CN113541817B - 星座概率整形相干光通信***的偏振相关损耗补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星座概率整形相干光通信***的偏振相关损耗补偿方法，该方法包括下述步骤：对接收端偏振复用信号A计算对应的Stokes向量并求其中心点G；构建由中心点G与原点形成的向量V1，并转换为偏振旋转逆矩阵，将偏振旋转逆矩阵与偏振复用信号A相乘得到信号B，用于纠正部分偏振旋转；计算中心点G到原点的距离D，并求出偏振相关损耗逆矩阵，将其与信号B相乘，完成偏振相关损耗补偿。本发明利用偏振复用信号在Stokes空间内的分布特性，在纠正部分偏振旋转后估计和补偿偏振相关损耗，无需偏振解复用即可补偿星座概率整形信号的偏振相关损耗，可有效提高***的偏振相关损耗容忍度。

Description

星座概率整形相干光通信***的偏振相关损耗补偿方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种星座概率整形相干光通信***的偏振相关损耗补偿方法。

背景技术

星座概率整形技术可以根据信道状态灵活地调整不同星座点的出现概率，从而提升***的信息传输速率。偏振复用通过在光的两个正交偏振态上同时加载信息，是另一种可以提升***传输速率的技术。将上述两种技术结合的星座概率整形偏振复用相干光通信***可实现高频谱效率的光传输，是当下光通信领域的研究热点。但是，偏振复用信号在光纤链路的传输过程中受到随机偏振旋转和偏振相关损耗的共同影响，在接收端往往不再处于正交偏振的状态。为了能从接收信号中正确地恢复信息，接收端需对随机偏振旋转和偏振相关损耗进行补偿。

一种对偏振相关损耗补偿的传统方法是，首先在Stokes空间实现偏振解复用，再补偿偏振相关损耗，上述方法的第一步偏振解复用依赖于在Stokes空间准确估计偏振旋转矩阵。在采用均匀星座调制的***中，由于传统Stokes空间偏振解复用方法对偏振相关损耗不敏感，因此偏振解复用与偏振相关损耗过程可以解耦。但是，传统Stokes空间偏振解复用方法在星座整形信号中并不适用。虽然已有一些方法可以在Stokes空间对星座概率整形信号做偏振解复用，但是，在存在偏振相关损耗时，其与偏振旋转的交织影响使得信号在Stokes空间发生位移。因此，该方法无法从接收到的星座概率整形信号中准确地估计偏振旋转矩阵，从而不能在偏振相关损耗补偿前完成偏振解复用。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种星座概率整形相干光通信***的偏振相关损耗补偿方法，该方法利用偏振复用信号在Stokes空间内的分布特性，在部分纠正偏振旋转后估计和补偿偏振相关损耗，无需偏振解复用即可补偿星座概率整形信号的偏振相关损耗，可以有效提高***的偏振相关损耗容忍度。

本发明的第二目的在于提供一种星座概率整形相干光通信***的偏振相关损耗补偿装置。

本发明的第三目的在于提供一种存储介质。

本发明的第四目的在于提供一种计算设备。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种星座概率整形相干光通信***的偏振相关损耗补偿方法，包括下述步骤：

对经信道传输后发生了随机偏振旋转和偏振相关损耗的接收端偏振复用信号A，计算其对应的Stokes向量，计算Stokes向量的均值，得到信号在Stokes空间的中心点G；

构建由中心点G与原点形成的向量V1，将向量V1转换为偏振旋转逆矩阵，将所述偏振旋转逆矩阵与所述偏振复用信号A相乘得到信号B，用于纠正部分偏振旋转；

计算中心点G到原点的距离D，基于所述距离D与偏振复用信号A在Stokes空间的₀分量均值的比值，得到偏振相关损耗系数，计算偏振相关损耗逆矩阵，并与信号B相乘，完成偏振相关损耗补偿。

作为优选的技术方案，所述对经信道传输后发生了随机偏振旋转和偏振相关损耗的接收端偏振复用信号A，计算其对应的Stokes向量，具体步骤包括：

计算接收端偏振复用信号A的Stokes向量：

其中，E_x和E_y代表两个偏振态上探测得到的信号，上角标^*代表复共轭，符号j表示-1的平方根，上角标T代表向量转置。

作为优选的技术方案，所述计算Stokes向量的均值，得到信号在Stokes空间的中心点G，具体步骤包括：

根据接收端偏振复用信号A的Stokes向量，计算Stokes向量的均值为：m＝(s_0m,s_1m,s_2m,s_3m)^T；

得到接收端偏振复用信号A在Stokes空间的中心点G(s_1m,s_2m,s_3m)。

作为优选的技术方案，所述构建由中心点G与原点形成的向量V1，具体表示为：V1＝(-s_1m,-s_2m,-s_3m)^T；

所述将向量V1转换为偏振旋转逆矩阵，具体表示为：

θ＝arctan(-s_2m,-s_3m)

其中，sign(·)表示取符号的函数。

作为优选的技术方案，所述基于所述距离D与偏振复用信号A在Stokes空间的₀分量均值的比值，得到偏振相关损耗系数，计算偏振相关损耗逆矩阵，具体计算公式为：

ρ＝D/s_0m

其中，ρ表示偏振相关损耗系数，P^-1表示偏振相关损耗逆矩阵，s_0m表示偏振复用信号A在Stokes空间的s₀分量均值。

为了达到上述第二目的，本发明采用以下技术方案：

一种星座概率整形相干光通信***的偏振相关损耗补偿装置，包括：第一信号Stokes向量计算模块、向量均值计算模块、中心点输出模块、向量构建模块、偏振旋转逆矩阵转换模块、第二信号输出模块、距离计算模块、偏振相关损耗系数计算模块、偏振相关损耗逆矩阵计算模块、偏振相关损耗补偿输出模块；

所述第一信号Stokes向量计算模块用于对经信道传输后发生了随机偏振旋转和偏振相关损耗的接收端偏振复用信号A，计算其对应的Stokes向量；

所述向量均值计算模块用于计算Stokes向量的均值；

所述中心点输出模块用于根据Stokes向量的均值得到信号在Stokes空间的中心点G；

所述向量构建模块用于构建由中心点G与原点形成的向量V1；

所述偏振旋转逆矩阵转换模块用于将向量V1转换为偏振旋转逆矩阵；

所述第二信号输出模块用于将所述偏振旋转逆矩阵与所述偏振复用信号A相乘得到信号B，用于纠正部分偏振旋转；

所述距离计算模块用于计算中心点G到原点的距离D；

所述偏振相关损耗系数计算模块用于根据所述距离D与偏振复用信号A在Stokes空间的s₀分量均值的比值，得到偏振相关损耗系数；

所述偏振相关损耗逆矩阵计算模块用于计算偏振相关损耗逆矩阵；

所述偏振相关损耗补偿输出模块用于将偏振相关损耗逆矩阵与信号B相乘，完成偏振相关损耗补偿。

为了达到上述第三目的，本发明采用以下技术方案：

一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时实现如上述星座概率整形相干光通信***的偏振相关损耗补偿方法。

为了达到上述第四目的，本发明采用以下技术方案：

一种计算设备，包括处理器和用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现如上述星座概率整形相干光通信***的偏振相关损耗补偿方法。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

传统的偏振相关损耗补偿方法需要先对信号完成偏振解复用，但是在存在偏振相关损耗时，传统方法无法在Stokes空间对星座概率整形信号完成偏振解复用，本发明在Stokes空间内基于信号的全局中心点与原点构成的向量，先纠正信道引入的部分偏振旋转，并利用该中心点到原点的距离计算偏振相关损耗逆矩阵，再完成补偿偏振相关损耗，本发明偏振相关损耗补偿无需先对信号进行偏振解复用，无需在发送端***训练序列，解决了传统的偏振相关损耗补偿方法在星座概率整形相干光通信***中不适用的问题，提高了***对偏振相关损耗的容忍度，可行性强，对提升星座概率整形相干光通信***的性能具有重要意义。

附图说明

图1为本发明星座概率整形相干光通信***中的偏振相关损耗补偿方法的流程示意图。

图2为本发明一个熵为4.75的星座概率整形64QAM信号先验概率分布示例图；

图3为本发明偏振相关损耗补偿过程中样本在Stokes空间内变化的示意图；

图4(a)为本发明完成偏振解复用后，在ρ_c＝0.3时信噪比与***的归一化广义互信息(NGMI)的关系示意图；

图4(b)为本发明完成偏振解复用后，在ρ_c＝0.4时信噪比与***的归一化广义互信息(NGMI)的关系示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种星座概率整形相干光通信***中的偏振相关损耗补偿方法，主要涉及星座概率整形信号的偏振相关损耗补偿及其对偏振解复用的影响的问题。

在本实施例中，参数设定为：***波特率R为28GBaud，采样率R_s为56Gbaud，测试符号总数为2¹⁵，在发射端产生的偏振复用星座概率整形64QAM信号，星座点x_i(i＝1，2，3...64)的概率分布公式表示为：

其中，‖x_i‖、||x_j||为星座点的幅值，λ是星座的概率整形参数，取0.07804时对应整形星座熵为4.75，如图2所示，得到其概率分布。

为了便于描述，实例只考虑信道的加性高斯白噪声、偏振旋转及偏振相关损耗的影响，其中信道模型设置为：加性高斯白噪声+偏振旋转+偏振相关损耗+偏振旋转，信号的其它损伤假设被完全补偿(例如频差和相噪)。信道的两个偏振旋转矩阵M均设为：

其中引入的旋转角度为α₀＝π/12，θ₀＝π/7。信道中的偏振相关损耗矩阵P设为：

其中_c设为两种情况以作对比，分别为0.3、0.4。

结合图1所示，本实施例的星座概率整形相干光通信***中的偏振相关损耗补偿方法，具体包括下述步骤：

S101：对经信道传输后发生了随机偏振旋转和偏振相关损耗的接收端偏振复用信号A，计算其对应的Stokes向量并求其均值，得到信号在Stokes空间的中心点G；

在本实施例步骤S101中，假设接收到的偏振复用信号为(E_x,E_y)^T，经过计算后得到其Stokes向量为；

计算接收端偏振复用信号A的Stokes向量：

其中E_x和E_y代表两个偏振态上探测得到的信号，上角标^*代表复共轭，符号j表示-1的平方根，上角标T代表向量转置。

在本实施例步骤S101中，根据信号A的Stokes向量，计算其均值m＝(s_0m,s_1m,s_2m,s_3m)^T，即可得到接收端偏振复用信号在Stokes空间的中心点G＝(s_1m,s_2m,s_3m)。

S102：构建由上述中心点G与原点形成的向量V1，将V1转换为偏振旋转逆矩阵M₁ ^-1，再将M₁ ^-1与信号A相乘得到信号B；

在本实施例中，由步骤S101得到的中心点G与原点构成向量V1，具体表示为：V1＝(-s_1m,-s_2m,-s_3m)^T，经变换后，得到偏振旋转逆矩阵M₁ ^-1：

θ₁＝arctan(-s_2m,-s_3m)

其中，-s_1m＞0，sign(·)表示取符号的函数，将M₁ ^-1与信号A相乘以纠正信道模型中的部分偏振旋转，得到信号B。

S103：计算中心点G到原点的距离D，而后基于D与信号A的s₀分量均值s_0m的比值得到偏振相关损耗系数ρ，以求出偏振相关损耗逆矩阵P^-1，并将P^-1信号B相乘，完成偏振相关损耗补偿。

根据步骤S101得到的中心点G以及信号A的s₀分量均值s_0m，由点G到原点的距离D与s_0m的比值得到偏振相关损耗系数ρ＝D/s_0m，点G到原点的距离为：

并进一步地求出偏振相关损耗逆矩阵：

由P^-1与步骤S102输出的信号B相乘可完成偏振相关损耗补偿，得到信号E。

本发明利用偏振复用信号在Stokes空间内的分布特性，在部分纠正偏振旋转后估计和补偿偏振相关损耗，无需偏振解复用即可补偿星座概率整形信号的偏振相关损耗，从而提升相干光通信***的通信质量。

如图3所示，在ρ_c＝0.4的情况下，得到上述的偏振相关损耗补偿过程中样本在Stokes空间内变化情况，并且以“S1-S2”平面作为观察平面。

为了说明本发明可有效补偿偏振相关损耗，本实施例对比了采用本发明补偿偏振相关损耗及未作偏振相关损耗补偿两种情况下，***经偏振解复用后的性能，进一步说明了本发明可有效提升***的偏振相关损耗容忍度。

进一步的，本实施例选择适用于星座概率整形的偏振解复用方法，具体实施如下：

对发射端偏振复用信号进行能量归一化，计算其Stokes向量的s₀分量，将s₀值按大小进行升序排序(s₀₁,s₀₂,s₀₃,...,s_0n,...,s_0max)，计算参数分别为s₀₁、s₀₂下的特定的概率密度函数。

假设发射端信号的s₀分量为

且接收端偏振复用信号的s₀分量为

它们遵循下述加权累加的非中心卡方分布的联合概率密度函数：

其中

对应发射端

所有可能的取值符号，E_x和E_y代表发射端偏振复用时x偏振态和y偏振态加载的符号，它们的先验概率分别为P(E_x)和P(E_y)，σ²为噪声的方差，I₁(.)为第一类一阶修正贝塞尔函数。其中σ²可由信噪比SNR求得，它们的关系是：

其中‖x_i‖代表的是64QAM星座上的第个星座点的幅值，P(x_i)是符号对应的概率。

发射端s₀的两个值s₀₁、s₀₂对应的联合概率密度函数分别为：

它们的交点横坐标c满足以下条件：f(c,s₀₁)＝f(c,s₀₂)，从而获得筛选区间(0,c]用于后续接收端样本的筛选。

根据经偏振相关损耗补偿后的信号E的若干样本的Stokes向量，选出落在区间(0,c]的样本集Q；利用奇异值分解法做最小二乘法估计来拟合出Q对应的最佳平面和法向量V2＝(v₁,v₂,v₃)^T，由V2变换为偏振旋转逆矩阵M₂ ^-1：

其中，

且θ₂＝arctan(v₂,v₃)，sign(·)表示取符号的函数。

M₂ ^-1与信号E相乘以纠正信道模型中第一部分的偏振旋转，完成偏振解复用。

为便于评判***性能，本实施例计算***的NGMI，将其作为判断***性能的指标，当NGMI达到0.9及以上时，则认为该***可以正常工作。计算公式如下：

NGMI＝1-(H(A)-GMI)/log₂M

其中M＝64,m＝log₂M＝6，X为64QAM标准星座点集，P_X(x)为星座点概率P(a_i)，a_i∈X，N代表符号数2¹⁵，b_k,j∈{0,1}是第k个样本的第j个比特位，

代表所有X中满足解映射后第j位比特为b_k,j的星座点集合，y_k为解复用后得到的第k个样本。

由于经偏振相关损耗和偏振解复用后的信号是两路偏振态上的信号，因此应分别算出两路信号所对应的NGMI并取平均。为证明本发明方法的可实施性和优点，***测试了ρ_c＝0.3和ρ_c＝0.4两种情况下的性能，即采用本发明补偿偏振相关损耗的***得到的NGMI_comp，以及未作偏振相关损耗补偿的***得到的NGMI_initial，如图4(a)-图4(b)所示，展示了在不同信噪比范围和不同ρ_c值下的NGMI_comp和NGMI_initial的关系，结果显示在ρ_c＝0.3和ρ_c＝0.4的情况下NGMI_comp＝0.9时所需要的信噪比SNR均比NGMI_initial＝0.9时的SNR要小很多(大于1dB)，ρ_c＝0.4时NGMI_initial甚至无法达到0.9，这说明本发明方法可以有效的补偿偏振相关损耗，提升星座概率整形相干光通信***的传输性能。

实施例2

本实施例提供一种星座概率整形相干光通信***的偏振相关损耗补偿装置，包括：第一信号Stokes向量计算模块、向量均值计算模块、中心点输出模块、向量构建模块、偏振旋转逆矩阵转换模块、第二信号输出模块、距离计算模块、偏振相关损耗系数计算模块、偏振相关损耗逆矩阵计算模块、偏振相关损耗补偿输出模块；

在本实施例中，第一信号Stokes向量计算模块用于对经信道传输后发生了随机偏振旋转和偏振相关损耗的接收端偏振复用信号A，计算其对应的Stokes向量；

在本实施例中，向量均值计算模块用于计算Stokes向量的均值；

在本实施例中，中心点输出模块用于根据Stokes向量的均值得到信号在Stokes空间的中心点G；

在本实施例中，向量构建模块用于构建由中心点G与原点形成的向量V1；

在本实施例中，偏振旋转逆矩阵转换模块用于将向量V1转换为偏振旋转逆矩阵；

在本实施例中，第二信号输出模块用于将所述偏振旋转逆矩阵与所述偏振复用信号A相乘得到信号B，用于纠正部分偏振旋转；

在本实施例中，距离计算模块用于计算中心点G到原点的距离D；

在本实施例中，偏振相关损耗系数计算模块用于根据所述距离D与偏振复用信号A在Stokes空间的s₀分量均值的比值，得到偏振相关损耗系数；

在本实施例中，偏振相关损耗逆矩阵计算模块用于计算偏振相关损耗逆矩阵；

在本实施例中，偏振相关损耗补偿输出模块用于将偏振相关损耗逆矩阵与信号B相乘，完成偏振相关损耗补偿。

实施例3

本实施例提供一种存储介质，存储介质可以是ROM、RAM、磁盘、光盘等各种可以存储程序代码的储存介质，该存储介质存储有一个或多个程序，所述程序被处理器执行时，实现实施例1的星座概率整形相干光通信***中的偏振相关损耗补偿方法。

实施例4

本实施例提供一种计算设备，所述的计算设备可以是台式电脑、笔记本电脑、智能手机、PDA手持终端、平板电脑或其他具有显示功能的终端设备，该计算设备包括该计算设备包括处理器和存储器，存储器存储有一个或多个程序，处理器执行存储器存储的程序时，实现实施例1的星座概率整形相干光通信***中的偏振相关损耗补偿方法。

处理器可实施在一个或一个以上专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、可编程逻辑装置(PLD)、现场可编辑逻辑门阵列(FPGA)、控制器、微控制器、电子装置、以及其他经设计以执行本发明所描述的功能的电子单元或其组合内。

以上对本发明所述的星座概率整形相干光通信***中的偏振相关损耗补偿方法进行了详细地介绍，以上的实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想而非对其进行限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种星座概率整形相干光通信***的偏振相关损耗补偿方法，其特征在于，包括下述步骤：

对经信道传输后发生了随机偏振旋转和偏振相关损耗的接收端偏振复用信号A，计算其对应的Stokes向量，计算Stokes向量的均值，得到信号在Stokes空间的中心点G；

构建由中心点G与原点形成的向量V1，将向量V1转换为偏振旋转逆矩阵，将所述偏振旋转逆矩阵与所述偏振复用信号A相乘得到信号B，用于纠正部分偏振旋转；

中心点G表示为G＝(s_1m，s_2m，s_3m)；

所述构建由中心点G与原点形成的向量V1，具体表示为：V1＝(-s_1m，-s_2m，-s_3m)^T；

所述将向量V1转换为偏振旋转逆矩阵，具体表示为：

θ＝arctan(-s_2m，-s_3m)

其中，sign(·)表示取符号的函数；

计算中心点G到原点的距离D，基于所述距离D与偏振复用信号A在Stokes空间的s₀分量均值的比值，得到偏振相关损耗系数，计算偏振相关损耗逆矩阵，并与信号B相乘，完成偏振相关损耗补偿。

2.根据权利要求1所述的星座概率整形相干光通信***的偏振相关损耗补偿方法，其特征在于，所述对经信道传输后发生了随机偏振旋转和偏振相关损耗的接收端偏振复用信号A，计算其对应的Stokes向量，具体步骤包括：

计算接收端偏振复用信号A的Stokes向量：

其中，E_x和E_y代表两个偏振态上探测得到的信号，上角标^*代表复共轭，符号j表示-1的平方根，上角标T代表向量转置。

3.根据权利要求2所述的星座概率整形相干光通信***的偏振相关损耗补偿方法，其特征在于，所述计算Stokes向量的均值，得到信号在Stokes空间的中心点G，具体步骤包括：

根据接收端偏振复用信号A的Stokes向量，计算Stokes向量的均值为：m＝(s_0m，s_1m，s_2m，s_3m)^T；

得到接收端偏振复用信号A在Stokes空间的中心点G＝(s_1m，s_2m，s_3m)。

4.根据权利要求1所述的星座概率整形相干光通信***的偏振相关损耗补偿方法，其特征在于，所述基于所述距离D与偏振复用信号A在Stokes空间的s₀分量均值的比值，得到偏振相关损耗系数，计算偏振相关损耗逆矩阵，具体计算公式为：

ρ＝D/s_0m

其中，ρ表示偏振相关损耗系数，P^-1表示偏振相关损耗逆矩阵，s_0m表示偏振复用信号A在Stokes空间的s₀分量均值。

5.一种星座概率整形相干光通信***的偏振相关损耗补偿装置，其特征在于，包括：第一信号Stokes向量计算模块、向量均值计算模块、中心点输出模块、向量构建模块、偏振旋转逆矩阵转换模块、第二信号输出模块、距离计算模块、偏振相关损耗系数计算模块、偏振相关损耗逆矩阵计算模块、偏振相关损耗补偿输出模块；

所述第一信号Stokes向量计算模块用于对经信道传输后发生了随机偏振旋转和偏振相关损耗的接收端偏振复用信号A，计算其对应的Stokes向量；

所述向量均值计算模块用于计算Stokes向量的均值；

所述中心点输出模块用于根据Stokes向量的均值得到信号在Stokes空间的中心点G；所述向量构建模块用于构建由中心点G与原点形成的向量V1；

中心点G表示为G＝(s_1m，s_2m，s_3m)；

所述构建由中心点G与原点形成的向量V1，具体表示为：V1＝(-s_1m，-s_2m，-s_3m)^T；所述偏振旋转逆矩阵转换模块用于将向量V1转换为偏振旋转逆矩阵；

所述将向量V1转换为偏振旋转逆矩阵，具体表示为：

θ＝arctan(-s_2m，-s_3m)

其中，sign(·)表示取符号的函数；

所述第二信号输出模块用于将所述偏振旋转逆矩阵与所述偏振复用信号A相乘得到信号B，用于纠正部分偏振旋转；

所述距离计算模块用于计算中心点G到原点的距离D；

所述偏振相关损耗系数计算模块用于根据所述距离D与偏振复用信号A在Stokes空间的s₀分量均值的比值，得到偏振相关损耗系数；

所述偏振相关损耗逆矩阵计算模块用于计算偏振相关损耗逆矩阵；

所述偏振相关损耗补偿输出模块用于将偏振相关损耗逆矩阵与信号B相乘，完成偏振相关损耗补偿。

6.一种存储介质，存储有程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述星座概率整形相干光通信***的偏振相关损耗补偿方法。

7.一种计算设备，包括处理器和用于存储处理器可执行程序的存储器，其特征在于，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现如权利要求1-4任一项所述星座概率整形相干光通信***的偏振相关损耗补偿方法。

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