高速超长距离光通信系统中超强FEC码型的研究

前向纠错(FEC)技术目前已经被广泛地应用于光通信系统中,以便通过在信号中加入少量的冗余信息来发现并纠正误码,降低接收端的光信噪比(OSNR)容限,从而达到改善系统的误码率性能,提高系统通信的可靠性,延长光信号的传输距离,降低光发射机发射功率以及降低系统成本的目的。 近年来,ITU-T针对光通信系统的迅速发展而开展了FEC码的研究,相继提出了若干与此相关的建议(如ITU-T G.707、G.975、G.709和G.975.1等)。但随着光通信系统向更长距离、更大容量和更高速度的日益发展,光纤中的传输效应(如色散、偏振模色散(PMD)和非线性效应诸如四波混频(FWM)、受激喇曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)等)就会严重影响传输速率和传输距离的进一步提高。为此,人们不断研究开发性能更好的新超强FEC码型,使其获得更高的净编码增益(NCG)和更好的纠错性能,满足光通信系统高速发展的需要和尽量避免实施设备昂贵复杂的色散补偿技术等。鉴于光通信系统的这种发展趋势,就有必要深入研究新的超强FEC码型方案,并对其在光通信系统中的应用进行理论分析和实际验证,以期将它更好地应用到光通信系统中来提高光通信系统的通信质量,同时降低系统成本。 在2003年国家“863”重大科技项目光纤通信创新技术研究中就已将超强FEC编码技术的研究列为其主题之一。本课题就是以国家“863”重大项目(课题编号:2A001AA122012)“WDM超长距离光通信技术的研究与实现”为应用背景开展的研究,重点研究了光通信系统中基于级联码、分组Turbo码(BTC)与低密度奇偶校验(LDPC)码的超强FEC编码技术对光通信质量的改善,最终表现为在光通信过程中所获得的更大NCG与对比特误码率(BER)的改善。 本文针对高速超长距离光通信系统中超强FEC码型方案进行了研究,主要完成的工作如下: ①通过对光通信系统中的噪声分析,建立了光通信系统的信道模型即:加性高斯白噪声(AWGN)信道,并在该信道模型的基础上进行误码率分析。基于上述分析以及对FEC码型性能的分析,提出了光通信系统中FEC码型的主要构造原则,此项工作为光通信系统中FEC码型的构造和仿真研究打下了坚实的基础。 ②研究了光通信系统中常用的FEC编码技术。通过对这些常用的FEC码型进行了仿真分析以及对光通信系统的特点和发展趋势的分析,指出了常用FEC码型已难以适应当前光通信系统向更高速率、更大容量与更长距离的发展趋势,因而有必要研究具有更强纠错性能的超强FEC编码技术。此外,还分析了FEC编码技术在光通信系统中光传送单元(OTU)上的具体设计应用。 ③对光通信系统中超强FEC级联码的码型进行了分析与研究。通过对光通信系统中现有的内外型、并行型和交织连续型三种级联码进行理论分析与仿真研究后表明:内外型级联码冗余度过大,并行型级联码的译码实现过于复杂,而交织连续型级联码是一种纠错性能优良、冗余度适中、易于实现的码型,更适用于高速超长距离的光通信系统。其中,提出了两种改进后的具有良好性能的新交织连续型级联码:RS(255,239)+RS(255,239)和RS(255,239)+RS(255,223),并基于ITU-T G.709,提议了该改进后的交织连续型级联码在光通信系统中应用时的帧结构安排,为其在光通信系统中的实际应用及其硬件的设计打下了基础并开辟了方向。 ④对光通信系统中级联码特性和ITU-T G.975.1中超强FEC码型的性能进行了深入分析与研究后,提出了一种基于级联码构造的冗余度为13.34%的新颖RS(255,239)+BCH(1023,963)级联码方案。仿真表明该码型与ITU-T G.975.1中RS(255,239)+CSOC(k0/n0=6/7,J=8)码相比较,具有更低的冗余度和更好的纠错性能,并且在迭代三次后其NCG在10-12的BER时比ITU-T G.975.1中RS(255,239)+CSOC(k0/n0=6/7,J=8)级联码和BCH(3860,3824)+BCH(2040,1930)级联码要分别大0.60dB和0.57dB,纠错性能良好。因而它更适用于超高速、超大容量和超长距离的光通信系统,可以作为超强FEC码的一种候选码型。并且,还探讨了该级联码型的设计与实现。 ⑤提出了光通信系统中一种基于BTC的新颖超强FEC码型即:BCH(64,57)×BCH(64,57) BTC码型。仿真表明在BER =10-12时,迭代六次的该BTC与ITU-T G.975.1中迭代三次的RS(255,239)+ CSOC(k0/n0=6/7,J=8)相比,其NCG要相应增加0.34dB。分析表明该BTC具有分量码短、编/译码速度快的特点,不仅减小了软/硬件实现的复杂度,而且减小了编/译码带来的时延。因而该新BTC可用于超高速、超大容量和超长距离的光通信系统,也可以作为超强FEC码的一种候选码型。与此同时,还探讨了该BTC的设计与实现。 ⑥基于LDPC码构造了适用于光通信系统中冗余度为6.69%的新颖LDPC(3969,3720)和冗余度为4.56%的新颖LDPC(8281,7920)码。虽然仿真表明在10-12的BER时,该两种新颖码型在迭代18次后它们的NCG比ITU-T G.975.1中冗余度为6.69%的BCH(3860,3824)+BCH(2040,1930)码和冗余度为24.48%的RS(255,239)+CSOC(k0/n0=6/7,J=8)码的NCG都要相对小一点,但由于LDPC码的译码可在硬件上并行实现,所以该两种新颖码型的译码速度相当快,同时与G.975.1中的级联码型相比,该两种LDPC码的实现复杂度要低得多。因而基于上述优点考虑,它们也都可以作为超强FEC码的候选码型。此外,还探讨了该LDPC码型的设计与实现。 ⑦在LDPC码的研究过程中提出了光通信系统中LDPC码型的构造原则和一种新的LDPC码的构造算法即递归检索(RS:Recursive Search)算法并从理论上证明了运用此算法可以构造无环四的LDPC码。对该算法进行进一步分析后得到了构造无环四LDPC码的两个更加简单实用的方法并从理论上证明了其正确性。相对于以前的LDPC码构造算法,运用该算法构造的LDPC码无环四现象并具有良好的性能,还可以节省硬件开销,比较适用于高速超长距离光通信系统。