jìn)行了展望.

1發(fā)射端編碼和調(diào)制

一般來說，發(fā)射端可以通過改變一個(gè)參數(shù)譬如調(diào)制碼型、系統(tǒng)符號(hào)速率、編碼速率來完成可變速率傳輸，例如200 Gbit/s、400 Gbit/s等.2012年，Teipen等[5]實(shí)驗(yàn)研究了通過改變標(biāo)準(zhǔn)MQAM調(diào)制碼型來實(shí)現(xiàn)傳輸速率的改變，相比于改變系統(tǒng)符號(hào)速率，強(qiáng)調(diào)了其在系統(tǒng)重構(gòu)上的優(yōu)勢(shì).同年，Gho等[6]提出通過聯(lián)合改變調(diào)制碼型以及前向糾錯(cuò)編碼（FEC）的編碼速率來實(shí)現(xiàn)傳輸速率的改變.2014年，F(xiàn)ischer等[7]提出使用多維調(diào)制碼型實(shí)現(xiàn)傳輸速率的改變.2015年，Rozental等[8]首次實(shí)現(xiàn)了無中斷速率轉(zhuǎn)換.2016年，Guiomar等[9]提出使用時(shí)域混合QAM實(shí)現(xiàn)了傳輸速率的改變.值得注意的是，業(yè)界更多的研究集中在改變調(diào)制碼型，無論是考慮標(biāo)準(zhǔn)的MQAM、Hybrid QAM或者多維調(diào)制碼型，來實(shí)現(xiàn)未來靈活光網(wǎng)絡(luò)的可變速率傳輸.

1）標(biāo)準(zhǔn)的MQAM被最早用來實(shí)現(xiàn)傳輸速率的改變.圖2給出了不同MQAM的星座圖，考慮28 Gbaud的系統(tǒng)符號(hào)速率以及7%的FEC開銷，使用DPQPSK調(diào)制碼型可以實(shí)現(xiàn)100 Gbits傳輸，使用DP16QAM調(diào)制碼型可以實(shí)現(xiàn)200 Gbits傳輸.但是我們看到，相鄰MQAM調(diào)制碼型之間的顆粒度間隔很大，使用MQAM系統(tǒng)的靈活性比較差.

2）為了解決MQAM調(diào)制碼型間顆粒度大的問題，多維編碼調(diào)制格式開始進(jìn)入人們的視野.編碼調(diào)制首先將信號(hào)空間的信號(hào)點(diǎn)分解為不同的子集，之后人為引入冗余度并且只允許子集信號(hào)點(diǎn)之間的傳輸.通過引入冗余度的大小可以自適應(yīng)地完成傳輸速率的改變，另外編碼調(diào)制也會(huì)帶來一定的編碼增益.整體而言，主要有兩種編碼調(diào)制的方式即格型編碼以及網(wǎng)格編碼[1011].圖3給出了基于Schlfli 四維空間格子的幾種格型編碼調(diào)制碼型的星座圖，可以看到使用多維編碼調(diào)制格式可以得到更精細(xì)的顆粒度間隙.但是我們也要看到對(duì)于多維編碼調(diào)制格式其相應(yīng)的編解碼比較復(fù)雜，會(huì)增加BVT的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度.

3）另外一種可以自適應(yīng)地完成傳輸速率的改變是采用時(shí)域混合 QAM調(diào)制碼型（TDHQ）[1213]，它通過在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中周期性地插入不同的MQAM調(diào)制格式來改變傳輸速率.圖4給出了TDHQ的時(shí)域結(jié)構(gòu)，可以看到TDHQ每個(gè)符號(hào)攜帶的比特?cái)?shù)由QAM1和QAM2調(diào)制碼型的比特?cái)?shù)以及相應(yīng)的排列結(jié)構(gòu)決定.通過改變QAM1和QAM2的符號(hào)數(shù)可以

實(shí)現(xiàn)TDHQ的比特?cái)?shù)在兩種調(diào)制碼型之間的連續(xù)變化.相比于采用多維編碼調(diào)制格式實(shí)現(xiàn)傳輸速率的

改變，采用TDHQ部署更簡(jiǎn)單也比較直接，但是也存在一些相應(yīng)的問題，譬如需要優(yōu)化兩種調(diào)制碼型的功率比，需要額外的手段解決TDHQ中高階調(diào)制碼型遭受的更嚴(yán)重的非線性效應(yīng).最后對(duì)TDHQ進(jìn)行解映射時(shí)，需要實(shí)時(shí)地追蹤相應(yīng)的調(diào)制碼型.

2接收端的調(diào)制碼型識(shí)別

在接收端的DSP中信道均衡、載波相位恢復(fù)、判決解碼都依賴于已獲知接收到信號(hào)的調(diào)制碼型.在靈活光網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)射端發(fā)射的調(diào)制碼型變得越來越不可預(yù)測(cè)，因而有必要在接收端對(duì)信號(hào)的調(diào)制碼型進(jìn)行識(shí)別.近年來調(diào)制碼型識(shí)別（MFI）也已成為了研究熱點(diǎn).2012年，Khan等[14]提出了基于信號(hào)的異步幅度分布以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行MFI，這種方式實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，但是精確度不高，特別是針對(duì)高階調(diào)制碼型性能很差.2013年，Borkowski等[15]提出在斯托克斯空間內(nèi)采用最大期望值算法進(jìn)行MFI，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法適用于QPSK/8QAM/16QAM調(diào)制碼型.2014年，Isautier等[16]提出在斯托克斯空間通過分析信號(hào)的高階統(tǒng)計(jì)量來實(shí)現(xiàn)MFI.同年，他們又針對(duì)TDHQ調(diào)制碼型提出了一種MFI方式，但是該方案需要額外的步驟檢查接收到信號(hào)模的統(tǒng)計(jì)分布，此外，它不能簡(jiǎn)單地?cái)U(kuò)展到高階的TDHQ調(diào)制碼型，譬如Hybrid 8QAM/16QAM [17].2014年的OFC（國(guó)際光纖通信會(huì)議）上，Liu等[18]提出通過分析信號(hào)的功率分布來實(shí)現(xiàn)MFI.2015年，Bilal等[19]提出根據(jù)接收到信號(hào)的峰均功率比來進(jìn)行MFI，但是這種方法首先需要估計(jì)信號(hào)的光信噪比.同年，Boada等[20]對(duì)在斯托克斯空間進(jìn)行點(diǎn)簇分類聚集的各種MFI方案進(jìn)行了分析比較，包括MFI的識(shí)別度以及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度.2016年，Khan等[21]首先分析了信號(hào)的功率分布然后基于深度機(jī)器學(xué)習(xí)的方式實(shí)現(xiàn)了MFI.以上所提MFI方案主要可以分為兩大類，一類是在斯托克斯空間通過判斷點(diǎn)簇的個(gè)數(shù)或者高階統(tǒng)計(jì)量來進(jìn)行MFI，另外一類是基于接收到信號(hào)的功率分布來進(jìn)行MFI.但是這些MFI方案不能簡(jiǎn)單地?cái)U(kuò)展到更復(fù)雜的調(diào)制碼型，譬如TDHQ以及多維的調(diào)制碼型.此外，這些MFI方案由于需要很高的運(yùn)算復(fù)雜度，無法追蹤調(diào)制碼型的快速逐塊變化.下面將具體介紹這兩類MFI方案.

1）基于斯托克斯空間的MFI.圖5給出了BPSK和16QAM信號(hào)在斯托克斯空間的分布，可以看到對(duì)于不同的調(diào)制碼型信號(hào)，其映射到斯托克斯空間的點(diǎn)簇個(gè)數(shù)是不一樣的.對(duì)于BPSK/QPSK/8QAM/16QAM而言，相應(yīng)的點(diǎn)簇個(gè)數(shù)為2/4/16/60，因而可以通過判斷點(diǎn)簇個(gè)數(shù)來實(shí)現(xiàn)調(diào)制碼型識(shí)別.具體而言，首先需要將接收到信號(hào)的點(diǎn)映射到斯托克斯空間，然后通過具體的歸類聚集算法對(duì)空間點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)簇分類，最后根據(jù)分類點(diǎn)簇的個(gè)數(shù)判定信號(hào)的調(diào)制碼型信息.具體的歸類聚集算法有kmeans算法、最大期望值算法（EM）、DBSCAN算法、OPTICS算法、頻譜聚類算法、最大似然算法[20].kmeans算法和OPTICS算法分別在低光信噪比和高信噪比的情況下有比較高的MFI識(shí)別度，另外它們的復(fù)雜度也相對(duì)較低，但是需要預(yù)先知道光信噪比的粗略值.另外一種基于斯托克斯空間的MFI方法是通過獲得信號(hào)的高階統(tǒng)計(jì)量來完成的[22].圖6給出了具體的MFI操作流程，可以看到首先需要通過判斷斯托克斯空間信號(hào)點(diǎn)分布的維度將調(diào)制碼型分為兩大類：三維分布的MQAM以及二維分布的{OOK，MPSK，MPAM}.對(duì)于OOK/MPSK/MPAM可以通過分析高階統(tǒng)計(jì)量來區(qū)分，對(duì)于MQAM調(diào)制碼型又可以將其細(xì)分為{MQAM，M>4}以及{QPSK，BPSK}兩類.對(duì)于{MQAM，M>4}調(diào)制碼型可以通過計(jì)算空間相關(guān)系數(shù)來區(qū)分，對(duì)于QPSK/BPSK可以通過計(jì)算四階統(tǒng)計(jì)量來區(qū)分.

2）基于接收到信號(hào)功率分布的MFI.圖7給出了不同調(diào)制碼型的星座圖以及功率分布.可以看到不同的調(diào)制碼型具有不同的功率分布，通過判斷接收到信號(hào)的功率分布可以對(duì)調(diào)制碼型進(jìn)行識(shí)別.具體可以采取設(shè)定判決矩陣、機(jī)器學(xué)習(xí)的方式根據(jù)功率分布進(jìn)行MFI[18，21].

相比于前面所述的MFI方案，最近我們提出的兩種MFI方案不僅能夠?qū)θ我獾恼{(diào)制碼型進(jìn)行識(shí)別

并且具有很高的精確度，即使是在很低光信噪比的情況下仍然可以達(dá)到100%的正確率[2324].

圖8給出了DP16QAM信號(hào)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸后不同MFI方案的性能，可以看到，當(dāng)傳輸距離比較短時(shí)，3種MFI方案都具有100%的正確識(shí)別概率， 但是當(dāng)

傳輸距離高于2 240 km時(shí)，基于斯托克斯空間的MFI方案（Stokes MFI）以及基于接收到信號(hào)功率分布的MFI方案（Featurebased MFI）的性能下降，而對(duì)于筆者等所提的MFI方案（Proposed MFI），即使傳輸距離到達(dá)4 000 km，仍然具有100%的正確識(shí)別概率.下面將具體的介紹我們所提出的MFI方案.

1）基于BPSK符號(hào)的MFI.圖9給出了超標(biāo)量并行化結(jié)構(gòu)的框圖.基于超標(biāo)量并行化結(jié)構(gòu)的載波相位恢復(fù)不僅適于并行化處理并且線寬容忍度高，但是

初始化鎖相環(huán)（PLL）需要插入已知的BPSK導(dǎo)頻符號(hào)（圖中紅色標(biāo)識(shí)）.基于此結(jié)構(gòu)，為了進(jìn)行MFI，我們將調(diào)制碼型的信息加載到用于載波相位恢復(fù)的BPSK導(dǎo)頻符號(hào)上（圖中藍(lán)色標(biāo)識(shí)），在接收端通過解調(diào)BPSK符號(hào)，然后查看調(diào)制碼型編碼表，就可以獲得發(fā)射端傳輸?shù)恼{(diào)制碼型[23].一般來說為了消除高斯白噪聲的影響，可以周期性地插入相同的MFI BPSK符號(hào).假定重復(fù)MFI BPSK符號(hào)數(shù)為N，那么在一個(gè)超標(biāo)量并行化結(jié)構(gòu)里面，可以編碼P/（2N） bit調(diào)制碼型信息，能夠?qū)?P/（2N）調(diào)制碼型進(jìn)行判定.圖10給出了4 bit的調(diào)制碼型編碼表，根據(jù)編碼表，可以對(duì)任意的調(diào)制碼型進(jìn)行識(shí)別，包括MQAM、TDHQ以及多維調(diào)制編碼碼型.

2）基于RFpilot的MFI.在相干光通信系統(tǒng)里面，RFpilot被廣泛用來進(jìn)行載波相位恢復(fù)以及非線性補(bǔ)償，但是只有RFpilot的相位信息被利用.我們提出可以將調(diào)制碼型的信息加載到RFpilot的幅度上，實(shí)驗(yàn)中對(duì)RFpilot進(jìn)行兩電平的幅度調(diào)制[24].圖11給出了接收端接收到的RFpilot的相位和幅度信息.可以看到RFpilot的相位可以用來進(jìn)行相位恢復(fù)，幅度可以用來進(jìn)行MFI.同樣的，在接收端對(duì)RFpilot的幅度進(jìn)行判決解調(diào)，根據(jù)調(diào)制碼型編碼表，就可以獲得發(fā)射端傳輸?shù)恼{(diào)制碼型.

經(jīng)取得了重要的研究進(jìn)展.由于靈活光網(wǎng)絡(luò)能夠靈活地使用光頻譜資源，因而能夠滿足多種顆粒度業(yè)務(wù)傳輸帶寬的要求，最終使系統(tǒng)的頻譜效率最大化.但是未來研究中還有很多關(guān)鍵技術(shù)和問題有待解決.包括無中斷的帶寬可變收發(fā)機(jī)的設(shè)計(jì)，在根據(jù)用戶需求改變傳輸速率時(shí)，信息的傳遞不用被破壞；接收端對(duì)調(diào)制碼型透明的低復(fù)雜度算法優(yōu)化設(shè)計(jì)，適用于各種調(diào)制碼型，以降低計(jì)算復(fù)雜度，提高信號(hào)處理效率，進(jìn)而降低硬件電路的功耗；網(wǎng)路層面路由和頻譜資源分配算法設(shè)計(jì)，以自適應(yīng)業(yè)務(wù)帶寬需求，建立一條端到端的光路徑并為其分配合適的通信參數(shù).

參考文獻(xiàn)

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AbstractIn order to satisfy the service demands with different granularities and maximize the spectral efficiency of wavelength division multiplexing transmission，the optical network is evolving to agile and energyefficient one.Consequently，the flexible optical transmission techniques based on bandwidth variable transceivers （BVT） have attracted worldwide attention and research interest.We review recent progresses of flexible optical transmission techniques including transmitterside adaptive modulation，variable bitrate loading and receiverside corresponding modulation formats identification.Finally，we outline the prospects and future challenges in this area.

Key wordsflexible optical networks；modulation and coding；digital signal processing；coherent optical transmission