CN114900401A - 一种面向DFMA-PONs的信道干扰消除方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向DFMA‑PONs的信道干扰消除方法及装置，包括如下步骤：在传输***中，发送端发送已知的训练序列，接收端利用***逆辨识自适应信道估计算法进行滤波训练，从而得到***传输信道的逆***的最优滤波解；在发送端，将确定的逆***脉冲响应与数字正交成形滤波器在子载波带上级联成一个新的数字滤波器。与传统的数字滤波多址接入无源光网络相比，本发明利用数字正交成形滤波器和传输信道的逆***级联构成新的数字成形滤波器，不仅在实际传输***中解决了非平坦***传递函数导致的信道正交性破坏，并且通信***构建简单，硬件实现容易。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，尤其是面向数字滤波多址接入无源光网络的信道干扰消除方法及装置。
背景技术
近年来，随着物联网行业的***式增长，带宽需求不断提升，然而之前的网络倾向于支持以静态为主的流量模式，但这种静态服务提供方式已经无法满足当今新兴数字服务网络的动态、可重构和弹性互连需求。为了实现高度动态的业务模式，并且在网络可重构性、灵活性和弹性方面得到重大提升，数字滤波多址接入(Digital Filter MultipleAccess，DFMA)技术在无源光网络(Passive Optical Networks，PONs)中得到广泛研究与应用。
DFMA-PONs利用软件定义网络(Software Defined Networking，SDN)的集中式控制和基于数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)的动态软件可重构数字正交滤波器组实现信道的复用和解复用。DFMA-PONs不仅具有良好的背向兼容性，并且在支持未来云接入网络方面也具有巨大潜力。
然而，DFMA-PONs的***性能高度依赖于频谱重叠信道正交性的保持，而频谱重叠信道正交性取决于光信号的线性传输，以及器件和信道频率响应等效应。在实际的传输***中，由于信号在产生、传输、路由、聚合和检测等过程中可能遇到的非线性效应，基于数字滤波的信道正交性的恶化是不可避免的。
为了缓解现代通信***中的交叉信道干扰(Cross Channel Interference，CCI),人们提出了各种基于DSP的技术。这些技术大致分为两类：间接干扰消除(IndirectInterference Cancellation，IIC)技术和直接干扰消除(Direct InterferenceCancellation，DIC)技术。最大似然(Maximum Likelihood，ML)检测是IIC技术中具有代表性的一种，但由于IIC中大多数技术的DSP复杂度随着用户数量的增加呈指数增长，因此在容纳大量光网络单元(Optical Network Unit，ONU)的DFMA-PONs中使用这类技术是不可行的。同样的，DIC技术会产生相当高的延迟，并且实现可接受的性能精度所需的迭代次数相对较大，因此这些缺点也极大的限制了这类技术在DFMA-PONs的适用性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种面向DFMA-PONs的信道干扰消除方法及装置，其传输***能够有效缓解CCI效应，并且具有低DSP复杂度、低时延和低成本等特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种面向DFMA-PONs的信道干扰消除装置，在发送端，调制信号利用上采样单元进行K倍上采样，然后使用数字正交成形滤波器对信号进行滤波，接着在电域中进行信道聚合，聚合后的信号依次通过逆***和数模转换器，输出的电信号通过电光变换单元调制到光载波上。
在接收端，信号在光电变换单元中转换为电信号，之后信号通过模数转换器数字化，将数字化后的信号输入到数字正交匹配滤波器中，然后在下采样单元中进行K倍时域下采样，最后在解调单元中解调信号。
在上述技术方案的基础上，所述逆***包括数模转换器DAC、模数转换器ADC、电光转换器E/O、光电转换器O/E和光纤链路，将已知的训练序列依次经过数模转换器DAC、电光转换器E/O、传输信道、光电转换器O/E、模数转换器ADC后，输出序列经过自适应信道估计算法，不断更新迭代自适应滤波器系数，即可得到逆***脉冲响应w-1(t)。利用自适应滤波估计算法对***传输信道进行逆辨识；***以训练序列作为理想信号，对经过未知***的信号进行自适应滤波训练，滤波系数快速迭代，最终得到逆***的最优滤波解。
在上述技术方案的基础上，利用训练序列d(n)和自适应滤波器输出信号y(n)之间的误差函数e(n)不断的迭代更新自适应滤波器系数。
在上述技术方案的基础上，将所述数字正交成形滤波器与估计得到的逆***脉冲响应w-1(t)级联，得到新的数字成形滤波器。
在上述技术方案的基础上，根据不同的信号调制格式，选择不同的信道估计算法：对于通断键控OOK调制格式，利用基于最小均方误差MMSE的信道估计算法；对于正交振幅调制QAM调制格式，利用基于最小均方LMS的信道估计算法；对于正交频分复用OFDM调制格式，利用基于最小均方LMS的信道估计算法或基于最小二乘LS的信道估计算法。根据不同的信号调制格式，信道估计可以和数字滤波器独立出来，在整个信道或子信道上进行灵活的选择。
在上述技术方案的基础上，利用基于最小均方LMS的信道估计算法针对单载波的QAM调制格式设计信道估计模块；所述基于最小均方LMS算法的信道估计模块，其步长因子的调节具有灵活性，保证在平稳环境下***收敛速度快，且稳态失调小。
本发明还提供了一种面向DFMA-PONs的信道干扰消除方法，包括以下步骤：
步骤1：估计***传输信道的逆***脉冲响应w-1(t)，发送端发送已知训练序列，经过数模转换器DAC，数模转换器DAC输出的电信号通过光强度调制注入光纤链路；在接收端，将光电转换后的电信号经过模数转换器ADC数字化，输出的数字信号经过自适应信道估计算法后，不断更新迭代自适应滤波器系数，即可得到***传输信道的逆***脉冲响应w-1(t)。
步骤2：根据估计得到的逆***脉冲响应w-1(t)，在发送端，将数字正交成形滤波器与估计得到的逆***脉冲响应w-1(t)级联，得到新的数字成形滤波器；不同用户选用不同的新数字成形滤波器对K倍上采样后的信号进行滤波，接着经过数模转化DAC和光强度调制IM，将信号调制到同一中心频率的光载波上，最后所有用户发送的信号经过无源光耦合器OC进行信道聚合；在接收端，将光电转换后的电信号经过模数转换器ADC数字化，进而输入多个并行的数字正交匹配滤波器实现信道分离，之后通过时域下采样得到发送的编码信号，最后利用信号解调，即可完成信号的恢复。
在上述技术方案的基础上，所述数字正交成形滤波器与估计得到的逆***脉冲响应w-1(t)级联，得到新的数字成形滤波器，该滤波器的脉冲响应为：
hI(t)、hQ(t)分别表示I和Q滤波器脉冲响应，gI(t)、gQ(t)分别表示基于希尔伯特对的I和Q滤波器脉冲响应，w-1(t)为逆***的脉冲响应，p(t)为均方根升余弦脉冲，fc为数字正交滤波器的中心频率，t表示时间。
在上述技术方案的基础上，在接收端，通过同相匹配滤波器的最终输出为：
通过正交匹配滤波器的最终输出为：
dI(t)、dQ(t)分别表示发送端同相信道和正交信道的输入，hI(t)、hQ(t)分别表示发送端I路和Q路数字滤波器脉冲响应，w(t)为***信道的脉冲响应，mI(t)、mQ(t)为接收端数字正交滤波器的脉冲响应；
hI(t)、hQ(t)是由数字正交滤波器与逆***的脉冲响应w-1(t)级联所得，因此：
即：
本发明具有以下有益效果：
(1)与IIC类别技术相比，本发明无需经过多次CCIC迭代，便可满足缓解CCI效应的需求；同时，与现有的DIC类别技术相比，本发明具有较低的DSP复杂度，尤其对于容纳大量ONU的DFMA-PONs，性能提升显著。
(2)本发明中，***DSP操作不依赖于所采用的信号调制格式；并且，***性能不依赖于初始***运行条件，确保了该发明与DFMA-PONs的兼容性，进一步的提高了DFMA-PONs的可重构性、灵活性和弹性。
附图说明
图1为本发明估计逆***脉冲响应的链路示意图；
图2为本发明设计信道估计模块采用的自适应滤波迭代框图；
图3为本发明***中同一子带上同相和正交信道的数据传输步骤框图；
图4为本发明提出的信道估计作用于子信道的一种面向DFMA-PONs的信道干扰消除***发送端步骤框图；
图5为本发明提出的信道估计作用于整个信道的一种面向DFMA-PONs的信道干扰消除***发送端步骤框图；
图6为本发明提出的一种面向DFMA-PONs的信道干扰消除***接收端步骤框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施对本发明做进一步详细说明。
本发明的设计思路是提供一种面向DFMA-PONs的信道干扰消除方法。
其中，***传输信道的逆***脉冲响应w-1(t)的确定链路如图1所示，包括在发送端发送训练序列110，经过数模转换器120，DAC输出的电信号通过电光变换单元130注入光纤链路140；在接收端，将光信号输入到光电变换单元150中转换为电信号，电信号经过模数转换器160数字化，将输出的数字信号经过自适应滤波器Ⅰ170，自适应滤波系数不断更新迭代，即可得到***传输信道的逆***脉冲响应w-1(t)。
进一步的，该逆***脉冲响应w-1(t)包含数模转换器DAC、模数转换器ADC、电光转换器E/O、光电转换器O/E和光纤链路等物理传输特性。
如图2所示为设计信道估计模块采用的自适应滤波迭代框图，首先，训练序列d(n)210依次经过***传输信道w(t)220和自适应滤波器Ⅱ230中，得到自适应滤波器输出信号y(n)。利用训练序列d(n)和自适应滤波器输出信号y(n)之间的误差函数e(n)不断的迭代更新自适应滤波器系数，最终即可得到***传输信道的逆***脉冲响应w-1(t)。
如图3所示为本发明***中同一子带上同相和正交信道的数据传输步骤框图，在发送端，同相信道的调制信号为dI(t)310，正交信道的调制信号为dQ(t)350，分别将两个调制信号在上采样单元中320进行K倍上采样，之后，同相支路的信号在数字正交成形滤波器单元330中经过同相滤波器gI(t)，正交支路的信号在数字正交成形滤波器单元360中经过正交相位滤波器gQ(t)，接着两个信号分别通过逆***信道的脉冲响应w-1(t)340和***信道w(t)370；在接收端，经过信道聚合后的信号分别通过数字正交同相匹配滤波器单元380和数字正交相位匹配滤波单元3110，接着两个信号在下采样单元390中经过K倍下采样后，即可得到同相支路接收信号d′I(t)3100和正交支路接收信号d′Q(t)3120。
上述方案的具体表示为：
接收端通过同相匹配滤波器的最终输出满足：
通过正交匹配滤波器的最终输出满足：
dI(t)、dQ(t)分别表示发送端同相信道和正交信道的输入，hI(t)、hQ(t)分别表示发送端I路和Q路数字成形滤波器脉冲响应，w(t)表示***信道的脉冲响应，mI(t)、mQ(t)分别表示接收端数字正交匹配滤波器的脉冲响应。
hI(t)、hQ(t)是由数字正交成形滤波器与逆***的脉冲响应w-1(t)级联所得，因此：
即：
gI(t)、gQ(t)分别表示基于希尔伯特对的I和Q滤波器脉冲响应。
如图4所示为信道估计作用于子信道的一种面向DFMA-PONs的信道干扰消除***发送端步骤框图，不同用户的调制信号410利用上采样单元320进行K倍上采样，之后使用数字滤波器420对信号进行滤波，接着将信号依次经过数模转换单元120和电光变换单元130，信号被调制到同一中心频率的光载波上，最后所有用户发送的信号在光耦合单元430中进行信道聚合。
进一步的，数字正交成形滤波器带宽等于已调信号的符号速率R_s；数字正交滤波器中心频率f_c的选取范围取决于符号速率R_s和DAC采样速率Fs_DAC，即为[R_s/2,(Fs_DAC-R_s)/2]。
进一步的，利用数字正交成形滤波器与逆***的脉冲响应w-1(t)级联得到新的数字滤波器，该滤波器的脉冲响应为：
hI(t)、hQ(t)分别表示I和Q滤波器脉冲响应，w-1(t)为逆***的脉冲响应，gI(t)、gQ(t)分别表示基于希尔伯特对的I和Q滤波器脉冲响应，p(t)为均方根升余弦脉冲，fc为数字正交滤波器的中心频率，t表示时间。
如图5所示为信道估计作用于整个信道的一种面向DFMA-PONs的信道干扰消除***发送端步骤框图，不同用户510利用上采样单元320进行K倍上采样，之后使用数字正交成形滤波器520对信号进行滤波，接着在电域中进行信道聚合，聚合后的信号依次通过逆***530和数模转换器120，输出的电信号通过电光变换单元130调制到光载波上。
如图6所示为一种面向DFMA-PONs的信道干扰消除***接收端步骤框图，在接收端，信号在光电变换单元150中转换为电信号，之后信号通过模数转换器160数字化，将数字化后的信号输入到数字正交匹配滤波器组610中，然后在下采样单元390中进行K倍时域下采样，最后通过解调单元620得到解调信号630。
进一步的，在接收端，数字正交匹配滤波器的脉冲响应是发送端数字正交成形滤波器脉冲响应的时域翻转，即满足：
mI(t)＝gI(-t)
mQ(t)＝gQ(-t)
gI(t)、gQ(t)分别表示基于希尔伯特对的I和Q滤波器脉冲响应。
以上陈述的仅仅是本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明方法和核心装置实质的前提下，在实际实施中可以做出若干更改和润色也应包含在本发明的保护范围以内。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业人员公知的现有技术。
Claims (8)
1.一种面向DFMA-PONs的信道干扰消除装置，其特征在于：在发送端，调制信号利用上采样单元进行K倍上采样，然后使用数字正交成形滤波器对信号进行滤波，接着在电域中进行信道聚合，聚合后的信号依次通过逆***和数模转换器，输出的电信号通过电光变换单元调制到光载波上；
在接收端，信号在光电变换单元中转换为电信号，之后信号通过模数转换器数字化，将数字化后的信号输入到数字正交匹配滤波器中，然后在下采样单元中进行K倍时域下采样，最后在解调单元中解调信号。
2.根据权利要求1所述一种面向DFMA-PONs的信道干扰消除装置，其特征在于：所述逆***包括数模转换器DAC、模数转换器ADC、电光转换器E/O、光电转换器O/E和光纤链路，将已知的训练序列依次经过数模转换器DAC、电光转换器E/O、传输信道、光电转换器O/E、模数转换器ADC后，输出序列经过自适应信道估计算法，不断更新迭代自适应滤波器系数，即可得到逆***脉冲响应w-1(t)。
3.根据权利要求2所述一种面向DFMA-PONs的信道干扰消除装置，其特征在于：利用训练序列d(n)和自适应滤波器输出信号y(n)之间的误差函数e(n)不断的迭代更新自适应滤波器系数。
4.根据权利要求2或3所述一种面向DFMA-PONs的信道干扰消除装置，其特征在于：将所述数字正交成形滤波器与估计得到的逆***脉冲响应w-1(t)级联，得到新的数字成形滤波器。
5.根据权利要求4所述一种面向DFMA-PONs的信道干扰消除装置，其特征在于：根据不同的信号调制格式，选择不同的信道估计算法：对于通断键控OOK调制格式，利用基于最小均方误差MMSE的信道估计算法；对于正交振幅调制QAM调制格式，利用基于最小均方LMS的信道估计算法；对于正交频分复用OFDM调制格式，利用基于最小均方LMS的信道估计算法或基于最小二乘LS的信道估计算法。
6.一种面向DFMA-PONs的信道干扰消除方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：估计***传输信道的逆***脉冲响应w-1(t)，发送端发送已知训练序列，经过数模转换器DAC，数模转换器DAC输出的电信号通过光强度调制注入光纤链路；在接收端，将光电转换后的电信号经过模数转换器ADC数字化，输出的数字信号经过自适应信道估计算法后，不断更新迭代自适应滤波器系数，即可得到***传输信道的逆***脉冲响应w-1(t)；
步骤2：根据估计得到的逆***脉冲响应w-1(t)，在发送端，将数字正交成形滤波器与估计得到的逆***脉冲响应w-1(t)级联，得到新的数字成形滤波器；不同用户选用不同的新数字成形滤波器对K倍上采样后的信号进行滤波，接着经过数模转化DAC和光强度调制IM，将信号调制到同一中心频率的光载波上，最后所有用户发送的信号经过无源光耦合器OC进行信道聚合；在接收端，将光电转换后的电信号经过模数转换器ADC数字化，进而输入多个并行的数字正交匹配滤波器实现信道分离，之后通过时域下采样得到发送的编码信号，最后利用信号解调，即可完成信号的恢复。
7.根据权利要求6所述一种面向DFMA-PONs的信道干扰消除方法，其特征在于：所述数字正交成形滤波器与估计得到的逆***脉冲响应w-1(t)级联，得到新的数字成形滤波器，该滤波器的脉冲响应为：
hI(t)、hQ(t)分别表示I和Q滤波器脉冲响应，gI(t)、gQ(t)分别表示基于希尔伯特对的I和Q滤波器脉冲响应，w-1(t)为逆***的脉冲响应，p(t)为均方根升余弦脉冲，fc为数字正交滤波器的中心频率，t表示时间。
8.根据权利要求6所述一种面向DFMA-PONs的信道干扰消除方法，其特征在于：在接收端，通过同相匹配滤波器的最终输出为：
通过正交匹配滤波器的最终输出为：
dI(t)、dQ(t)分别表示发送端同相信道和正交信道的输入，hI(t)、hQ(t)分别表示发送端I路和Q路数字滤波器脉冲响应，w(t)为***信道的脉冲响应，mI(t)、mQ(t)为接收端数字正交滤波器的脉冲响应；
hI(t)、hQ(t)是由数字正交滤波器与逆***的脉冲响应w-1(t)级联所得，因此：
即：
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