CN101909034B - 基于单载波频分多址的无源光网络发送、接收方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单载波频分多址的无源光网络发送、接收方法及系统，属于光通信技术领域。本系统包括发射单元和接收单元；其中发射单元包括正交幅度调制模块、M点离散傅里叶变换模块、子载波映射模块、N点快速傅里叶反变换模块、上变频模块、数模转换模块、电光调制模块；接收单元包括光电接收模块、模数转换模块、下变频模块、N点快速傅里叶变换模块、子载波逆映射模块、M点离散傅里叶反变换模块、正交幅度解调模块。与现有技术相比，本发明可以使信号的PAPR保持很小，从而减小对调制器和功率放大器线性工作区的要求，有效降低光电器件的成本。

Description

基于单载波频分多址的无源光网络发送、接收方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于单载波频分多址的无源光网络发送、接收方法及系统，属于光通信技术领域。 

背景技术

光纤通信技术已成为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中起着举足轻重的作用，其近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的，也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具。光纤即为光导纤维的简称。光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式。近年来，由于光纤的大量铺设和波分复用等新技术的应用，使得主干光纤网络在几年之内已经有了突破性的发展。同时由于以太网技术的进步，由其主导的局域网带宽也从10M，100M到1G甚至10G。而目前大家关注，最需要突破的地方就在于连接网络主干和局域网以及家庭用户之间的一段，这就是常说的“最后一公里”，这是个瓶颈。必须打破这个瓶颈，才可能迎来网络世界的新天地。人们迫切需要一种经济、简单、易升级、能够综合传输语音、数字和视频业务的新的接入网络技术。在各种技术中，无源光网络(PON)技术获得了广泛的关注。 

PON网络的突出优点是消除了户外的有源设备，所有的信号处理功能均在交换机和用户宅内设备完成。而且这种接入方式的前期投资小，大部分资金要推迟到用户真正接入时才投入。它的传输距离比有源光纤接入系统的短，覆盖的范围较小，但它造价低，无须另设机房，维护容易。因此这种结构可以经济地为居家用户服务。 

目前PON技术主要有采用异步转移模式(ATM)的无源光网络APON、以太网无源光网络(EPON)、千兆比特无源光网络(GPON)和波分复用无源光网络(WDM-PON)等几种，其主要差异在于采用了不同的传输技术。其中，前三种PON技术都是基于时分复用的，而WDM-PON是基于波分复用的。 

1)无源光网络(PON)： 

一个典型的无源光网络PON(Passive Optical Network)的网络体系结构如图1所示，其主要组成部分包括光线路终端(OLT，Optical Line Terminator)，光网络单元(ONU，Optical NetworkUnit)和光配线网(Optical Distribution Network，ODN).由于光路特征为ODN全部由光分路器(Splitter)等无源器件组成，不需要贵重的有源电子设备，因此被称为无源光网络。 

2)基于时分复用(TDM)的的PON技术(EPON和GPON)： 

基于TDM的PON主要分为APON/BPON(ATMPON/宽带PON)、EPON(以太网PON)和GPON(千兆比特PON)，但只有后两者目前有广泛的应用。其中，EPON非常适合IP业务的宽带接入，商用化程度最高。2004年，IEEE批准EPON标准为802.3ah，它支持上下行最高速率1.25Gb/s传输，最大分路比为64。EPON的优点主要有：(1)以太网技术成熟，设备成本低；(2)设备价格低，通用性好；(3)除去了IP数据传输的协议和格式转换，效率高，管理简单，可灵活支持基于IP的综合业务和多种服务质量管理。其缺点在于传送高质量保证的实时性业务比较复杂，服务质量问题和流量控制待加强。 

GPON在高速率和多业务支持方面则有一定优势。2003年GPON被国际电联(ITU)采纳为标准G.984。GPON的优点主要有：(1)承载快速以太网和T1/E1电路不需要额外开销，也不会增加复杂性；(2)综合业务支持能力强，支持VLAN交换和其他新的以太网业务。其缺点是目前成本较EPON高，在仅承载以太网业务和语音业务时无明显优势。 

3)WDM-PON： 

WDM-PON是基于波分复用技术的，即在同一根光纤上同时采用多束不同波长的光，用不同波长的光分配给不同的业务或终端。从技术原理上来说，EPON和GPON都是功率分割型的，而WDM-PON则属于波分复用，使用光分路器识别局端(OLT)发出的各种波长，将信号分配给各路光节点(ONU)。WDM-PON优点在于可以实现较高的工作带宽，在网络管理和系统升级方面具有一定的优势，但其缺点是成本很高，距离产业化和大规模应用还有很长的一段距离。 

4)基于OFDMA的PON技术： 

基于OFDMA的PON系统结构如图2所示。OLT中的发射部分都主要由m-QAM调制、快速傅里叶反变换、数字或模拟上变频、D/A和电光调制几个部分构成。信号经过m-QAM映射后得到QAM调制符号，然后IFFT将信号变换到时域，再对其进行上变频，最后经过数模转换与电光转换将信号通过光纤发送出去。接收端及其逆过程。在OFDMA-PON中，采用多载波调制，多载波存在同相相加或相消，在同相相加时会产生很大峰值，导致PAPR很大。 

自2007年以来，学术界开始讨论一种新型的基于正交频分多址(OFDMA)的PON技术。OFDMA是基于正交频分复用(OFDM)技术的接入技术。在OFDM技术中，信道被分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用数字信号处理技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰ICI。OFDMA是利用OFDM对信道进行子载波化后，在部分子载波上加载传输数据的多址接入技术。 

但是，OFDMA技术存在着如PAPR过大等很多问题，调制器和功率放大器的线性工作区要比较大，提高了光电器件的成本，尤其是提高了ONU端的成本；且过大的PAPR将引入光纤非线性，这对于上行和下行链路传输性能都是非常不利的。 

发明内容

为了克服现有技术中的问题，本发明的目的在于提出一种基于SC-FDMA的PON信号发送、接收方法及系统。不同于OFDMA-PON结构，在SCFDMA-PON中，上行和下行的发射信号都经过了DFT和IFFT，发射信号是单载波的时域的信号，不存在多载波调制时的同相相加或相消的问题，从而可以使PAPR仍然能保持很小。SCFDMA-PON对于发射机放大器性能要求比OFDMA-PON要低得多，体现出了明显的优势。在光网络中需要利用光纤来进行传输，PAPR越大，则功率的峰值也就越大，对应的非线性损伤就越大。 

本发明的技术方案为： 

一种基于单载波频分多址的无源光网络发送方法，其步骤为： 

1)发射单元将输入信息进行映射，生成M个符号一组的并行符号序列； 

2)将所生成的并行符号序列进行M点离散傅里叶变换，生成频域信号； 

3)通过子载波映射模块将每个频域信号映射到分配的子载波上； 

4)将子载波映射后的频域信号经过N点快速傅里叶反变换到时域； 

5)将得到的时域信号依次经上变频、数模转换、电光调制后得到光信号发送给接收单元； 

其中，M、N为自然数。 

进一步的，其中N≥M。 

进一步的，所述子载波映射模块为集中式子载波映射模块或分布式子载波映射模块。 

一种基于单载波频分多址的无源光网络接收方法，其步骤为： 

1)接收单元将接收信息依次进行光电接收、模数转换、下变频处理后得到一时域信号； 

2)将时域信号经N点快速傅里叶变换到频域； 

3)通过子载波逆映射模块对得到的频域信号进行映射，得到载有数据的子载波； 

4)将子载波中的频域信号进行M点离散傅里叶反变换到时域； 

5)将步骤4)的时域信号进行解调；其中，M、N为自然数。 

进一步的，其中N≥M。 

进一步的，所述子载波逆映射模块为集中式子载波逆映射模块或分布式子载波逆映射模块。 

一种基于单载波频分多址的无源光网络系统，包括发射单元和接收单元；其特征在于所 述发射单元包括正交幅度调制模块、M点离散傅里叶变换模块、子载波映射模块、N点快速傅里叶反变换模块、上变频模块、数模转换模块、电光调制模块；其中： 

所述正交幅度调制模块，用于将输入信息进行映射后，生成M个符号一组的并行符号序列并将其发送给所述M点离散傅里叶变换模块； 

所述M点离散傅里叶变换模块，用于对接收信息进行变换，生成频域信号并将其发送到所述子载波映射模块； 

所述子载波映射模块，用于对接收信息进行子载波映射，将每个频域信号扩频到分配的子载波上传输给所述N点快速傅里叶反变换模块； 

所述N点快速傅里叶反变换模块，用于将接收信息变换到时域； 

所述N点快速傅里叶反变换模块输出的信息依次经所述上变频模块、数模转换模块、电光调制模块处理后发送到所述接收单元； 

所述接收单元包括光电接收模块、模数转换模块、下变频模块、N点快速傅里叶变换模块、子载波逆映射模块、M点离散傅里叶反变换模块、正交幅度解调模块；其中： 

接收信息依次经所述光电接收模块、模数转换模块、下变频模块处理后发送到所述N点快速傅里叶变换模块； 

所述N点快速傅里叶变换模块，用于将接收信息变换到频域，传输给所述子载波逆映射模块； 

所述子载波逆映射模块，用于对接收信息进行子载波逆映射后传输给所述M点离散傅里叶反变换模块； 

所述M点离散傅里叶反变换模块，用于对接收信息进行变换，生成时域信号并将其发送给所述正交幅度解调模块； 

所述正交幅度解调模块，用于对接收信息进行变换，生成频域信号； 

其中，M、N为自然数。 

进一步的，其中N≥M。 

进一步的，所述子载波映射模块为集中式子载波映射模块，所述子载波逆映射模块为集中式子载波逆映射模块。 

进一步的，所述子载波映射模块为分布式子载波映射模块，所述子载波逆映射模块为分布式子载波逆映射模块。 

与现有技术相比，本发明具有的积极效果为： 

从下面的实验结果图3和图4可看出SCFDMA-PON的PAPR带来的光纤非线性损伤比OFDMA-PON明显要低很多，带来的优点是可以减小对调制器和功率放大器线性工作区的要求，有效降低光电器件的成本。并且低非线性损伤这一优势在光网络中显得尤为重要。

附图说明

图1、PON网络体系结构； 

图2、基于OFDMA的PON系统结构； 

图2(a)OFDMA-PON的OLT下行结构框图(发送)， 

图2(b)OFDMA-PON的ONU下行结构框图(接收)， 

图3、SC-FDMA-PON与OFDMA-PON峰均比对比； 

图4、SC-FDMA-PON与OFDMA-PON非线性对比； 

图5、本发明基于SC-FDMA的PON系统结构图； 

图5(a)本发明的OLT下行结构框图(发送)； 

图5(b)本发明的ONU下行结构框图(接收)； 

图6、两种子载波映射方法及其频谱示意图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述： 

本发明技术提出一种基于SC-FDMA的PON上行或下行结构方案，如图5所示。 

以下行链路为例，在SC-FDMA-PON系统中，OLT单元发射部分包括QAM Modification(正交幅度调制)，M点DFT(离散傅里叶变换)，Subcarrier Mapping(子载波映射)，N点IFFT(快速傅里叶反变换)，上变频，D/A(数模转换)，E/O(电光调制)等部分。ONU单元接收部分包括O/E(光电调制)，A/D(模数转换)，下变频，N点FFT(快速傅里叶变换)，Subcarrier De-Mapping(子载波逆映射)，M点IDFT(离散傅里叶反变换)，QAM De-Modification(正交幅度解调)等部分。这种结构方案下的下行链路中，OLT端信号经过QAM映射后，得到M个符号一组的并行符号序列，将其进行M点的DFT后得到频域信号。接着进行Subcarrier Mapping(子载波的映射)，插入零符号，将每个数据符号扩频到分配的子载波上传输。映射后的频域信号经过N点的IFFT再次变换到时域后。经过上变频，信号变至中频，再经过D/A将信号变为模拟信号。最后经E/O将信号变为光信号，通过光纤将信号发送出去。接收端是发射端的逆过程。ONU端接收到光信号之后先由E/O转为电信号，再用A/D将信号转为数字信号，然后经过下变频把中频信号恢复到原始频率。而后用N点FFT将信号变换至频域，通过Subcarrier De-Mapping，将插零取出，得到载有数据的子载波，最后经过M点IDFT将信号还原到时域，由QAM解调将信号做解调制处理。对于上行链路， 与下行链路的过程是相同的。只需将ONU置为发射端，OLT置为接收端即可。 

一般来说，N＞M，M、N为自然数。这样就存在着一个如何从N个子载波中选择分配M个子载波的问题，即子载波映射。 

子载波映射一般有以下两种方法：集中式子载波映射和分布式子载波映射。映射方法和频谱示意图如图6所示。 

集中式子载波映射方法是将经过M点DFT变换之后的数据分配到M个相邻的子载波上，其余子载波上插零。这样再经过N点IFFT变换之后的发射信号就相当于经过了一个sinc函数脉冲成型滤波器。在SCFDMA系统中，得到的信号类似于一个窄带的单载波信号。另一种是分布式子载波映射。具体方法是将经过M点DFT变换后的数据分配到M个等间隔的子载波上，而不是上一种方法中的M个连续的子载波上，然后其余子载波上也同样插零。这样做的结果使得时域上波形呈周期性的重复，即发射的N点IFFT后信号为原M点数据重复L次，其中L为映射时两个子载波的距离。本方法中采用集中式子载波映射，即只占用了部分带宽。这种方式虽然没有分布式那样具有较大频率分集的增益，但是由于它占用的带宽窄，信道的频域相应变化要相对小一些，便于和频域调度结合，能够达到较好的性能。 

Claims (10)

1.一种基于单载波频分多址的无源光网络发送方法，其步骤为：

1)发射单元将输入信息进行映射，生成M个符号一组的并行符号序列；

2)将所生成的并行符号序列进行M点离散傅里叶变换，生成频域信号；

3)通过子载波映射模块将每个频域信号映射到分配的子载波上；

4)将子载波映射后的频域信号经过N点快速傅里叶反变换到时域；

5)将得到的时域信号依次经上变频、数模转换、电光调制后得到光信号发送给接收单元；

其中，M、N为自然数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于N≥M。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述子载波映射模块为集中式子载波映射模块或分布式子载波映射模块。

4.一种基于单载波频分多址的无源光网络接收方法，其步骤为：

1)接收单元将接收信息依次进行光电接收、模数转换、下变频处理后得到一时域信号；

2)将时域信号经N点快速傅里叶变换到频域；

3)通过子载波逆映射模块对得到的频域信号进行映射，得到载有数据的子载波；

4)将子载波中的频域信号进行M点离散傅里叶反变换到时域；

5)将步骤4)的时域信号进行解调；其中，M、N为自然数。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于N≥M。

6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于所述子载波逆映射模块为集中式子载波逆映射模块或分布式子载波逆映射模块。

7.一种基于单载波频分多址的无源光网络系统，包括发射单元和接收单元；其特征在于所述发射单元包括正交幅度调制模块、M点离散傅里叶变换模块、子载波映射模块、N点快速傅里叶反变换模块、上变频模块、数模转换模块、电光调制模块；其中：

所述正交幅度调制模块，用于将输入信息进行映射后，生成M个符号一组的并行符号序列并将其发送给所述M点离散傅里叶变换模块；

所述M点离散傅里叶变换模块，用于对接收信息进行变换，生成频域信号并将其发送到所述子载波映射模块；

所述子载波映射模块，用于对接收信息进行子载波映射，将每个频域信号扩频到分配的子载波上传输给所述N点快速傅里叶反变换模块；

所述N点快速傅里叶反变换模块，用于将接收信息变换到时域；

所述N点快速傅里叶反变换模块输出的信息依次经所述上变频模块、数模转换模块、电光调制模块处理后发送到所述接收单元；

所述接收单元包括光电接收模块、模数转换模块、下变频模块、N点快速傅里叶变换模块、子载波逆映射模块、M点离散傅里叶反变换模块、正交幅度解调模块；其中：

接收信息依次经所述光电接收模块、模数转换模块、下变频模块处理后发送到所述N点快速傅里叶变换模块；

所述N点快速傅里叶变换模块，用于将接收信息变换到频域，传输给所述子载波逆映射模块；

所述子载波逆映射模块，用于对接收信息进行子载波逆映射后传输给所述M点离散傅里叶反变换模块；

所述M点离散傅里叶反变换模块，用于对接收信息进行变换，生成时域信号并将其发送给所述正交幅度解调模块；

所述正交幅度解调模块，用于对接收信息进行变换，生成频域信号；

其中，M、N为自然数。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于N≥M。

9.如权利要求7或8所述的系统，其特征在于所述子载波映射模块为集中式子载波映射模块，所述子载波逆映射模块为集中式子载波逆映射模块。

10.如权利要求7或8所述的系统，其特征在于所述子载波映射模块为分布式子载波映射模块，所述子载波逆映射模块为分布式子载波逆映射模块。

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