论文部分内容阅读
摘要为了适应不同颗粒度的业务需求，最大化波分复用传输系统的频谱效率，光网络正逐渐朝着更灵活、高效、节能的趋势发展.基于带宽可变收发机（BVT）的灵活光网络传输技术因而得到了广泛的关注与研究.本文概述了国内外支持灵活光网络的数字相干光传输技术的最新研究进展，包括发射端支持传输速率可变的自适应编码、调制技术以及接收端相应的调制码型识别技术，最后对灵活光网络传输的未来研究方向进行了展望.
关键词灵活光网络；调制和编码；数字信号处理；相干光传输
中图分类号TN9291
文献标志码A
0引言
近年来随着互联网的崛起，人们对带宽的需求急剧增加.根据Cisco的分析，全球的网络协议通信容量（IP traffic）从2014到2019年将以23%的年均复合增长率（CAGR）增长[1].在频带资源一定的情况下，如何提高系统传输的频谱效率成为了研究热点.尽管传统的波分复用（WDM）网络在高速传输方面有很多优点，但WDM光网络是以固定的波长信道间隔，譬如50 G/100 G，作为最小颗粒度给业务分配带宽，在业务多样性的情况下，WDM光网络难以适应不同颗粒度的业务要求，导致系统的频谱效率偏低.另外一方面，灵活光网络打破了传统固定栅格光网络信道间隔固定的约束，由于能够灵活地使用光频谱资源，因而能够满足多种颗粒度业务传输的要求，进而使系统的频谱效率最大化.2009年，Jinno 等[2]首次提出了基于OFDM技术的频谱切片灵活光网络的概念，并且详细介绍了灵活光网络作为一种高频谱效率、可扩展的光网络架构能够满足動态高效的带宽服务.随后，这一灵活光网络的思想受到了业界的广泛关注并成为近年来的研究热点.2010年，Jinno等[3]又研究了调制码型和光频谱整形宽度对灵活光网络中带宽分配的影响.2011年，Patel等[4]将灵活光网络的概念推广到NyquistWDM传输系统.为了实现光网络传输带宽的灵活可变，可变带宽收发机（BVT）是灵活光网络中不可或缺的支撑器件.图1给出了基于BVT的灵活相干光传输系统框图，主要由数字发射机、光纤链路和数字相干接收机三部分组成.发射端的数字信号处理（DSP）以及数模转换器（DAC）能够显著提升系统的性能和灵活度.发射端的DSP包括编码映射、奈奎斯特脉冲整形及预补偿，之后离线产生的两个偏振方向上的同向和正交分量被加载到DAC完成信号的数字域电域转化.电光转换后，产生的光信号在光纤链路中进行传输.在接收端完成光电转换后，信号首先由模数转换器（ADC）实现电域数字域转化，之后在数字域进行相应的DSP对信号进行恢复.接收端的DSP包括前端校正、色散补偿、时钟恢复、频偏纠正、信道均衡、载波相位恢复及解码.本文综述了国际上灵活光网络传输技术的最新研究进展，包括发射端支持传输速率可变的自适应编码和调制技术、接收端的调制码型识别技术，最后对灵活光网络传输的未来研究方向进行了展望.
1发射端编码和调制
一般来说，发射端可以通过改变一个参数譬如调制码型、系统符号速率、编码速率来完成可变速率传输，例如200 Gbit/s、400 Gbit/s等.2012年，Teipen等[5]实验研究了通过改变标准MQAM调制码型来实现传输速率的改变，相比于改变系统符号速率，强调了其在系统重构上的优势.同年，Gho等[6]提出通过联合改变调制码型以及前向纠错编码（FEC）的编码速率来实现传输速率的改变.2014年，Fischer等[7]提出使用多维调制码型实现传输速率的改变.2015年，Rozental等[8]首次实现了无中断速率转换.2016年，Guiomar等[9]提出使用时域混合QAM实现了传输速率的改变.值得注意的是，业界更多的研究集中在改变调制码型，无论是考虑标准的MQAM、Hybrid QAM或者多维调制码型，来实现未来灵活光网络的可变速率传输.
1）标准的MQAM被最早用来实现传输速率的改变.图2给出了不同MQAM的星座图，考虑28 Gbaud的系统符号速率以及7%的FEC开销，使用DPQPSK调制码型可以实现100 Gbits传输，使用DP16QAM调制码型可以实现200 Gbits传输.但是我们看到，相邻MQAM调制码型之间的颗粒度间隔很大，使用MQAM系统的灵活性比较差.
2）为了解决MQAM调制码型间颗粒度大的问题，多维编码调制格式开始进入人们的视野.编码调制首先将信号空间的信号点分解为不同的子集，之后人为引入冗余度并且只允许子集信号点之间的传输.通过引入冗余度的大小可以自适应地完成传输速率的改变，另外编码调制也会带来一定的编码增益.整体而言，主要有两种编码调制的方式即格型编码以及网格编码[1011].图3给出了基于Schlfli 四维空间格子的几种格型编码调制码型的星座图，可以看到使用多维编码调制格式可以得到更精细的颗粒度间隙.但是我们也要看到对于多维编码调制格式其相应的编解码比较复杂，会增加BVT的实现复杂度.
3）另外一种可以自适应地完成传输速率的改变是采用时域混合 QAM调制码型（TDHQ）[1213]，它通过在数据结构中周期性地插入不同的MQAM调制格式来改变传输速率.图4给出了TDHQ的时域结构，可以看到TDHQ每个符号携带的比特数由QAM1和QAM2调制码型的比特数以及相应的排列结构决定.通过改变QAM1和QAM2的符号数可以
实现TDHQ的比特数在两种调制码型之间的连续变化.相比于采用多维编码调制格式实现传输速率的
改变，采用TDHQ部署更简单也比较直接，但是也存在一些相应的问题，譬如需要优化两种调制码型的功率比，需要额外的手段解决TDHQ中高阶调制码型遭受的更严重的非线性效应.最后对TDHQ进行解映射时，需要实时地追踪相应的调制码型.
2接收端的调制码型识别
在接收端的DSP中信道均衡、载波相位恢复、判决解码都依赖于已获知接收到信号的调制码型.在灵活光网络中，发射端发射的调制码型变得越来越不可预测，因而有必要在接收端对信号的调制码型进行识别.近年来调制码型识别（MFI）也已成为了研究热点.2012年，Khan等[14]提出了基于信号的异步幅度分布以及人工神经网络进行MFI，这种方式实现比较简单，但是精确度不高，特别是针对高阶调制码型性能很差.2013年，Borkowski等[15]提出在斯托克斯空间内采用最大期望值算法进行MFI，并实验验证了该方法适用于QPSK/8QAM/16QAM调制码型.2014年，Isautier等[16]提出在斯托克斯空间通过分析信号的高阶统计量来实现MFI.同年，他们又针对TDHQ调制码型提出了一种MFI方式，但是该方案需要额外的步骤检查接收到信号模的统计分布，此外，它不能简单地扩展到高阶的TDHQ调制码型，譬如Hybrid 8QAM/16QAM [17].2014年的OFC（国际光纤通信会议）上，Liu等[18]提出通过分析信号的功率分布来实现MFI.2015年，Bilal等[19]提出根据接收到信号的峰均功率比来进行MFI，但是这种方法首先需要估计信号的光信噪比.同年，Boada等[20]对在斯托克斯空间进行点簇分类聚集的各种MFI方案进行了分析比较，包括MFI的识别度以及实现复杂度.2016年，Khan等[21]首先分析了信号的功率分布然后基于深度机器学习的方式实现了MFI.以上所提MFI方案主要可以分为两大类，一类是在斯托克斯空间通过判断点簇的个数或者高阶统计量来进行MFI，另外一类是基于接收到信号的功率分布来进行MFI.但是这些MFI方案不能简单地扩展到更复杂的调制码型，譬如TDHQ以及多维的调制码型.此外，这些MFI方案由于需要很高的运算复杂度，无法追踪调制码型的快速逐块变化.下面将具体介绍这两类MFI方案. [18]Liu J，Dong Z H，Zhong K P，et al.Modulation format identification based on received signal power distributions for digital coherent receivers[C]∥Optical Fiber Communication Conference，2014，DOI：101364/OFC.2014.Th4D.3
[19]Bilal S M，Bosco G，Dong Z H，et al.Blind modulation format identification for digital coherent receivers[J].Optics Express，2015，23（20）：2676926778
[20]Boada R，Borkowski R，Monroy I T.Clustering algorithms for Stokes space modulation format recognition[J].Optics Express，2015，23（12）：1552115531
[21]Khan F N，Zhong K，AlArashi W H，et al.Modulation format identification in coherent receivers using deep machine learning[J].IEEE Photonics Technology Letters，2016，28（17）：18861889
[22]Isautier P，Pan J，De Salvo R，et al.Stokes spacebased modulation format recognition for autonomous optical receivers[J].Journal of Lightwave Technology，2015，33（24）：51575163
[23]Xiang M，Zhuge Q B，Qiu M，et al.Modulation format identification aided hitless flexible coherent transceiver[J].Optics Express，2016，24（14）：1564215655
[24]Xiang M，Zhuge Q B，Qiu M，et al.RFpilot aided modulation format identification for hitless coherent transceiver[J].Optics Express，2017，25（1）：463471
AbstractIn order to satisfy the service demands with different granularities and maximize the spectral efficiency of wavelength division multiplexing transmission，the optical network is evolving to agile and energyefficient one.Consequently，the flexible optical transmission techniques based on bandwidth variable transceivers （BVT） have attracted worldwide attention and research interest.We review recent progresses of flexible optical transmission techniques including transmitterside adaptive modulation，variable bitrate loading and receiverside corresponding modulation formats identification.Finally，we outline the prospects and future challenges in this area.
Key wordsflexible optical networks；modulation and coding；digital signal processing；coherent optical transmission
关键词灵活光网络；调制和编码；数字信号处理；相干光传输
中图分类号TN9291
文献标志码A
0引言
近年来随着互联网的崛起，人们对带宽的需求急剧增加.根据Cisco的分析，全球的网络协议通信容量（IP traffic）从2014到2019年将以23%的年均复合增长率（CAGR）增长[1].在频带资源一定的情况下，如何提高系统传输的频谱效率成为了研究热点.尽管传统的波分复用（WDM）网络在高速传输方面有很多优点，但WDM光网络是以固定的波长信道间隔，譬如50 G/100 G，作为最小颗粒度给业务分配带宽，在业务多样性的情况下，WDM光网络难以适应不同颗粒度的业务要求，导致系统的频谱效率偏低.另外一方面，灵活光网络打破了传统固定栅格光网络信道间隔固定的约束，由于能够灵活地使用光频谱资源，因而能够满足多种颗粒度业务传输的要求，进而使系统的频谱效率最大化.2009年，Jinno 等[2]首次提出了基于OFDM技术的频谱切片灵活光网络的概念，并且详细介绍了灵活光网络作为一种高频谱效率、可扩展的光网络架构能够满足動态高效的带宽服务.随后，这一灵活光网络的思想受到了业界的广泛关注并成为近年来的研究热点.2010年，Jinno等[3]又研究了调制码型和光频谱整形宽度对灵活光网络中带宽分配的影响.2011年，Patel等[4]将灵活光网络的概念推广到NyquistWDM传输系统.为了实现光网络传输带宽的灵活可变，可变带宽收发机（BVT）是灵活光网络中不可或缺的支撑器件.图1给出了基于BVT的灵活相干光传输系统框图，主要由数字发射机、光纤链路和数字相干接收机三部分组成.发射端的数字信号处理（DSP）以及数模转换器（DAC）能够显著提升系统的性能和灵活度.发射端的DSP包括编码映射、奈奎斯特脉冲整形及预补偿，之后离线产生的两个偏振方向上的同向和正交分量被加载到DAC完成信号的数字域电域转化.电光转换后，产生的光信号在光纤链路中进行传输.在接收端完成光电转换后，信号首先由模数转换器（ADC）实现电域数字域转化，之后在数字域进行相应的DSP对信号进行恢复.接收端的DSP包括前端校正、色散补偿、时钟恢复、频偏纠正、信道均衡、载波相位恢复及解码.本文综述了国际上灵活光网络传输技术的最新研究进展，包括发射端支持传输速率可变的自适应编码和调制技术、接收端的调制码型识别技术，最后对灵活光网络传输的未来研究方向进行了展望.
1发射端编码和调制
一般来说，发射端可以通过改变一个参数譬如调制码型、系统符号速率、编码速率来完成可变速率传输，例如200 Gbit/s、400 Gbit/s等.2012年，Teipen等[5]实验研究了通过改变标准MQAM调制码型来实现传输速率的改变，相比于改变系统符号速率，强调了其在系统重构上的优势.同年，Gho等[6]提出通过联合改变调制码型以及前向纠错编码（FEC）的编码速率来实现传输速率的改变.2014年，Fischer等[7]提出使用多维调制码型实现传输速率的改变.2015年，Rozental等[8]首次实现了无中断速率转换.2016年，Guiomar等[9]提出使用时域混合QAM实现了传输速率的改变.值得注意的是，业界更多的研究集中在改变调制码型，无论是考虑标准的MQAM、Hybrid QAM或者多维调制码型，来实现未来灵活光网络的可变速率传输.
1）标准的MQAM被最早用来实现传输速率的改变.图2给出了不同MQAM的星座图，考虑28 Gbaud的系统符号速率以及7%的FEC开销，使用DPQPSK调制码型可以实现100 Gbits传输，使用DP16QAM调制码型可以实现200 Gbits传输.但是我们看到，相邻MQAM调制码型之间的颗粒度间隔很大，使用MQAM系统的灵活性比较差.
2）为了解决MQAM调制码型间颗粒度大的问题，多维编码调制格式开始进入人们的视野.编码调制首先将信号空间的信号点分解为不同的子集，之后人为引入冗余度并且只允许子集信号点之间的传输.通过引入冗余度的大小可以自适应地完成传输速率的改变，另外编码调制也会带来一定的编码增益.整体而言，主要有两种编码调制的方式即格型编码以及网格编码[1011].图3给出了基于Schlfli 四维空间格子的几种格型编码调制码型的星座图，可以看到使用多维编码调制格式可以得到更精细的颗粒度间隙.但是我们也要看到对于多维编码调制格式其相应的编解码比较复杂，会增加BVT的实现复杂度.
3）另外一种可以自适应地完成传输速率的改变是采用时域混合 QAM调制码型（TDHQ）[1213]，它通过在数据结构中周期性地插入不同的MQAM调制格式来改变传输速率.图4给出了TDHQ的时域结构，可以看到TDHQ每个符号携带的比特数由QAM1和QAM2调制码型的比特数以及相应的排列结构决定.通过改变QAM1和QAM2的符号数可以
实现TDHQ的比特数在两种调制码型之间的连续变化.相比于采用多维编码调制格式实现传输速率的
改变，采用TDHQ部署更简单也比较直接，但是也存在一些相应的问题，譬如需要优化两种调制码型的功率比，需要额外的手段解决TDHQ中高阶调制码型遭受的更严重的非线性效应.最后对TDHQ进行解映射时，需要实时地追踪相应的调制码型.
2接收端的调制码型识别
在接收端的DSP中信道均衡、载波相位恢复、判决解码都依赖于已获知接收到信号的调制码型.在灵活光网络中，发射端发射的调制码型变得越来越不可预测，因而有必要在接收端对信号的调制码型进行识别.近年来调制码型识别（MFI）也已成为了研究热点.2012年，Khan等[14]提出了基于信号的异步幅度分布以及人工神经网络进行MFI，这种方式实现比较简单，但是精确度不高，特别是针对高阶调制码型性能很差.2013年，Borkowski等[15]提出在斯托克斯空间内采用最大期望值算法进行MFI，并实验验证了该方法适用于QPSK/8QAM/16QAM调制码型.2014年，Isautier等[16]提出在斯托克斯空间通过分析信号的高阶统计量来实现MFI.同年，他们又针对TDHQ调制码型提出了一种MFI方式，但是该方案需要额外的步骤检查接收到信号模的统计分布，此外，它不能简单地扩展到高阶的TDHQ调制码型，譬如Hybrid 8QAM/16QAM [17].2014年的OFC（国际光纤通信会议）上，Liu等[18]提出通过分析信号的功率分布来实现MFI.2015年，Bilal等[19]提出根据接收到信号的峰均功率比来进行MFI，但是这种方法首先需要估计信号的光信噪比.同年，Boada等[20]对在斯托克斯空间进行点簇分类聚集的各种MFI方案进行了分析比较，包括MFI的识别度以及实现复杂度.2016年，Khan等[21]首先分析了信号的功率分布然后基于深度机器学习的方式实现了MFI.以上所提MFI方案主要可以分为两大类，一类是在斯托克斯空间通过判断点簇的个数或者高阶统计量来进行MFI，另外一类是基于接收到信号的功率分布来进行MFI.但是这些MFI方案不能简单地扩展到更复杂的调制码型，譬如TDHQ以及多维的调制码型.此外，这些MFI方案由于需要很高的运算复杂度，无法追踪调制码型的快速逐块变化.下面将具体介绍这两类MFI方案. [18]Liu J，Dong Z H，Zhong K P，et al.Modulation format identification based on received signal power distributions for digital coherent receivers[C]∥Optical Fiber Communication Conference，2014，DOI：101364/OFC.2014.Th4D.3
[19]Bilal S M，Bosco G，Dong Z H，et al.Blind modulation format identification for digital coherent receivers[J].Optics Express，2015，23（20）：2676926778
[20]Boada R，Borkowski R，Monroy I T.Clustering algorithms for Stokes space modulation format recognition[J].Optics Express，2015，23（12）：1552115531
[21]Khan F N，Zhong K，AlArashi W H，et al.Modulation format identification in coherent receivers using deep machine learning[J].IEEE Photonics Technology Letters，2016，28（17）：18861889
[22]Isautier P，Pan J，De Salvo R，et al.Stokes spacebased modulation format recognition for autonomous optical receivers[J].Journal of Lightwave Technology，2015，33（24）：51575163
[23]Xiang M，Zhuge Q B，Qiu M，et al.Modulation format identification aided hitless flexible coherent transceiver[J].Optics Express，2016，24（14）：1564215655
[24]Xiang M，Zhuge Q B，Qiu M，et al.RFpilot aided modulation format identification for hitless coherent transceiver[J].Optics Express，2017，25（1）：463471
AbstractIn order to satisfy the service demands with different granularities and maximize the spectral efficiency of wavelength division multiplexing transmission，the optical network is evolving to agile and energyefficient one.Consequently，the flexible optical transmission techniques based on bandwidth variable transceivers （BVT） have attracted worldwide attention and research interest.We review recent progresses of flexible optical transmission techniques including transmitterside adaptive modulation，variable bitrate loading and receiverside corresponding modulation formats identification.Finally，we outline the prospects and future challenges in this area.
Key wordsflexible optical networks；modulation and coding；digital signal processing；coherent optical transmission