淺談光纖對通信系統(tǒng)性能的影響

0基于opfd的mmf通信系統(tǒng)目前，光正交頻率分復器技術(shù)（ofdm）的重點課題主要用于骨干網(wǎng)絡(luò)中的無色散補償?shù)母咚俾屎烷L距離傳輸，并將ofdm技術(shù)應(yīng)用于光接入網(wǎng)絡(luò)的低成本、線性和無線相結(jié)合的靈活引入。由于多模光纖(MMF)傳輸?shù)哪B(tài)比較多,色散比較嚴重,從而影響了系統(tǒng)的性能。OOF-DM和自適應(yīng)調(diào)制能夠很好地克服色散,因此提出了基于自適應(yīng)調(diào)制的OOFDMMMF通信系統(tǒng)。由于大多時候系統(tǒng)的傳輸速率是恒定不變的,因此本文主要闡述恒定吞吐量的自適應(yīng)調(diào)制算法。1子濾波器上的解調(diào)和調(diào)制文獻中提出的基于自適應(yīng)調(diào)制的正交頻分復用(OFDM)MMF通信系統(tǒng)如圖1所示。在發(fā)送端,通過信道估計得到信道情況,根據(jù)自適應(yīng)調(diào)制和功率分配算法決定各個子載波分配的比特數(shù)和發(fā)射功率大小。各個子載波的調(diào)制方式?jīng)Q定后,發(fā)送端將編碼后的二進制高速數(shù)據(jù)流分配到各個子載波上進行調(diào)制,調(diào)制以后的信號經(jīng)過串/并變換、快速傅里葉逆變換(IFFT)、并/串變換、加循環(huán)前綴(CP)后,由馬赫-曾德爾調(diào)制器(MZM)將電信號轉(zhuǎn)換為光信號,耦合入MMF傳輸。在接收端,先通過光信號探測器(PIN)把光信號轉(zhuǎn)換為電信號,然后去掉CP,串/并變換,再經(jīng)過快速傅里葉變換(FFT),把低速的并行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成高速的串行數(shù)據(jù)流,最后進行解調(diào),每個子載波上的解調(diào)和調(diào)制的方式是對應(yīng)的。文獻中提到,OFDMMMF通信系統(tǒng)與無線OFDM系統(tǒng)不同,前者涉及到電信號要轉(zhuǎn)化為光信號的問題。本文討論的是非相干光的問題,所以采用了把輸入信號的共軛加載到相應(yīng)共軛子信道的子載波上的方法,進行FFT就可以使得輸入MMF的電流為實數(shù)。所謂共軛子信道是互為的概念,假設(shè)子信道個數(shù)為那么第號子信道的共軛子信道就是第511號子信道。2oofd系統(tǒng)自適應(yīng)重構(gòu)算法的原理2.1tdd-n-ld-n-d文獻提出的具有N個導模數(shù)的MMF,其傳遞函數(shù)可以由式(1)表示,式中,td,n為第N個導模的時延,各個導模的時延可以認為是相互獨立且均勻分布的。文獻中提出對式(1)進行FFT得到MMF的頻率響應(yīng)函數(shù),見式(2)。2.2平均最優(yōu)比特數(shù)文獻中所提到的吞吐量是指每個OFDM符號中所傳輸?shù)拿總€子信道的平均比特數(shù),記為BPS。在恒定吞吐量的OOFDM系統(tǒng)中自適應(yīng)調(diào)制算法的優(yōu)化目標是在吞吐量和發(fā)射總功率恒定的情況下,使系統(tǒng)的誤碼率最小。2.2.1子濾波器功率分配完整按照文獻中提出的功率分配方法,假設(shè)第m個子信道的信道增益與噪聲功率的比值為Hm,功率分配值為Pm,第n個子信道的信道增益與噪聲功率的比值為Hn,功率分配值為Pn,那么它們之間的關(guān)系如式(3)所示,當總發(fā)射功率P和信道情況已知時,只要知道一個子載波的發(fā)射功率,就可以得出所有子載波的發(fā)射功率,同時所有子載波的功率和為PT,如式(4)所示但是由于求出來的每個子信道的值有可能大于總發(fā)射功率P,這時就需要對第1個確定的子載波的功率進行調(diào)整,比較復雜。文獻中提出的新方法就是先對信道狀態(tài)值Hn進行排序,由式(3)可知,Pn大小情況和Hn一致,如果H1≤H2≤…≤Hn,那么P1≤P2≤…≤Pn。由于PT≤P,這里假設(shè)功率分配完整即PT=P且第1個P>0,根據(jù)式(3)和(4)可得到式(5)。假設(shè)P1≤0,那么這個子載波的發(fā)射功率就為0,剔除這個子載波,給第2個子載波分配功率,直到找到Pm>0,然后依此類推求出所有子載波的功率。這樣就減少了選擇第1個子載波的功率是多少帶來的運算復雜度:2.2.2qam法在文獻中得到每個子載波的發(fā)射功率后,由于子信道的信道情況已知,第n個子信道的信噪比就為rn=PnHn。根據(jù)公式(7)和(8)可以求出每個子信道采用不同調(diào)制方式時的誤碼率。式中,L為調(diào)制階數(shù),例如對于4QAM(相位正交幅度調(diào)制),L=2,對于8QAM,L=3,以此類推。按照文獻定義一個新的函數(shù)即比特增加代價函數(shù)fn(m),其中n表示子載波的編號,m表示子載波n上的調(diào)制方式,fn(m)等于在使用更高一級的調(diào)制方式時誤碼率增加值與傳輸比特數(shù)增加值之比,en(m)和en(m+1)分別表示子載波n上所用調(diào)制方式為m和m+1下的期望誤碼率,bn(m)和bn(m+1)分別表示調(diào)制方式為m和m+1下的傳輸比特數(shù),則具體的恒定吞吐量自適應(yīng)調(diào)制算法的流程圖見圖2,其中,Btotel為所要分配的比特數(shù),B為所有子信道分配的比特數(shù)總和,數(shù)組a(n)用來存放每個子信道用此時的調(diào)制方式計算的比特增加代價函數(shù)值,數(shù)組b(n)用來存放每個子信道分配的比特數(shù),數(shù)組c(n)用來存放每個子信道調(diào)制階數(shù)增加的次數(shù),調(diào)制方式有k種(包括不調(diào)制),n為子載波個數(shù)。2.3多通道調(diào)制算法根據(jù)新的功率分配方法可知,對于信道情況比較差的子信道,不為其分配功率,因為利用這些子信道傳輸信息會使系統(tǒng)的誤碼率增大,在系統(tǒng)要求誤碼率較低的情況下,不能滿足要求。當這些子信道不能傳輸信息時,為其分配的比特數(shù)就為0。于是,自適應(yīng)調(diào)制算法可以得到改進,初始化分配那些發(fā)射功率不為0的子信道的發(fā)送比特數(shù),然后再利用原始的恒定吞吐量自適應(yīng)調(diào)制算法分配余下的比特數(shù),最后對某些子信道的調(diào)制方式進行調(diào)整。假設(shè)最低的調(diào)制階數(shù)為不調(diào)制,最高為64QAM,也就是說比特分配數(shù)是從0～6,子信道數(shù)為100,要分配的比特數(shù)為300,同時也假設(shè)根據(jù)功率分配的結(jié)果可知30個子信道是不分配功率的。我們初始化每個子信道的調(diào)制方式為4QAM,即每個可用的子信道分配的比特數(shù)為2,那么剩下的要分配的比特數(shù)為160,利用原始的恒定吞吐量算法在可用的70個子信道上分配160個比特。最后對調(diào)制方式為4QAM的子信道的調(diào)制方式再進行一次調(diào)整,算出f(4QAM),然后進行從小到大排序,并且依次算出每個子信道的f(BPSK)。將第1個子信道的f(4QAM)與最后一個子信道的f(BPSK)進行對比,如果f(4QAM)>f(BPSK),則將第1個子信道的調(diào)制方式變成二進制相移鍵控(BPSK),最后一個子信道的調(diào)制方式變成8QAM;如果f(4QAM)<f(BPSK),則情況相反。接著將第2個子信道與倒數(shù)第2個子信道進行對比,一直比到x/4處(x/4為整數(shù),x代表運用原始比特分配算法調(diào)制方式為4QAM的子信道的個數(shù)),就可得出所有子信道最終的比特分配方式。3系統(tǒng)算法驗證仿真采用的光纖長度為1km,MMF信道的頻率響應(yīng)曲線如圖3所示,從圖中可以看出,在1.2、5.3和9.2GHz等頻率處信道情況較差。假設(shè)恒定吞吐量的算法為A算法,改進后的算法為B算法。具體的仿真參數(shù)如表1所示,系統(tǒng)中每個OFDM符號的比特數(shù)為600,每個子信道平均分配個比特有效信號的傳輸速率為個子信道中有200個用來傳輸調(diào)制后的信息,剩下的200個子信道是前200個子信道的共軛信道,用來傳輸共軛信息。圖4和圖5分別是A算法和B算法的功率分配和比特分配結(jié)果的比較圖。從圖中可以看出,對于情況較差的信道,分配的發(fā)射功率較小,比特數(shù)也較少,甚至都不分配。圖6所示為A算法與B算法系統(tǒng)的誤碼率比較。從圖6中可以看出,B算法與A算法相比,當系統(tǒng)要求誤碼率為10-3時,只需增加4dB的信噪比,這里假設(shè)功率分配為0的子信道個數(shù)為y(0<y<200),那么B算法只需分配3y個比特,然后再對調(diào)制方式為4QAM的子信道的調(diào)制方式進行一次調(diào)整