Ofdm-pon系统中基于volterra模型的非线性损伤补偿方法
【专利摘要】本发明提出了一种OFDM-PON系统中基于VOLTERRA模型的非线性损伤补偿方法。（1）在发射端与接收端分别存储相同的序列到数据库；（2）发送带有导频序列的信息并在接收端提取；（3）根据模型特性构建矩阵；（4）构建VOLTERRA模型矩阵形式；（5）求解辨识向量初始值；（6）分析星座图以构建差异因子向量；（7）不断构建新的权值向量。该方法使用VOLTERRA模型辨识OFDM-PON系统中的多种非线性损伤，利用QR分解矩阵维数降低求解复杂度，对辨识系数向量作自适应修正处理，提高了系统抗非线性干扰能力和可靠性。
【专利说明】OFDM-PON系统中基于VOLTERRA模型的非线性损伤补偿方 法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种下一代接入系统补偿【技术领域】的方法，具体是涉及一种正交频分 复用-无源光网络（Orthogonal Frequency Division Multiplexing-Passive Optical Networks, OFDM-PON)系统中基于VOLTERRA模型的非线性补偿方法。
【背景技术】
[0002] 在接收机上使用基于VOLTERRA模型的非线性损伤补偿方法，可以改善OFDM- Ρ0Ν 系统的可靠性和抗干扰能力。
[0003] 现有的非线性损伤补偿方法主要针对光纤通信系统中存在相位噪声、交叉相位 调制、自相位调制、四波混频以及加性非高斯噪声等非线性影响，目前已有的研究方案主 要集中在光OFDM (Optical OFDM, 0-0FDM)系统之中。现有的基于导频序列的非线性补 偿算法为：在发射端和接收端存储一个预先设计的相同序列，接收端在利用训练序列得到 并储存基本信道状态信息（Channel State Information, CSI)。发送端发送的带有预 设序列的信息到达接收端后，首先经过自相位调制补偿器模块，再提取特定位置上的信息 与接收端所存储的预设序列相乘，选取对应的结果用于相位噪声补偿。该方法的缺点是 需要依赖自相位调制补偿模块才能更好地实现相位补偿过程；基于数字预失真（Digital Pre-Distortion，DPD)的补偿方法为：在发射端和接收端部署相同的DH)模块，将接收端 的Dro输出与发射端的DH)输出比较，并将比较结果作为接收端DH)的输入信号之一。DH) 模块利用多项式函数逼近0-0FDM系统的非线性影响，依赖于敏感、高速的光电检测器和模 数转换器。该方法的缺点是在实际部署过程中，需要较高的设备成本；基于VOLTERRA模型 的补偿方法为：在发射端和接收端存储相同的序列，发射端将该序列发送之后，在接收端利 用VOLTERRA级数分解接收序列，该级数的基向量由接收端存储的序列构成。之后求解出基 向量的系数向量即可实现VOLT- ERRA模型的建立，并进一步根据该模型实现0-0FDM系统 的辨识。该方法的缺点在于系数向量不能自适应调整，且系数向量求解过程需要的计算量 较大，使得系统计算效率恶化。另外，上述3种方法均只实现针对0-0FDM系统的非线性补 偿，未针对0FDM-P0N系统作进一步分析。
[0004]
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出了一种0FDM-P0N系统中基于 VOLTERRA模型的非线性损伤补偿方法，解决现有补偿方法不能有效应对0FDM-P0N系统且 补偿方法复杂度高、性能较低以及自适应系数调整的问题，提高系统的可靠性和抗干扰能 力。
[0006] 为了达到上述目的，本发明的构思为：在0FDM-P0N系统接收端的数字信号处理 (Digital Signal Processing，DSP)模块中实现基于VOLTERRA模型的补偿器，根据发射端 和接收端所存储序列，构建非线性辨识方案，并将无限的基系数映射到有限的系数向量上， 实现VOLTERRA非线性辨识模型的求解和系统非线性影响的补偿。
[0007] 根据上述的发明构思，本发明通过以下技术方案实现。
[0008] -种0FDM-P0N系统中基于VOLTERRA模型的非线性损伤补偿方法，其特征在于具 体操作步骤如下： 步骤一、存储相同序列：在发射端与接收端分别存储相同的序列到数据库； 步骤二、发送带有导频序列的信息：发射端从数据库中提取部分序列作为导频序列并 穿插在有用信息内发送给接收端，接收端收到经历非线性损伤的导频信息并提取出来； 步骤三、构建
【权利要求】
1. 一种OFDM-PON系统中基于VOLTERRA模型的非线性损伤补偿方法，其特征在于具体 操作步骤如下： 步骤一、存储相同序列：在发射端与接收端分别存储相同的序列到数据库； 步骤二、发送带有导频序列的信息：发射端从数据库中提取部分序列作为导频序列并 穿插在有用信息内发送给接收端，接收端收到经历非线性损伤的导频信息并提取出来； 步骤三、构建
矩阵：将提取的信息按三阶VOLTERRA模型的特性，利用KRONECKER乘 积构建
矩阵； 步骤四、构建VOLTERRA模型矩阵形式：利用
矩阵及接收端数据库中提取的对应序 列，得到辨识OFDM- P0N系统非线性损伤的VOLTERRA模型矩阵形式； 步骤五、求解辨识向量初始值：对步骤四得到的矩阵形式模型作QR分解，得到辨识系 数向量的初始值； 步骤六、构建差异因子向量：分析接收信息非导频处序列经过VOLTERRA补偿器之后的 16QAM星座图，利用标准星座点与非理想星座点的差异构建差异因子向量； 步骤七、构建权值向量：使用步骤六得到的向量更新最新得到的辨识系数向量信息值， 并将该信息作为修正当前非导频处序列的权值向量。
2. 根据权利要求1所述的0FDM-P0N系统中基于VOLTERRA模型的非线性损伤 补偿方法，其特征在于所述步骤一存储相同序列的具体操作方法如下：在发射端与 接收端分别存储相同的序列到数据库，并在发射端将该序列作为导频，其中导频是指 按照给定规律穿插在有用信息序列之间的序列；用向量
表示发射的导频信息，向 量
表示接收到的经历非线性损伤的信息，其中
表示向量
的元素，
为导频子载波个数，
表示转置运算，
表示向量
的元素。
3. 根据权利要求2所述的0FDM-P0N系统中基于VOLTERRA模型的非线性损伤补 偿方法，其特征在于所述发送带有导频序列的信息的具体操作方法如下：步骤二所述给 定穿插的方法是指梳状插入的方法，有用信息是为达到通信目的的任意信息，用向量！
表示；将
按梳状插入到
得到的信息用向量
表示；在接收端与
对应的信息用向 量
表示，与向量对应的信息用向量
表示；其中
分别表示向量
和的
元素，
表示有用信息子载波个数，
表示子载波总数，且
所述非线性损伤是 指0FDM-P0N系统中包括相位噪声、交叉相位调制、自相位调制和四波混频以及加性非高斯 噪声在内的多种非线性影响。
4. 根据权利要求3所述的0FDM-P0N系统中基于VOLTERRA模型的非线性损伤补偿方 法，其特征在于所述步骤三构建
矩阵的具体操作方法如下： 利用VOLTERRA模型，假设接收端收到的向量
经过VOLTERRA补偿器之后得到向量
其中
于是有
(1) 其中，向量为补偿器的输出
表不该向量的兀素，
为VOLTERRA模型误差向量的第
个元素，
为辨识OFDM- P0N系统模型的第阶
辨识系数，并称由该系数组成的函数为信道函数的广义逆函数； 将（1)式写为矩阵形式，有
(2) 其中，矩阵
表示，
维数的复实数集合，向量
完全由辨识系数经过 初等矩阵变换得到，
表示矩阵
的第
行元素所组 成的行向量，表示为
(3) 其中，
是VOLTERRA模型所取的最大 阶数，
是0FDM-P0N系统的记忆长度；可见矩阵
的列维数，
完全由，
和
确定，
一般而言，总有
；（3)式中的
表示KRONECKER积
表示转置行 向量
得到的列向量。
5.根据权利要求4所述的0FDM-P0N系统中基于VOLTERRA模型的非线性损伤补偿方 法，其特征在于所述步骤四建VOLTERRA模型矩阵形式的具体操作方法如下： 从接收端数据库中提取的序列为与向量
完全相同的信息，该序列是VOLTERRA模型 输出信号的理想值，即：
或
其中，向量
％序列
与序列
之间的误差向量，将（4)式误差序列部分合并，即令
有
(5) (5)式即为所述非线性影响的VOLTERRA模型矩阵形式。
6. 根据权利要求5所述的OFDM-PON系统中基于VOLTERRA模型的非线性损伤补偿方 法，其特征在于所述步骤五求解辨识向量初始值的具体操作方法如下： 求解辨识系数向量的过程如下： ① 、对矩阵
QR分解，有
其中矩阵
为正交矩阵，
为上三角矩阵，且
② 、使用矩阵
对（5)式作变换，有
从而得到
(6) 其中，
表示取向量的前
个元素组成新的向量；
③ 、利用后向迭代方法，求解出（6)式中向量'的值，即为所述辨识系数向量的初始值，
记为
7. 根据权利要求6所述的0FDM-P0N系统中基于VOLTERRA模型的非线性损伤补偿方 法，其特征在于上述步骤六构建差异因子向量的具体操作方法如下： QAM星座图为正交振幅调制图，记导频向量
之后的第一个有用信息向量
记为
，经历非线性影响到达接收端，于是接收信号
记为
由·
得到与其对应的上三角矩阵
然后使用VOLTERRA补偿器对
朴偿，其中补偿器的系数向量为步骤五所得到的辨识 系数向量初始值
对应的VOLTERRA补偿器输出记为
其中
分析'
的 16QAM星座图，将该星座图与标准星座图对比，利用标准星座点与非理想星座点的一系列比 值构成向量
即为所述的差异因子向量。
8. 根据权利要求7所述的0FDM-P0N系统中基于VOLTERRA模型的非线性损伤补偿方 法，其特征在于上述所述步骤七构建权值向量的具体操作方法如下：最新辨识系数向量信 息按以下过程得到： 使用差异因子向量
对补偿器的输出作进一步修正，即
其中，
为HADAMARD积，
即为接收信号
扑偿结果； 若记
其中
使得
成立，于是（7)式即可写为
且将
的星座图与标准星座图对比，按求解
的方法得到
从而有 接收信号'
泾过VOLTERRA补偿器之后的输出信号可以写为
(8) 其中
即为所述更新后的辨识系数向量信息值；于是，第I
个接收信 号
经过VOLTERRA补偿器之后的输出信号可以写为
(9)。
【文档编号】H04L27/38GK104158787SQ201410387354
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月8日 优先权日:2014年4月14日
【发明者】方勇, 路振龙, 孙彦赞, 王军华 申请人:上海大学