基于多频段导频子载波的光学性能监测方法及系统与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年4月5日提交、申请号为15/479,666、发明名称为“基于多频段导频子载波的光学性能监测方法及系统”的美国专利申请的优先权，其内容结合于此作为参考。

本公开涉及使用导频子载波的光性能监测。

背景技术：

在光网络中，例如密集波分复用(densewavelengthdivisionmultiplex，dwdm)系统中，复用多个信道。术语“信道”用于指代波长信道，也称为光学波长信道。在许多这样的系统中，导频子载波(pilottone)被用于光性能监测(opticalperformancemonitoring，opm)，例如用于测量每个信道的功率。导频子载波是应用于高速光信道的小型的低频调制(例如，khz至mhz)。导频子载波提供了用于性能监测的段内辅助信道。使用不同的导频子载波(导频)对每个信道进行调制。因此，特定导频子载波的功率对指示波分复用(wavelengthdivisionmultiplexed，wdm)系统中的高速光信道的功率是有用的。

然而，对于传统导频子载波，存在受激拉曼散射(stimulatedramanscattering，srs)效应以及色度色散(chromaticdispersion，cd)衰落效应。这两种效应严重影响了功率测量的准确度。srs效应随着导频子载波频率降低而减弱，而cd效应则主要随着导频子载波频率升高而增强。

所以，在一些情况下，选取一个具有可接受的srs和cd衰落效应的导频子载波频率是不可能的。

因此，需要一种改进的导频子载波方法及系统。

技术实现要素：

一般地，本公开的实施例提供了用于生成多频段导频子载波的方法和装置，以及用于接收这样的导频子载波并且基于这样的导频子载波执行光信道性能监测的方法和装置。根据本发明的一方面，提供了一种方法，该方法包括：将相应的导频子载波应用于多个频谱段中的至少两个频谱段中的每个频谱段，以产生相应的应用了导频子载波的频谱段，导频子载波彼此不同；将应用了导频子载波的频谱段与未应用导频子载波的任何其余频谱段组合，以产生组合时域数字信号；将该组合时域数字信号转换为光信道信号。

在一些实施例中，该方法还包括基于频谱将时域数字信号划分为多个频谱段。

在一些实施例中，该多个频谱段中至少两个频谱段是来自同一源或不同源的数字子频段。

在一些实施例中，相应的导频子载波被应用于该多个频谱段中的每个频谱段。

在一些实施例中，至少存在一个未应用导频子载波的其余频谱段。

在一些实施例中，导频子载波因为携带不同的导频子载波数据而彼此不同。

在一些实施例中，导频子载波因为每个导频子载波具有不同的导频子载波频率而彼此不同。

在一些实施例中，导频子载波携带相同的导频子载波数据。

在一些实施例中，导频子载波携带不同的导频子载波数据。

在一些实施例中，导频子载波具有相同的频率并且因为每个导频子载波具有不同的前置相位而彼此不同。

在一些实施例中，导频子载波前置相位基于改善高色散衰落和恶化低色散衰落之间的折衷来选择。

在一些实施例中，基于频谱划分时域数字信号并且应用导频子载波包括：对时域数字信号应用快速傅里叶变换(fastfouriertransform，fft)以产生频域信号；将频域信号分成多个频谱段；对该多个频谱段中的每个频谱段应用相应的快速傅里叶逆变换(inversefastfouriertransform，ifff)以产生相应的波形；以及将每个波形与相应的导频子载波相乘。

在一些实施例中，该方法还包括随着时间改变导频子载波中的至少一个。

在一些实施例中，随着时间改变导频子载波的至少一个包括改变以下至少之一：调制深度、导频子载波频率、导频子载波相位，导频子载波的数量。

根据本发明的另一方面，提供了一种方法，包括：接收其中不同的导频子载波被应用于至少两个子频段中的每个子频段的光信道信号；基于检测导频子载波执行光信道性能监测。

在一些实施例中，相应的导频子载波被应用于光信道信号的多个频谱段中的每个频谱段。

在一些实施例中，光信道信号中至少存在一个未应用导频子载波的频谱段。

在一些实施例中，导频子载波因为携带不同的导频子载波数据而彼此不同。

在一些实施例中，导频子载波因为每个导频子载波具有不同的导频子载波频率而彼此不同，该方法还包括：通过对每个导频子载波执行相应的导频子载波检测，来执行光信道性能监测。

在一些实施例中，导频子载波携带相同的导频子载波数据。

在一些实施例中，该方法还包括将相应的导频子载波检测的检测结果组合，以产生总体检测结果并且检测导频子载波数据。

在一些实施例中，导频子载波携带不同的导频子载波数据。

在一些实施例中，导频子载波具有相同的频率并且因为每个导频子载波具有不同的前置相位而彼此不同，方法还包括：通过如同单个导频子载波被应用于光信道信号的整个频谱段一样执行检测来执行光信道性能监测。

根据本发明的另一方面，提供了一种装置，该装置包括：导频子载波调制器，用于将相应的导频子载波应用于多个频谱段中的至少两个频谱段中的每个频谱段，以产生相应的导频子载波调制频谱段，该导频子载波彼此不同；频谱段组合器，用于将导频子载波调制频谱段与未通过相应的导频子载波调制的任何其余频谱段重组，以产生组合时域数字信号；电光调制器，用于将组合时域数字信号转换为光信道信号。

在一些实施例中，上述装置还包括频段分频器，用于基于频谱将时域数字信号划分为多个频谱段。

在一些实施例中，上述装置用于将相应的导频子载波应用于该多个频谱段中的每个频谱段。

在一些实施例中，上述装置用于生成因为携带不同的导频子载波数据而彼此不同的导频子载波。

在一些实施例中，上述装置用于生成因为每个导频子载波具有不同的导频子载波频率而彼此不同的导频子载波。

在一些实施例中，上述装置用于生成具有相同的频率并且因为每个导频子载波具有不同的前置相位而彼此不同的导频子载波。

在一些实施例中，频段分频器用于对时域数字信号应用fft以产生频域信号；将频域光信道信号分成多个频谱段；对多个频谱段中的每个频谱段应用相应的ifft以产生相应的波形。

根据本发明的另一方面，提供了一种装置，包括：接收器，用于接收其中不同的导频子载波被应用于至少两个子频段中的每个子频段的光信道信号；光信道性能监测器，用于基于检测导频子载波执行光信道性能监测。

附图说明

本公开的实施例将参考附图进行描述，在附图中：

图1示出了具有多个节点的光网络；

图2示出了两个可重构光分插复用器(roadm)之间链路的更多细节；

图3是srs效应的图形描绘；

图4a和图4b示出了srs的频率相关性的示例；

图5是累积色度色散导致的衰落的图形描述；

图6a和图6b示出了色散衰落的频率相关性的示例；

图7描绘了对n个频谱段中的每个频谱段应用了不同导频子载波的光信道频谱；

图8a、图8b、图9a、图9b、图10a、图10b、图11a、图11b、图12a、图12b、图13a、图13b示出了各种多频段导频子载波仿真结果；

图14是本发明实施例提供的应用导频子载波的方法的流程图；

图15是本发明实施例提供的执行光信道性能监测的方法的流程图；

图16a是本发明实施例提供的用于应用导频子载波的装置的框图；

图16b是本发明实施例提供的用于应用导频子载波的装置的框图；以及

图17是本发明实施例提供的用于执行光信道性能监测的装置的框图。

具体实施方式

一般地，本公开的实施例提供了用于生成多频段导频子载波(pilottone)的方法和装置，以及用于接收这样的导频子载波并基于这样的导频子载波执行光信道性能监测的方法和装置。为了说明的简明和清楚，可以在附图中重复附图标记以指示对应或类似的元素。阐述了许多细节以提供对本文描述的示例的理解。可以在没有这些细节的情况下实践该示例。在其他情况下，未详细描述已知的方法、过程、和组件，以避免混淆所述示例。该描述不应被视为限于本文描述的示例的范围。

如图1所示，光网络可以有多个节点，每个节点包括可重构光分插复用器(reconfigurableopticaladd-dropmultiplexer，roadm)10。连续导频子载波信号可用于监测信道功率。这种导频子载波可以被进一步调制以携带信道特征信息。上述网络还可以包括在光网络中的各个位置的多个导频子载波检测器(pilottonedetector，ptd)15，用于监测信道信息，例如各个波长信道的存在及其光功率电平、调制格式、波特率、和/或其他信道特征。虽然未示出，但应该理解的是，每个ptd15通常包括低速光电二极管、放大电路、模数转换器、以及数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)。

图2示出了两个roadm10之间链路的更多细节。一个roadm10可以根据在接收器rx接收的密集波分复用(densewavelengthdivisionmultiplex，dwdm)信号丢弃一个或多个信道，添加由发射器tx生成的一个或多个信道，并且通过其他信道。在一些情况下，丢弃的信道从光域转换到电域，添加的信道从电域转换到光域。在其他情况下，信道被切换或在光域中通过。roadm10之间的链路一般包括多个用于放大光信号的光放大器12。每个ptd15能够检测所有dwdm信道中的导频子载波。如方框16所示，每个导频子载波的功率可以通过例如数字处理确定。

当存在多个信道时，由于srs效应，能量从短波长传递到长波长。这种能量传递发生在任两个信道之间。srs受许多因素的影响，这些因素包括：功率、跨段数、信道数、信道分布、光纤类型。

在c频段中，srs串扰与两个信道之间的导频子载波波长差大致成正比。

以类似的方式，一个信道上的低频导频子载波调制也传递到其他信道。由于这种srs效应，监测到的子载波功率还包括来自其他信道的贡献。

参考图3，示出了一个示例，其中波长信道λ1具有频率为f1的低频导频子载波调制。由于srs，f1也将出现在波长信道λ2和λ3上，分别如箭头300、302所示。类似地，波长信道λ2具有频率为f2的低频导频子载波调制，f2也将如箭头304所示出现在波长信道λ3上。

注意到能量传递是双向的：能量从短波长传递到长波长，导致长波长信道的功率增加；另一方面，长波长从短波长吸收能量，导致短波长的功率降低。因而f2也将出现在波长λ1上。

srs串扰误差在多跨段系统中累积。在多跨段系统中，srs串扰引起的误差很容易超过5db。该误差可能太大而导致信道检测错误。

图4a和图4b示出了仿真srs频率相关性的示例。将串扰绘制为相关信道的导频子载波频率的函数。对于这些示例，在c频段中存在80个信道，并且相关信道是第一信道(最短波长)。图4a示出了对leaf^tm光纤进行的仿真的结果，图4b示出了对标准单模光纤(standardsinglemodefiber，ssmf)进行的仿真的结果。图4a和图4b示出了对于从一个跨段到八个跨段的不同数量的跨段的结果，跨段长度为80km。对于leaf^tm光纤仿真，每信道光纤输入功率为-1dbm；对于ssmf仿真，每信道光纤输入功率为+1dbm。

可以看出，通常串扰随着频率升高而减小。因此，从串扰最小化的角度来看，高导频子载波频率是优选的。对此的解释是，由于srs，泵信道具有重影子载波，这些子载波最初是同相的，但是由于色度色散导致相位差。频率越高，相位差越大，重影子载波部分地相互抵消。

现在描述累积色度色散导致的衰落的示例。对于这个示例，s(δf)是光信号的频谱功率，δf是相对于载波频率的频率，fpt是导频子载波频率，md是调制深度。整个导频子载波为：

其中φ(δf,fpt,acd)是累积色度色散(accumulatedchromaticdispersion，acd)之后频率分量δf的相对相位。该相对相位为：

其中，λ是信道波长，c是光在真空中的速度。参考图5描述其效果，示出了光纤300。在302处指示了信号频谱。整个信号由导频子载波调制。在没有色散的情况下，例如在光纤300的位置304处，在信号频谱302上的不同频率的导频子载波调制是相同的。尽管示为离散频率，但单个导频子载波调制在整个频谱上。这在306处以图解方式示出。然后，在沿光纤300一定距离的位置308处，存在非零acd。在存在acd的情况下，不同频率的导频子载波调制具有不同的相位，这导致整个导频子载波的衰落。这一点在310处以图解方式示出，其中频谱一端的导频子载波示为具有相对于频谱另一端的导频子载波的相移。虽然示为离散频率，但对于单个导频子载波，相移在整个频谱上连续变化。

图6a和图6b分别示出了34g波特和68g波特奈奎斯特信号的仿真色散衰落。将针对导频子载波测量的相对功率变化绘制为从0ps/nm到50000ps/nm的各种acd的导频子载波频率的函数。可以看到显著的色度色散衰落，该衰落通常随着导频子载波频率升高而增加，并且在波特率高时更严重(图6b示例)。因此，为了得到可接受的性能，可能有必要使用低导频子载波频率。

根据本发明的实施例，不是将单个导频子载波应用于整个信号，而是将信号划分为n个频谱段，并且将相应的导频子载波应用于每个频谱段。应用于频段的导频子载波以某些方式彼此不同，例如在频率、相移方面不同。详细示例如下所述。

频谱段的数量n是大于1的整数。图7示出了示例，其中，信号的光信道频谱500被划分为四个频段502、504、506、508，并且对四个频段中的每个频段分别应用一个单独的导频子载波，导频子载波pt1应用于频段502。导频子载波pt2应用于频段504。导频子载波pt3应用于频段506。导频子载波pt4应用于频段508。上述多个频谱段的频谱段宽可以相同或不同。

在一些实施例中，应用于频谱段的导频子载波频率是相同的。如果应用于不同频段的导频子载波频率相同，则导频子载波以其他某些方式不同。例如，可以配置其相对相位。在一些实施例中，导频子载波频率对于每个频谱段是不同的。

在一些实施例中，该方法应用于单载波信号。在其他实施例中，该方法应用于数字多频段信号。

在一些实施例中，一个或多个频段中未应用导频子载波，但是在这种情况下，至少两个频段应用了导频子载波。频段的数量、调制深度、频率、相位等可能随着时间改变。

在第一特定示例中，所有频段都应用了相同频率的相应导频子载波，并且在不同频段的导频子载波之间应用预相移。在一些实施例中，导频子载波携带导频子载波数据。在导频子载波在前置相位上不同的情况下，所有导频子载波都携带相同的数据。

图8a和图8b包含对于各种导频子载波前置相位的多频段导频子载波仿真结果的示例。图8a是相对导频子载波相位作为信号频谱上频率的函数的图。对于该示例，仿真参数包括34g波特率、35000ps/nm累积色度色散，60mhz导频子载波频率，并且信号频谱被划分为两个频段600、602。频率相同的导频子载波被应用于两个频段600、602，并且在两个导频子载波之间应用相对前置相位。其中，频段602包含正频率(相对于频段的中心频率)，另一频段600包含负频率(相对于频段的中心频率)。当两个导频子载波生成时，其间存在相位差。纵轴示出了在35000ps/nm色散之后，作为信号频谱上频率的函数的相对导频子载波相位。

针对不同的前置相位量示出了多条曲线。曲线604表示没有应用前置相位的情况。这相当于用一个导频子载波调制整个频谱。对于曲线604，相对导频子载波相位从信号频谱低频端的约-1.80弧度连续增加到频谱的高频端的约+1.8弧度，最大差约为3.6弧度。

曲线606应用了前置相位量。在频段600中，应用的约0.9弧度的前置相位表现在608处，而在频段602中，应用的约-0.9弧度的前置相位表现在610处。在609处指示了在两个频段之间的相对前置相位，这是在608、610处指示的量之间的差值，即约-1.8弧度。结果是相对导频子载波相位在频段600的低频端从约-0.9弧度开始，在频段600的高频端增大到大约+0.9弧度。然后该相对导频子载波相位在频段602的低频端减小到约-0.9弧度，并在频段602的高频端增大到+0.9弧度。因此，最大相位差约为1.8弧度。

图8b通过曲线620示出了绘制为前置相位的函数的导频子载波功率衰落。曲线620的最大值出现在点b。曲线620上的点b是前置相位量为-1.8弧度(即，与图8a中的曲线606的量相同)时的导频子载波衰落。曲线620上的点a是没有前置相位量的导频子载波功率衰落。可以看出，与没有前置相位(点a)相比，有前置相位(点b)极大地改善了导频子载波衰落。

图9a和图9b示出了仿真参数下的类似的仿真结果，该参数包括34g波特率、50000ps/nm累积色度色散、60mhz导频子载波频率，同时信号频谱被划分为两个频段。再一次地，与没有前置相位(点a)相比，有前置相位(点b)极大地改善了导频子载波衰落。

图10a和图10b示出了仿真参数下的类似的仿真结果，该参数包括34g波特率、50000ps/nm累积色度色散、60mhz导频子载波频率，其中信号频谱被划分为四个频段。再一次地，与没有前置相位(点a)相比，有前置相位(点b)极大地改善了导频子载波衰落。

图11a和图11b示出了仿真参数下的类似的仿真结果，该参数包括34g波特率、0ps/nm累积色度色散、60mhz导频子载波频率，其中信号频谱被划分为四个频段。在这种情况下，与没有前置相位(点a)相比，有前置相位(点b)的导频子载波衰落更差。

图12a和图12b示出了仿真参数下的类似的仿真结果，该参数包括34g波特率、0和50000ps/nm累积色度色散、60mhz导频子载波频率，其中信号频谱被划分为四个频段。在图12b中，在0色散下的性能由曲线1000示出，而在50000ps/nm色散下的性能由曲线1002示出。在这种情况下，前置相位改善了色散衰落，但当没有色散时前置相位会恶化色散衰落。实际上，在网络中的不同点处的色散可能不同。在一些实施例中，选择前置相位以达到一种折衷，使得导频子载波衰落在网络中经历低色散的点处较差，而在网络中经历高色散的点处较好。

图13a和图13b示出了仿真参数下的类似的仿真结果，该参数包括34g波特率、0和50000ps/nm累积色度色散、60mhz导频子载波频率，其中信号频谱被划分为两个频段。在图13b中，在0色散下的性能由曲线1100示出，而在50000ps/nm色散下的性能由曲线1102示出。如同图10a、图10b的示例中，前置相位改善了色散衰落，但当没有色散时前置相位会恶化色散衰落。

在另一详细示例中，应用于每个频谱段的导频子载波具有不同的导频子载波频率。对于n频段导频子载波，色散衰落是单个频段的1/n。

在一些实施例中，用不同频率和不同导频子载波数据调制每个导频子载波(情况a)。在一些实施例中，用不同频率和同一数据调制每个导频子载波(情况b)。与使用不同数据调制每个导频子载波的情况相比，当用同一数据调制每个导频子载波时，数据的信噪比(signal-to-noiseratio，snr)较高。

对于本文描述的任何实施例，接收器可以处理接收的信号以执行光性能监测。例如，其中可能涉及光信道检测。这可以通过检测为不同光信道发送的导频子载波的功率来完成。

对于涉及将具有不同前置相位的导频子载波应用于具有导频子载波的频谱段的上述实施例，以与用单个导频子载波调制整个频段相同的方法执行导频子载波功率检测。

对于涉及将导频子载波应用于频谱段的上述实施例，该导频子载波具有不同频率和不同数据(情况a)，可以如同单个导频子载波应用于单个大频段一样的方法对每个频段执行检测。通过对所有频段中的功率求和，可以得到总体结果。对于涉及将具有相同数据和不同频率的导频子载波应用于频谱段(情况b)的上述实施例，组合多频段导频子载波的检测结果以导出总导频子载波功率，并且恢复导频子载波数据。在一些情况下，如果snr足够好，则可以使用一个导频子载波来恢复导频子载波数据。

多频段导频子载波生成

对于传统的单导频子载波调制，导频子载波调制信号可以根据以下方式产生：

vls(t)＝v(t)(1+mdsin(2πflst))

其中v(t)是导频子载波调制之前的信号，md是调制深度，fls是单个导频子载波的频率。

以下是如何应用多频段导频子载波的示例。例如，该方法可以在dsp中实现。在该示例中，存在两个频段，并且φ是应用于减轻色散衰落的前置相位，但是类似的方法可以应用于任何频段，并且可以使用以其他方式(例如导频子载波频率)不同的导频子载波。

第一步是将整个信号通过fft转换到频域：

v(ω)＝fft(v(t))

接下来，将频谱分为正频段和负频段(更一般地，任何数量的频段)：

v⁺(ω)＝v(ω≥0),v^-(ω)＝v(ω<0)

并且将各个频谱段转换回时域：

v⁺(t)＝ifft(v⁺(ω)),v^-(t)＝ifft(v^-(ω))

然后，各个频段在时域中分别具有相应的导频子载波，例如在该示例中，前置相位应用于两个频段之一。将结果组合以产生多频段信号：

vls(t)＝v⁺(t)(1+mdsin(2πflst))+v^-(t)(1+mdsin(2πflst+φ))

图14是本发明实施例提供的应用导频子载波的方法的流程图。该方法开始于1400，基于频谱将时域数字信号划分为多个频谱段。然而，注意到在将该方法应用于多个数字子频段信号的情况下，步骤1400不是必需的。该方法继续于1402，将相应的导频子载波应用于多个频谱段中的至少两个频谱段中的每个频谱段，以产生相应的应用了导频子载波的频谱段，该导频子载波彼此不同。该方法继续于1404，将应用了导频子载波的频谱段与未应用导频子载波的任何其余频谱段重组，以产生重组的时域数字信号。最后，在1406，将重组的时域数字信号转换为光信道信号。通常地，该光信道信号随后会被发送。图14的方法可以应用于本文描述的任何替换和修改。可选地，该光信道信号在发送之前可以与其他光信道信号组合。

图15是本发明实施例提供的执行光信道性能监测的方法的流程图。该方法开始于1500，接收其中不同的导频子载波被应用于至少两个子频段中的每个子频段的光信道信号。该光信道信号可以是包含多个光信道的信号的一部分。该方法继续于1502，基于检测导频子载波执行光信道性能监测。图15的方法可以应用于本文描述的任何替换和修改。

图16a是本发明实施例提供的用于应用导频子载波的装置的框图。该装置包括：频段分频器1600，用于基于频谱将时域数字信号划分为多个频谱段；以及导频子载波生成器1602，用于将相应的导频子载波应用于多个频谱段中的至少两个频谱段中的每个频谱段，以产生相应的应用了导频子载波的频谱段，该导频子载波彼此不同。对于输入是多个数字子频段信号的实施例，频段分频器1600不是必需的。该装置还包括频谱段重组器1604，用于将应用了导频子载波的频谱段与未应用导频子载波的任何其余频谱段重组，以产生重组的时域数字信号。该装置还包括电光调制器1606，用于将重组的时域数字信号转换为光信道信号以进行传输。图16a的装置可以应用于本文描述的任何替换和修改。

图16b是本发明实施例提供的用于应用导频子载波的另一装置的框图。该装置包括fft1652，用于将时域数字信号1650转换为频域信号。频域信号被分为多个频段1654、1664。然后用相应的ifft1656、1666将每个频段转换回相应的时域数字信号。注意，组件1652、1654、1656、1664、1666共同是图16a中的频段分频器1600的具体示例。乘法器1658、1668用于将相应的导频子载波调制应用于上述两个时域数字信号，并且导频子载波调制信号在数模转换1680之前在1670重组。图16b的装置可以应用于本文描述的任何替换和修改。

图17是本发明实施例提供的用于执行光信道性能监测的装置的框图。该装置包括接收器1700，用于接收其中不同的导频子载波被应用于至少两个子频段中的每个子频段的光信道信号。该装置还包括光信道性能监测器1702，用于基于检测导频子载波进行光信道性能监测。图17的装置可以应用于本文描述的任何替换和修改。

所述实施例利用频段分频器来划分信号频谱，并且接着将导频子载波调制应用于每个频谱段。在另一实施例中，对于任何前述实施例，未提供频段分频器。相反地，系统和方法中的输入是携带来自单个源或来自多个单独源的不同比特流的多个不同的子频段。在组合之前，用相应的导频子载波调制这些不同的子频段。

该方法可以通过省去方框1400后的图14的方法实现，通过省去频段分频器1600后的图16a的装置实现，以及通过省去fft1652后的图16b的装置实现，并且将两个频段1654视为来自单个或多个单独源的不同子频段输入。

鉴于以上教导，本公开的许多修改和变化是可能的。因此，应该理解的是，在所附权利要求的范围内，本公开可以使用不同于本文具体描述的方式实施。