CN102202248B

CN102202248B - 正交频分复用无源光网络系统

Info

Publication number: CN102202248B
Application number: CN201110159688.4A
Authority: CN
Inventors: 易兴文; 张静; 张洪波; 邓明亮; 邱昆
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-06-15
Filing date: 2011-06-15
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2031-06-15
Also published as: CN102202248A

Abstract

本发明提供一种在不增加硬件成本以及MAC控制复杂度的基础上，使用OFDM对上行数据流进行调制的正交频分复用无源光网络系统。本发明中上、下行传输都采用OFDM调制。对上行数据进行OFDM调制，各个ONU用分配到的承载有效上行数据的频带的在汇聚后的整个OFDM频带的位置以及带宽大小是可变的。不同光节点的上行信道分配到不同的频带，使得分配给系统中所有ONU承载有效上行数据的频带位于一个完整的OFDM频谱的不同位置，且不相互重叠。上行发送模块可以进行自适应源配置，能根据用户业务量的大小动态分配子载波的数量调整承载有效上行数据的频带带宽。

Description

正交频分复用无源光网络系统

技术领域

本发明涉及通信技术，特别涉及无源光网络通信。

背景技术

在下一代无源光网络(Passive Optical Networks，PON)中，常见的有时分复用PON(TDM-PON)和波分复用PON(WDM-PON)系统。TDM-PON接入需要复杂的时间控制算法和成帧技术来支持不同的应用；WDM-PON系统则仍然缺少灵活性来动态分配光节间的带宽，而这正是未来光接入网络所必需的。随着正交频分复用OFDM(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing)技术的发展，其高频谱利用率、大色散容限使它已经成为更有效的调制方式。但是，目前的PON中只在数据的下行传输中采用了OFDM调制方式，在上行传输中仍然采用了以往常规的OOK(On-off Key，开关键控)、DPSK(Differential Phase Shift Keying，差分相位调制)、正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)等调制方式，其媒体接入控制MAC(Media Access Control)方式也基本上采用TDM。

一个典型的下行传输为OFDM的PON系统，采用两个不同波长分别来传输上行和下行数据，如图1所示。光缆终端设备OLT(Optical Line Terminal)位于中心局CO(Central Office)，用来以广播方式向各光节点ONU(Optical Network Unit)发送下行数据。ONU总数为N。OLT中包括下行发送模块、上行接收模块、光复用器；各ONU单元包括光解复用器、下行接收模块、上行发送模块。下行发送模块包括下行激光器、光调制器；上行接收模块包括上行激光器、上行接收机；一方面，OLT的下行发送模块中的激光器(下行光激光器)将光输入至光调制器为下行数据提供光载波，OLT将待发送的数据流经OFDM调制后通过光调制器对光源进行调制，采用TDMA(时分多址)、WDMA(波分多址)等接入控制方式以广播方式向各ONU单元发送数据，调制方式采用了OFDM调制并将信号上变频到光域形成光OFDM信号；另一方面，OLT中另一个激光器(上行激光器)输出一路光载波为各ONU单元提供光载波，另一路光为上行接收提供本振光源。

光调制器输出的光OFDM信号与上行光激光器输出的载波信号一起输入至光复用器，经光复用器输出复用信号通过放大器，经OLT端的光环形器发送至馈线光纤，后经1:N的无源光分/合路器将复用信号分为N路传至所有光节点ONU单元，向ONU单元以广播方式发送下行数据。各ONU单元将接收到的光信号通过一个光解复用器分出两路光信号，一路光信号进行探测接收后，经OFDM解调等信号处理后恢复下行传输的数据流；另一路光信号则为上行数据传输提供光载波。

由于上述PON系统在上行传输中，上行发送模块仍然采用传统的OOK(二进制开关键控)调制、QAM(正交幅度调制)，没有更充分的利用OFDM调制频谱利用高和抗色散能力的优点，因此，相对于下行传输，上行传输都只进行低速的传输。就目前常用的TDMA、WDMA接入方式而言，如在上行采用OFDM调制会大大提高系统实现的复杂度。WDMA是多波长传输，不同ONU单元对应不同波长。在下行中采用OFDM调制后，在ONU单元处需要进行光载波的再利用，分离出来光载波，否则需要额外的光源。OFDM调制后的上行数据流通过光调制器对分离出的光载波进行光调制，从而实现上行传输，大大提高了系统的设计难度，并且WDM-PON仍然缺少灵活性来动态分配光节点间的带宽。此外，上行接收模块针对不同波长使用不同的探测器，即PON系统中有N个ONU就需要有N个上行接收机使得OLT端得硬件成本高，经复用后的信号经光纤传输后送到OLT，OLT端的光分路器将接收端的信号解复用后分为N路至各上行接收机进行探测接收、解调处理。TDM接入方式虽然不需要使用多个上行接收机，仅需在上行接收模块设置一个接收机即可，但TDM接入方式需要复杂的时间控制算法和成帧技术来支持不同的应用，每个ONU只有在分配的时隙才能上传数据，MAC协议来控制也较复杂，上行接收模块实现难度高，无法实现多个ONU单元数据流的统一接收。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种在不增加硬件成本以及MAC控制复杂度的基础上，使用OFDM对上行数据流进行调制的正交频分复用无源光网络系统。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，正交频分复用无源光网络系统，包括光缆终端设备、2个以上的光节点、无源光分/合路器，所述光缆终端设备与无源光分/合路器通过馈线光纤相连，无源光分/合路器与各光节点通过馈线光纤相连；所述光缆终端设备包括下行发送模块、上行接收模块，所述光节点的包括下行接收模块、上行发送模块；

所述下行发送模块用于，对下行数据流进行OFDM调制并上变频至光域形成下行光信号以广播方式发送至各光节点；

所述下行接收模块用于，对接收到的下行光信号进行探测接收后，再进行OFDM解调和信号处理恢复出下行数据流；

所述无源光分/合路器用于，当传输下行光信号时，将下行光信号分为与系统内光节点数量相等的几路信号传送至各光节点；当传输上行光信号时，将各光节点的上行数据流进行汇聚。汇聚是将各ONU单元的信号进行频分复用合成一路光信号，再输出至光缆终端设备；

所述上行发送模块用于，上行发送模块对上行数据流进行OFDM调制时，根据上行发送模块所在光节点的信道状态调整OFDM基带内承载有效上行数据的子载波数以及承载有效上行数据的子载波所在的频带位置，将生成的基带OFDM信号上变频至光域形成上行光信号并发送；各光节点的上行发送模块形成的基带OFDM信号由于其承载有效上行数据的子载波位于基带内的频带位置不同、带宽不同，不同光节点的有效上行数据所在频带位于经汇聚后的上行光信号的整个OFDM频带中的不同频带位置，并保证不同光节点的有效上行数据所在的OFDM频带间的间隔为子载波带宽的整数倍；

所述上行接收模块用于，利用相干探测对接收到的汇聚后的上行数据流进行统一接收，将下行光信号下变频至电域，恢复出汇聚后的基带OFDM信号，再进行OFDM解调和信号处理，根据各光节点所处的频带位置得到各光节点的上行数据流。信号处理包括色散补偿、信道估计等恢复原始上行数据流的处理。

本发明中上、下行传输都采用OFDM调制。下行传输与一般的OFDM-PON传输基本相同，OLT以广播方式向各ONU单元发送数据，各ONU单元探测接收后对信号进行恢复。在PON系统的上行传输模块中，对上行数据进行OFDM调制，使得上行传输过程中充分地利用OFDM调制频谱利用高和抗色散能力的优点，且由于OFDM是多子载波系统，使得各个ONU用分配到的承载有效上行数据的频带的在汇聚后的整个OFDM频带的位置以及带宽大小是可变的。不同光节点的上行信道分配到不同的频带，使得分配给系统中所有ONU承载有效上行数据的频带位于一个完整的OFDM频谱的不同位置，且不相互重叠。各OUN的基带OFDM信号上变频至光域后，经无源光分/合路器复用后，将不同信道传输的OFDM信号合路成一路信号，该汇聚信号的完整OFDM频带上承载有多个ONU的有效上行数据，这些有效上行数据的频带位于一个完整的光域的OFDM频谱的不同位置，且不相互重叠。

在PON中，本发明的上行发送模块可以进行自适应源配置，分配机制非常灵活，能根据用户业务量的大小动态分配子载波的数量调整承载有效上行数据的频带带宽，以达到很高的频谱利用率，进一步的，可以在不同的子载波上使用不同的发射功率来减少干扰，提高传输性能。本发明可以在兼顾服务质量QoS(Quality of Service)的同时，自适应调节OFDM调制的参数优化系统传输性能，更有利于传输。

另一方面，上行光信号基于同一波长，这样接收端只需要一个探测器就能接收各ONU汇聚后的数据流从而实现统一接收，避免了接收端对各ONU的数据分别进行接收，增加硬件结构的复杂度，且较TDM接入MAC控制复杂度低，从而降低系统硬件需求，简化系统结构、降低了成本。上行接收模块采用相干探测实现统一接收。相比直接探测需要载波与信号之间需要一个保护频带来隔离噪声，相干探测则不需要保护频带，从而进一步提高了频谱利用率。并且，在OLT进行相干接收时，重复利用了上行激光器，一方面有利于降低相干检测的成本，另一方面同一激光器降低了相干检测的难度，提高了相干检测的性能。通常，相干检测需要进行稳频，而本发明中本振光与光载波来自同一个激光器，因此不需要进行激光器频率偏移的估计，大大降低相干检测复杂度的同时提高了相干检测的性能。为了保证OFDM符号的正交性，上行发送模块需要各ONU对应信道间的间隔是子载波间隔的整数倍。

上行发射模块使各光节点位于整个OFDM频带的不同频带位置，但是由于各光节点经不同距离光纤传输，将经历不同的传输延时，为了确保统一接收后可以正确解调，保证各光节点到达OLT时的数据处于完全同步状态。进一步的，所上行发送模块还包括有预补偿模块，预补偿模块用于，在上行发送模块发送上行光信号时，预补偿所在光节点经光纤传输而造成的延时。预补偿的延时通过所在光节点的下行接收模块中做同步估计获得。

具体的，所述上行发送模块包括光I/Q(光同相正交，Inphase/Quadrature)调制器、基带OFDM发射机；

基带OFDM发射机用于，根据上行发送模块所在光节点的信道状态调整OFDM基带内承载有效上行数据的子载波数以及承载有效上行数据的子载波所在的频带位置，对上行数据流进行OFDM调制，将调制得到的基带OFDM数据输入光I/Q调制器；

光I/Q调制器用于，将经OFDM调制的基带信号输入至光I/Q调制器对上行光载波进行光调制，形成的OFDM光信号作为该上行发送模块输出的上行光信号；

所述上行接收模块包括上行激光器、1:1分路器、相干探测单元、基带OFDM接收机；

上行光激光器用于，输出光载波至1:1分路器；

1:1分路器用于，将上行激光器输出的光载波分为两路，一路为上行数据传输提供光载波，另一路输出至相干探测单元，为相干探测提供本振光；

相干探测单元用于，利用本振光对汇聚后的上行光信号采用相干探测进行统一接收，恢复出汇聚后的基带OFDM信号，输出至OFDM解调单元；

基带OFDM接收机用于，对汇聚后的基带OFDM信号进行OFDM解调，根据不同ONU单元所处的频带位置不同恢复出各光节点发送的上行数据流。

更进一步的，为了最大化频谱利用率，上行发送模块在调整子载波所在的频带位置时，使得上行发送模块所在光节点的上行信道与相邻的其它光节点所在的上行信道间的频谱间隔为单个子载波的带宽(子载波带宽的1倍)，从而在频谱上做到无缝。

为了更进一步的增加了系统的灵活性和传输性能，并兼顾QoS提高传输效率，上行发送模块还用于，根据信道估计信息来判断信道状态，对于信道状态较好的光节点采用高阶映射方式来进行OFDM调制，对于信道状态较差的光节点采用低阶映射方式来进行OFDM调制。

本发明的有益效果是，大大提高系统传输的频谱利用率，系统结构简单、MAC控制复杂度低，硬件成本低。能自适应源配置，在兼顾QoS的情况下，优化系统传输性能。

附图说明

图1为现有技术中下行传输采用OFDM调制的PON系统示意图；

图2为本发明实施例的系统示意图；

图3为本发明实施例中上行发送模块的频带分配示意图。

具体实施方式

下行传输是指中心局CO(Central Office)中的光缆终端设备(OLT)通过一个或几个1:N的无源光分/合路器向多个用户端的光节点(ONU)发送信息；上行传输是指从ONU到OLT发送数据。OLT与ONU之间的网络中只使用光纤和无源光器件。

如图2所示，PON中ONU总数为N。OLT中包括下行发送模块、上行接收模块、光复用器；各ONU包括光解复用器、下行接收模块、上行发送模块、同步参数估计模块。

下行发送模块包括下行光激光器、光调制器；采用OFDM调制后的下行数据流经光调制器后通过馈线光纤传送至各ONU单元；下行光激光器为光调制器提供光载波。下行接收模块对接收到的下行数据进行OFDM解调。下行传输与现有OFDM-PON系统相同在此不再赘述。

下行传输时，1:N无源光分/合路器将下行数据分为与系统内光节点相等数量的几路信号输出至各光节点；上行传输时，将各ONU的上行数据进行复用输出至OLT；

上行发送模块包括光I/Q调制器、反射式半导体光放大器(RSOA)、基带OFDM发射机、预补偿模块；基带OFDM发射机将上行数据流进行OFDM调制生成基带OFDM信号。本发明中的基带OFDM发射机在对上行数据流进行OFDM调制时，为了实现数据流汇聚，与常用的OFDM调制中将数据承载到整个基带带宽中的子载波上的方式不同，仅将上行数据承载到整个基带带宽中某一段频带位置的有效子载波上，使得系统中所有ONU承载有效上行数据的频带位于一个完整的电域的OFDM频谱的不同位置，且不相互重叠。如图3(a)所示，ONU1、ONU2、ONUi的基带OFDM发射机的带宽均为f₂-f₁，但不同ONU单元的基带OFDM发射机进行OFDM调制时，在基带内选择了不同频带来承载上行数据，其他未选择用于承载有效上行数据频带对应的子载波处均用0填充，使得其功率最小。由于各ONU单元传输的距离不同，导致各ONU单元的延时不同，为了在上行接收端实现统一接收，使各ONU到达接收端时处于完全同步状态，在上行发射端，各ONU单元的预补偿模块需要根据下行传输中的同步估计结果进行预补偿，补偿各个ONU单元经历不同光纤传输的时延。反射式半导体光放大器对上行光载波进行无色散管理，并进行光放大，补偿光纤传输和I/Q调制器损耗，输出的光至光I/Q调制器；光I/Q调制器利用基带OFDM信号对反射式半导体光放大器输出的光载波进行调制，上变频至光域形成上行光信号。各ONU单元根据各自的信道状态和QoS的要求，调整子载波数以及子载波所在的频带位置，将不同ONU的上行信道分配到不同的频段，并保证上行发送模块所在光节点的上行信道与相邻的其它ONU所在的上行信道间的频谱间隔为子载波带宽的整数倍。预补偿模块在上行发送模块发送上行光信号时，预补偿所在光节点经光纤传输而造成的延时。预补偿的延时通过同步参数估计模块对所在光节点的下行接收模块中做同步估计获得。

上行接收模块包括上行激光器、1:1分路器、相干探测单元、基带OFDM接收机、同步参数估计单元；上行激光器输出光载波至1:1分路器；1:1分路器将接收到的光载波分为两路，一路为上行数据传输提供光载波，另一路输出至相干探测单元，为相干探测提供本振光；相干探测单元利用本振光对上行光信号统一接收进行相干探测，并将探测得到的信号输出至基带OFDM接收机；同步参数估计单元对接收到的信号进行同步参数估计；基带OFDM接收机对接收到的信号进行OFDM解调得到各光节点发送的上行数据流。同步参数估计主要是定时偏差估计。上行传输的时钟同步可利用OFDM符号的循环前缀的相关性等算法实现。

上行传输使得各ONU通过子载波数的不同和所在位置不同，在I/Q调制器可用的带宽内，让不同的ONU上行信道占用不同频带，且各ONU的上行信道带宽可以不同。从图3(b)中可以看出，汇聚后的光信号频谱中，各ONU单元分别占用不用频带，且带宽不同。为了最大化频谱利用率，令相邻信道间的频谱间隔恰好为1个子载波带宽，如图3(b)中ONU1与ONU2之间没有附加频带间隔，相互之间保持了1个子载波的间隔，仍可保证相互之间的正交性。ONU2与ONUn根据QoS等需要被分配较宽的带宽(被分配了较多的子载波)。图3(b)功率起伏由于各ONU单元的传输距离不同，衰减不同，造成汇聚后的光谱存在功率起伏，但不是本发明关注的，在此不再赘述。

OFDM技术支持信道估计和均衡技术，因此，可以通过信道估计发射已知导频信号，得到光纤信道传递函数与各信道上的相位噪声。各ONU单元接收机通过信道估计的方法得到各ONU单元的信道传输状态，实现不同信道传输过程中的光纤传递函数估计。上行ONU单元能够根据不同的信道状态来分配子载波，包括子载波数、承载有用信息的子载波位置等方法来有效的降低信道间的串扰来优化传输性能。不同信道上的OFDM信号在经历不同光纤传输后都会受到相位噪声的影响，需要进行相位噪声的补偿。通过信道估计的结果，在接收端进行相位噪声补偿等信号处理，从而恢复出原始信号。

上行传输采用OFDM调制技术，通过自适应源配置，如自适应功率分配、比特装入算法、子载波作业等，在兼顾QoS的情况下，提高系统的传输性能。

上行传输中，各ONU单元在不同的频带上传输数据，上行接收模块对汇聚后的上行数据流进行统一接收，大大降低了系统的硬件复杂度、降低了成本。在上行接收模块中，相干探测的本振光的光源为重复利用的上行激光器，不需要进行激光器频率偏移的估计和补偿，降低相干检测的成本和复杂度，同时提高了相干检测的性能，在调制时可以使用高阶数的映射方式，例如16-QAM或更高阶映射方式的，提高频谱效率和传输速率。

OFDM技术支持信道估计与均衡，且光纤信道比较稳定，PON中的光纤距离较短，可将光纤信道理解为准静态信道。信道估计不需要很复杂的算法就可以实现，信道估计和同步等问题可以大大简化。

由于OFDM技术是一种多子载波传输，因此，根据用户QoS要求等级不同，可以调整各ONU单元上行发射模块中的参数，实现自适应源配置，包括自适应功率分配、自适应比特装入算法、自适应子载波作业、自适应调制等。OFDM调制时可以采用BPSK(二相相移键控)、QPSK(四相相移键控信号)、16-QAM(16阶)、64-QAM(64阶)等不同阶数的映射方式。其中，BPSK到QPSK到16-QAM再到64-QAM，调制阶数依次递增，各ONU单元上行发射模块的OFDM调制根据信道估计的结果，采用不同阶数映射的OFDM调制方式来传输上行数据。对于信道状态好的可以采用高阶的映射方式(如16-QAM或64-QAM)，信道条件相对差的采用低阶映射方式(BPSK到QPSK)。此外，对QoS要求较高的，可以分配较高的功率来保证传输性能。上行发送模块可以采用各种自适应算法合理分配资源，在保证QoS的同时，提高传输性能。

Claims

1.正交频分复用无源光网络系统，包括光缆终端设备、2个以上的光节点、无源光分/合路器，所述光缆终端设备与无源光分/合路器通过馈线光纤相连，无源光分路器与各光节点通过馈线光纤相连；所述光缆终端设备包括下行发送模块、上行接收模块，所述光节点包括下行接收模块、上行发送模块；

其特征在于，所述无源光分/合路器用于，当传输下行光信号时，将下行光信号分为与系统内光节点数量相等的几路信号传送至各光节点；当传输上行光信号时，将各光节点的上行数据流进行汇聚，再输出至光缆终端设备；

所述上行发送模块用于，上行发送模块对上行数据流进行OFDM调制时，根据上行发送模块所在光节点的信道状态调整OFDM基带内承载有效上行数据的子载波数以及承载有效上行数据的子载波所在的频带位置，将生成的基带OFDM信号上变频至光域形成上行光信号；各光节点的上行发送模块形成的基带OFDM信号由于其承载有效上行数据的子载波位于基带内的频带位置不同、带宽不同，不同光节点的有效上行数据所在频带位于经汇聚后的上行光信号的整个OFDM频带中的不同频带位置，并保证不同光节点的有效上行数据所在的OFDM频带间的间隔为子载波带宽的整数倍；

所述上行接收模块用于，利用相干探测对接收到的汇聚后的上行数据流进行统一接收，将下行光信号下变频至电域，恢复出汇聚后的基带OFDM信号，再进行OFDM解调和信号处理，根据各光节点所处的频带位置得到各光节点的上行数据流；

所述上行发送模块包括光I/Q调制器、基带OFDM发射机；

基带OFDM发射机用于，根据上行发送模块所在光节点的信道状态调整OFDM基带内承载有效上行数据的子载波数以及承载有效上行数据的子载波所在的频带位置，对上行数据流进行OFDM调制，将调制得到的基带OFDM信号输入光I/Q调制器对光源进行调制；

光I/Q调制器用于，利用输入的基带OFDM数据流对上行光载波进行光调制，上变频至光域得到OFDM光信号，将OFDM光信号作为该上行发送模块输出的上行光信号；

所述上行接收模块包括上行激光器、1:1分路器、相干探测单元、同步参数估计单元、基带OFDM接收机；

上行光激光器用于，输出光载波至1:1分路器；

1:1分路器用于，将光载波分为两路，一路为上行数据传输提供光载波，另一路输出至相干探测单元，为相干探测提供本振光；

基带OFDM接收机用于，对汇聚后的基带OFDM信号进行OFDM解调，根据各光节点位于不同的频带位置，恢复出各光节点发送的上行数据流。

2.如权利要求1所述正交频分复用无源光网络系统，其特征在于，所述上行发送模块还包括有预补偿模块；

所述预补偿模块用于，通过对所在光节点的下行接收模块做同步估计得到该光节点经光纤传输而造成的延时，在上行发送模块发送上行光信号时，预补偿延时，使各光节点的数据流到达上行接收端时处于同步状态。

3.如权利要求1所述正交频分复用无源光网络系统，其特征在于，上行发送模块在调整承载有效上行数据的子载波所在的频带位置时，使得不同上行发送模块所在光节点的有效上行数据所在的OFDM频带间的间隔为单个子载波的带宽。

4.如权利要求1所述正交频分复用无源光网络系统，其特征在于，所述上行发送模块还用于，还根据上行发送模块所在光节点的信道状态以及QoS，调整基带OFDM信号的发射功率、调制阶数来改善传输性能。

5.如权利要求4所述正交频分复用无源光网络系统，其特征在于，所述上行发送模块还用于，根据信道估计信息来判断信道状态，对于信道状态较好的光节点采用高阶映射方式来进行OFDM调制，对于信道状态较差的光节点采用低阶映射方式来进行OFDM调制。

6.如权利要求5所述正交频分复用无源光网络系统，其特征在于，所述高阶映射方式为16-QAM、64-QAM或64-QAM以上的映射方式；所述低阶OFDM调制方式为BPSK或QPSK。