基于LDPC-OFDM编码调制在无源光网络的研究

肖　枭,赵　璐,牛　宝

(兰州交通大学 电子与信息工程学院,甘肃 兰州　730070)



基于LDPC-OFDM编码调制在无源光网络的研究

肖枭,赵璐,牛宝

(兰州交通大学 电子与信息工程学院,甘肃 兰州730070)

摘要将低密度奇偶校验码与正交频分复用相结合的编码调制方式引入到无源光网络中,并通过Optisystem和Matlab进行联合仿真,研究了基于LDPC-OFDM编码调制的PON系统的下行传输性能。结果显示,由LDPC-OFDM编码调制的信号,在无源光网络中可以实现10 Gbit·s(-1)的下行传输。在误码率均为10(-4)时,基于LDPC-OFDM编码调制的系统传输性能较未编码传输光有4.2 dB的提升。当信噪比>2.6 dB时,Gallager构造法较Mackay构造法和BIBD构造法有更好的误码率性能,以及当信噪比>4.6 dB时,LLR-BP及其改进译码算法能使系统性能得到改善。

关键词低密度奇偶校验;正交频分复用;无源光网络

随着传统基于音频和文本的业务正在向基于图像和视频业务转变,目前已出现了大量新兴互联网业务,如网络电视(Internet Protocol Television,IPTV)、高清电视(High Definition Television,HDTV)、视频流媒体、互动游戏等,以及用户数量的不断增加[1],接入网的带宽需求快速增长,光纤到户(Fiber To The Home,FTTH)已成为业界公认的接入网发展目标。无源光网络(Passive Optical Network,PON)采用的是点对多点的拓扑结构,具有带宽高、成本低、结构简单、结构性好等优点,已被认为是解决宽带光接入需求的最佳方案。近几年,正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术被引入到PON系统中,形成一种新的光纤接入模式OFDM-PON,其具有传输容量大、业务调度及带宽管理灵活以及抗色散能力强等优势[2]。由于无源接入技术受限于发射功率,为在不增加系统的光功率预算前提下提升系统性能,有必要采用前向纠错码(FEC)技术获取高的编码增益。低密度奇偶校验(Low-Density Parity-Check,LDPC)是于1962年由Gallager提出的一种基于稀疏矩阵的线性码,Gallager证明了LDPC码的最小汉明距离随着码长增加而线性增加,即LDPC码是满足G-V限的渐进好码[3-4]。

本文主要将LDPC编码与OFDM技术结合引入到无源光网络中,通过Optisystem和Matlab软件对系统的搭建和仿真,实现了在下行链路上基于LDPC-OFDM编码调制信号在20 km单模光纤上的传输,并比较了LDPC码的不同编码和译码方式对系统性能的影响。

1无源光网络

1.1无源光网络(PON)的基本原理

PON是指在ODN(光配线网)中采用光分/合路器或光耦合器等无源器件来分配/汇聚各个ONU(光网络单元)信号的一种接入网,PON 的突出优点之一是所有的信号处理过程都在OLT(光线路终端)和 ONU 处完成,从而消除了户外有源设备。在下行方向,PON 通过广播的方式将信息广播给各个ONU,各ONU选择性接收属于自己的信息;在上行方向,各ONU为了能实现信道共享,则需根据某种多址接入协议来实现。PON的基本组成包括 OLT、ODN、ONU 这3部分,其中OLT可位于交换局内,也可位于远端,它提供网络侧与业务节点之间的接口,以及分配和控制各信道的连接,对各个光电接口实施监控、提供操作、维护及管理功能,OLT与ONU间的关系为主从通信关系;ODN的功能是在OLT和ONU之间建立光传输通道,完全由光纤无源器件组成;ONU处于ODN的用户侧,提供直接或远端的用户侧接口[5],PON的基本结构如图1所示。

图1　PON结构示意图

1.2LDPC码的构造

低密度奇偶校验码(LDPC)编码具有较高的编码增益,在编码构造的设计上自由度也较大[6]。它可以通过线性性生成一个矩阵G将信息序列映射成码字序列,对于生成矩阵G,可被一个奇偶校验矩阵H唯一定义。通过高斯消元法可以将一个维数为m×n的H矩阵变成如下形式

(1)

(2)

式中,g表示周长;wc表示列重;d表示编码的最小距离;⎣」指取小于或等于所括量的最大整数值。如何降低编码过程中相对较高的时延和算法复杂度成为目前LDPC码亟待解决的问题。

1.3光OFDM调制基本原理

OFDM是一种频分复用技术,能够实现子载波域的复用,利用不同子载波的相互正交性可以避免相互之间的干扰,提高了频谱利用率和可接入用户容量。光OFDM发射机和接收机的结构原理如图2所示,在发射端,串行输入数据经过串并转换器转换为速率较低的并行数据,进行星座映射后,通过IFFT变换实现OFDM信号的正交调制,达到在多个子信道中并行传输,然后加循环前缀来消除子载波间的干扰,最后进行数模转换形成电域OFDM信号,以上都是电域处理过程,接下来进行光调制,即将电OFDM信号转换为光OFDM信号。在接受端,光OFDM信号首先进行光解调、低通滤波器得到电OFDM信号,然后经过模数转换、去循环前缀、串并转换、FFT变换、解星座映射、并串转换获得输出数据[7]。

图2　光OFDM中发射机和接收机结构原理图

2系统构建

基于LDPC-OFDM编码调制的无源光网络系统基本原理如图3所示。光OFDM的检测方式主要是相干检测和直接检测两种方式,在本文系统构建中采用光直接检测方式进行接收,主要目的是考虑现实中无源光网络的传输距离及成本因素[2,8]。

在发射端中,LDPC编码模块先对数据进行编码,编码过程在计算机中进行,然后数据被送至OFDM下行发射模块,在这个模块中对数据进行OFDM调制,调制后的数据通过上变频后便得到下行射频OFDM信号,最后将信号经光调制器实现电到光的转换,产生下行光OFDM信号,下行光信号经过一个光环路器(OC)被发送至光纤信道进行下行光链路传输至ONU。光信号经过一个光分/合路器后被分为若干束,最后传送给各个ONU。在此过程中,OFDM的形式可以描述为

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

(3)式中,s(t)为光OFDM信号;f0为主载波频率;β为比例系数,用来描述主载波能量和OFDM频带之间的关系;sB(t)为基带OFDM信号;Δf为光主载波与OFDM频带之间的保护带宽。基带OFDM信号sB(t)可以表示为

(4)

式中,Nsc为子载波个数;ck为第k个子载波OFDM符号;fk为第k个子载波的频率。光OFDM信号经过带色度色散的光纤后,根据式(3)可得光纤信道输出光OFDM信号为

(5)

(6)

其中,φD(fk)为第k个子载波色度色散引起的相位延迟;Dt为所积累的色度色散;fo为光OFDM频谱的中心频率;c为光速。

在接收端,各个ONU的下行光OFDM信号经过光环形器后进行光电转换,产生下行射频OFDM信号,再进行下变频得到下行基带OFDM信号,然后在译码模块进行译码,获得原始数据。在接收光OFDM信号时采用直接检测方式,探测到的光电流信号可以表示为

(7)

式中,第一项为直流分量,在系统中可以用一个隔直电容将其去掉;第二项是构成OFDM信号的基本项,需要将其恢复;第三项是二阶非线性项,是需要剔除的干扰项。

上行数据则采用合适的调制方式调制,经电光转换后回传至OLT,在OLT中,再经光电转换和解调后得到上行数据。

图3　LDPC-OFDM编码调制无源光网络系统结构图

3仿真实验

本文主要利用Optisystem和Matlab联合对基于LDPC-OFDM编码调制PON系统的下行传输性能进行仿真。首先利用计算机编程,采用了码率为0.8,围长为6的LDPC(5 120,4 096)进行编码,OFDM信号的映射方式采用4QAM,子载波个数为512,过采样率为2,射频载波频率为10GHz。然后由任意波形发生器产生10Gbit·s-1的编码调制数据,利用光强度调制器(IM)外调制DFB-LD产生下行光。OLT下行发射光载波数取值为8,频率分布依次为193.1～193.8THz。产生的下行编码调制光信号经光配线网络(ODN)传递给光网络单元(ONU)。其中,ODN由20km单模光纤(SMF)和分光器构成,ONU的个数为8。在ONU端,下行信号经光电转换后由实时示波器对信号进行采样,最后经解调制和译码后得到下行数据。仿真结果如图4所示。

图4　LDPC-OFDM编码调制的PON系统性能图

仿真结果分别显示了20km未编码,背靠背(B-to-B)未编码和基于LDPC-OFDM编码调制的20km下行信号传输性能。从图中可见,在误码率(BER)为时,基于LDPC-OFDM编码调制的无源光网络系统OSNR=5.4dB,传输性能较未编码传输光OSNR=9.6dB降低了4.2dB,而与未编码背靠背传输光OSNR=8.1dB相比,有2.7dB的提升。可见,采用LDPC-OFDM编码调制对系统的性能有了明显改善。

如图5所示,分别采用了Gallager构造法、Mackay构造法和BIBD构造法对LDPC码进行编码。结果显示,当信噪比<2.6dB时,Mackay构造法和BIBD构造法具有较好的误码率性能;当信噪比>2.6dB时,Gallager构造法具有较好的误码率性能,当信噪比为5dB时误码率能达到10-3。

图5　不同编码算法下的误码率曲线

不同译码算法下的性能曲线图如图6所示,图中显示了针对LLR-BP算法及其改进算法和比特翻转算法(BF)的仿真误码率曲线。结果显示,当信噪比<4.6dB时,比特翻转法有更好的误码率性能;当信噪比>4.6dB时,LLR-BP算法以及基于LLR-BP改进算法有更好的误码率性能,而且改进的LLR-BP算法降低了计算复杂度,使得在高信噪比环境下有更好的性能改善。

图6　不同译码算法的误码率曲线

4结束语

本文主要研究了LDPC-OFDM编码调制在无源光网络中的应用,通过理论分析和Matlab、Optisystem的联合仿真表明,在20km单模光纤上,由LDPC-OFDM编码调制的信号在无源光网络中可以实现10Gbit·s-1的下行传输。而且在误码率为10-4时,较未编码20km传输光要求有4.2dB的提升,较未编码背靠背传输有2.7dB的提升。最后通过对LDPC码的不同编码和译码方式研究发现,当信噪比>2.6dB时,Gallager构造法较Mackay构造法和BIBD构造法有更好的误码率性能,以及当信噪比>4.6dB时,LLR-BP及其改进译码算法可使系统性能得到改善。

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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

中图分类号TN929.1

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)04-154-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.041

作者简介:肖枭(1989—),男,硕士研究生。研究方向:光通信。

收稿日期:2015- 09- 02