光通信网络和用于在光网络中对信号进行自适应编码的方法
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及数字通信，并且更具体地，涉及对用于非线性信道的信号进行自适应编码。
【背景技术】
[0002]前向纠错(FEC)编码能够减少由有噪信道导致的错误。通过与外信息转移(EXIT，extrinsic informat1n transfer)图曲线拟合，可以最优化FEC编码。当信道状态是时变的时，FEC编码将根据信道状态改变。这通常通过使用自适应编码和调制来完成。然而，现有的自适应编码方法都不能调节用于非线性信道，尤其是在光通信中，这限制了 FEC编码的优点。
[0003]光通信具有与无线通信不同的特征。首先，光信号与介质之间的相互作用很复杂。其次，光信号通常经由单向光纤被传输。因此，光网络从发送器到接收器使用一个信道，而从接收器到发送器使用另一信道。由此，不像在无线通信中那样，这两个信道不对称，并且反向信道不反映前向信道。然而，光信道不像无线信道那样随时间改变很多。因此，信道状态在较长时间段内倾向于有效，并且瞬时信道状态不太重要。
[0004]自适应预编码通过使用信道状态的先验信息来执行幅度、相位控制和数据控制，以减少错误。用于预编码的方法包括Tomlinson-Harashima预编码、脏纸编码、网格成形(trellis shaping)、时间反转预编码、逆信道滤波、矢量扰动和预失真。这些方法都不适于复杂的时变非线性信道。
[0005]数字后向传播(DBP)能够被用于光通信中的非线性信道。然而，DBP具有许多缺点。DBP对随机噪声的抵抗很弱，需要高复杂性的操作，并且与实际信道状态的参数失配导致附加失真。
[0006]在线性信道中，已知编码和解码复杂性被显著减小，并且当来自接收器的反馈信息在发送器处可用时，错误概率显著减小。自动重传请求(ARQ)是这种反馈信息的一个示例。众所周知的Schalkwijk-Kailath(S-K)反馈编码方案在没有任何FEC编码的情况下，以双重指数衰减的错误概率，实现了信道容量。然而，不存在成功应用、以及关于用于非线性信道的反馈的使用的统一理论。
【发明内容】
[0007]本发明的实施方式提供了一种用于线性和非线性信道的自适应编码，以提高数字通信网络中的可靠性和效率。该方法监测信道统计(statistics)，以生成并且分析信道的外信息转移(EXIT)图。将信道统计反馈回发送器，以适应前向纠错(FEC)预编码和编码。
[0008]本发明的一个实施方式通过使用高斯混合模型(GMM，Gaussian mixture model)提供非线性信道统计的参数分析。通过期望最大化(EM，expectat1n-maximizat1n)处理来估计统计参数。对于非参数分析，信道统计由多变量接收信号的多维分布图表示，以建立多个要素(moment)(均值、方差、偏度等)。
[0009]利用参数统计或非参数统计，给出先验互信息以适应FEC编码，通过外互信息的另一个分布图获得EXIT曲线。
[0010]本发明的一个实施方式基于在发送器处可用的EXIT图信息来最优化低密度奇偶校验(LDPC)码。考虑到实际解码器方面(包括迭代的最大数目、定点运算精度和编码的有限长度)，通过EXIT图的曲线拟合，重新设计LDPC变量节点和校验节点的度分布。
[0011]本发明的另一实施方式通过反馈接收信号，基于针对非线性信道归纳的Schalkwijk-Kailath(S-K)反馈编码，提供自动重传请求(ARQ)。发送器将加权的接收信号添加至编码信号，其可以按指数减少等效非线性失真。
[0012]本发明的另一个实施方式适应预编码(例如，网格成形)，其有意地适应数据，使得发送信号更优选用于非线性信道，以减少失真。通过使用信道的统计信息、以及基于GMM的再生模型和Volterra级数展开，可以重新设计最佳预编码。
【附图说明】
[0013][图1]
[0014]图1是根据本发明的实施方式的具有自适应编码的方法和通信网络的示意图；
[0015][图2]
[0016]图2是根据本发明的实施方式的信道统计估计的示意图；
[0017][图3]
[0018]图3是根据本发明的实施方式的LDPC码的基于EXIT的最优化的示意图；
[0019][图4]
[0020]图4是根据本发明的实施方式的自适应LDPC编码器和解码器的示意图；
[0021][图5]
[0022]图5是根据本发明的实施方式的基于S-K反馈编码的ARQ的示意图；以及
[0023][图6]
[0024]图6是根据本发明的实施方式的基于网格成形的自适应预编码的示意图。
【具体实施方式】
[0025]本发明的实施方式提供用于线性和非线性信道的自适应编码，以提高数字通信网络中的可靠性和效率。
[0026]方法和网络
[0027]图1示出了根据本发明的实施方式的方法和网络100的优选实施方式。该网络包括发送器I1和接收器120，以经由例如光纤、卫星和其它类型的有噪通信网络中的线性信道、非线性信道和有噪信道130来传送数据111。
[0028]发送器具有用于FEC编码器400的数据111。编码后的数据可以通过预编码块113被改编，并且在调制114之后，作为信号(例如，光信号或无线电信号)经由线性信道、非线性信道或有噪信道130被发送。
[0029]例如通过均衡器，在接收器120处检测121失真的接收信号101。检测到的信号被FEC解码122，以减少错误。FEC解码信息可以被反馈回检测器块，以实现Turbo环增益125。
[0030]FEC解码器的输出被用于决定123所发送的数据。决定可以通过错误检验器124来监测。当接收器在解码后的数据中检测到错误时，生成144ARQ。
[0031]信道统计
[0032]本发明使用信道状态信息(CSI)提高可靠性和效率。该方法使用接收信号101来分析200信道统计。通过测量被提供有FEC解码器反馈信息的检测输出的分布图来生成并且分析142ΕΧΙΤ图。
[0033]将信道统计反馈回发送器，使得能够根据信道状态使预编码器适应。
[0034]EXIT图信息由发送器使用，使得FEC码本根据信道状态被改进。
[0035]然后，ARQ可以导致利用改进调制格式的重传。
[0036]图2示出用于非参数和参数统计模型的信道分析器200。非参数模型构造表示接收信号101的多维分布图的表210。
[0037]参数高斯混合模型(GMM) 220分析地表示分布图。GMM具有用于估计的多个参数，用于很好地描绘分布图。GMM通过期望最大化(EM)处理230被估计，其是近似最大似然(ML)的迭代解。
[0038]在期望步骤中，确定估计的似然，同时在最大