专利名称：光ofdm系统中基于循环前缀(cp)和虚载波的盲频偏估计方法
技术领域：
本发明涉及光正交频分复用(OFDM)系统中一种新型的基于循环前缀(CP)和虚载 波的盲频偏估计方法，属于光纤通信系统的范畴。
背景技术：
随着通信技术的飞速发展，运营商的业务主体和盈利模式都发生了历史性变化。 人们对通信的需求已从最初的语音业务向多媒体业务迈进，用户的网络带宽需求越来越 高。在光通信领域，全球掀起了新一代光网络的建设浪潮，为各种增值业务的发展铺平了道 路。到2015年，发达地区的无线网络流量将在现在的基础上增长10倍。无论是固定网络 还是移动网络，网络流量一直在加速增长。在未来5年之内，带宽将以每年50%以上的速度 增长，2012年干线带宽流量将达到100T以上，其中97%以上为数据带宽，网络速率提高出 现明显的瓶颈。不断发展的数据通信业务带来的是对传输容量和传输带宽需求的剧增。同时，运 营商为了降低网络成本，要求未来的网络具有越来越高的智能性。现存的SDH网络急需升 级，下一代光网络呼之欲出。新一代光传输网将传统的传输网技术与IP技术融合形成下一 代智能光传输网，是一个容量更大、高度灵活、智能管理、动态配置的光传输网。光网络技术 的发展方向仍然是超高速率、超大容量、超长距离。目前对于单信道光传输系统的速率要求已从lOGb/s提高至40Gb/s、100Gb/s，甚 至更高。众所周知，将传统的lOGb/s传输系统提高到40Gb/s或100Gb/S，将会面临很多挑 战1)在传统lOGb/s传输系统中，主要采用强度调制-直接检测方案(IM-DD)，当采用此方 案来传输40或100Gb/S的数据时，其频谱宽度变大，色度色散(CD)容忍度变为原来的1/16 或1/100，PMD容忍度变为原来的1/4或1/10，系统的非线性容忍度也急剧降低；2)由于速 率提高，电子器件和电路的设计开发难度加大，光器件的要求也会相应提高，这都将使得系 统的成本急剧上升；3)由于频谱变宽，原有的DWDM系统开始饱和，可用信道数目越来越少。 为了解决上述问题，将无线通信中已有的先进技术引入到光通信领域成为目前的研究热点 和方向。光正交频分复用(0-0FDM)系统正是基于此目的而提出来的。0FDM技术是一种多载波调制(MCM)技术，在无线通信中被IEEE 802. 11G、数字音 频广播(DAB)、IEEE 802. 16等标准广泛采用的高速传输技术，是目前已知的频谱利用率最 高的一种调制技术。它基本原理是将高速的串行数据流分解成若干并行的低速子数据流 同时传输。0FDM在频域上可描述为在频域内将给定信道划分成许多正交的且相互重叠的 子信道，在每个子信道上使用单个子载波进行调制，各子信道载波间互相正交，并行传输。将0FDM技术引入到高速光通信系统中，由于其基本原理和本质特性，它将会给高 速光传输系统带来很多的优点1)较强的抗色度色散(CD)和抗偏振模色散(PMD)能力；2) 较高的频谱利用率；3)在0FDM发射接收机端，信号处理实现比较简单，调制可以采用反快 速傅里叶变换(IFFT)，解调可以采用快速傅里叶变换(FFT)完成；4) 0FDM系统的信道均衡
3比较简单，往往只需要单抽头系数的均衡器。这几点刚好克服了在传统lOGb/s系统中传输 100Gb/s或更高速速率数据时所产生的上述主要限制条件，所以光OFDM技术可望在下一代 高速光通信系统中占据重要地位。同时，OFDM技术也有很多的缺点，比如对频偏非常敏感。在光0FDM系统中，发射 激光器和接收激光器振荡频率的偏差，使子载波间的正交性遭到破坏，仅子载波间隔1 %的 频偏就能使光信噪比(0SNR)下降30dB。因此，频偏估计是光OFDM系统必须考虑的问题，是 光0FDM系统实用化的一大障碍。在0FDM系统中，根据是否采用已知数据，频偏估计方法可 以分为两种数据辅助频偏估计和盲频偏估计。数据辅助频偏估计方法一般使用训练序列， 在接收端进行频偏估计。由于它利用了已知的数据，数据辅助频偏估计方法降低了 0FDM系 统的带宽效率。盲频偏估计方法利用0FDM符号的特征来进行频偏估计，本方法就是一种盲 频偏估计方法。盲频偏估计方法不会降低系统的频谱效率。目前基于0FDM的高速光传输系统主要包括两种实现方案相干检测0FDM系统 (C0-0FDM)和直接检测0FDM系统(DD-0FDM)。C0-0FDM是指在接收端采用本振激光器进行 相干平衡检测，DD-0FDM是指在接收端采用单个光电检测器进行直接检测。单从基本原理来 看，C0-0FDM和DD-0FDM是相似的。但C0-0FDM系统，能更有效地抑制色散、偏振模色散，同 时也可以采用更高阶调制方案，均衡方法比较多，是目前一个主要的研究热点。相比之下， DD-0FDM系统结构简单、性价比较高。这里分析主要基于C0-0FDM系统，但本发明提出的盲 频偏估计方法同样适用于DD-0FDM系统。正如前所述，高速光0FDM传输系统的频偏估计是一个亟待解决的问题。频偏能极 大地降低光0FDM系统的性能，因此在接收端急需有效的频偏估计方法来估计频偏。本发明 提出了一种有效的利用0FDM符号的循环前缀(CP)和虚载波的盲频偏估计方法。在对现有技术的研究和实践过程中，本发明的发明人发现现有的光0FDM系统的 频偏估计方法存在以下不足1)现有的光0FDM系统中还没有一个有效的频偏估计方法。2)现有的频偏估计方法只能估计小数部分频偏，不能估计整数部分频偏。3)现有的频偏估计方法一般是通过在光0FDM系统的发射端插入训练序列 (Training Sequence)，估计频偏信息。为了得到准确的频偏信息，需要大量的训练序列，这 就降低了系统的有效速率和频谱效率。为了克服上述不足，本发明提出了一种在光0FDM系统中基于循环前缀(CP)和虚 载波的盲频偏估计方法，可以同时估计频偏的小数部分和整数部分。
发明内容
鉴于现有频偏估计方法的上述缺点，本发明提出一种在光0FDM系统中基于循环 前缀(CP)和虚载波的盲频偏估计方法。该方法利用0FDM符号的循环前缀(CP)和虚载波 估计频偏信息，不仅可以同时估计小数部分和整数部分频偏，而且不需要发送端发送已知 的训练序列，提高光0FDM系统的频谱效率。本发明提出了一种新型的光0FDM系统中基于循环前缀(CP)和虚载波的盲频偏估 计方法，解决了现存方法的一些不足，其主要特点是1)能够同时估计小数部分和整数部分频偏，解决了光0FDM中的频偏问题。
2)有效利用OFDM符号的循环前缀(CP)和虚载波等冗余信息，不需要训练序列等 辅助数据，提高了光OFDM系统的频谱效率。3)能够跟踪频偏的变化情况，提高了频偏估计的精度和系统性能。如果以子载波之间的间隔为单位，光OFDM系统中的频偏可以分为小数部分和整 数部分。其中，小数部分破坏子载波间的正交性。而整数部分的频偏只是将接收机中FFT 的输出进行循环移位。因此，在光OFDM系统中，可以在时域进行小数部分频偏的估计，再在 频域进行整数部分频偏的估计。这种先估计频偏的小数部分，在估计频偏整数部分的顺序 安排，可以先消除小数部分频偏引起的载波间干扰(ICI)，使随后的整数部分频偏估计不受 ICI的影响。否则，ICI将严重破坏整数部分频偏估计的性能。本发明是基于循环前缀(CP)和虚载波的盲频偏估计，采用的方法基本上可分为 三个部分1)基于循环前缀(CP)的小数部分频偏估计部分利用循环前缀(CP)所携带的信 息估计频偏的小数部分，小数部分频偏信息用于补偿接收到的数据，消除小数部分频偏引 起的载波间干扰(ICI)。2)基于虚载波的整数部分频偏估计部分利用OFDM符号中的虚载波，估计频偏的 整数部分，同时补偿整数部分频偏引起的固定相移和循环移位。3)残余频偏补偿部分由于噪声等因素的影响，频偏估计不可能完全准确，会残 留一定的频偏；在每个0FDM符号中，残余频偏会引起一个相移，利用导频补偿残余频偏引 起的相移。本发明提出的频偏估计方法，采用块处理的方式，以整块数据作为整体，进行基于 循环前缀(CP)和虚载波的盲频偏估计，估计出的频偏信息补偿接收的OFDM信号。本方法 不需要插入训练序列，同时能跟踪频偏变化，提高了系统的频谱效率和性能。本发明揭示了一种在光0FDM系统中，基于循环前缀(CP)和虚载波的盲频偏估计 方法。该方法，首先利用循环前缀(CP)在时域估计小数部分频偏，然后在频域再利用虚载 波估计整数部分频偏，最后利用导频补偿残余频偏引起的相移。由于本方法不需要训练序 列等已知数据的辅助，直接利用0FDM符号的特征进行频偏估计，能够跟踪频偏变化。同时 本发明提出的频偏估计方法，由于不需要使用已知数据，提高了系统的频谱效率。本发明由 于利用接收端的大量数据进行频偏估计，能有效地减小噪声、激光器线宽等因素对频偏估 计的影响。本发明还揭示了光0FDM系统中基于循环前缀(CP)和虚载波的盲频偏估计的一个 实施方式。在相干光OFDM(CO-OFDM)系统中，本发明能够同时估计小数部分和整数部分频 偏，残余频偏用导频来补偿。在0FDM接收端，小数部分频偏利用循环前缀(CP)的自相关性 来估计，具体处理是在FFT解调之前(时域)进行的。整数部分频偏是在FFT解调之后进 行的，利用虚载波估计频偏的整数部分。导频是用来进行信道估计的，残余频偏可以利用导 频补偿它引起的相移。在C0-0FDM系统中，本发明的实施方式能够同时估计频偏的小数部 分和整数部分，并且不需要训练序列等已知数据的辅助，不会降低系统的频谱效率。同时， 本发明的频偏估计的均方误差低于10_3，可以用在实际的光0FDM系统中。本发明采用基于循环前缀(CP)和虚载波的盲频偏估计，具有如下优点1)本发明可以避免插入训练序列等已知数据，在接收端进行盲频偏估计，提高了系统的有效速率和频谱效率，降低系统成本。2)本发明充分地利用OFDM符号的特性，能够同时估计频偏的小数部分和整数部 分，并且不需要已知数据的辅助。3)本发明能跟踪频偏的变化情况，提高系统性能。4)本发明适用于动态配置的智能光网络，为光OFDM系统在下一代智能光网络中 的应用提供了技术支持。5)本发明采用现在比较成熟的算法，复杂度不高，实用性比较强。
为了更清楚地说明本发明所提出的技术方法，下面将对本发明实施例中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的 附图。图1是本发明基于循环前缀(CP)和虚载波的盲频偏估计方法的原理示意图；图2是本发明在C0-0FDM系统中应用的原理示意图；图3是本发明实施例一的具有循环前缀(CP)的OFDM符号的原理示意图；图4是本发明实施例一的具有虚载波的OFDM符号的原理示意图；图5是本发明实施例一利用循环前缀(CP)估计频偏小数部分的原理示意图；图6是本发明实施例一利用虚载波估计频偏整数部分的原理示意图；图7是本发明实施例一利用导频补偿残余频偏的原理示意具体实施例方式下面将结合本发明中的附图，对本发明基于循环前缀(CP)和虚载波的盲频偏估 计方法进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不 是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的 前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。参见图1，图1是本发明基于循环前缀(CP)和虚载波的盲频偏估计方法的原理示 意图。此频偏估计方法不需要使用训练序列等已知数据的辅助，是一种盲频偏估计方法。本 发明在时域利用循环前缀(CP)估计出频偏的小数部分，然后在频域利用虚载波估计出频 偏的整数部分，最后利用导频补偿残余频偏引起的相移。输入端101表示光OFDM系统接收 端接收到的0FDM信号r(i，k)。102表示时域中利用0FDM符号的循环前缀(CP)这一冗余 特性，来估计小数部分频偏。103表示FFT解调，把接收到的信号从时域变换到频域。经过 小数部分频偏补偿之后，在频域104表示利用0FDM符号中的虚载波来估计整数部分频偏。 105表示利用导频补偿残余频偏引起的相移。参见图2，图2是本发明在C0-0FDM系统中应用的原理示意图，具体介绍了本方法 在C0-0FDM系统中的位置，以及如何基于循环前缀(CP)和虚载波进行盲频偏估计。201表 示C0-0FDM系统的输入的比特流数据。202表示把串行比特流变换成并行的比特流，然后符 号映射模块203对比特流进行映射，比如可以采用QPSK方式。204表示在IFFT之前插入 导频，用于残余频偏补偿和信道估计。205表示IFFT处理，对映射后的信号进行调制。206表示把并行信号变换成串行信号，然后207对变换后的信号加上循环前缀(CP)，用于抵抗 OFDM符号间干扰(ISI)。208和209表示数/模变换，把数字信号转换成模拟信号，用于驱 动光调制器。210表示发送端激光器，用于驱动光调制器。射频域OFDM信号分成同相部分 211和正交部分212，分别输入到两个MZ光调制器。213表示一个90的光相移器。214表 示单模光纤信道。215表示C0-0FDM系统接收端的本地激光器，通过分路器分成两束同样 的激光。216表示一个90的光相移器。217、218、219和220表示4个光电二极管(PD)，对 光信号进行平衡接收。221和222表示两个减法器，分别输出接收端信号的同相部分和正 交部分。223和224表示两个模/数转换器，把模拟信号变换成数字信号。225表示在时域 中基于循环前缀(CP)的小数部分频偏估计。226表示把接收到的信号的循环前缀(CP)去 掉。227表示把接收到的串行数据变成并行数据，以便FFT处理。FFT模块228的功能是解 调OFDM信号，把信号从时域变换到频域。229表示在频域基于虚载波的整数部分频偏估计。 230表示利用导频补偿残余频偏引起的相移。231表示对补偿后的OFDM信号进行解映射。 232表示把并行比特流变成串行比特流。233表示C0-0FDM接收端输出的比特流数据。参见图3，图3是本发明实施例一的具有循环前缀(CP)的OFDM符号原理示意图。 其中，L表示循环前缀(CP)的长度，Ns表示0FDM符号的子载波个数。301表示0FDM符号 的循环前缀(CP)信号，位于每个0FDM符号的前面。302表示0FDM符号。301是302尾部 L个信号的复制，间隔为队个信号的信号是相同的。这是基于循环前缀(CP)进行小数部分 频偏估计的基础。如果kG [()， ，L_1] U [N，...，N+L_l]，r(i，k)表示循环前缀(CP)中的信号， r(i，k+N)表示它的复制，￡表示频偏的小数部分，那么
( 1 )其中，<表示OFDM信号幅度的平方。参见图4，图4是本发明实施例一的具有虚载波的0FDM符号的原理示意图。图4 以子载波个数队为256为例，描述了具有虚载波的0FDM符号的结构以及虚载波的位置。虚 载波被插入到0FDM符号的两边，作为保护频带。这对于光0FDM系统来说是一种冗余结构， 避免滤波器损伤0FDM信号，同时也降低系统对滤波器的性能要求。整数部分的频偏估计就 是利用0FDM符号的这一冗余特性估计频偏的整数部分。401表示0FDM符号左边的16个虚 载波。402表示0FDM符号中间用来承载数据的子载波。403表示0FDM符号右边的16个虚 载波。在具有虚载波的光0FDM系统中，本发明可以估计的频偏范围为[_3GHz，3GHz]，完全 可以估计现在商用激光器的频偏。参见图5，图5是本发明实施例一利用循环前缀(CP)估计频偏小数部分的原理示 意图。501表示接收端接收到具有循环前缀(CP)的OFDM符号r(i，k)。502表示提取OFDM 符号的循环前缀(CP)信号。503表示提取和502中信号对应的，和502中的信号间隔为Ns 个信号的信号。504表示502提取出来的循环前缀(CP)信号。505表示503提取的和504 相对应的信号。506表示对505进行共轭操作，得到信号507。508表示把504和507相乘， 并对它们的求和。小数部分频偏估计的似然函数6(0可以表示为 509表示提取508的处理结果的角度，角度范围为[_ Ji，Ji ]。510表示对509处理的结果除以小数部分频偏e可以表示为 因此，基于循环前缀(CP)的小数部分频偏估计的范围为[-0. 5,0. 5]，即为子载波
间隔的一半。参见图6，图6是本发明实施例一利用虚载波估计频偏整数部分的原理示意图。整 数部分频偏对OFDM符号有两种影响1.对每个OFDM符号中所有子载波引起一个固定的相 移；2.引起OFDM符号的循环移位。因此，整数部分频偏会导致整个解调结果的完全错误， 但不会破坏载波间的正交性。假设&为整数部分频偏，接收的信号r(i，k)可以表示为 其中，i表示OFDM符号的标号，k表示子载波的标号。经过FFT解调之后的信号为 整数部分频偏对i个OFDM符号引起的固定相移为exp(_/2;r4^);和原来的信号
S(i,n)相比，Y(i，n)有&位循环移位。601表示经过FFT解调后的0FDM信号Y(i，k)。602表示提取M个0FDM符号，作 为后面处理的数据。603表示对相同子载波上的0FDM信号取模平方相加。假设是AM—个 NSX1矩阵，那么603的处理结果为 因为虚载波上没有承载信号，所以虚载波上的信号幅度比承载数据的子载波上的 信号幅度低很多。604表示确定一个门限值VTh，用于确定承载数据的子载波的开始位置。 605表示从子载波1开始，找出第一个信号能量大于VTh的子载波的标号VD。606表示估计 出频偏的整数部分&。607表示估计出的整数部分频偏&。参照图4，队为256，f^可表示 为
(7)参见图7，图7是本发明实施例一利用导频补偿残余频偏的原理示意图。701表示 经过小数部分和整数部分频偏补偿之后的0FDM信号。702表示利用导频提取残余频偏引起 的相移。703表示对每个导频提取的相移信息进行平均，提高估计的精度；同时对相移信息进行单位化，消除对信号幅度的影响。假设残余频偏引起的相移为△ ，那么
8 )704表示利用703估计出的相移信息，补偿受残余频偏影响的OFDM信号。以上对本发明所述的光OFDM系统中基于循环前缀(CP)和虚载波的盲频偏估计方 法进行了详细的介绍，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的及其核心思想；同时， 对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改 变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，在不背离本发明所述的精神 和权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种光OFDM系统中新型的基于循环前缀(CP)和虚载波的盲频偏估计方法，其特征在于可以同时估计整数部分和小数部分频偏；不需要训练序列等已知数据的辅助，提高了系统的有效速率和频谱效率；不仅可以减小噪声、激光器线宽等因素的影响，而且可以跟踪频偏变化情况，提高频偏估计的精度和系统性能。
2.根据权利要求1所述一种新型的基于循环前缀(CP)和虚载波的盲频偏估计方法，其 特征在于它可以分成三个部分。一、基于循环前缀(CP)的小数部分频偏估计部分，利用循环前 缀(CP)所携带的信息估计频偏的小数部分。二、基于虚载波的整数部分频偏估计部分，利 用OFDM符号中的虚载波，估计频偏的整数部分。三、残余频偏补偿部分，利用导频补偿残余 频偏引起的相移。
3.根据权利要求1-2所述的一种新型的基于循环前缀(CP)和虚载波的盲频偏估计方 法，可适用于光正交频分复用(OFDM)系统，其特征在于不仅适用于基带OFDM系统，而且适用于射频调制OFDM系统；不仅适用于强度调制 OFDM系统(DD-OFDM)，而且适用于相干检测OFDM系统(CO-OFDM)；不仅适用于超长距离传 输的光OFDM系统，而且适用于采用OFDM技术的其他光系统。
4.根据权利要求1-3所述的一种新型的基于循环前缀(CP)和虚载波的盲频偏估计方 法，基于循环前缀(CP)的小数部分频偏估计部分，其特征在于循环前缀(CP)用来抵抗符号间干扰(ISI)，是一种冗余，本发明利用循环前缀(CP)的 相关性来提取小数部分频偏，可以采用任何合适的处理方法。
5.根据权利要求1-3所述的一种新型的基于循环前缀(CP)和虚载波的盲频偏估计方 法，基于虚载波的整数部分频偏估计部分，其特征在于虚载波作为保护频带，保护OFDM符号不受滤波器和频偏的影响，是一种冗余结构。本 发明基于虚载波的整数部分频偏估计，可以根据不同的系统情况，采用不同的处理方法。
6.根据权利要求1-3所述的一种新型的基于循环前缀(CP)和虚载波的盲频偏估计方 法，残余频偏补偿部分，其特征在于残余频偏引起的相移可以采用导频进行估计，可以结合信道估计。根据需要，本发明可 以采用导频利用不同的方法提取残余频偏引起的相移。
7.根据权利要求1-6所述的一种新型的基于循环前缀(CP)和虚载波的盲频偏估计方 法，是一个整体，三个部分结合起来可以估计频偏的小数部分和整数部分，并且不需要已知 数据的辅助。
8.根据权利要求1-7所述的一种新型的基于循环前缀(CP)和虚载波的盲频偏估计方 法，可以联合信道估计一起使用，提高频偏估计的精度，同时可以映射到具 体的硬件实现。
9.根据权利要求1-8所述的一种新型的基于循环前缀(CP)和虚载波的盲频偏估计方 法，适用于任何的光OFDM系统，包括OFDM-PON系统。
全文摘要
本发明公开了一种在光正交频分复用系统(OFDM)中基于循环前缀(CP)和虚载波的盲频偏估计方法，可以同时估计频偏的小数部分和整数部分。此基于循环前缀(CP)和虚载波的盲频偏估计方法，不需要训练序列等已知数据的辅助，提高了系统的有效速率和频谱效率。此方法由于采用接收端的大量数据进行盲频偏估计，不仅可以减小噪声、激光器线宽等因素的影响，而且可以跟踪频偏变化情况，提高频偏估计的精度和系统性能。同时循环前缀(CP)和虚载波的盲频偏估计方法，可适用于采用正交频分复用(OFDM)技术的光传输系统中，且可以和其他频偏估计技术联合使用。本发明具有实用性强、频偏估计精度高、结构简单、成本低、信号处理要求低等优点。
文档编号H04L27/26GK101883074SQ20101021239
公开日2010年11月10日 申请日期2010年6月29日 优先权日2010年6月29日
发明者乔耀军, 王战胜, 纪越峰 申请人:北京邮电大学