CN104618295A - 基于灵活带宽分配的正交频分多址无源光网络 - Google Patents

Abstract

一种光通信领域的基于灵活带宽分配的正交频分多址无源光网络，包括：设置于光线路终端的依次连接的激光器、电吸收调制器、掺铒光纤放大器、可调光滤波器和分光器、用于生成正交频分复用信号的信号发生器和若干个ONU，其中：信号发生器的输出端与电吸收调制器的射频端口相连并输出模拟OFDM信号，信号发生器产生的正交频分复用信号通过电吸收调制器加载至激光器发出的光载波上形成光信号且依次经过调制、信号放大、滤波和去噪，由分光器发送至各个信号接收端恢复为下行数据。本发明根据光纤通信距离的长短，将下行数据在OFDM的子载波合理的分配ONU，从而避免因色散和啁啾引起的功率损耗的影响，因此OFDM的子载波可通过高阶QAM码型调制并实现大容量传输。

Description

基于灵活带宽分配的正交频分多址无源光网络

技术领域

本发明涉及一种通信领域的技术，具体是一种使用灵活带宽分配方案实现大容量低成本长距离正交频分多址无源光网络(OFDMA PON)。

背景技术

目前，随着科学技术的突飞猛进，社会信息化进程加快，因特网大量普及，数据业务大量增加，人们对于宽带服务的需求飞速增长。

无源光网络(PON)技术因其结构简单、成本低廉、配置灵活，不仅避免了外部设备的电磁干扰和环境影响，减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统的可靠性，同时节约了维护成本，已经成为用户实现宽带有线接入的具有竞争力的方案。

近来，为满足下一代接入网的大容量、高分光比和长距离等要求，长距离PON技术正在被广泛深入的研究。同时，长距离PON能大大简化光网络的层级，减小光网络延迟，因此有益于实时宽带服务。

时分复用技术(TDM)，波分复用技术(WDM)，和正交频分复用技术(OFDM)，等多种方案正被广泛应用于长距离PON以支持并覆盖大量的用户。其中因长距离OFDM PON具有频谱利用率高、带宽分配灵活和抗色散能力强等特点，能很好地满足下一代接入网的要求，具有十分诱人的商业前景。因此，研究如何提升长距离OFDM PON的传输容量具有十分重要的意义。

经对现有文献检索发现，发表在美国光学协会(OSA)的光学快报(Optics Express)中的论文“21Gb/s after 100km OFDM long‐reach PON transmission using a cost‐effectiveelectro‐absorption modulator”，提出了一种通过使用经济成本划算和低啁啾电吸收调制器，并采用128QAM码型调制和自适应子载波的方式，实现了21Gb/s正交频分复用信号100千米的无源光网络的传输。然而，该方案仍有以下缺点：上述的发送器产生的OFDM信号是双边带(DSB)信号，这将导致严重的由色散和啁啾引起的功率损耗。正如此方案所述，100公里的DSB‐OFDM传输系统的3dB带宽被限制到4GHz。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN104104638A公开(公告)日2014.10.15，公开了一种无源光网络的通信方法和设备，其中，数据发送方法，包括：将原始数据根据其不同的传输性能，分层调制到OFDM调制信号的子载波上得到待发送的OFDM电信号；将待发送的OFDM电信号调制到光信号上，通过光传输通道发送出去。数据接收方法，包括：通过光传输通道接收到光信号，将所述光信号按照用户的数量分为多路，再将每路光信号转换成OFDM电信号；对所述OFDM电信号进行解调得到各传输性能的原始数据。该技术虽然能够使接收机灵敏度提高，但无法根据距离远近灵活分配带宽，导致部分频带浪费，进而使系统的传输容量受限。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于灵活带宽分配的正交频分多址无源光网络，根据光纤通信距离的长短，将下行数据在OFDM的子载波合理的分配到ONU上，从而可以避免因色散和啁啾引起的功率损耗的影响，因此OFDM的子载波可以通过高阶QAM码型调制，达到大容量传输的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：设置于光线路终端的依次连接的激光器、电吸收调制器、掺铒光纤放大器、可调光滤波器和分光器、用于生成正交频分复用信号的信号发生器和若干个ONU(光网络用户单元)，其中：信号发生器的输出端与电吸收调制器的射频端口相连并输出模拟OFDM信号，信号发生器产生的正交频分复用信号通过电吸收调制器加载至激光器发出的光载波上形成光信号且依次经过调制、信号放大、滤波和去噪，由分光器发送至各个信号接收端恢复为下行数据。

所述的信号发生器包括：串并转换单元、数字处理单元、并串转换单元和数模转换单元，其中：二进制输入数据由串并转换单元串并转换为N个并行的数据，数字处理单元通过星座图映射将N个并行的二进制数据映射为N个符号串、加载到N个OFDM子载波，并对加载符号的N点数据组进行IFFT运算得到正交频分复用信号数据，并串转换单元将正交频分复用信号数据转换为离散串行数据，数模转换单元对离散串行数据数模转换生成模拟OFDM信号并输出至电吸收调制器。

所述的电吸收调制器的啁啾参数的典型值为0.6，传输信号的有效带宽为10GHz。

本发明所述的带宽分配是指：将10GHz的频带分为：0～3.7GHz、3.7～4.9GHz、4.9～6.75GHz、6.75～8.9GHz、和8.9～10GHz，该5个频段的对应的OFDM子载波分别为第0～93个、第94～123个、第124～169个、第170～223个和第224～255个，其中第四频段优先分配给第三ONU₃使用，第三频段和第五频段优先分配给第一ONU₁和第二ONU₂使用，第二频段按优先级依次分配给第一ONU₁和第二ONU₂，第一频段分配给每个ONU。

所述的OFDM信号的高阶调制码型为16QAM。

所述的信号接收端包括：光电探测器、模数转换器和数字信号处理器，其中：光信号经过光电探测器转换为电信号且由模数转换器采样为离散数据，由数字信号处理器进行恢复。

技术效果

与现有技术相比，本发明根据传输距离的远近将OFDM PON传输系统的整个带宽分成不同的频带宽度，并将这些频带合理的分配到不同的ONU。通过这种方式，某个ONU不能利用的带宽就可以利用在其他的ONU上来传输数据，这样就可以充分利用长距离OFDM PON的有限的带宽来传播数据，从而可以减小因色散和啁啾引起的功率损耗的影响，再通过对OFDM的子载波使用高阶QAM码型调制，就可以实现大容量传输。

附图说明

图1为本发明方案示意图，图中：a为本发明系统示意图；b为本发明系统传输系数示意图；c为本发明带宽分配示意图。

图2为实施例1的系统装置示意图；

图3为实施例1的实际带宽分配图及得到的信噪比示意图，图中：a为信噪比示意图；b为带宽分配示意图。

图4为实施例1得到的误码率曲线图；

图中：Laser激光器、OFDM TRx/Rx正交频分复用信号发生器/接收器、EML电吸收调制激光器、PIN光电二极管、EAM电吸收调制器、OLT光线路终端、Bandwidth allocation带宽分配方案、EDFA掺铒光纤放大器、TOF可调光滤波器、VOA可变光衰减器、1:n分光器、ONU光网络单元、S/P串并转换、P/S并串转换、Mapping映射、Loading加载、DAC数模转换器、ADC模数转换器、PD光电检测器、CP循环前缀、SSMF标准单模光纤、Equalization均衡、Demapping解映射、DSA数字采样示波器、C‐OFDMA PON传统的正交频分复用无源光网络、Proposed Scheme实施的方案、SNR信噪比、FEC前向纠错编码、BER误码率。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例中发射端OLT的下行数据根据预先设定的带宽分配方案，分别传输25km、50km和100km后到不同的ONU，可以通过信道容量公式计算可知，传输速率可达35.1Gb/s。

所述的带宽分配方案为：如图1(b)，在EML的啁啾参数典型值为0.6，有效带宽为10GHz的前提下，光纤长度为25km、50km和100km的ONU的有效频带分别是0～5.9GHz、0～4.2GHz、9～10GHz、0～2.9和6.3～9GHz。把频带0～2.9、2.9～4.2、4.2～5.9、6.3～9以及9～10GHz分别定义为Band_1～5。从图中易知，特定光纤长度的ONU不能充分利用OFDM PON的10GHz带宽。为了提高接入网络的带宽利用率，在的方案中根据传输距离的不同将这5个频带合理的分配到ONU。如图1(c)对于ONU来说，Band₃仅仅能用于25km的光纤传输。因此，这些ONU应首先利用频带Band₃来传输数据，而不应是Band₁或者是Band₂。同理可知，Band₄和Band₅首先优先应用于100km和50km的ONU的数据传输中；对于Band₂来说，25km和50km的适于应用25km和50km的通信中；最后，Band₁应当保留，直到其他的带宽被充分使用。

所述的信道容量公式为： $R=\frac{1}{\left({1+\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Training}}\right)(1+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Cyclic}})(1+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{FEC}})}\×\frac{n}{N}\×\mathrm{Sa}\×\mathrm{M\; Gb}/s,$ 其中ε_Training，ε_Cyclic和ε_FEC分别设置为0.002，0.0625和0.07。

如图2所示，本实施例包括：设置于光线路终端的依次连接的激光器、电吸收调制器、掺铒光纤放大器、可调光滤波器和分光器，以及用于生成正交频分复用信号的信号发生器和若干个光网络用户单元，信号发生器的输出端与电吸收调制器的射频端口相连，信号发生器产生的正交频分复用信号通过电吸收调制器加载至激光器发出的光载波上形成光信号且依次经过调制、信号放大、滤波和去噪，由分光器发送至各个信号接收端恢复为下行数据；

信号发生器包括：串并转换单元、数字处理单元、并串转换单元和数模转换单元，其中：二进制输入数据由串并转换单元串并转换为N个并行的数据；通过星座图映射，N个并行的二进制数据映射为N个符号串；将N个符号串加载到N个OFDM子载波上；对加载符号的N点数据组进行IFFT运算，得到正交频分复用信号数据，经过并串转换单元转换为离散串行数据，该串行数据通过数模转换单元数模转换生成模拟OFDM信号。

所述的N点IFFT公式为： $x\left(n\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}X\left(k\right)\exp \left(\frac{j2\mathrm{\πnk}}{N}\right),\mathrm{for},0\≤n\≤N-1,$ 其中X(k)是OFDM子载波上加载的数据.

所述的信号接收端包括：光电探测器、模数转换器和数字信号处理器，其中：光信号经过光电探测器转换为电信号且由模数转换器采样为离散数据，由数字信号处理器进行恢复。

所述的数字信号处理器的恢复过程包括：N点快速傅里叶运算、均衡和解映射，其中N点FFT公式为 $X\left(k\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)\exp \left(\frac{-j2\mathrm{\πnk}}{N}\right),\mathrm{for},0\≤n\≤N-1.$

如图3所示实施例1的实际带宽分配图及信噪比示意图。其中图(a)给出了在传输距离为25km，50km和100km的距离下不同频率的信噪比(SNR)值，FEC门限设置为14dB即对于16QAMOFDM信号的误码率(BER)为2×10^-3，ONU₂和ONU₃有以下两个频带可以利用：0～4.9GHz&8.9～10GHz和0～3.7GHz&6.6～8.9GHz。而ONU₁能使用的频带为0～6.9GHz。据此，图3(b)给出了距离自适应的带宽分配方案，将10GHz的频带分为5段：0～3.7GHz、3.7～4.9GHz、4.9～6.75GHz、6.75～8.9GHz，和8.9～10GHz。5个频段的对应的OFDM子载波分别为第0～93个，第94～123个，第124～169个，第170～223个和第224～255个。其中Band₄优先分配给ONU₃使用，Band₃和Band₅优先分配给ONU₁和ONU₂使用，Band₂的也分配给ONU₁和ONU₂，但优先级次之，最后是Band₁，可以分配给每个ONU。

如图4所示是本实施例所得的误码率曲线图，其中方形连线是背对背传输情况下所得的误码率曲线图，而圆形上下三角连线分别是在传输25km、50km和100km情况下所得的误码率曲线图，在FEC门限2×10^-3条件下，传输25km、50km和100km的功率代价(power penalty)分别为0.46dB，0.92dB和1.87dB。在OLT端发射光的功率为10.5dBm，对于长距离OFDMA PON的功率预算约为26.3dBm，对于每个ONU来说都能实现无误码传输。

Claims (4)

1.一种基于灵活带宽分配的正交频分多址无源光网络，其特征在于，根据光纤通信距离的长短，将下行数据在OFDM的子载波合理的分配到ONU上，从而可以避免因色散和啁啾引起的功率损耗的影响，因此OFDM的子载波可以通过高阶QAM码型调制，达到大容量传输的目的。包括：设置于光线路终端的依次连接的激光器、电吸收调制器、掺铒光纤放大器、可调光滤波器和分光器、用于生成正交频分复用信号的信号发生器和若干个ONU，其中：信号发生器的输出端与电吸收调制器的射频端口相连并输出模拟OFDM信号，信号发生器产生的正交频分复用信号通过电吸收调制器加载至激光器发出的光载波上形成光信号且依次经过调制、信号放大、滤波和去噪，由分光器发送至各个信号接收端恢复为下行数据；

所述的信号发生器包括：串并转换单元、数字处理单元、并串转换单元和数模转换单元，其中：二进制输入数据由串并转换单元串并转换为N个并行的数据，数字处理单元通过星座图映射将N个并行的二进制数据映射为N个符号串、加载到N个OFDM子载波，并对加载符号的N点数据组进行IFFT运算得到正交频分复用信号数据，并串转换单元将正交频分复用信号数据转换为离散串行数据，数模转换单元对离散串行数据数模转换生成模拟OFDM信号并输出至电吸收调制器。

2.根据权利要求1所述的基于灵活带宽分配的正交频分多址无源光网络，其特征是，所述的电吸收调制器的啁啾参数的典型值为0.6，传输信号的有效带宽为10GHz。

3.根据权利要求1所述的基于灵活带宽分配的正交频分多址无源光网络，其特征是，所述的带宽分配是指：将10GHz的频带分为：0～3.7GHz、3.7～4.9GHz、4.9～6.75GHz、6.75～8.9GHz、和8.9～10GHz，该5个频段的对应的OFDM子载波分别为第0～93个、第94～123个、第124～169个、第170～223个和第224～255个，其中第四频段优先分配给第三ONU₃使用，第三频段和第五频段优先分配给第一ONU₁和第二ONU₂使用，第二频段按优先级依次分配给第一ONU₁和第二ONU₂，第一频段分配给每个ONU。

4.根据权利要求1所述的基于灵活带宽分配的正交频分多址无源光网络，其特征是，所述的OFDM信号的高阶调制码型为16QAM。