抑制多用户干扰的串行反馈干扰抑制算法研究

苏国瑞,林浩坤,蒲涛*,郑吉林,谭业腾,牟卫峰

(1陆军工程大学通信工程学院,江苏 南京 210007;2华中科技大学软件学院,湖北 武汉 430070;3国防科技大学信息与通信学院,湖北 武汉 430010)

0 引言

随着互联网技术与业务的高速发展,具有多业务支持和灵活带宽能力的新型接入网络体系结构成为当前关注的热点[1]。光码分多址(OCDMA)技术因具有异步接入,数据的高速传输、交换,灵活网络接入等优点,成为一种极具吸引力的、灵活的接入体系结构[2]。通过改变接入用户的码字参数,可以直接支持物理层的多业务和多速率传输需求,实现鲁棒性、大容量的无源光网络[3]。

OCDMA系统是一种噪声受限系统,其传输性能主要受多用户接入引入的多用户干扰(MAI)和差拍噪声的影响。随着系统承载用户数的增加,目标用户受到其他用户带来的多用户干扰和差拍噪声的影响急剧增加,用户传输性能受到影响。

为进一步抑制多用户干扰,改善用户传输性能,提高OCDMA传输系统承载用户数,研究者通过构造自、互相关性能好的地址码字方法抑制多用户干扰。如:帕斯卡三角模式构造零相关码字[4]、可变的互相关码字[5]等;通过采用光时间门技术对时隙外各种噪声进行抑制[6,7];通过采用光纤非线性阈值方法抑制系统噪声[8,9];通过采用互补接收抑制方法抑制码字之间的互相关干扰[10]。上述四种抑制方法都是将多用户干扰作为一种随机噪声进行抑制,实现了抑制多用户干扰的目的。但是,这些方法不仅没有完全抑制OCDMA系统中的多用户干扰,还提高了系统成本,严重影响了OCDMA-PON接入网的发展。

借鉴电CDMA系统中多用户检测技术的思路[11],将OCDMA传输系统中的多用户干扰看作是一种可估计、可去除的“有效信号”,可以从接收信号中进行重构,从而实现对多用户干扰的抑制。基于这一抑制多用户干扰的新思路,采用现有成熟的、高采样速率的数字信号处理技术[12,13],在电域中对接收信号进行多用户干扰的重构、抑制,不仅可以减少为抑制噪声增加的系统成本,还较好地抑制了多用户OCDMA系统中的多用户干扰,改善了系统的传输性能。

目前为止,采用数字信号处理算法抑制OCDMA系统中的多用户干扰、改善系统传输性能的工作还未见报道。本文基于将多用户干扰看作可重构的“有效信息”的新思路,提出了一种基于数字信号处理技术的串行反馈干扰抑制算法,抑制系统中的多用户干扰。同时,搭建了2用户同步接入频谱幅度编码OCDMA系统仿真平台,并进行了系统仿真验证。

1 串行反馈干扰抑制算法

1.1 多用户OCDMA传输系统噪声模型

OCDMA传输系统模型及噪声分布如图1所示。脉冲光源经过强度调制器将传输数据调制到光载波上,利用光编码器对宽谱调制信号进行编码,随后注入到星型无源光网络中进行传输。在传输过程中,由于其他用户信号也在该网络中传输,会对目标用户引入多用户干扰。在接收端通过对应的光解码器对目标用户信号进行解码,得到的光解码信号经过光电检测器转换为电信号,并对其进行分析、判决。在光电转换过程中引入差拍噪声和热噪声。

图1 OCDMA传输系统模型及噪声分布Fig.1 OCDMA transmission system model and noise distribution

发送端M个接入用户的混合编码信号为

式中:Sm(tm)为第m个用户的调制信号,为第m个用户采用的码字,fm(tm)第m个用户的编码信号。

M个用户的混合编码信号同时经过光纤传输,光信号的衰减由光放大器(EDFA)进行补偿,过程中引入了ASE噪声n(t)。光信号在光纤传输过程中受到色散和偏振模色散的影响,导致脉冲展宽。设定光纤传输函数为h(t),经过光纤传输后的光信号为

传输光信号在接收端进行匹配解码接收,以用户1为目标用户,通过相匹配的光解码器对接收信号进行解码,得到的解码光信号包含三项:目标用户的自相关信号、干扰用户的互相关信号(光域内的多用户干扰)和ASE噪声,可表示为

假设传输过程中采用光放大器对信号衰减进行补偿,采用色散补偿光纤对传输链路中的色散进行补偿,在不考虑高阶色散、偏振模色散和非线性效应的情况下,假设光纤传输函数h(t)=1。解码信号注入平方律器件光检测器,得到相对应的电流信号的表达式

式中:R为接收机的响应度,Tb为比特周期。

在多用户OCDMA系统中,接收端接收到的信号如(4)式所示,其中第一项为目标用户的有效信息,第二项为一阶主差拍噪声,第三项为二阶次差拍噪声,第四项为多用户干扰,最后一项为热噪声、散粒噪声。从(4)式中可以看出,有效信息和噪声都可以由各个用户的调制信号与各个用户使用的正交码字的自、互相关函数表示。此时,系统中多用户干扰和差拍噪声成为抑制系统传输性能的主要噪声。为进一步简化接收到的电信号,当系统承载用户数较少时,接收信号中的一阶主差拍噪声与二阶次差拍噪声相对较小,即多用户干扰成为影响系统传输性能的主要因素,此时(4)式可化简为

从(5)式中可以看出,系统中的多用户干扰与干扰用户和目标用户之间的互相关函数相关。基于上述理论分析,提出了在电域内针对接收信号进行相对应的数字信号处理算法,从而抑制系统中的多用户干扰,改善系统传输性能。

1.2 串行反馈干扰抑制算法

在OCDMA系统中抑制多用户干扰的方法主要是通过增加物理器件实现的,如光时间门、光阈值器件、平衡接收等。而在无线CDMA系统中则是采用多用户检测技术对接收信号进行处理,达到抑制噪声的目的。其中,串行干扰抵消多用户检测算法利用级联的方法在每一级中进行噪声消除,该算法具有结构简单、计算复杂度低、易于实际应用的优点。基于上述算法的思路,结合多用户OCDMA系统中信号、噪声的模型,提出了针对OCDMA系统抑制多用户干扰的串行反馈干扰抑制算法。

以2用户同步接入频谱幅度编码SAC-OCDMA传输系统为例,根据干扰用户2的传输信号,以及用户1码字与用户2码字之间的互相关函数构造比特内的多用户干扰“信号”。得到对应的多用户干扰的分布情况,其构造公式可表示为

式中:C为构造MAI信号的反馈系数,用来修正MAI信号的幅度大小;S2(t)={0,1},用户2的传输信号为1或者0;θ21(τ)为2用户码字之间的互相关函数,表明每个比特周期内的变化受互相关函数的影响。

式中:N为用户码字的码长,τ为码元周期。

依据上述的理论推导,在电域内针对接收信号采用数字信号处理技术,提出了串行反馈干扰抑制算法,该算法流程图如图2所示。

图2 串行反馈干扰抑制算法流程图Fig.2 Flow chart of serial feedback interference suppression algorithm

在接收端得到的解码光信号经过光探测器探测后得到对应的电信号,通过A/D转换得到数字信号。将得到的数字电信号提取出来,在MATLAB软件中进行串行反馈干扰抑制算法处理。仿真平台采用1280 GSample/s采样速率对10 Gb/s速率的数据进行高速采样,得到相对应的数字信号。对接收到的数字信号进行再采样,实现每个比特周期内存在32个采样点。根据波形主要分布在比特周期中间位置的特点,将每个比特周期内第一个和最后一个采样点去掉,得到每比特周期内存在30个采样点。

在多用户干扰“信号”的重构过程中,由于每个比特内计算得到的互相关函数共存在15个采样点,无法直接与得到的数据信号进行运算,采用内插法将信号的采样率提升为30个采样点每比特。将两路数据进行相同采样速率处理后,由于目标用户1和干扰用户2属于同步接入,检测到的目标用户信号可以直接减去干扰用户信号,从而实现多用户干扰的抑制。

构造的MAI信号并不能针对不同光功率的接收信号进行修复,主要是因为不同光功率的信号光含有不同幅度的MAI信号。在电域进行数据处理时,如果不考虑MAI随接收光功率的变化情况,则接收端的噪声抑制情况并不能达到较好的状态。因此,引入了判决反馈回路,当判定的误码率值不符合要求时,通过反馈算法改变构造MAI信号的比例系数C,得到不同幅度的MAI信号,对信号进行修正,最终得到最佳的噪声抑制效果。接收到的信号经过串行反馈干扰抑制算法的数字处理后,再次注入仿真平台系统中,与目标用户1发送端的发送信息逐比特对比,得到处理数据后的系统误码率。

2 系统描述

搭建了一个2用户的频谱幅度编码SAC-OCDMA传输系统仿真平台,其系统框图如图3(a)所示,仿真平台框图如图3(b)所示。系统中光源采用重复频率为10 GHz的锁模激光器,通过光调制器将用户传输的有效信息长度为27-1、速率为10 Gb/s的伪随机序列(PRBS)调制到光载波上,随后将调制信号注入到光编码器中进行编码。仿真平台中采用由50 GHz间隔的波分解复用器(DWDM)、光衰减器和耦合器(PLC)构成的频谱幅度光编码器,其编码器结构如图3(b)所示。将频谱宽度为350 GHz的光源通过DWDM器件均分成7份,通过用户对应的码字对频谱分量进行编码。仿真中选择码容量较大、自相关旁瓣λa=1、互相关峰值λc=1、且能够降低互相关峰值和自相关峰值比值的对称平衡不完全区组设计码(BIBD)作为用户的地址码[14]。码字参数为(7,3,1),设定用户1采用码字为(1101000),用户2采用的码字为(0110100)。在多用户OCDMA系统仿真平台的发送端,设定两个编码用户的光功率相同,都为-6 dBm。耦合后的编码信号通过同一根光纤进行传输。其中,混合编码信号在单模光纤中传输100 km,并通过对应的色散补偿光纤对传输引入的色散进行匹配补偿,使传输系统不受色散的影响。同时采用光放大器(EDFA)对信号光的衰减进行补偿。

图3 两用户频谱幅度编码SAC-OCDMA系统。(a)系统框图;(b)仿真框图Fig.3 SAC-OCDMA system with two users simultaneously.(a)Block diagram of system;(b)Block diagram of simulation

在接收端,传输用户1和2分别通过相对应的光解码器进行解码,得到对应的解码光信号,其解码器结构如图3(b)所示。接收到的光信号通过光电探测器(PD)转换为电信号,随后注入误码测试仪中进行系统误码率的测试。同时,对于目标用户1得到的接收电信号,经过低通滤波器和时钟恢复模块后,得到高采样速率的接收数字信号。针对该数字信号,通过MATLAB实现基于数字信号处理的串行反馈干扰抑制算法修正,抑制用户信号中的多用户干扰。将经过算法处理的用户信号与发送端信号进行对比,得到传输系统的误码率。

3 仿真结果与分析

基于搭建的传输速率为10 Gb/s、传输距离为100 km、目标用户1和干扰用户2同步接入SACOCDMA传输系统的仿真平台,在2用户同时传输的情况下,研究分析了目标用户1在未采用和采用串行反馈干扰抑制算法情况下的波形图与眼图,结果如图4所示。从仿真结果中可以看出,当系统承载2用户同时传输时,目标用户1在接收端得到的眼图与波形图如图4(a)、(b)所示。从眼图中可以看出:其下眼皮厚度较小,主要受多用户干扰的影响;而上眼皮厚度较大,是由系统中的多用户干扰和差拍噪声导致的。从波形图中相应地可以看出:小幅度的脉冲为用户2对用户1产生的多用户干扰;对应的大幅度的脉冲信号是由目标用户1的有效信号和系统噪声叠加导致的。因此,在2用户同步接入SAC-OCDMA传输系统时,目标用户的传输性能受多用户干扰的影响较为严重。当系统承载用户数逐渐增加时,系统中多用户干扰相对应地增加。受多用户干扰的影响,眼图中下眼皮和上眼皮厚度同时增加,导致眼图中的眼睛张开度减小,系统传输性能恶化。

为较好地抑制多用户干扰,研究分析了基于数字信号处理技术的串行反馈干扰抑制算法对系统中多用户干扰的抑制效果。针对目标用户1接收到的电信号进行串行反馈干扰抑制算法处理,得到抑制多用户干扰后信号的眼图与波形图如图4(c)和4(d)所示。通过与图4(a)相对比,图4(c)中下眼皮和上眼皮厚度都明显减小,说明系统中的多用户干扰受到了抑制;但其上眼皮仍较厚,是由系统中仍存在的差拍噪声导致的。同理,与图4(b)相对比,图4(d)中的波形图也有明显的改善,多用户干扰代表的小幅度脉冲得到了较好的抑制,系统传输性能得到了较好的改善。

同时,对传输速率为10 Gb/s、传输距离为100 km、2用户同步SAC-OCDMA传输系统的误码率性能进行了研究,其误码率曲线如图5所示。仿真结果表明:当目标用户1单独传输时,传输用户可实现无误码传输,其误码率如图5中的正方形黑色曲线所示;当2个用户同时传输时,目标用户1的误码率达到10-9量级,如图5中圆形黑色曲线所示。相对于单用户传输,引入的功率代价为21 dB,这是由于传输过程中目标用户受到多用户干扰和差拍噪声的影响。

图4 两用户频谱幅度编码SAC-OCDMA系统的眼图与波形图。(a)用户1的眼图;(b)用户1的波形图;(c)多用户干扰抑制后用户1的眼图;(d)多用户干扰抑制后用户1的波形图Fig.4 Eye diagram and waveform diagram of two users SAC-OCDMA system.(a)Eye diagram of user 1;(b)Waveform diagram of user 1;(c)Eye diagram of user 1 after multi-user interference suppressed;(d)Waveform diagram of user 1 after multi-user interference suppressed

当针对受到多用户干扰的目标用户1信号进行串行反馈干扰抑制算法处理,得到的误码率曲线如图5中正三角形黑色曲线所示,其传输性能得到了极大改善。与单用户传输的情况相比,引入的功率代价仅为2.3 dB,说明系统中的多用户干扰得到了有效抑制。

为对比验证串行反馈干扰抑制算法对多用户干扰抑制的效果,在接收端将解码光信号注入到基于SC效应的光阈值器中进行噪声抑制。光阈值器件由EDFA放大器、高非线性光纤(HNLF)和带通滤波器构成。由于目标用户的信号功率较高,在HNLF中会发生非线性效应;而干扰噪声的功率较低,在HNLF中不会产生非线性效应。带通滤波器将含有目标信息的有效带宽滤出,实现对系统噪声的抑制。仿真实验中,HNLF光纤长度为2 km,衰减系数为0.7 dB/km,二阶色散系数为0;非线性系数为4×10-20m2/W;纤芯面积为12×10-12m2。通过光阈值器后得到的系统误码率曲线如图5中倒三角形黑色曲线所示。可以看出,该方法能够对信号中的噪声进行一定程度上的抑制,与单用户传输情况相比,引入的功率代价为4.8 dB。用户的传输性能仍没有算法抑制方法的传输性能好,说明阈值方法仅仅抑制了部分多用户干扰。

通过上述的对比可以看出,相对于光阈值器的噪声抑制方法,提出的串行反馈干扰抑制算法能够有效地抑制OCDMA系统中的多用户干扰,改善用户的传输性能,提高系统的传输容量。但是,随着系统承载用户数的不断增加,该算法构造多用户干扰的复杂度随之增加,不仅体现在多用户之间互相关函数的构造上,更体现在其他用户与目标用户之间多用户干扰的反馈系数的判定上。此处仅仅针对2用户OCDMA系统中的多用户干扰进行算法抑制研究,要实现多用户OCDMA系统中多用户干扰的抑制,该算法仍需要进一步的优化与改进。

4 结论

针对多用户光码分多址系统中多用户干扰对系统传输性能的影响,借鉴将多用户干扰看作一种可重构“有效信息”的研究思路,提出了一种抑制多用户干扰的串行反馈干扰抑制算法。仿真结果表明:所提出的串行反馈干扰抑制算法能够有效地抑制多用户干扰,改善系统传输性能,为OCDMA系统中多用户干扰的抑制提供了一种有效的研究手段。