CN103988450A - 在光接入pon系统中进行背反射的补偿和信号传输的方法及装置 - Google Patents

Abstract

在光网络的网络终端(ONU)中，近端串扰(NEC)由生成的数字抵消信号补偿。为了与另一终端(OLT)建立连接，传输避免NEC的信号，并且在传输信号的功率逐步增大的同时执行补偿。

Description

在光接入PON系统中进行背反射的补偿和信号传输的方法及装置

技术领域

本发明涉及光通信系统中背反射的补偿和信号传输的方法和装置。具体地，本发明涉及NGOA(下一代光接入)和PON(无源光网络)中的背反射。

背景技术

NGOA(下一代光接入)和PON(无源光网络)的背景在本域中是众所周知的。ONU位于订购者家中，而OLT则位于中心局中。

图1示出了在其左侧与PON连接的ONU。数量取自使用实例，其中，PON中的衰减为最大，而ONU处的接收水平仅为-45dBm。在这种情况下，TX信号必须具有最大强度，以在上游方向上克服PON衰减。因此，这对近端串扰是最糟的情况：RX信号弱，而TX信号强。

在图1中，近端串扰假定为-20dB。在连接器中，这种背反射对信号的传输没有显著影响；特别是，坏的连接器导致的衰减可被忽略。请注意，其他系统如GPON不易受近端串扰和连接器反射影响。例如，如果将现有GPON PON转移至NGOA，那么操作者可能遇到问题，因为一些新的NGOA ONU在转移后可能不工作。

连接器处的反射由光连接器的供应商说明。然而，如果连接器在插入前被清洁，这些说明才是有效的。在现场中，操作者不能确保这些清洁程序完善地进行。该问题在光纤到家应用中被增大，在该应用中终端用户手动进行最后连接。

这样可具有以下结果：

·由于近端串扰，ONU可能不能建立与OLT的双向连接。

·ONU可能不能发现问题的源。

·ONU可能不能将该问题通知OLT；操作者没有问题在现场中所在位置的提示42。

·对NGOA ONU的近端串扰的容忍度对现实应用来说可能太低了。

通常，有三个原则来避免近端串扰(NEC)：

·Rx与Tx之间的宽谱距离。例如，Rx和Tx可位于不同的光波段中。这样允许在光域中进行滤波来抑制NEC。GPON为一个示例。

·两个光纤。Rx和Tx发生在不同的光纤中。长距离系统为一个示例。

·Ping-Pong：Rx和Tx发生在不同的时间间隔。

附图说明

下面在附图的辅助下，通过示例的形式对本发明进行更详细的解释。

图1是连接至PON的ONU的示意图；

图2是近端串扰谱的示意图；

图3是根据本发明实施方式的近端串扰谱的示意图；

图4是根据本发明实施方式的抵消路径的示意图；

图5是根据本发明实施方式的、包括Rx滤波器的抵消路径的示意图；以及

图6是根据本发明实施方式的抵消路径的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图对说明性实施方式进行描述，以公开本发明的教导。虽然本文中参照用于具体应用的说明性实施方式对本发明进行了描述，但是应理解，本发明并不限于此。具有本领域的普通技术知识并能够获得本文中提供的教导的人员将认识到在该教导范围内的另外的修改、应用以及实施方式，以及本发明具有重大效用的另外的领域。

为了建立连接，ONU扫描光谱，直至发现下游信号。在该扫描过程中，光ONU的Tx功率被关闭，并且近端串扰(near-end corsstalk)不是问题。在ONU已找到下游信号并锁定至该下游信号后，下一步骤是建立上游连接。

ONU以很小的Tx功率开始，并逐步增大Tx功率，直至OLT发信号，以表示Tx功率合适。该Tx功率控制要求ONU在丢失对OLT下游信号的帧锁定时立即关断其信号。这种帧锁定丢失可具有多个原因，并且在现有协议的情况下，ONU无法确定根本原因是否为背反射。

在丢失下游帧锁定后，ONU立即关闭Tx功率。ONU试图重建帧锁定。如果可能，ONU使其本地振荡器处于保持(hold-over)模式，在保持模式的情况下，ONU不再受下游信号控制。当前演示测量的经验示出ONU在保持模式下能够接收数秒下游信号。ONU使用该保持时间来将其Tx功率打开和关闭数次。ONU使Tx功率和与下游信号的帧丢失相对应的帧锁定相关联。如果存在强关联，那么ONU就能确定问题的根本原因是来自PON的背反射。

ONU可使用Tx打开-关闭形式，Tx打开-关闭形式对每个ONU是唯一的。例如，Tx打开-关闭形式可以是来源于其序列号或序列号的散列的比特序列。Tx打开-关闭形式还可以是随机序列。这样允许ONU将自己的近端串扰与来自另一ONU的近端串扰区分开。

ONU可使用Tx打开-关闭形式的Tx关闭阶段来恢复本地振荡器锁定。这就允许长于数秒的Tx打开-关闭形式。原则上，Tx打开-关闭形式可为无限长。

上面描述的Tx打开-关闭形式可用于在形式的打开脉冲中逐步增大Tx功率，直至OLT发信号，以表示其可接收上游信号。然后，ONU可向上游向OLT传输数秒数据。由于近端串扰，在该时间过程中，ONU不能接收下游信号，但是足以向OLT发信号，以表示ONU-ID以及问题描述。操作者会关注以下数据：

·ONU-ID：这允许操作者确定用户身份，并因此确定有问题的ONU的位置(街道、建筑和公寓)。该信息对将服务人员直接派至故障位置以及降低OPEX(运营支出)是必要的。

·下游信号的接收功率和Tx功率，其中ONU在该接收功率和Tx功率丢失下游信号。这允许评估连接器的质量。

在该模式中，可进行非双工信号传输。这种“Ping-Pong”协议当然具有减小的数据速率，并且延迟显著增大。然而，可为订购者提供低效运行数据传输(fall-back data transmission)，直至由操作者排除故障。这样可降低OPEX，因为操作者有更多的时间来解决问题。

Tx信号和Rx信号的谱通过约1GHz的中间频率偏移。只要Tx信号的谱宽小于该中间频率，就能够在ONU接收器处对近端串扰NEC进行滤波。

图2中示出了该情况。近端串扰可通过抑制处于Rx谱以外的频率而显著降低。对于ONU传输器，难以实现Tx谱，其中Tx谱如上图中所示那样窄。Tx谱的形状取决于所使用的Tx调制器。基于SOA的相位调制器示出了更宽的Tx谱。

图3示出了所得到的串扰谱。因为Tx谱的一部分叠在Rx谱中，所以滤波不能处理该情形。

如示出了例如ONU的图4所示，本发明的一个实施方式包括Tx/Rx信号处理的新抵消路径。数据信号发生器1通过数模转换器2与发射被调制光信号TX_op的光传输器3连接。下游光信号RX_opt由光接收器4从OLT接收，并被解调成电信号，该电信号通过模数转换器5以及减法器供给至数字接收器6来获取数据。近端串扰从光传输器3的输出耦合至光接收器4。

新的抵消路径7-9包括串联连接的调制模拟器7、移相器8和衰减器9。为了补偿NEC信号，调制模拟器7必须用NEC信号的谱生成补偿信号C_dig。好的近似是发射的光信号分别变换至“电”域(频段)和数字域。在该实施方式中，“电”信号以数字形式进行处理。补偿信号C_dig的相位和衰减通过移相器8和衰减器9调整至与实际近端串扰路径所具有的值相同的值。移相器可通过数字全通滤波器实现，衰减器基本为乘法装置。所获得的抵消信号C_electrical从包括数据和NEC的电域或数字域的接收信号(TX_electrical)中减去。

抵消路径的相位和振幅通过以下方案进行调整：

1.将ONU的Tx功率降低至略低于临界Tx功率的值，在临界Tx功率发生下游信号的帧120丢失。

2.测量下游信号的比特误差率(BER)。

3.最小值控制器将抵消路径的相位和振幅调整至BER的最小值。

4.在BER最小化后，Tx功率逐步增大；对于每个步骤，都通过调整抵消路径使BER最小化。该过程确保总是可进行BER测量，这是使用最小值控制器的先决条件。

5.另外，生成的补偿信号的谱可被优化。

上图中的方案未考虑模拟滤波器，模拟滤波器在Rx路径中位于Rx光电二极管与ADC之间。这种滤波可提高串扰容忍度(参照上文中的现有技术)。

图5示出了可如何加强抵消路径来处理Rx滤波器。新部件为位于ADC5之前的Rx滤波器11。本发明通过增加具有与抵消路径的特征相同的特征的数字补偿滤波器12来补偿该新部件。

下面的计算示出了当Tx信号在PON中反射时其所经过的数学变换。在抵消路径中必须进行相同的数学变换来抵消近端串扰。

调制器：

TX_optic(t)＝sin(2·π·f_optic·t-TX_electrical(t))

串扰路径(延迟Δt和衰减a)

NEC_optic(t)＝a·sin(2·π·f_optic(t-Δt)-TX_electrical(t-Δt))

零差接收器：

NEC_electrical(t)＝NEC_optic·sin(2·π·f_optic·t)

$\begin{array}{c}{\mathrm{NEC}}_{\mathrm{electrical}}\left(t\right)=\frac{a}{2}\·\cos (2\·\mathrm{\π}\·f_{\mathrm{optic}}\·t-2\·\mathrm{\π}\·f_{\mathrm{optic}}(t-\mathrm{\Δt})+{\mathrm{TX}}_{\mathrm{electrical}}(t-\mathrm{\Δt}))\\ -\frac{a}{2}\·\cos (2\·\mathrm{\π}\·f_{\mathrm{optic}}\·t+2\·\mathrm{\π}\·f_{\mathrm{optic}}(t-\mathrm{\Δt})-{\mathrm{TX}}_{\mathrm{electrical}}(t-\mathrm{\Δt}))\\ =\frac{a}{2}\·\cos (2\·\mathrm{\π}\·f_{\mathrm{optic}}\·\mathrm{\Δt}+{\mathrm{TX}}_{\mathrm{electrical}}(t-\mathrm{\Δt}))\\ -\frac{a}{2}\·\cos (2\·\mathrm{\π}\·f_{\mathrm{optic}}\·t-2\·\mathrm{\π}\·f_{\mathrm{optic}}\mathrm{\Δt}-{\mathrm{TX}}_{\mathrm{electrical}}(t-\mathrm{\Δt}))\end{array}$

通过对由光电二极管的低通特性导致的光频率进行滤波，剩余的串扰信号为：

${\mathrm{NEC}}_{\mathrm{electrical}}\left(t\right)=\frac{a}{2}\·\cos (2\·\mathrm{\π}\·f_{\mathrm{optic}}\·\mathrm{\Δt}+{\mathrm{TX}}_{\mathrm{electrical}}(t-\mathrm{\Δt}))$

基于需要由最小值控制器控制的三个参数，抵消路径必须产生相同的数学变换：

·光载波相位o_je。

·基带延迟Δt。

·衰减a。

$C_{\mathrm{electrical}}\left(t\right)=\frac{a}{2}\·\cos (o_{\mathrm{je}}\·\mathrm{\Δt}+{\mathrm{TX}}_{\mathrm{electrical}}(t-\mathrm{\Δt}))$

索引“electrical”用于电域的信号和数字域的信号。由于ONU中激光的有限相干长度，所以光载波相位具有有限的稳定性。例如，目前典型的NGOA激光具有400米的相干长度。根据所需的NEC抑制，这样将ONU与反射位置之间光纤的最大长度限制为100m至200m。由于较大的多住宅建筑中的布线，这样足以处理反射。如果反射距订购者的家更远，则需改进激光线宽度和相干长度的规格。

基带延迟可通过打开和关闭Tx来进行估计。串扰将增大信号振幅。因此，可为不同延迟确定打开-关闭状态与测量振幅之间的关联。该关联最好可利用可能的最大Tx功率来找到。上文描述了在NGOA中寻找可能的最大Tx功率的方法，即使NEC不允许双向通信。

在估计参数Δt之后，可基于BER测量利用最小值控制器优化其他参数。已在未考虑偏振分集接收器的情况下示出了NEC抵消的原则。

图6示出了两个独立的抵消路径7-9和13也可处理偏振分集接收器。第二接收器路径包括串联连接且示为功能单元的第二光接收器24、第二模数转换器、第二减法器以及第二数字接收器21。根据本发明的实施方式，抵消路径1-9和13共享相同的基带延迟Δt，但是a和o_je完全独立且通过独立的最小值控制器控制。

已为相位调制器进行了以上计算。相同的原则也可通过在抵消路径中调节调制器模拟而用于IQ调制器或简单的开关键控。

上文框图处理了使用情况，其中反射的一个点必须被抵消。通过增加多个抵消路径或相应的计算，还可处理PON中的186反射的多个点。

上文所示的抵消路径完全在数字信号处理域中实现(在以上图中，位于ADC和DAC的左边)。这可能需要Rx ADC在其动态范围内处理接收信号和NEC。如果NEC明显大于信号本身，那么这增大了ADC的ENOB的所需数量。可替代性实施方式包括抵消信号在数字域中的计算，以及经由专用DAC将其路由至模拟域。在模拟域中，可在ADC之前从模拟输入信号中将其减去(减法器用虚线表示)。利用该混合数字/模拟方法得到的输入信号比纯数字方法需要更少的ENOB。

本发明不限于上文中描述的原则的细节。本发明的范围由所附权利要求限定，因此，落在权利要求的范围的等同内的所有改变和修改均由本发明包括。基于发明方法的信号值的数学变换或等同计算或使用模拟信号代替数字值也都包括在本发明中。

缩写和附图标记的说明

NEC          近端串扰

Tx           传输器

Rx           接收器

TX_electrical  传输器信号,电域或数字域

RX_electrical  接收器信号，电域或数字域

TX_opt        发射的光信号

RX_opt        接收的光信号

1            数据信号发生器

2            数模转换器

3            光传输器

4            光接收器

5            模数转换器

6            数字接收器

7            调制模拟器

8            移相器

9            衰减器

10           减法器

11           Rx滤波器

12           补偿滤波器

13           第二抵消路径

20           第二减法器

21           第二数字接收器

24           调整的光接收器

25           第二模数转换器

Claims (11)

1.一种用于在光网络中进行信号传输和补偿近端串扰的方法，所述光网络用于在发射及接收光信号的线路终端之间传输数据信号，所述方法包括：

-在数字域中计算与变换至电域的串扰信号(NEC)相对应的补偿信号(C_dig)；

-对所述补偿信号(C_dig)进行衰减和相移位，从而获得数字的抵消信号(C_electrical)；以及

-从接收的经过解调和模数转换的信号(RX_electrical)减去所述抵消信号(C_electrical)，或在所述抵消信号(C_electrical)的数模转换之后直接从经过解调的信号(RX_electrical)中减去所述抵消信号(C_electrical)。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

-在电域或数字域中对接收的所述信号(RX_electrical)进行滤波；以及

-在数字域中对所述补偿信号(C_dig)进行滤波。

3.根据权利要求1所述的方法，其中根据变换至电域的传输来的光信号(TX_opt)来计算所述补偿信号(C_dig)。

4.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法在至少一个所述线路终端(具体为光网络终端(ONT))中进行处理，并且所述方法还包括：

-以低功率从光网络终端(ONT)向光线路终端(OLT)发信号，以表示所述光网络终端(ONT)准备好接收数据信号；

-所述光网络终端(ONU)增大所述传输的光信号(TX_opt)的功率；

-一旦所述光网络终端(ONU)丢失帧锁定，所述光网络终端(ONU)立即关闭所述传输的光信号(TX_opt)的功率；

-所述光网络终端(ONU)将近端串扰(NEC)确定为帧丢失的原因并开始补偿。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，还包括：

-当发生帧丢失时，将所述传输的光信号(TX_opt)的功率降低至临界值以下；

-测量比特误差率(BER)；

-优化所述抵消信号(C_electrical)的相位和振幅，以获得最小的比特误差率(BER)；

-逐步增大所述传输的光信号(TX_opt)的功率；以及

-重复增大功率的步骤和最小化比特误差率(BER)的步骤。

6.根据权利要求4所述的方法，还包括：

-所述光网络终端(ONU)传输其识别号码(ONU-ID)，以验证近端串扰(NEC)。

7.根据权利要求4所述的方法，还包括：

-所述光网络终端(ONU)传输打开-关闭形式，以在打开阶段通知所述光线路终端(OLT)，以及在关闭阶段进行其自身的时钟恢复。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：

-所述光线路终端(OLT)在所述关闭阶段期间将数据信号传输至所述光网络终端(ONU)。

9.一种光网络元件，所述光网络元件的传输部分包括数据源(1)、数模转换器(2)、和光传输器(3)以及所述光网络元件的接收部分包括光接收器(4)、模数转换器(5)和数字接收器(6)的，其中所述光网络元件还包括：

抵消路径(7-9)，包括串联连接的调制模拟器(7)、移相器和数字衰减器(9)，并生成在数字域或电域中从接收的信号(RX_electrical)中减去的抵消信号(C_electrica)。

10.根据权利要求9所述的光网络元件，包括：

-Rx滤波器(11)，插设在接收到的且经过解调的所述信号(RX_electrical)的路径中；以及

-数字抵消滤波器(12)，插设在所述抵消路径(7-9)中。

11.根据权利要求9或10所述的光网络元件，包括：

第一抵消路径(7-9)和第二抵消路径(13)，用于补偿接收到的偏振复用信号的近端串扰信号。