CN102833206B

CN102833206B - 一种基于偏振复用频带间插的ofdma-pon系统

Info

Publication number: CN102833206B
Application number: CN201210337415.9A
Authority: CN
Inventors: 张崇富; 张琼丽; 陈晨; 刘德明; 邱昆
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology; University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology; University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2032-09-13
Also published as: CN102833206A

Abstract

本发明公开了一种基于偏振复用频带间插的OFDMA-PON系统，在光线路终端，分别产生两路OFDM信号，两路OFDM信号各子带之间是相互间插的；分别经过光调制、偏振控制，分别得到x、y偏振方向的两路光OFDM信号，并合为一路，变成没有保护频带的光OFDM信号，这样就充分利用了系统带宽。光分配网络将收到的光OFDM信号分成x和y两个偏振方向上的光OFDM信号，光分束器再将OFDM信号分成多路，光滤波器对光分束器分出的光OFDM信号进行提取，选出需要的不同的子带光OFDM信号或不同数量的子带光OFDM信号，发送给各自的光网络单元，从而实现光网络单元的可变速率接入。

Description

一种基于偏振复用频带间插的OFDMA-PON系统

技术领域

本发明属于光通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于偏振复用频带间插的OFDMA-PON系统。

背景技术

近年来，随着用户对业务需求的多样化和互联网技术的迅猛发展，未来的宽带接入网络对系统的频谱利用率和数据传输提出了更高的要求。作为一种高频谱利用率的调制方式，正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，简称OFDM）技术是最具有发展前景的方案之一。OFDM技术的思想是在上个世纪六十年代被提出来的，但是直到2005年才开始用于光通信系统中，它是一种利用多载波调制的特殊频率复用技术，其本质思想是：首先将信道分成若干个正交子信道，将输入的高速串行数据信号转换成并行的低速子数据流，然后再调制到每个子信道进行传输。

OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址接入）技术是一种基于OFDM的多址技术，也称为多用户OFDM技术。其基本思想是把高速数据流分散到多个正交的子载波上传输，从而使子载波上的符号速率大幅度降低，符号持续时间大大加长，因此对时延扩展有较强的抵抗力，同时也减小了载波间干扰（Inter-Carrier Interference，ICI）；并且由于在同一时隙或同一个OFDM符号内，小区内的用户分别使用不同的子信道，因此可以减少用户间干扰（Multi User Interference，MUI）；OFDM调制中各子载波之间是相对独立的，因此可以在不同的子载波上采用不同的调制和编码方式以及发射功率来减少干扰，以增加系统的容量；再加上其抗光纤色散和偏振模色散（PMD）的能力，OFDM技术受到了广泛的关注和应用。

在接入网中，无源光网络（Passive Optical Network，简称PON）系统由于其低成本、高带宽、维护简单等优势，逐渐成为各科研机构和企业的研究热点，也被很多运营商视为接入网的理想解决方案。

目前，市场上商用化的PON系统主要是EPON（Ethernet PON）和GPON （Gigabit PON），速率主要为1.25Gb/s或者2.5Gb/s。随着互联网技术的飞速发展，目前基于时分复用的EPON/GPON系统已经不能很好地满足用户高速增长的带宽需求。为了进一步提高光接入网带宽和满足更多的业务需求，各科研单位以及运营和设备商正在积极开发下一代PON系统。在此背景下，OFDMA与PON相结合的方案被提出来了，并受到了国内外广泛的关注。

与TDM（Time Division Multiplexing，即时分复用）-PON系统相比，OFDMA-PON系统可以在时分复用的基础上再一次对资源进行管理。比如在时域中，PON系统可以提供突发流量，而在频域中，PON又可以提供间隔和通道调度。其最大的特点就是将原本在光学领域处理的信号转换成在电子学领域来处理，可以在电子领域对动态带宽分配、传输损耗补偿和多服务接入进行处理。与其它类型的PON系统相比，OFDMA-PON系统具有以下的一些优势：

（1）、高带宽利用率。比如可以用16-QAM调制达到4bit/s/Hz的频谱效率，仅用2.5GHz的带宽就可以支持10Gb/s的速率；

（2）、在带宽资源分配和虚拟应用中具有很大的灵活性；

（3）、协议的独立性和服务的透明性，OFDM中的子载波就像透明的传输通道一样，可以支持数字和模拟信号，以及各种服务质量的需求；

（4）、OFDMA-PON系统是一个可以升级的架构，可以与TDM-PON系统或者WDM（波分复用）-PON系统共存；

（5）、具有较低的成本，与传统的WDM-PON系统相比，在OLT（Optical Line Terminal，即光线路终端）端需要更少的收发器。

2008年，墨尔本大学的W.Shieh等人提出了一种使用正交频带复用（OBM）实现107Gb/s的相干光OFDM传输的方案，其目的是为了克服数模转换（DAC）/模数转换（ADC）设备的电带宽瓶颈。该方案是将整个OFDM频谱分成多个正交的子频带，这些OFDM子带具有很小的或者零频率保护带，由于子带间的正交性不存在带间干扰。这种划分方法的优点是提高了频谱利用率并提供了仅仅使用一个快速傅里叶变换（FFT）就可以同时解调两个OFDM子带的灵活性。同时，将OFDM频谱分成多个正交的子带后，可以对子带分别进行处理，这样DAC/ADC就不需要一个很高的采样频率，降低了复杂度和系统实现成本。这个方案的缺点就是，由于各个正交子带之间没有保护频带，在使用滤波器提取其中的一个子带时由于滤波器的限制会对相邻频带产生影响。

2009年，阿尔卡特朗讯贝尔实验室提出了一种窄带间插的OFDM信号方案，通过滤出子带实现路由功能。如图1所示，该方案首先采用两个独立的OFDM信号发射机Tx A和Tx B产生两路频带相互间插的OFDM信号Tx A、Tx B，分别经过放大以及在SSMF（Standard Single Mode Fiber，即标准单模光纤）传输后，将这两路OFDM信号合在一起，形成连续的没有保护频带的OFDM信号Tx A+B，经过放大以及在标准单模光纤传输后，使用光滤波器提取出所需要的信号Tx C、Tx D，从而实现光路由功能。这种方案的优点是频谱利用率很高，可以将OFDM子带路由到不同的接收机，而其缺点就是路由的时候是对合成后的连续OFDM信号进行滤波的，这样在提取所需信号时由于滤波器的限制会对相邻信号产生影响。

而在OFDM系统中，ADC/DAC是影响其性能的关键器件之一。由于OFDM系统中容易产生大功率幅度的信号，在没有进行限幅的情况下，对ADC/DAC的精度要求大大提高。另一方面，OFDM由于采用循环前缀占用了子载波边缘一部分带宽，因此需要进行过采样，根据奈奎斯特采样定理，抽样速率至少为最大子载波频率的2倍，高采样速率的ADC/DAC的实现是十分困难而且昂贵的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于偏振复用频带间插的OFDMA-PON系统，以提高频带利用率，降低ADC/DAC实现的难度，实现信号灵活分配及ONU的可变速率接入。

为实现上述发明目的，本发明基于偏振复用频带间插的OFDMA-PON系统包括光线路终端、光分配网络以及多个光网络单元，其特征在于，

光线路终端包括：

一激光器，用于产生光载波S；

一光分束器，将激光器产生的光载波S分成两路光载波S1、S2，

两个OFDM信号发射机，分别产生两路OFDM信号，每一路OFDM信号都被分成了多个正交的子带，每个子带都包含了若干个子载波；每一路OFDM信号各子带之间是有间隔的，间隔宽度等于另一路OFDM信号子带的宽度，同时两路OFDM信号各子带之间是相互间插的；

两个强度调制器，将两路OFDM信号分别调制到光载波S1、S2上，得到两路光OFDM信号；

两个偏振控制器，分别对两路光OFDM信号进行偏振控制，将一路光OFDM信号控制到x偏振方向，另一路光OFDM信号控制到y偏振方向；

一偏振合束器，将x偏振方向光OFDM信号与y偏振方向光OFDM信号合成为一路光OFDM信号，然后通过光纤传输到光分配网络；

光分配网络包括：

一偏振分束器，将来自光线路终端的光OFDM信号分成x和y两个偏振方向上的光OFDM信号；

多个光分束器，在x和y两个偏振方向上的光OFDM信号都分别使用一个或多个光分束器将x和y两个偏振方向上的光OFDM信号再分成多路；

多个光滤波器，分别对光分束器分出的光OFDM信号进行提取，选出需要的不同的子带光OFDM信号或不同数量的子带光OFDM信号，发送给各自的光网络单元；

各光网络单元包括光电探测器、OFDM信号接收机，各光网络单元就把各自的不同的子带光OFDM信号或不同数量的子带光OFDM信号接收下来，由光电探测器将其转换成电OFDM信号，然后由OFDM信号接收机接收。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明基于偏振复用频带间插的OFDMA-PON系统，在光线路终端，首先利用两个OFDM信号发射机分别产生两路OFDM信号，每一路OFDM信号都被分成了多个正交的子带，每个子带都包含了若干个子载波，每一路OFDM信号各子带之间有间隔，间隔宽度等于另一路OFDM信号子带的宽度，同时两路OFDM信号各子带之间是相互间插，将OFDM信号分成多个正交的子频带，降低了对ADC/DAC设备的要求及其实现的难度和成本，同时也降低了对滤波器的要求；然后两路OFDM信号分别经过光调制、偏振控制，得到x、y偏振方向的两路光OFDM信号，并由偏振合束器合为一路，变成没有保护频带的光OFDM信号，即各子带之间的间隔就等于子带内子载波的间隔，这样就充分利用了系统带宽，也保证了各子带之间的正交性；最后通过光纤传输到光分配网络。

来自光线路终端的光OFDM信号到达光分配网络后，首先使用偏振分束器将OFDM信号分成x和y两个偏振方向上的光OFDM信号，然后在两个偏振方向上都使用光分束器将OFDM信号分成多路，然后利用光滤波器分别对光分束器分出的光OFDM信号进行提取，选出需要的不同的子带光OFDM信号或不同数量的子带光OFDM信号，发送给各自的光网络单元。各个光网络单元可以根据自己的实际需求选择不同的子带信号或不同数量的子带信号，不同数量的子带其占有的带宽是不同的，从而实现光网络单元的可变速率接入。

附图说明

图1是具有频带间插的OFDM信号和光路由功能的多接入系统；

图2是OFDMA-PON系统结构图；

图3是本发明基于偏振复用频带间插的OFDMA-PON系统一种具体实施方式原理框图；

图4是图3所示基于偏振复用频带间插的OFDMA-PON系统的频谱示意图；

图5是图3中对应位置的频谱图：

图6是图3中对应位置的频谱图；

图7是图3中对应位置的频谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

为了方便描述的内容，先对本实施例中出现的相关专业术语进行说明：

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）：正交频分复用；

OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）：正交频分多址；

PON（Passive Optical Network）：无源光网络；

TDM（Time Division Multiplexing）：时分复用；

WDM（Wavelength Division Multiplexing）：波分复用；

FFT（Fast Fourier Transform）：快速傅里叶变换；

ADC（Analog-to-Digital Conversion）：模数转换；

DAC（Digital-to-Analog Conversion）：数模转换；

OLT（Optical Line Terminal）：光线路终端；

ODN（Optical Distribution Network）：光分配网络；

ONU（Optical Network Unit）：光网络单元；

MAN（Metropolitan Area Network）：城域网；

OS（Optical Splitter）：光分束器；

PBC（Polarization Beam Combiner）：偏振合束器；

PBS（Polarization Beam Splitter）：偏振分束器；

SSMF（Standard Single Mode Fiber）：标准单模光纤；

图2所示为一个典型的OFDMA-PON系统原理结构图。该系统由光线路终端OLT、光分配网络ODN和光网络单元ONU三个部分组成。局端，即中心局CO（Central Office）的光线路终端OLT将光接入网与城域网MAN（Metropolitan Area Network）或者广域网WAN（Wide Area Network）进行连接，终端的光网络单元ONU则给各个用户提供网络服务，光线路终端OLT通过由光分束器、光耦合器组成的光分配网络ODN与多个光网络单元相连。由于光分配网络ODN采用的是无源光器件，不需要电源供电，这样就降低了整个接入网的安装和维护成本。

与TDM-PON系统相比，OFDM-PON系统可以在时分复用的基础上再一次对资源进行管理，它可以在时域内容纳突发流量，在频域内实现子载波的分配。如图2所示，光线路终端OLT负责将下行业务流广播到每一个ONU，并将上行业务传递给中心局，同时，ONU之间子载波/时隙的动态带宽分配也是由光线路终端OLT控制的。在上行通道中，每个ONU把各自的数据分别加载到各自分配到的子载波上，再通过调制后形成OFDM帧，每个帧中都包含了与时域上相同数量的OFDM符号。接着，OFDM信号通过低成本的直接调制型激光器转换成光OFDM信号，然后再通过光纤传输。各个光网络单元ONU发送出来的光OFDM信号通过光耦合器连接，就形成了一个整体的OFDM信号，然后通过光线路终端OLT接收器中的光电二极管接收。

图3是本发明基于偏振复用频带间插的OFDMA-PON系统一种具体实施方式原理框图。

在本实施例中，如图3所示，本发明基于偏振复用频带间插的OFDMA-PON系统包括光线路终端OLT、光分配网络ODN和光网络单元ONU三个部分。在本实施例中，为方便说明，本实例中，有四个光网络单元ONU。

在光线路终端OLT，首先由两个OFDM信号发射机分别产生两路OFDM信号，每一路OFDM信号都被分成了多个正交的子带，每个子带都包含了若干个子载波；每一路OFDM信号各子带之间是有间隔的，间隔宽度等于另一路OFDM信号子带的宽度，同时两路OFDM信号各子带之间是相互间插的。

在本实施例中，如图4（a）所示，两路OFDM信号分别由第一个OFDM信号发射机OFDM Tx1和第二个OFDM信号发射机OFDM Tx2产生，它们都被分成了n个正交的子带，每个子带都包含了若干个子载波，其中第一路OFDM信号，即OFDM Tx1产生的信号的子带宽度为B₁、子带之间的间隔宽度为B₂，而第二路OFDM信号，即OFDM Tx2产生的信号的子带宽度为B₂、子带之间的间隔宽度为B₁，同时两路OFDM信号各子带之间是相互间插的，即OFDM Tx1产生的信号的子带1对应OFDM Tx2产生的信号的第一个间隔，OFDM Tx2产生的信号的子带2对应于OFDM Tx1产生的信号的子带1以及子带3之间的间隔，以此类推。两路OFDM信号占用的频率带宽为B=n（B₁+B₂）。

如图3所示，激光器产生光载波S，通过光分束器OS将光载波S分为两路，即两路光载波S1、S2，用以分别调制两路OFDM信号，即信号OFDM Tx1、OFDM Tx2。在本实施例中，强度调制器为马赫-曾德尔光调制器，OFDM信号OFDM Tx1、OFDM Tx2的光调制是利用马赫-曾德尔光调制器（MZM）采用强度调制的方式实现的，调制得到双边带光OFDM信号，接着通过一个带通滤波器滤出其中的一个边带从而得到单边带光OFDM信号。最后将两个单边带光OFDM信号分别经过一个偏振控制器，将一路光OFDM信号控制到x偏振方向，得到光OFDM信号Pol-X；另一路光OFDM信号控制到y偏振方向，得到光OFDM信号Pol-Y。其频谱如图4（b）所示，可以看到，当两路光OFDM信号Pol-X、Pol-Y合在一起后就变成了没有保护频带的光OFDM信号Pol-XY，即各子带之间的间隔就等于子带内子载波的间隔，这样就充分利用了系统带宽，也保证了各子带之间的正交性。最后由偏振合束器PBC合为一路光OFDM信号，这里的偏振控制就是将信号控制在一个确定的偏振方向上。

在本实施例中，合成后的信号经过20km光纤传输后到达光分配网络ODN。在光分配网络ODN中，首先使用偏振分束器PBS将光OFDM信号分成x和y两个偏振方向上的光OFDM信号；然后在两个偏振方向上都使用光分束器OS将x和y两个偏振方向上的光OFDM信号分成两路以供四个不同的光网络单元ONU使用；最后通过光滤波器提取出各光网络单元ONU1~4所需要的信号，在本实施例中，光滤波器为可调光滤波器。如图4（c）所示，光OFDM信号的分配，一共有4个光网络单元ONU，在本实施例中，x偏振方向上的光OFDM信号的第一个子带分配给第一个光网络单元ONU₁，第一、二个子带则分配给光网络单元ONU₂，而y偏振方向上的光OFDM信号的第一个子带分配给第3个光网络单元ONU₃，第一、二个子带则分配给第4个光网络单元ONU₄。在本实施例中，只有4个光网络单元ONU，实际有多个光网络单元ONU，各个光网络单元ONU可以根据自己的实际需求选择不同的子带信号或不同数量的子带信号，不同数量的子带其占有的带宽是不同的，从而实现ONU的可变速率接入。

提取出的光OFDM信号到达各光网络单元ONU1~4后，首先使用光电探测器将光OFDM信号转换成电OFDM信号，然后由OFDM信号接收机接收。

信号分配给各ONU之后，ONU就把这些信号接收下来并转换成各终端可以接收的形式。

图5是图3中对应位置的频谱图。

在本实施例中，图5（1）OFDM信号发射机Tx1产生的第（1）路电的OFDM信号；图5（2）OFDM信号发射机Tx2产生的第2路电的OFDM信号；图5（3）第1路OFDM信号经过光调制和滤波后的单边带光OFDM信号；图5（4）第2路OFDM信号经过光调制和滤波后的单边带光OFDM信号；

图5所示的是单边带光OFDM信号的产生过程。首先由第一个OFDM信号发射机即OFDM Tx1产生第一路多带的OFDM信号，如图5（1）所示，可以看到，一共产生了三个子带，各子带之间是相互正交的，子带间距等于信号发射机OFDM Tx2所产生OFDM信号的子带宽度。然后由第二个OFDM信号发射机即OFDM Tx2产生第二路多带OFDM信号，如图5（2）所示，一共也是三个子带，各正交子带之间的间距等于第一路OFDM信号子带宽度，这样通过选择合适的中心频率就可以保证两路信号子带之间是相互间插的。接着这两路OFDM信号都由激光器所产生的光载波进行强度调制，调制得到的双边带光OFDM信号通过滤波器滤出其中的一个边带，得到的单边带光OFDM信号如图5（3）和图5（4）所示，其中图5（3）表示第一路光OFDM信号，图5（4）代表第二路光OFDM信号。

图6是图3中对应位置的频谱图。图6中（5）经过偏振合束器PBC合为一路的OFDM信号；（6）经20km光纤传输后，由偏振分束器PBS分离出的x偏振方向上的信号；（7）经20km光纤传输后，由偏振分束器PBS分离出的y偏振方向上的信号。

图6表示的是两路OFDM信号合成与分离的过程。两路单边带光OFDM信号首先经过光合束器PBC合为一路，合成后的光OFDM信号如图6（5）所示。可以看到，两路光OFDM信号各子带之间很好地间插在了一起，合成后的OFDM信号子带之间没有了保护频带，各子带之间的间隔等于子带内各子载波之间的间隔，这样就充分利用了带宽，提高了频谱利用率。合成后的光OFDM信号经过一段距离的光纤传输后，利用偏振分束器PBS将其分为x偏振方向和y偏振方向两个方向上的信号以分配给不同的光网络单元ONU，图6（6）所示的就是分离出的x偏振方向上的光OFDM信号，也即是第一路光OFDM信号。图6（7）表示的是分离出的y偏振方向上的光OFDM信号，即是第二光OFDM路信号。

图7是图3中对应位置的频谱图。图7中（8）x偏振方向上提取出的光网络单元ONU₁所需要的信号；（9）y偏振方向上提取出的光网络单元ONU₃所需要的信号；（10）光网络单元ONU₁中经过光电探测后的信号；（11）光网络单元ONU₃中经过光电探测后的信号。

图7表示的是在光分配网络ODN和光网络单元ONU中两个偏振方向上的信号的分配与检测。在本实施例中，只有四个ONU，即ONU₁、ONU₂、ONU₃和ONU₄，x偏振方向上的光OFDM信号，即第一路信号光OFDM是分配给光网络单元ONU₁和ONU₂的，而y偏振方向上的信号，即第二路光OFDM信号是分配给光网络单元ONU₃和ONU₄的。在本实施例中，光网络单元ONU₁需要的是x偏振方向上信号的第一、二子带，利用可调光滤波器滤出的光网络单元 ONU₁所需信号如图7（8）所示。当然，光网络单元ONU可以根据自身需求灵活地选取不同子带的信号，例如它可以只需要第一个子带所携带的信号，也可以需要第二个子带和第三个子带所携带的信号，这样便实现了ONU的可变速率接入。然后在光网络单元ONU₁中利用光探测器PD进行光电探测，得到的电信号如图7（9）所示，最后由OFDM接收机接收该信号。而在y偏振方向上，光网络单元ONU₃需要的是y偏振方向上OFDM信号的第二个子带，同理，光网络单元也可以根据自身需求灵活地选择不同的子带信号。

同样地，利用滤波器滤出光网络单元ONU₃所需信号，如图7（10）所示。然后在光网络单元ONU₃中利用光探测器PD将光OFDM信号转换为电OFDM信号，转换得到的电OFDM信号如子图7（11）所示。

从以上结果中可以看出，本发明提出的基于偏振复用频带间插的OFDMA-PON系统是可行且有效的。

本发明的有益效果

1、将整个OFDM信号分成多个正交的子频带，降低了对ADC/DAC设备的要求及其实现的难度和成本，同时也降低了对滤波器的要求。

2、将光OFDM信号分成x和y两个偏振态，并且两个偏振方向上的信号各子频带是彼此间插的，这就使得在传输过程中合为一路的光OFDM信号各子带之间是没有保护间隔的，充分利用了系统带宽，提高了系统的频谱利用率。

3、在两个偏振方向上，光网络单元ONU都可以根据自身的需求灵活地选择不同的子带，这样便实现了资源的灵活分配及光网络单元ONU的可变速率接入。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种基于偏振复用频带间插的OFDMA-PON系统，包括光线路终端(OLT)、光分配网络(ODN)以及多个光网络单元(ONU)，其特征在于：

光线路终端包括：

一激光器，用于产生光载波S；

一光分束器，将激光器产生的光载波S分成两路光载波S1、S2；

光分配网络包括：

2.根据权利要求1所述的OFDMA-PON系统，其特征在于，所述的强度调制器为马赫-曾德尔光调制器，得到的光OFDM信号为单边带光OFDM信号；

马赫-曾德尔光调制器将每一路OFDM信号调制得到双边带光OFDM信号，接着通过一个带通滤波器滤出其中的一个边带从而得到单边带光OFDM信号。