[论文解读] Comparative Study on Carrier Phase Estimation Methods in Dispersion-Unmanaged Optical Transmission Systems

Tianhua Xu, Polina Bayvel+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2016

Optical Network Technologies参考文献 72被引用 2

一句话总结

本文比较了三种载波相位估计算法——1-tap归一化LMS、分块平均法和Viterbi-Viterbi算法——在长距离、高速、非色散管理相干光通信系统中的性能。该研究提供了同时考虑激光相位噪声和均衡增强型相位噪声的闭式误比特率预测，结果表明在高相位噪声条件下，Viterbi-Viterbi算法表现出更优的性能。

ABSTRACT

The comparative study on three carrier phase estimation (CPE) methods, involving a one-tap normalized leastmean-square algorithm, a block-wise average algorithm, and a
 Viterbi-Viterbi algorithm has been carried out in the long-haul high-speed dispersion-unmanaged coherent optical transmission systems. The close-form predictions for bit-error-rate behaviors in these CPE methods have been analyzed by considering both the laser phase noise and the equalization enhanced phase noise.

研究动机与目标

• 评估三种载波相位估计算法（CPE）在非色散管理、长距离、高速光传输系统中的性能。
• 分析在激光相位噪声与均衡增强型相位噪声共同影响下的误比特率（BER）行为。
• 为每种CPE方法推导闭式误比特率预测表达式，以支持性能比较与系统设计优化。
• 识别在实际相干光链路中高相位噪声条件下最具鲁棒性的CPE技术。

提出的方法

• 采用单抽头归一化最小均方（NLMS）算法进行载波相位估计，通过单抽头自适应机制跟踪相位变化。
• 应用分块平均法，通过计算数据块内的平均相位来抑制相位噪声影响。
• 采用Viterbi-Viterbi算法，一种决策导向方法，利用最大似然序列估计联合估计相位并检测符号。
• 通过建模激光相位噪声与均衡增强型相位噪声的贡献，推导出误比特率（BER）的闭式表达式。
• 在相同系统条件（包括入纤功率、光纤跨段数和调制格式）下，分析每种方法的BER性能。
• 考虑相位噪声与决策反馈均衡之间的相互作用，特别是均衡增强型相位噪声中的非线性失真效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在激光相位噪声与均衡增强型相位噪声共同作用下，三种CPE方法——1-tap NLMS、分块平均法和Viterbi-Viterbi——在误比特率（BER）性能方面如何比较？
• RQ2 均衡增强型相位噪声对非色散管理光通信系统中每种CPE方法的性能有何影响？
• RQ3 能否为每种CPE方法推导出准确反映激光相位噪声与均衡诱导相位噪声共同影响的闭式BER表达式？
• RQ4 在长距离、高速相干光传输系统中，哪种CPE方法对相位噪声具有最佳鲁棒性？

主要发现

• Viterbi-Viterbi算法在三种CPE方法中实现了最低的误比特率，尤其在高相位噪声条件下表现更优。
• 分块平均法表现出中等性能，其复杂度与1-tap NLMS方法相比在误比特率改善方面实现了良好平衡。
• 1-tap归一化LMS算法由于在高相位噪声下相位跟踪能力有限，表现出最高的BER。
• 闭式BER预测结果准确反映了三种CPE方法的性能趋势，验证了分析模型的有效性。
• 均衡增强型相位噪声显著降低了性能较弱的CPE方法的性能，尤其是1-tap NLMS方法。
• Viterbi-Viterbi算法能有效抑制激光相位噪声与均衡增强型相位噪声，展现出在长距离传输中的卓越抗干扰能力。