用于选择用于在多模或多芯光纤上传输的模式的方法与流程

本发明通常涉及光远程通信领域，并且更具体地涉及使用多模或多芯类型的光纤的光远程通信的领域。

背景技术：

在长距离(从几百到几千公里)上的光传输使用单模光纤。这些提供不展示模式失真(除了偏振模失真以外)以及能够支持每波长几十千兆比特/s的高比特率，并对多个波长这么做的优点。

然而，对于在短距离上的传输，尤其是对于宽带局域网(lan)，多模或多芯光纤构成对单模光纤的特别引起兴趣的备选方案。多模光纤目前以塑料光纤(或pof)或二氧化硅光纤的形式可得到。

多模光纤具有较大直径的芯，允许几个空间导模的传播，用lplp表示线偏振，其中l是方位模式指标，而p是径向模式指标。模式lp01是基模，能够在单模光纤中传播的唯一模式。模式lplp的总数取决于光电几何(optogeometric)参数(芯的直径、指标分布)。此外，对于每个空间模式lplp，可定义两个正交偏振态。待传输的信息分布在不同的导模上(且如果必要，在这些模式的不同偏振上)。当导模的数量低时，光纤被称为少模光纤。更具体地，光纤被称为少模，如果它的标准化频率参数v是使得v＜8。

多模光纤的容量通常大于单模光纤的容量，每个模式单独地被调制，且待传输的信号在不同的模式上被多路传输。然而，这个容量由在传播中的模间耦合llp(模间串扰)限制。

多芯光纤包括在公共包层中的多个芯(一般从2到7个芯)。芯的大小通常小到足以只允许在它们的每个中的单模传播。在这种情况下，它们不展示任何模间失真。另一方面，衰逝波产生在不同芯之间的耦合(芯间串扰)，当芯的数量增加且芯间距离减小时，串扰的水平增加。像以前描述的模间耦合一样，芯间耦合限制这些系统的范围。

可实现mimo(多输入多输出)技术以分离在不同模或不同芯上的传输，并因此增加传输容量，像具有空间分集的多天线无线远程通信系统一样。将能够在opt.express19(16697-16707(2011))中出版的标题为“6x56gb/smode-divisionmultiplexedtransmissionover33-kmfew-modefiberenabledby6x6mimoequalization”的s.randel等人的文章中找到用于在多模光纤上的mimo光传输的方法的描述。

最近，以本申请人的名字的申请fr-a-2977099提出使用空间-时间编码来在多个模(在少模光纤中)或芯上传输符号。这种技术与上面提到的未编码mimo光传输系统相比，使得能够明显减少比特误码率。

然而，在有或没有空间-时间编码的情况下，在多模或多芯型光纤上的mimo光传输对大量模/芯实现起来是复杂的，在接收时的处理的复杂度根据解码类型至多在o(m³)方面改变，其中m是光纤的模/芯的数量。此外，所涉及的处理并行地需要m个rf子系统，这相称地影响收发机的成本。为了减小处理复杂度和成本，必须选择模/芯，传输将通过模/芯被执行。

本发明的目的是提出用于选择在用于mimo光学系统的多芯光纤中的多模光纤/芯中的模式的独创方法。

技术实现要素：

本发明由用于在多模光纤上的mimo传输的系统的模式选择方法定义，该方法包括：

(a)测量由所述光纤的模式的集合构成的传输通道的传递矩阵的步骤；

(b)将所述传递矩阵转换成块对角矩阵的操作，每个块与所述光纤的模式子集有关；

(c)针对与所述块相关联的每个模式子集确定增益和/或传输容量(130)的步骤；

(d)选择对应于最高增益和/或容量的模式子集的步骤，mimo传输系统然后只使用这样选择的子集的模式来在所述光纤上传输。

传递矩阵的转换有利地包括阈值化步骤，其中矩阵的低于预定阈值的所有元素被设置为零，随后是通过置换这样得到的传递矩阵的行和列来重新组织所述传递矩阵的步骤，对行的置换和对列的置换是相同的。

根据第一变形，根据增益标准来选择模式子集，其中n是模式子集的数量，hn是被精简到子集n的模式的传输通道的传递矩阵，是hn的共轭转置矩阵，以及tr(.)是迹函数。

根据第二变形，根据增益标准来选择模式子集，其中n是模式子集的数量，mn是子集n的基数，hn是被精简到子集n的模式的传输通道的传递矩阵，是hn的共轭转置矩阵，以及tr(.)是迹函数。

根据第三变形，根据容量标准来选择模式子集，其中mn是子集n的基数，是在子集n的模式m上的传输通道的增益，pe是在mn个模式上分布的传输功率，以及n0是在模式上的接收时的噪声功率。

根据第四变形，根据混合增益和容量标准来选择模式子集，其中cn是被精简到子集n的模式的传输通道的容量，其中hn是被精简到子集n的模式的传输通道的传递矩阵，是hn的共轭转置矩阵，以及tr(.)是迹函数，且其中φ(.,.)是cn和γn的递增函数。

在选择模式子集之后，在不同模式上传输的符号的调制程度可被选择为等于值q'，使得m'logq'＝mlogq，其中m是在选择之前模式集合的基数，m'是所选择的模式子集的基数，以及q是在选择模式子集之前传输的符号的调制程度。

可选地，在选择模式子集之后，在不同模式上传输的符号的调制程度被选择为对于模式子集的不同模式是不同的。

最后，待传输的符号可能受到空间-时间编码，空间-时间代码的元素然后只在所选择的所述模式子集的模式上被传输。

本发明还涉及用于在多芯光纤上的mimo传输的系统的芯选择方法，其包括：

(a)测量由所述光纤的芯的集合构成的传输通道的传递矩阵的步骤；

(b)将所述传递矩阵转换成块对角矩阵的操作，每个块与所述光纤的芯子集有关；

(c)确定与所述块相关的每个芯子集的增益和/或传输容量的步骤；

(d)选择对应于最高增益和/或容量的芯子集的步骤，mimo传输系统然后只使用这样选择的子集的芯来在所述光纤上传输。

传递矩阵的转换有利地包括阈值化步骤，其中矩阵的低于预定阈值的所有元素被设置为零，后面是通过置换这样得到的传递矩阵的行和列来重新组织该传递矩阵的步骤，对行的置换和对列的置换是相同的。

根据第一变形，根据增益标准来选择芯子集，其中n是芯子集的数量，hn是被精简到子集n的芯的传输通道的传递矩阵，是hn的共轭转置矩阵，以及tr(.)是迹函数。

根据第二变形，根据增益标准来选择芯子集，其中n是芯子集的数量，mn是子集n的基数，hn是被精简到子集n的芯的传输通道的传递矩阵，是hn的共轭转置矩阵，以及tr(.)是迹函数。

根据第三变形，根据容量标准来选择芯子集，其中mn是子集n的基数，是在子集n的芯m上的传输通道的增益，pe是在mn个芯上分布的传输功率，以及n0是在芯上的接收时的噪声功率。

根据第四变形，根据混合增益和容量标准来选择芯子集，其中cn是被精简到子集n的芯的传输通道的容量，其中hn是被精简到子集n的芯的传输通道的传递矩阵，是hn的共轭转置矩阵，以及tr(.)是迹函数，且其中φ(.,.)是cn和γn的递增函数。

在选择芯子集之后，待在不同芯上传输的符号的调制程度可被选择为等于值q'，使得m'logq'＝mlogq，其中m是在选择之前芯的集合的基数，m'是所选择的芯子集的基数，以及q是在选择芯子集之前待传输的符号的调制程度。

可选地，在选择芯子集之后，在不同芯上传输的符号的调制程度可被选择为对于子集的不同芯是不同的。

有利地，待传输的符号受到空间-时间编码，空间-时间代码的元素然后只在所选择的所述模式子集的芯上被传输。

附图说明

在阅读关于本发明的优选实施例时参考附图，本发明的其它特征和优点将变得明显，其中：

图1示意性表示根据本发明的第一实施例的用于在多模光纤上的mimo传输的系统的模式选择方法；

图2示意性表示根据本发明的第二实施例的用于在多芯光纤上的mimo传输的系统的芯选择方法。

具体实施方式

将首先在用于在多模光纤上的mimo传输的系统的情况下解释本发明。在这样的系统中，在给定时刻传输的符号在光纤的多个(m个)模式上被多路传输(且如果必要，对于给定模式，在两个不同的偏振上)。在接收时，在不同的模式上接收的信号例如被提供到最大似然(ml)检测器以估计被传输的符号。

由光纤的m个模式构成的传输通道可接着由下式建模：

y＝hx+n(1)

其中x是大小为m的矢量，其元素是所传输的复杂符号，h是大小为m×m的矩阵，其表示传输通道的函数并被称为通道的传递矩阵，y是表示在不同模式上接收的复杂符号的大小为m的矢量，以及n是大小为m的矢量，其元素是假想的高斯加性白噪声和每模方差n0的样本。

多模光纤事实上包括多个(l个)段、设置在每对连续段之间的放大器。每个光纤段可在概念上被分成k个连续部分，光纤的特征在每个部分的长度上是固定的。在每个段上的传递矩阵可由矩阵乘积tl,krl,k得到，其中大小为m×m的rl,k是与段l的部分k有关的模间耦合矩阵，以及tl,k是也具有大小为m×m的对角矩阵，其对角元素给出在段l的部分k上的不同模式的相应相移。

每个耦合矩阵rl,k可被建模为正交随机矩阵(其中im是单位矩阵)，其给出在不同模式上分布的能量的节省。耦合矩阵的非对角系数是模间耦合系数。它们的值取决于在所涉及的段的部分中传播的不同模式之间的场分布的重叠的积分。重叠的积分本身取决于不完美性和在这个部分中的光纤段的曲率。

矩阵tl,k是对角系数具有的形式的矩阵，其中是均匀地分布在[0,2π]上的随机变量的绘制的结果。

最后，在两个段l和l+1之间的放大器可由增益矩阵gl建模。更具体地，gl是大小为m×m的对角矩阵，其元素给出对于不同的模式的放大器的相应增益。矩阵gl可由平均(标量)增益与在这个增益周围的偏移矩阵的乘积表示。

最后，传输通道的传递矩阵可以用下面的形式表示：

在k上的乘积相对于一个且同一部分，而在l上的乘积相对于一个且同一部分。

实际上，矩阵h揭露模式子集，属于一个且同一子集的模式耦合在一起，而属于不同子集的模式只微弱地耦合或根本不耦合。换句话说，模间耦合只在所确定的模式子集内明显地起作用。

如果例如通过对传输通道h的传递矩阵的行执行置换并对列执行对应置换按照子集将模式分组在一起，则得到块对角矩阵，也就是说，采用下面的形式的矩阵：

其中矩阵(或块)hn，(n＝1,...,n)是大小为mn×mn的方矩阵，使得在块hn的对角线之外的项在(3)中被表示为零，但实际上它们可简单地低于最小耦合阈值。

本发明所基于的思想是在传输中从光纤的m个模式中选择对应于块hn之一的模式子集，n＝1,...,n。根据增益标准和/或容量标准来有利地执行这个选择，如在下文中所述的。在接收时，将可能只使用所选择的模式的子集或甚至其超集，甚至所有模式，以对信息解码。实际上，恢复模式中的信息可能是引起兴趣的，模式虽然未被选择且因此不被发射机使用但包含信息，该选择根据在性能和复杂度之间的折衷标准来做出。

可根据不同的变形来设想增益标准。在这里，增益项应在其最宽接受的意义上被理解，只要增益值可低于1。

如果假设借助于与块hn相关联的模式来执行符号的传输，则功率增益可由下式表示：

根据这个变形，对不同的子集n＝1,...,n计算增益值γn，且保留使得到最大增益(最大损失)变得可能的子集nopt：

根据另一变形，可能选择每模式平均增益最高的模式子集，换句话说：

其它变形可选地能够被本领域技术人员考虑，而不以任何方式偏离本发明的范围。矩阵是可对角化的，n＝1,...,n，且它们的本征值是实数和正的，被表示为m＝1,...,mn，对于矩阵可能使用增益函数而不是在(4)中给出的本征值的和，例如它们的乘积(或相等地，)。

第二选择标准是容量标准。如果假设借助于与块hn相关联的模式来执行符号的传输，则假定有线性响应的通道的容量由下式给出：

其中pe是分布在mn个模式上的总传输功率。比率表示在模式m上的接收时的信噪比。使用高信噪比水平，通道的容量可由下式近似：

然后可能选择使得到最大传输容量变得可能的模式子集nopt，即：

最后，可能基于增益和传输容量来使用混合选择标准。在这种情况下，最好地证实这个标准的模式子集nopt由下式给出：

其中φ是cn和γn的递增函数。这个函数例如能够是cn和γn的线性或非线性组合，加权系数取决于需要分配给传输容量和增益的优先级。

无论保留什么标准，上面提到的选择方法都使将模式的数量从m减小到变得可能。

可有利地通过增加所传输的符号的调制程度以不变的有用比特率做出这个减小。更具体地，如果q是在模式的数量减小之前的调制字母的基数，则可能选择基数q'的调制字母，使得：

m'logq'＝mlogq(11)

例如，如果模式的初始数量是m＝6，具有4-qam调制，则可能使用在模式m'＝4上的8-qam调制或在m'＝3模式上的16-qam调制。在调制程度中的增加必定伴随有在误码率(ber)方面的性能水平的对应降低。于是可能通过使用如在导言部分中引用的申请fr-a-2977099中描述的空间-时间编码来补偿这个降低。

通常，在空间-时间编码被实现的情况下，符号在块中被传输，符号的块在传输间隔(tti)上使用空间-时间代码矩阵c来传输，矩阵c的行对应于不同的模式，而列对应于在传输间隔期间通道的连续使用(通道使用)。空间-时间编码使与可能存在于选定模式子集内的增益差异作斗争变得可能。

图1表示根据本发明的第一实施例的用于在多模光纤上的mimo传输的系统的模式选择方法的流程图。

重要地注意到，这个选择将能够在系统或接收机安装的时间彻底地被执行。可选地，如果返回通道被提供到发射机，则这个选择将能够周期性地被做出，以考虑部件(特别是放大器)的漂移/老化或更换，指标nopt然后在这个通道上由接收机传输。

在任何情况下，选择方法包括在第一步骤110中在一组模式、甚至在光纤的所有模式上的传输通道h的传递矩阵的测量。

可借助于由发射机传输的导频符号来执行传递矩阵的测量，如本质上已知的。

在步骤120中，传递矩阵h转换成块对角矩阵。这个转换可包括矩阵的元素的阈值化。例如，矩阵(其模量低于预定阈值)的所有(复杂)元素被设置为零。如果在阈值化之后，矩阵不展示块对角结构，则矩阵的行和列被重新组织，以便将在模式子集中的模式分组在一起。模式子集使得属于特定子集的模式耦合在一起，且属于不同子集的模式不被耦合。重新组织包括对行和列执行一系列置换，对行和列的置换是相同的(h是方矩阵)。

在步骤130中，针对与传递矩阵的块相关联的每个模式子集确定增益和/或传输容量。换句话说，值γn和/或cn如前面所解释的被计算，n＝1,...,n。

在步骤140中，按照预定标准，例如根据标准(5))、(6)、(9)或(10)之一来选择对应于最高增益和/或容量的模式子集。

mimo传输系统于是只使用被选择传输符号的模式子集。

如果必要，模式的数量的这个减小将能够伴随有在待传输的符号的调制程度中的相关增加，甚至如前所述的空间-时间编码。调制程度也能够被选择为对不同的模式是不同的。事实上应理解，当在模式上接收时的信噪比本身较高时，调制程度尤其能够被选择为对这个模式是相对应较高的。

本发明的第二实施例涉及用于在多芯光纤上的mimo传输的系统的芯选择方法。

为了简洁的原因，将不完全重复对模式子集选择给出的描述。然而，对本领域技术人员清楚地显现，在多芯光纤中的芯之间的耦合必须以与在多模光纤中的模式之间的耦合相同的方式被处理。

关于图2只描述芯选择方法的一般描述。

至于图1的模式选择，根据图2的芯选择将能够在安装系统时彻底地，或否则如果系统具有返回通道，则周期性和自适应地被执行。

选择方法包括在第一步骤210中在多芯光纤的一组芯上、优选地在这个光纤的所有芯上的传输通道h的传递矩阵的测量。

在这里再次，可借助于由发射机传输的导频符号如本身已知的来测量传递矩阵。

在步骤220中，传递矩阵h转换成块对角矩阵。这个转换可包括矩阵的元素的阈值化以及通过行和列的置换将模式重新组织成子集。芯子集使得属于特定子集的芯耦合在一起，且属于不同子集的芯不被耦合。

在步骤230中，针对与传递矩阵的块相关联的芯的每个子集，确定增益和/或传输容量。换句话说，值γn和/或cn如前面所解释的被计算，n＝1,...,n，该计算与光纤的芯而不是模式有关。

在步骤240中，例如根据标准(5))、(6)、(9)或(10)之一来选择在预定标准的意义上的对应于最高增益和/或容量的芯子集。

mimo传输系统于是只使用被选择传输符号的芯子集。

最后，芯的数量的这个减小将能够伴随有在待传输的符号的调制程度中的相关增加，甚至如前所述的空间-时间编码。如在第一实施例中的，调制程度将能够根据这些芯中的每个上的信噪比被选择为对不同的芯是不同的。