OFDM光网络中软件定义的信号传输性能优化

朱庆明+彭继宗+苏翼凯

摘要：针对正交频分复用（OFDM）光网络，提出两项OFDM传输性能优化技术，分别可以抑制OFDM信号的旁瓣分量和降低峰均功率比（PAPR）。通过在每个OFDM符号前插入一段软件定义的旁瓣抑制码（SSC），OFDM信号旁瓣可以得到显著抑制，从而有效降低密集波分复用-正交频分复用（DWDM-OFDM）系统中的相邻载波干扰。此外，利用软件定义的方式更改保护频带（FGB），以降低OFDM信号的PAPR，改善信号传输性能。通过实验对两项OFDM传输性能优化技术进行了验证。

关键词： 正交频分复用；旁瓣抑制；峰均功率比

Abstract： In this paper， we propose two techniques for optimizing transmission performance in OFDM networks. These techniques reduce the sidelobe component and PAPR of an OFDM signal. By inserting a software-defined sequence called sidelobe suppression code （SSC）， the sidelobes of the OFDM signal are significantly suppressed， and the interference between adjacent channels in DWDM-OFDM systems can be reduced. Furthermore， we utilize frequency guard band （FGB） to reduce PAPR through software definition and improve transmission. Our two methods are validated by experiments.

Key words： orthogonal frequency division multiplexing； sidelobe suppression； peak to average power ratio

随着软件定义网络（SDN）等下一代网络技术的成熟，光网络中的网络资源管理显得日益重要。下一代光接入网要求实现更高的数据容量以及灵活的资源管理功能，正交频分复用（OFDM）技术具备优越的抗码间干扰（ISI）能力、高频谱效率、透明传输及子载波独立调制的特点[1-2]，已经成为下一代光纤接入网的重要候选技术。

然而，传统OFDM调制技术存在较严重的频谱泄漏[3]以及较高的峰均功率比（PAPR）[4]，这限制了OFDM技术的推广应用。已有OFDM旁瓣抑制技术包括时域加窗滤波[5]、插入补偿载波[6]、子载波预加重[7]、自适应OFDM符号过渡[8]，然而这些方案只在无线领域中得到验证。光域OFDM旁瓣抑制技术包括正交频分复用/偏移正交幅度调制（OFDM/OQAM）[9]、数字滤波[10]、OFDM/OQAM技术可以降低OFDM带外分量，但是会使信道估计变得更加复杂[11]，数字滤波滤除旁瓣会引起信号失真。PAPR降低技术主要包括μ律压扩变换[12]、部分传输序列[13]、子载波预留[14]，其中μ律压扩变换技术和部分传输序列技术会引起失真，而子载波预留技术缺乏传输性能优化的实验验证。

本文针对光网络提出两项OFDM传输性能优化技术，分别可以抑制OFDM信号的旁瓣分量以及降低PAPR。

旁瓣抑制技术是在传统OFDM符号前加入一段软件定义的旁瓣抑制码（SSC），该序列由傅立叶变换-逆傅立叶变换（FFT-IFFT）循环迭代产生，旁瓣抑制效果随迭代次数增加而提升。本文以实验和仿真一致验证了其旁瓣抑制效果，通过在传统OFDM序列中加入5% SSC序列，OFDM信号的旁瓣可以被额外抑制约18 dB。

SSC技术是一项全新的密集波分复用-正交频分复用（DWDM-OFDM）系统频谱优化技术，可以使DWDM-OFDM系统中相邻载波间的干扰有效降低，提升系统误码性能。另一方面，我们以软件定义的方式更改OFDM系统中的保护频带（FGB），即在FGB中插入一组软件定义的频率分量（PRT），以生成尖峰消除OFDM（PC-OFDM）信号，从而得到PAPR降低约2.5 dB的效果。经实验验证，当入纤功率为2.5 dBm，经50 km标准单模光纤（SSMF）传输后，相对于传统OFDM信号，PC-OFDM信号的接收灵敏度提升约2 dB。

1 旁瓣抑制码和尖峰消除

正交频分复用技术工作

原理

SSC是针对DWDM-OFDM系统开发的频谱优化技术，其通过FFT-IFFT循环迭代产生，并具有显著的OFDM旁瓣抑制效果。

PC-OFDM是基于传统OFDM调制方式的PAPR优化技术，其通过在FGB中插入一组软件定义的频率分量（PRT），就可以成功地实现PAPR的降低。

1.1 旁瓣抑制码

SSC定义：对于任意一段包含M个符号且长度为l的OFDM序列syms，在其中插入一段总长为lSSC的序列，可以得到一个新序列syms，如果新序列的带外功率谱之和sum达到最小值，则插入的序列称为SSC。

由于sum的值总是随着迭代次数的增加而减小，寻找最小值的意义并不大，通常只要迭代次数足够多，sum的值足够小，即可以认为此时插入的序列为SSC。

图1所示是SSC的典型结构，原有OFDM符号的结构被保留，仅在每个OFDM symbol（i）前插入一段软件定义的优化序列SSC（i）。值得一提的是，SSC性能与OFDM符号中循环前缀（CP）长度无关，若CP长度为0，则OFDM符号中不包含CP。

带有SSC单元的OFDM结构框图如图2所示，即在传统OFDM结构中插入SSC生成单元，更加详细的SSC生成算法如图3所示，一共分为4步进行。

（1）将第i个OFDM符号，第i个SSC以及第i-1个OFDM符号作为一个整体entity进行FFT运算，得到其频谱。

（2）将频谱上OFDM有效频带以外的分量置零。

（3）对该频域序列做IFFT运算，得到其时域序列entity。

（4）将entity中的SSC序列替换为entity中的SSC。

SSC具有显著旁瓣抑制效果的原因可以从频域和时域两个角度理解：

（1）频域：在四步迭代算法中，其中第二步是将带外分量全部置零，不断进行这样的迭代操作可以使得正交频分复用信号频谱中的带外分量逐渐趋于0，从而旁瓣可以得到很强的抑制。

（2）时域：既然单个OFDM符号的频谱无旁瓣分量，而两个或多个OFDM符号在时域上串行连接在一起，频谱上便会产生旁瓣，因此旁瓣存在的原因是人为地将多个频域及时域不相关的OFDM符号在时域上连接在一起，在每两个OFDM符号的交界处即会因为这种频域及时域上的突变而产生额外的干扰。因此可以在相邻两个OFDM符号间插入一段软件定义的优化序列SSC。如图3所示，尽管OFDM symbol（i-1）和OFDM symbol（i）是不相关的，但是OFDM symbol（i-1）、SSC（i）、OFDM symbol（i）被当作一个整体做FFT-IFFT变换后，SSC（i）和OFDM symbol（i-1）相关，也和OFDM symbol（i）相关，例如，设序列a和序列b是不相关的，但是可以产生序列c = （a + b）/2，c既和a相关，也和b相关。可以认为，SSC（i）实际上在相邻两个OFDM符号的交界处起到一个频域及时域上的缓冲作用，交界处序列的相关性增强，突变减小，旁瓣也会相应得到抑制。

如图4（a）所示，PRTs分布于低频的FGB，由PRTs产生的脉冲信号p[n]是一个奈奎斯特脉冲。图4 （b）为多个奈奎斯特脉冲叠加产生的尖峰消除信号，图4 （c）为原始OFDM信号与尖峰消除信号叠加产生的PC-OFDM信号。

2 实验验证

旁瓣抑制码技术与尖峰消除OFDM技术以独立的实验分别进行了验证。

2.1 旁瓣抑制码实验验证

SSC的旁瓣抑制效果得到了实验和仿真的一致验证。实验装置如图5所示，在发送端，可调激光器（SP TLS150D）产生了一束波长达到1 550.01 nm的光载波经过偏振控制器（PC）入射进马赫-曾德尔调制器（MZM）（Fujitsu FTM7921ER），由任意波形发生器（AWG）（Tektronix AWG7122C）产生的OFDM信号经过电放大器放大后驱动MZM调制光载波。MZM的输出经过光电转换器（PD）（Bookham PT10G4094）转换为电信号，并用电谱仪（R&S FSUP）观察其功率谱，验证SSC在光域的性能，同时用电谱仪观察AWG输出的OFDM信号的功率谱，验证SSC在电域的性能，并与光域结果进行对比。

仿真和实验均分别以不带SSC的OFDM序列和带SSC的OFDM序列为测试对象，观察并对比其旁瓣抑制性能。两种OFDM序列的符号数均为1 000，子载波数为64，FFT长度和CP长度分别为256、26，SSC长度为13，迭代次数为70，采样率为2.5 GHz。

实验结果如图6所示，设DWDM-OFDM系统中保护频带带宽为信号带宽的10%，旁瓣抑制比定义为信号功率谱中的最大分量与保护频带之外最大分量的比值，可以看出，仿真结果和电域实验结果一致验证了加入5% SSC序列可以将OFDM信号的旁瓣抑制比提升至约40 dB，与不加SSC的传统OFDM信号相比，旁瓣抑制比提高了约18 dB。

相比之下，SSC在光域中体现出的性能不如电域，旁瓣抑制比提升约9 dB，其原因可以总结为以下3点：（1）光基底噪声以及PD拍频噪声较大；（2）MZM的Vπ限制了射频信号的幅度；（3）MZM具有非线性，产生了高阶分量。

2.2 尖峰消除OFDM实验验证

本文以实验验证了尖峰消除OFDM技术。实验装置如图7所示，在发送端，分布反馈激光器（DFB）（SP TLS150D）产生一束波长为1 551.01 nm的光载波经过偏振控制器（PC）入射马赫-曾德尔调制器（MZM）（Fujitsu FTM7921ER），由任意波形发生器（AWG）（Tektronix AWG7122C）产生的数据速率约为8.62 Gb/s的OFDM/PC-OFDM信号经过电放大器（EA）放大后驱动MZM调制光载波。OFDM信号数据由Matlab产生，子载波数为256，其中数据载波序号为65～127，加载16QAM数据，FGB载波序号为1～64，OFDM信号频谱结构满足厄米特对称，循环前缀长度为16。PC-OFDM信号由原始OFDM信号和尖峰消除信号叠加产生，产生尖峰消除信号的迭代次数为20，预设最大幅度A设置为原始OFDM信号最大峰值的70%。MZM的输出经掺铒光纤放大器（EDFA）放大及带通滤波器（BPF）滤波后，通入一个90：10光耦合器，其中一端输出以功率计测量发射功率，另一端输出耦合至光纤进行传输。在接收端，光信号经过可调光衰减器（VOA）、EDFA、BPF后进入10 GHz PD，得到的电信号被40 GSa/s采样率的实时示波器（LeCroy 806Zi-A）采样，并用Matlab处理采样数据，计算误码性能。

图8为传输50 km SSMF后PC-OFDM信号与传统OFDM信号误码率曲线以及解调后的星座图，其发射功率为约2.5 dBm。前向纠错的误码率阈值约为10-3，而PC-OFDM信号在前向纠错阈值处的接收灵敏度约为-18.1 dBm，比传统OFDM信号在该处的接收灵敏度高出约2 dB。

3 结束语

本文提出两项OFDM传输性能优化技术，分别可以降低OFDM信号的旁瓣分量和PAPR。通过在传统OFDM序列中加入5%软件定义的优化序列SSC，OFDM信号的旁瓣可以被多抑制约18 dB。SSC技术对应DWDM-OFDM系统中保护频带较窄的特点，将SSC技术应用于DWDM-OFDM系统，可以大大减小相邻载波间的干扰，提升系统性能。此外本文提出PAPR降低技术，即在FGB中插入一组软件定义的PRT，可以实现约2.5 dB的PAPR降低，从而提升接收灵敏度约2 dB。

参考文献

[1] ARMSTRONG J. OFDM for optical communications [J]. Journal of lightwave technology， 2009， 27（3）： 189-204

[2] STUBER G L， BARRY J R， MCLAUGHLIN S W， et al. Broadband MIMO-OFDM wireless communications [J]. Communications Letters， IEEE， 2004， 8（2）： 271-294

[3] SEO J， JANG S， YANG J， et al. Analysis of pilot-aided channel estimation with optimal leakage suppression for OFDM systems [J]. Communications Letters， IEEE， 2010， 14（9）： 809-811

[4] CHEN H， HE J， TANG J， et al. Performance of 16 QAM-OFDM With New Null Subcarrier Shifting in an Intensity-Modulated Direct Detection System [J]. Journal of Optical Communications and Networking， 2014， 6（2）： 159-164

[5] WEISS T A， JONDRAL F K. Spectrum pooling： an innovative strategy for the enhancement of spectrum efficiency [J]. Communications Magazine， IEEE， 2004， 42（3）： S8-14

[6] BRANDES S， COSOVIC I， SCHNELL M. Reduction of out-of-band radiation in OFDM systems by insertion of cancellation carriers [J]. Communications Letters， IEEE， 2006， 10（6）： 420-422

[7] COSOVIC I， BRANDES S， SCHNELL M. Subcarrier weighting： a method for sidelobe suppression in OFDM systems [J]. Communications Letters， IEEE， 2006， 10（6）： 444-446

[8] MAHMOUD H A， ARSLAN H. Sidelobe suppression in OFDM-based spectrum sharing systems using adaptive symbol transition [J]. Communications Letters， IEEE， 2008， 12（2）： 133-135

[9] ZHANG X， LI Z， LI C， et al. Transmission of 100-Gb/s DDO-OFDM/OQAM over 320-km SSMF with a single photodiode [J]. Optics express， 2014， 22（10）： 12079-12086

[10] LOWERY A， ARMSTRONG J. Orthogonal-frequency-division multiplexing for dispersion compensation of long-haul optical systems [J]. Optics Express， 2006， 14（6）： 2079-2084

[11] JAVAUDIN J P， LACROIX D， ROUXEL A. Pilot-aided channel estimation for OFDM/OQAM [C]//Proceedings of the Vehicular Technology Conference， 2003. VTC 2003-Spring. The 57th IEEE Semiannual. IEEE， 2003， 3： 1581-1585

[12] CHUNG H S， CHANG S H， KIM K. Companding transform based SPM compensation in coherent optical OFDM transmission [J]. Optics express， 2011， 19（26）： B702-B709

[13] M LLER S H， HUBER J B. OFDM with reduced peak-to-average power ratio by optimum combination of partial transmit sequences [J]. Electronics letters， 1997， 33（5）： 368-369

[14] TRUONG T A， ARZEL M， LIN H， et al. PAPR reduction using contiguous-tone tone reservation technique in optical OFDM IMDD transmissions [C]//Proceedings

of the Optical Fiber Communication Conference. Optical Society of America， 2013： JTh2A. 67