CN102291633B - 一种基于交织频分多址的无源光网络上行传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于交织频分多址的无源光网络上行传输系统，属于光通信领域。本系统包括通过光纤网络连接的ONU端和OLT端；其特征在于ONU端包括一IFDMA基带信号产生模块，用于将用户的信号生成基带IFDMA信号；IFDMA基带信号产生模块输出的信号依次经上变频模块、滤波模块发送给电光调制模块；OLT端包括一IFDMA基带信号解调模块，用于从基带IFDMA信号中解调出用户信号；OLT端光电转换模块将输出信号依次经下变频模块、滤波模块处理后发送给IFDMA基带信号解调模块。与现有技术相比，本发明可使信号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，并且发射机复杂度低，有效降低ONU端光电器件成本。

Description

一种基于交织频分多址的无源光网络上行传输系统

技术领域

本发明涉及一种无源光网络上行传输系统，尤其涉及一种基于交织频分多址(IFDMA)的无源光网络上行传输系统，属于光通信领域。

背景技术

本领域常用的一些术语及其缩略语介绍：无源光网络(PON)、光配线网(ODN)、正交频分复用(OFDM)、正交频分多址(OFDMA)、交织频分多址(IFDMA)。

2009年瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布，将2009年度诺贝尔物理学奖授予一名中国香港科学家高琨(Charles K.Kao)和两名美国科学家。科学家Charles K.Kao因为“在光学通信领域中光的传输的开创性成就”而获奖。众所周知，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，极大地影响着人们的日常生活。光纤通信的原理是：在发送端，首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。光纤通信容量大、传输距离远；一根光纤的潜在带宽可达20THz。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。

目前大家所关注的是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”，这也是‘长途跋涉’后关键的一步。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技术概念起源于20世纪90年代中期。PON的无源特性使之具有运行维护方便，成本低廉。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。

交织频分多址(IFDMA)是单载波频分复用(SC-FDMA)技术的一种时域产生方法，本质上在一种单载波技术。该技术是通过为每个用户分配不同的子载波来实现多址接入的，子载波的分配是通过时域上的符号重复和相位调制来实现的。由于IFDMA同时也可以看成是OFDMA的扩展，故其继承了两种接入方式的优点。IFDMA由于本质是单载波传输，其具有较低的峰均比(PAPR)，这可以降低在ONU端发射机对调制器和放大器的要求，节约了用户端的成本。IFDMA的实现方式非常简单，仅需要对时域信号进行重复，相位旋转，这也减少发射端的算法和器件的复杂程度，这些优点恰好是PON中的ONU需要的。故我们认为，IFDMA将是一种比较有效的上行传输技术。

本发明首次将IFDMA技术引入到光网络接入系统中，将其作为一种有效的上行传输方案。

a)与本发明相关的现有技术

i.无源光网络(PON)

PON(无源光网络)中最主要的三部分包括位于局端的OLT(Optical Line Terminal，光线路终端)、终端ONU(Optical Network Unit，光网络单元)、以及ODN(Optical DistributionNetwork，光配线网)。PON“无源”是指ODN全部由光分路器(Splitter)等无源器件组成，不含有任何电子器件及电源。其网络体系结构如图1所示。

ii基于时分复用(TDM)的PON技术(EPON和GPON)

TDM-PON是指基于时分多址接入技术的PON结构，其基本原理是：下行方向通过TDM广播的方式发送给各ONU数据，并用特定的标示来指示各时隙是属于哪个ONU的。再有所有ONU的全部信息的光信号功率在光分路器处被分成若干份经各分支到达各个ONU，各ONU根据相应的标识收取属于自己的下行信息数据，其它时隙的信息数据就丢弃。

上行方向通过TDMA方式实现接入。各ONU在OLT的控制下，只在OLT指定的时隙发送自己的信息数据。各ONU的时隙在光合路器处汇合，PON系统的测距和多址接入控制保证上行各ONU的信息数据不发生冲突。

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。

iii.基于波分复用的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。

综上所述，当前的PON主要是TDM-PON，其在上行系统中只需要对用户的信号进行映射就可以发出了，但是每个用户的信号只能在指定的时隙发送，而且需要突发模式的收发机，但由于高速突发模式收发机和分光器的使用使得其速率受限，不能满足指数增长的带宽需求。WDM-PON可以实现高带宽，但其ONU端需要多个激光器，也需要进行波长管理，成本过于高昂。接入网ONU端需要一个低成本，实现简单的上行方案。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于交织频分多址(IFDMA)的无源光网络上行传输系统；交织频分多址(IFDMA)系统是一种特殊的单载波系统，它采用码片复制技术，通过为每个用户分配不同的子载波实现多址接入。它结合了单载波和多载波系统的优点，具有低PAPR特性，发射机复杂度低，实现简单，在上行系统中受到了广泛的关注。

本发明的技术方案为：

一种基于交织频分多址的无源光网络上行传输系统，包括ONU端和OLT端，所述OLT端与所述ONU端通过光纤网络连接；其特征在于所述ONU端包括一IFDMA基带信号产生模块，用于将用户的信号生成基带IFDMA信号；所述IFDMA基带信号产生模块输出的信号依次经上变频模块、滤波模块发送给电光调制模块；所述OLT端包括一IFDMA基带信号解调模块，用于从基带IFDMA信号中解调出用户信号；所述OLT端的光电转换模块将输出信号依次经下变频模块、滤波模块处理后发送给所述IFDMA基带信号解调模块。

进一步的，所述上变频模块为模拟上变频模块。

进一步的，所述下变频模块为模拟下变频模块。

进一步的，所述滤波模块为低通滤波模块。

进一步的，所述IFDMA基带信号产生模块中，用户信号的偏移量由所述OLT端预先分配。

进一步的，所述IFDMA基带信号产生模块中，用户信号的偏移量根据上行传输系统环境动态分配。

进一步的，所述IFDMA基带信号产生模块中，用户信号的重复次数等于或大于当前用户数。

在ONU发射端，首先对用户信息进行PSK或者QAM等任意方式的调制，产生长度为L的符号块。其次，将已调制符号块(以整块为单位)重复N次，产生一个长度为L×N的符号块。接着，长度为L×N的符号块在时域乘上一个特定的相位偏移，不同的用户采用不同的相位偏移。时域的相位偏移操作等效于在频域的循环移位操作。因此，各用户的“梳状”频谱被循环移位到了各自不同的偏移位置上，从而实现了频分多址。最后，添加循环前缀，进行低通滤波，再通过上变频和数模变换操作后将信号转换为光信号发射出去。

在接收端，首先对接收信号进行光电转换和模数转换，然后进行下变频和低通滤波，接着去除循环前缀，将信号通过FFT变换到频域进行信道均衡，并用IFFT变换回时域进行后续的解调和解码恢复出传送的原始比特信息。其具体的基带DSP实现框图如图2所示，图2(a)(b)分别对应了ONU端发射机和OLT端接收机的DSP实现框图，图3通过简单的示例(L＝3，N＝3)表示IFDMA符号形成的时域和频域的变换。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明通过在ONU端上行采用IFDMA技术，该技术通过仅需要在时域对用户信号进行重复和相移操作便能达到频分多址。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ONU端光电器件的成本。图4是经过matlab仿真的PAPR比较图，仿真条件是512个子载波，映射方式为QPSK。

本发明可以大大简化ONU端接收机/发射机的结构，采用普通的光通信收发机即可实现信号的收发，从而节约ONU端的成本。对于PON系统中的用户和运营商来说，ONU端的复杂度和成本是极为重要的一个因素。从结构图中我们看出，ONU端的实现非常简单，仅需要对时域的数据进行重复，相位偏移操作，同时由于发射信号本质上为单载波信号，PAPR低，可以有效的减少ONU端的成本和复杂度。另外，这个方案通过频分多址，也能提高传输速率。目前TDM-PON虽可以实现无色性，但由于突发接收以及色散等影响很难满足人民日益增长的带宽需求。WDM-PON虽然可以实现高带宽高速率，但ONU端需要不同的波长，有色性带来的波长管理和昂贵的器件使得用户成本居高不下。本方案可以非常有效的实现高速上行传输，对于实际应用有非常重要的意义。

附图说明

图1、PON网络体系结构图；

图2、基带DSP实现框图；

(a)ONU端(上行发射端)DSP处理框图，(b)OLT端(上行接收端)DSP处理框图，

图3、IFDMA符号形成的时域和频域变换示意图；

(a)IFDMA符号形成的时域变换示意图，(b)IFDMA符号形成的频域变换示意图，

图4、OFDMA，DFT-S-OFDM和IFDMA在QPSK映射方式下的PAPR比较图；

图5、本发明基于IFDMA技术的PON上行传输系统结构图。

具体实施方式

本发明技术提出一种可用于10Gb/s及更高速率的基于IFDMA的PON上行系统。在已有方案中，TDM-PON是进行时分复用的，需要在OLT端采用突发模式的接收机和发射机。WDM-PON采用波分复用技术，需要多个激光器和接收机，另外波长管理和AWG等非常复杂。本方案是通过对用户端的数据进行时域处理，以将个用户信息的频谱等间隔呈梳状分布，实现频分多址。

基于这种思想的PON结构方案下行链路可以采用多种方式。本专利只涉及上行传输方式。其实现框图如图5所示，首先是基带信号产生模块，这个模块的工作如图2所描述的，在ONU端，IFDMA基带信号产生模块先将用户的信号进行映射，重复，相移，低通滤波等一些列操作，得到了基带的IFDMA信号，接着对基带的IFDMA信号进行上变频操作，然后进行电滤波，再接着将滤波后的信号调制到光载波上(即电光转换)，这样用户的信号就转换为光信号，发送到光纤网络中传输，经过一段距离的光纤到达接收端；在接收端，首先将接收到的光信号进行光电转换，也就是将光纤中的光信号变换为携带信息的电信号，对电信号接下来进行下变频到基带，再经过滤波和解调等一系列操作。

在OLT接收端，光电检测后的电信号通过模拟下变频并滤波后，得到所需要的基带信号。上行链路中，特定的ONU端发射的基带数据首先进行重复和相位偏移，这个偏移量是每个用户特定的，可以由OLT实现分配好，也可以根据当前的上行传输系统环境动态分配，重复的次数是根据用户数在确定的，可以等于或大于当前通信的用户数。最后信号经过波形成形，上变频一系列操作后等进入光纤传输。

接收端对接收到的信号进行PD检测，再经过数字信号处理，便可以得到用户发射的信号。

Claims (7)

1.一种基于交织频分多址的无源光网络上行传输系统，包括ONU端和OLT端，所述OLT端与所述ONU端通过光纤网络连接；其特征在于所述ONU端包括一IFDMA基带信号产生模块，用于将用户的信号生成基带IFDMA信号；所述IFDMA基带信号产生模块输出的信号依次经上变频模块、滤波模块发送给电光调制模块；所述电光调制模块通过所述光纤网络将输出信号发送给所述OLT端；所述OLT端包括一IFDMA基带信号解调模块，用于从基带IFDMA信号中解调出用户信号；所述OLT端的光电转换模块从所述光纤网络中接收输入信号，并将输出信号依次经下变频模块、滤波模块处理后发送给所述IFDMA基带信号解调模块。

2.如权利要求1所述的无源光网络上行传输系统，其特征在于所述上变频模块为模拟上变频模块。

3.如权利要求1或2所述的无源光网络上行传输系统，其特征在于所述下变频模块为模拟下变频模块。

4.如权利要求1所述的无源光网络上行传输系统，其特征在于所述ONU端的滤波模块为低通滤波模块；所述OLT端的滤波模块为低通滤波模块。

5.如权利要求1所述的无源光网络上行传输系统，其特征在于所述IFDMA基带信号产生模块中，用户信号的偏移量由所述OLT端预先分配。

6.如权利要求1所述的无源光网络上行传输系统，其特征在于所述IFDMA基带信号产生模块中，用户信号的偏移量根据上行传输系统环境动态分配。

7.如权利要求5或6所述的无源光网络上行传输系统，其特征在于所述IFDMA基带信号产生模块中，用户信号的重复次数等于或大于当前用户数。

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