CN104010233A

CN104010233A - 一种基于rosa的偏振复用相干检测无源光网络

Info

Publication number: CN104010233A
Application number: CN201410205924.5A
Authority: CN
Inventors: 万阳沙; 李巨浩; 李多; 林邦姜; 何永琪; 陈章渊
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2014-05-15
Filing date: 2014-05-15
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2034-05-15
Also published as: CN104010233B

Abstract

本发明公开了一种基于ROSA的偏振复用相干检测无源光网络。本发明包括OLT端，其通过ODN与各网络单元ONU连接；其中，ODN为一波长复用解复用器；OLT端包括一用于将各波长单偏振光耦合到同一光纤进行传输的第一波长复用解复用器，其输出端经一1/4波片与一环形器的第一端口连接，该环形器的第二端口与ODN连接，其第三端口与一用于将接收信号解复用到各相干接收机的第二波长复用解复用器连接，每一所述相干接收机与一DSP处理单元连接；ONU包括一偏振分束/合束器和一发端处理模块，所述偏振分束/合束器的两分束端分别经一RSOA模块与该发端处理模块连接。本发明大大提高了通信带宽，解决了偏振对准问题且成本低。

Description

一种基于ROSA的偏振复用相干检测无源光网络

技术领域

本发明涉及一种波分复用(WDM)的无源光网络，尤其涉及一种基于ROSA的偏振复用相干检测无源光网络，属于光纤接入领域。

背景技术

光纤通信技术是现代通信技术的重要支柱之一，其发展方向主要呈两个大方向：(1)主干层面向高速率、大容量、智能化的光网络方向发展，最终实现全光网络；(2)接入层面向低成本、综合接入、宽带化、光纤化的接入网发展，最终实现光纤到家的梦想。骨干网层面的容量达到Gb/s,甚至Tb/s量级，下一代网络的逐步引入使得网络的利用率进一步提高，已能基本上满足新兴业务的需求；而接入网层面始终是整个网络的瓶颈。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)技术因其设备简单、组网灵活、设备安装方便、无电磁干扰和扩容简单等优点，引起了人们的广泛关注。

无源光网络(PON)是指在OLT(光线路终端)和ONU(光网络单元)之间的ODN(光分配网络)没有任何有源电子设备的光接入网，如图1所示。OLT放在中心机房，ONU为用户端设备。ODN主要由一个或数个分光器来连接OLT和ONU，负责分发下行数据并集中上行数据，完成光信号功率分配和波长复用等功能。OLT既是一个交换机或路由器，又是一个多业务提供平台，提供面向PON的光纤接口。分光器是一个简单设备，它不需要电源，可以置于全天候的环境中。一般而言，一个分光器的分路比为2，4或8，并且可以多级连接。ONU为网络提供用户侧的接口，完成下行光到电、上行电到光的转换，实现各类业务的接入。

WDM-PON是基于波分复用技术的，在同一根光纤上传输用多个波长分别调制的光信号，不同波长的光分配给不同的业务或终端。一个典型的WDM-PON系统结构包括光线路终端(OLT，Optical line termination)、传输光纤、光分配网络(ODN，Optical distribution network)和光网络终端(ONUs，Optical network units)四个部分，如图2所示。上下行业务在不同波长窗口传输。一般采用阵列波导光栅(AWG Arrayed waveguide grating)实现复用/解复用功能。每个ONU只能接收到一个波长通道的信号。下行数据时，OLT中的多波长信号经过传输光纤，通过复用解复用器，最终各个波长信号达到相应的ONU接收端被接收。上行数据时，不同ONU的信号经复用/解复用器耦合到一个光纤，传送到接收端，经OLT中的解复用器分路后，由接收机阵列完成接收。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。

相干接收技术指的是在接收机中利用本地载波和接收到的信号做相关运算，用来做下变频恢复电信号的技术。这种技术运用了信号的幅度和相位信息，可以分别得到接收信号的两个偏振的同相和正交分量，如图3所示。

相干检测器由混频器、四个平衡检测器及对应ADC和数字信号处理模块组成。

相干接收对接收机灵敏度有显著的提升。如果在接收端用了光放大器，提升效果更加明显。而接收机灵敏度决定了功率预算，在这种光回返的系统中，这显得尤为重要；相干检测技术可以接收到两个偏振方向的相位和幅度信息，这给以后的对于偏振复用以及各种调制方式的应用提供了可能(相位调制、幅度调制以及相位幅度混合调制如QPSK)，同时由于一般相干检测后是数字信号处理模块，这样可以采用一些均衡补偿技术来处理色散、相位噪声等传输损伤。

WDM-PON系统中很关键的一个问题是无色性问题。无色性问题指的是如果在ODN采用分配波长的方式，那么需要为每一个ODN配备不同的波长的光源。同时，需要对不同波长对应的ONU的分配问题进行统一管理。WDM-PON的无色性问题的解决方式主要有(1)可调激光器产生不同波长的光作为上行的光源，这种方式对激光器的成本和波长对准提出了较高的要求，(2)上行采用下行发送过来的光，但上下行采用不用的调制方式，如下行用相位调制，上行采用强度调制的方法等。(3)采用RSOA。RSOA的基本作用是可以擦除下行光的信息，同时调制信号，再放大反射到OLT端。

近年来，将RSOA用于WDM-PON的上行方案得到业内认可。采用RSOA可以解决无色性问题。RSOA同时具有放大、调制、反射的功能。采用RSOA主要的好处有：

1、利用RSOA的放大作用，可以放大下行由光线路终端(OLT)发送的种子光。

2、RSOA具有调制作用，这样在ONU端无需激光器，在自动对准WDM的波长同时，节约了ONU端成本。

但是，现在存在的利用RSOA作为PON的上行调制器的方案主要存在以下问题：

RSOA的偏振对准问题：一般的RSOA是偏振敏感器件。单偏振的RSOA方案，偏振的对准问题是系统中需要解决的重要问题。

RSOA的带宽问题：通常意义上的RSOA带宽都在1.5G左右。加上一些调制和解调技术，目前可以做到10GBps左右的传输，但依然需要进一步提升传输速度以满足下一代的需求。

为了解决RSOA的偏振对准问题，业内存在的方式主要有：

1、采用偏振控制器，控制进入RSOA的光的状态。这个方案在实际运用时会有问题，因为光的偏振状态会随着传输链路的状态变化而变化，这样每次需要手动调节偏振控制器的状态，实际中不现实。

2、在RSOA前加入45度法拉第旋镜，使偏振方向旋转45度，如图4所示。这样出入RSOA的光偏振相差90度，配合相干接收机前的偏振分束器，可以滤出需要的偏振方向。

发明内容

针对现有技术中基于RSOA的WDM-PON中带宽受限、偏振对准以及ONU端成本受限等问题，本发明提出了一种基于RSOA和相干接收，运用单载波频域均衡技术实现偏振复用和信号均衡的无源光网络。本发明实现了一个激光器的两个偏振方向的光供RSOA使用的偏振复用方案。

基于相干接收机原有的解偏振复用算法是基于IQ调制器的。IQ调制器可以做到载波抑制，同时可以调制实部和虚部信息，利用一个CHU序列作为训练序列使用MIMO算法经行偏振复用。由于RSOA不能做到载波抑制，同时一般的RSOA的调制方式类似于强度调制器，只能调节幅度信息。这样需要在算法上对其做调整。

本发明的技术方案为：

一种基于ROSA的偏振复用相干检测无源光网络，其特征在于包括OLT端，其通过光分配网络ODN与各网络单元ONU连接；其中，所述光分配网络ODN为一波长复用解复用器；所述OLT端包括一用于将各波长单偏振光耦合到同一光纤进行传输的第一波长复用解复用器，其输出端经一1/4波片与一环形器的第一端口连接，该环形器的第二端口与所述光分配网络ODN连接，其第三端口与一用于将接收信号解复用到各相干接收机的第二波长复用解复用器连接，每一所述相干接收机与一DSP处理单元连接；所述网络单元ONU包括一偏振分束/合束器和一发端处理模块，所述偏振分束/合束器的两分束端分别经一RSOA模块与该发端处理模块连接。

进一步的，所述发端处理模块发送的数据帧结构为：同步序列+训练序列+数据；其中，X偏振在传输训练序列时，Y偏振不传输信号，反之亦然。

进一步的，所述发端处理模块包括从输入信号中进行实数信号提取的BPSK映射单元，其输出端依次与串并转换单元、导频添加单元、并串转换单元、循环前缀后缀添加单元、帧前缀添加单元连接。

进一步的，所述DSP模块包括对输入的X偏振信号、Y偏振信号进行载波频偏估计的载波频移估计单元，其输出端依次与时钟同步单元、去循环后缀单元、串并转换单元、快速傅里叶变换单元、信道均衡单元、相位纠正单元、并串转换单元、星座图解调单元连接。

进一步的，所述发端处理模块以DSP模块中的快速傅里叶变换长度为周期，对数据加上循环前缀和循环后缀。

进一步的，所述训练序列采用M序列，其序列长度是2ⁿ-1比特，n值根据DSP模块中快速傅里叶变换长度2ⁿ确定。

进一步的，所述光分配网络ODN所采用的波长复用解复用器、所述第一波长复用解复用器、第二波长复用解复用器均为波长复用解复用器阵列波导光栅AWG。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明采用偏振复用的方式将原有的相干WDM-PON的速率提高了1倍，以满足下一代WDM-PON的上行速率要求，同时保留原有的高接收机灵敏度等优点。在原有的基础上，ONU端只需要增加一个偏振分束合束模块，即通过四分之一玻片解决了接收端偏振对准问题，不需要增加复杂的数字信号处理(DSP)模块，调制到RSOA上的依然是二进制码，这样保证了ONU端的低的复杂度和成本。

附图说明

图1为PON典型结构图；

图2为WDM-PON接入网结构图；

图3为相干接收机结构图；

图4为基于RSOA的WDM-PON的上行方案图；

图5为发明偏振复用的基于相干接收和RSOA的WDM-PON结构图；

图6为本发明帧结构图；

图7为发送端处理模块图；

图8为接收端处理模块图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述。

如图5所示，在OLT端，下行的各个波长经过波长复用解复用器阵列波导光栅(AWG)，使得各个波长在同一光纤中传输。这些单偏振光经过一个光1/4波长的波片成为圆偏振光，这样每个波长就都包含了X方向和Y方向的偏振光。

在接收端，在光分配网络(ODN)，采用一个波长复用解复用器阵列波导光栅(AWG)实现波长解复用，为不同的ONU分配不同的波长。每一个ONU先用一个偏振分束/合束器得到两个偏振方向的光，分别用RSOA处理给不同的用户。用户端发送的信号经过RSOA的调制、放大、反射后再由之前的偏振分束\合束器将两个偏振方向结合，经过AWG送回OLT端做信号的解调。

由于光纤传输过程中，由于偏振模色散效应和偏振旋转，偏振复用的信号两个偏振方向之间会相互干扰。这样需要在每一帧数据中加一训练序列来检测两个偏振之间发生的干扰情况，用一个2*2的矩阵表示信道估计的值。在接收端通过这一训练序列得到频域上的信道估计的情况后，用2*2的多入多出(MIMO)矩阵运算恢复原来的信号。具体的帧结构如图6所示：

同步序列用于确定帧起始位置。在同步序列后，跟随了两个训练序列。其中，X偏振在传输训练序列时，Y偏振不传输信号，反之亦然。这样，在接收端就可以根据接收到的信号偏振量来估计偏振模色散后的影响以及每一个偏振方向本身的信道。

具体在做信道估计时，采用了单载波频域均衡(Single-Carrier Frequency DomainEqualization,SCFDE)的办法。图7是发送端的处理模块。

发送端需要在时域加上导频信号，以便接收端的相位纠正模块使用。同时，以接收端快速傅里叶变换(FFT)的长度为周期，对数据加上循环前缀和后缀以满足循环条件，这样的目的是使让信道产生的符号串扰在一个块内使接收端可以按照块处理。最后在每一帧的前面加上前缀，包括上述的训练序列和同步序列以便于同步和信号估计。

图8是接收端DSP处理模块。在接收端，X偏振和Y偏振的信号在载波频偏估计和时钟同步之后，去除循环前缀，分别做快速傅里叶变换，得到的频域信号和原有的训练序列频域信号做比较，得到2*2的信道估计量，来均衡传输中由偏振模色散效应和各个偏振本身的信道不平坦带来的信号损伤。经过信道均衡后，再由反傅里叶变换将信号变换到时域，由导频做相位纠正后进行并串转换，最后对得到的信号做星座图解调。同时，由于RSOA的调制特性，方案中采用的BPSK调制只能允许有实数信号，所以训练序列采用了M序列。这个序列的长度是2ⁿ-1，(FFT长度为2ⁿ)，这样序列的比我们需要频域均衡的点数少一个。所以需要用一个我们估计的2ⁿ-1个点模拟一个频域响应曲线，然后在这个曲线上取到我们频域均衡对应的点。

Claims

1.一种基于ROSA的偏振复用相干检测无源光网络，其特征在于包括OLT端，其通过光分配网络ODN与各网络单元ONU连接；其中，所述光分配网络ODN为一波长复用解复用器；所述OLT端包括一用于将各波长单偏振光耦合到同一光纤进行传输的第一波长复用解复用器，其输出端经一1/4波片与一环形器的第一端口连接，该环形器的第二端口与所述光分配网络ODN连接，其第三端口与一用于将接收信号解复用到各相干接收机的第二波长复用解复用器连接，每一所述相干接收机与一DSP处理单元连接；所述网络单元ONU包括一偏振分束/合束器和一发端处理模块，所述偏振分束/合束器的两分束端分别经一RSOA模块与该发端处理模块连接。

2.如权利要求1所述的无源光网络，其特征在于所述发端处理模块发送的数据帧结构为：同步序列+训练序列+数据；其中，X偏振在传输训练序列时，Y偏振不传输信号，反之亦然。

3.如权利要求2所述的无源光网络，其特征在于所述发端处理模块包括从输入信号中进行实数信号提取的BPSK映射单元，其输出端依次与串并转换单元、导频添加单元、并串转换单元、循环前缀后缀添加单元、帧前缀添加单元连接。

4.如权利要求3所述的无源光网络，其特征在于所述DSP模块包括对输入的X偏振信号、Y偏振信号进行载波频偏估计的载波频移估计单元，其输出端依次与时钟同步单元、去循环后缀单元、串并转换单元、快速傅里叶变换单元、信道均衡单元、相位纠正单元、并串转换单元、星座图解调单元连接。

5.如权利要求4所述的无源光网络，其特征在于所述发端处理模块以DSP模块中的快速傅里叶变换长度为周期，对数据加上循环前缀和循环后缀。

6.如权利要求2～5任一所述的无源光网络，其特征在于所述训练序列采用M序列，其序列长度是2ⁿ-1比特，n值根据DSP模块中快速傅里叶变换长度2ⁿ确定。

7.如权利要求1所述的无源光网络，其特征在于所述光分配网络ODN所采用的波长复用解复用器、所述第一波长复用解复用器、第二波长复用解复用器均为波长复用解复用器阵列波导光栅AWG。