CN106059977B - 一种正交频分复用无源光网络的同步帧与符号同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种正交频分复用无源光网络的同步帧与符号同步方法，OFDM‑PON的物理帧由符号同步帧头和OFDM发送数据组成，符号同步帧头依次包含长度为U的前导零序列以及长度为K的冗余序列，前导零序列的长度U大于OFDM‑PON符号同步运算所需要的并行度P的2倍以及FFT/IFFT的计算点数，长度K大于等于2。同步方法包括以下步骤：OFDM信号采样量化、在两电平OFDM信号连续为逻辑0的个数大于冗余序列长度K_ adj时定位同步位置。本发明极大地降低了OFDM‑PON符号同步算法的计算复杂度，同时具有较高的精准度和鲁棒性。

Description

一种正交频分复用无源光网络的同步帧与符号同步方法

技术领域

本发明涉及一种无源光网络的同步帧与符号同步方法，尤其是一种正交频分复用无源光网络的同步帧与符号同步方法，属于光接入网技术领域。

背景技术

近年来由于云存储、高清视频、网络会议等新兴的多媒体宽带网络业务的不断出现以及迅猛发展，以太网的网络带宽需求在不断地爆炸性增长。为了满足日益增长的网络带宽需求，正交频分复用无源光网络(Orthogonal Frequency Division Multiplexing-Passive optical network,OFDM-PON)以其频谱利用率高、抗光纤色散能力强、资源调度粒度细等特点，已经在下一代光接入网(Next generation-passive optical network，NG-PON)表现出巨大潜力。而在OFDM-PON通信系统中，符号同步是正交频分复用OFDM-PON系统接收端完成正确解调的关键问题之一，目前已经有大量的研究。

在现有公开报道的OFDM-PON符号同步研究文献中，大部分同步算法都是借鉴无线正交频分复用(OFDM)系统中采用的同步算法，并对算法复杂度以及同步峰值进行了改进。Chen等在“Real-Time Optical OFDM Long-Reach PON System Over 100km SSMF Using aDirectly Modulated DFB Laser”，Journal of Optical Communications andNetworking,2014,(1):18-25提出了一种结构简单的符号同步实现方法，通过对短训练结构进行改进，并采用接收数据与本地存储符号位进行异或并进行能量累加的方式，消除了传统相关运算中的乘法计算，但该算法的判别阈值与训练序列的数据以及信道传输信道密切相关，且同步精度低于传统相关运算。X.Q.Jin等在"Real-time experimentaldemonstration of optical OFDM symbol synchronization in directly modulatedDFB laser-based 25km SMF IMDD systems,"Opt Express 18,21100-21110(2010)中提出了一种利用循环前缀的自相关同步方法，虽然该算法解决了训练序列带来的额外通信开销，但实现符号同步时间长，且算法计算复杂度高。李家齐等在“基于差值符号同步的IMDDOOFDM-PON系统优化算法”，光通信技术，2015，(07):5-8中提出了一种在训练序列前后增加区分序列，并通过差值同步的方法把传统的基于相关运算转化为累加计算，减少了算法的复杂度，并同时提升了符号同步的精度，但上述计算仍然需要用到累加计算。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种正交频分复用无源光网络的同步帧与符号同步方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

技术方案一：

一种正交频分复用无源光网络的同步帧，由符号同步帧头和OFDM发送数据组成，所述符号同步帧头先于OFDM发送数据发送；所述符号同步帧头依次包含长度为U的前导零序列和长度为K的冗余序列，所述U与K为大于1的整数；所述前导零序列的长度U和冗余序列的长度K由OFDM-PON系统的物理信道特性、OFDM-PON系统所采用的FFT/IFFT计算点数和OFDM-PON系统的符号同步运算的并行度P决定。

所述前导零序列的长度U同时满足以下两个条件：

条件1：大于OFDM-PON系统的符号同步运算的并行度P的2倍；

条件2：大于FFT/IFFT的计算点数。

所述冗余序列包含K个连续幅度绝对值为2^N-1-1的抗干扰码字，其中N为OFDM-PON系统发送端DAC的量化字长，N为大于等于2的整数。

所述前导零序列的长度U为OFDM-PON符号同步运算的并行度P的2倍和FFT/IFFT的计算点数的最大值。

技术方案二：

一种采用技术方案一所述同步字的符号同步方法，包括以下具体步骤：

步骤1：OFDM-PON接收端对OFDM信号进行ADC采样；

步骤2：对ADC采样信号进行二电平量化，量化为二电平OFDM信号；有以下具体步骤组成：

步骤2-1：判断ADC采样信号是否大于第一判别阈值+H或小于第二判别阈值-H；如

果是，转向步骤2-2，否则转向步骤2-3；

步骤2-2：二电平OFDM信号设置为逻辑1；转向步骤2-4；

步骤2-3：二电平OFDM信号设置为逻辑0；

步骤3：设置OFDM-PON接收端连续接收到二电平OFDM信号为逻辑0的个数L为0；

步骤4：统计OFDM-PON接收端连续接收到二电平OFDM信号为逻辑0的个数L；

步骤5：判断OFDM-PON接收端连续接收到二电平OFDM信号为逻辑0的个数L是否大于K_adj，其中K_adj＝K-δ,δ为大于零的整数，δ由OFDM发送数据在OFDM-PON物理信道传输中对同步帧头造成的干扰程度决定；如果是，转向步骤6，否则转向步骤3；

步骤6：判断OFDM-PON接收端接收到下一个二电平OFDM信号是否为逻辑1；如果是，转向步骤7，否则转向步骤6；

步骤7：将当前位置设定为所述符号同步帧头中冗余序列的起始位置，实现同步。

采用上述技术方案，本发明取得如下技术效果：

1、本发明结合OFDM-PON通信系统链路稳定可靠的特性，把接收OFDM信号转换为二电平，仅仅通过幅度判决以及逻辑计算，将计算复杂度降至最低；

2、本发明提出的符号同步方法兼容现有的OFDM-PON系统，仅对现有OFDM-PON的物理帧结构进行了扩充且开销较小，因此具有较强的兼容性以及适应性；

3、由于本发明提出的符号同步仅仅需要对接收到的OFDM信号进行幅度判决即能够实现符号同步，因此相比现有依赖接收信号相关运算或者相减运算的符号同步算法，符号同步延迟小，故在实时实现过程中，需要用到的存储资源也最少；

4、本发明提出的符号同步算法由于仅对增加的符号同步帧头的幅度进行判别，因此适用于变长的OFDM-PON通信系统，提高未来通信系统的灵活性；

5、本发明的幅度判决对接收光信号的光功率不敏感，且同步精准度高，在实时系统实现方面具有更强的鲁棒性。

附图说明

图1是本发明OFDM-PON帧结构示意图；

图2是本发明OFDM-PON帧的符号同步帧头时域示意图；

图3是本发明实施例中OFDM-PON物理帧；

图4是本发明中符号同步方法的的流程图；

图5是实施例中OFDM-PON接收端接收到ADC采样信号的量化值；

图6是本发明实施例中ADC采样信号的二电平量化示意图；

图7是本发明实施例中接收光功率-8dBm时，同步偏移位置统计分布的示意图；

图8是本发明实施例中接收光功率-15dBm时，同步偏移位置统计分布的示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例1:

如图1所示，一种正交频分复用无源光网络的同步帧，由符号同步帧头和OFDM发送数据组成，所述符号同步帧头先于OFDM发送数据发送；所述符号同步帧头依次包含长度为U的前导零序列和长度为K的冗余序列，所述U与K为大于1的整数；所述前导零序列的长度U和冗余序列的长度K由OFDM-PON系统的物理信道特性、OFDM-PON系统所采用的FFT/IFFT计算点数和OFDM-PON系统的符号同步运算的并行度P决定。

所述前导零序列的长度U同时满足以下两个条件：

条件1：大于OFDM-PON系统的符号同步运算的并行度P的2倍；

条件2：大于FFT/IFFT的计算点数。

所述冗余序列包含K个连续幅度绝对值为2^N-1-1的抗干扰码字，其中N为OFDM-PON系统发送端DAC的量化字长，N为大于等于2的整数，使得OFDM接收端的ADC能够采集到至少一个幅度绝对值较大的冗余序列，提升OFDM-PON符号同步的正确性与准确性。

所述前导零序列的长度U为OFDM-PON符号同步运算的并行度P的2倍和FFT/IFFT计算点数的最大值。

前导零序列以及冗余序列的时域示意图如图2所示，其中前导零序列在OFDM-PON发送端设置为电平0，冗余序列设置为连续K个幅度绝对值为2^N-1-1的数字信号，其中N为OFDM系统发送端数字模拟转换器(DAC)的量化字长，新增冗余序列的目的是为了避免OFDM发送数据对基于幅度判决的符号同步精度干扰。

所述符号前导零序列的长度U以及冗余序列的长度K与OFDM-PON系统的物理信道特性、OFDM-PON系统所采用的FFT/IFFT计算点数以及OFDM-PON符号同步运算所需要的并行度P相关。若OFDM-PON系统的物理信道信噪比越低，为了减少信道对幅度检测的影响，则对应长度U则越大以提高符号同步方法的鲁棒性，同样的如果FFT/IFFT的点数越多， 则为了减少OFDM符号本身对基于幅度检测的符号同步性能的影响，所述前导零序列的长度U应该大于FFT/IFFT点数，再者为了便于OFDM-PON系统的实时性能实现，则所述长度U应该大于2倍的P，但长度U越大，则由同步帧头带来的开销也就越大，相应的系统带宽利用率也就越低。同时为了减少冗余序列对OFDM-PON传输系统直流电平以及后续OFDM发送数据的影响，所述冗余序列K越小越好。

实施例2：

一种采用技术方案一所述同步字的符号同步方法，包括以下具体步骤：

步骤1：OFDM-PON接收端对OFDM信号进行ADC采样；

步骤2：对ADC采样信号进行二电平量化，量化为二电平OFDM信号；有以下具体步骤组成：

步骤2-1：判断ADC采样信号是否大于第一判别阈值+H或小于第二判别阈值-H；如果是，转向步骤2-2，否则转向步骤2-3；

步骤2-2：二电平OFDM信号设置为逻辑1；转向步骤2-4；

步骤2-3：二电平OFDM信号设置为逻辑0；

步骤3：设置OFDM-PON接收端连续接收到二电平OFDM信号为逻辑0的个数L为0；

步骤4：统计OFDM-PON接收端连续接收到二电平OFDM信号为逻辑0的个数L；

步骤5：判断OFDM-PON接收端连续接收到二电平OFDM信号为逻辑0的个数L是否大于K_adj，其中K_adj＝K-δ,δ为大于零的整数，δ与OFDM发送数据在OFDM-PON物理信道传输中对同步帧头造成的干扰程度相关；如果是，转向步骤6，否则转向步骤3；

步骤6：判断OFDM-PON接收端接收到下一个二电平OFDM信号是否为逻辑1；如果是，转向步骤7，否则转向步骤6；

步骤7：将当前位置设定为所述符号同步帧头中冗余序列的起始位置，实现同步。

本发明基于幅值判别的低复杂度OFDM-PON符号同步方法，在OFDM-PON接收端，对OFDM信号进行ADC采样，并对ADC采样的信号重新进行二电平量化，量化为二电平OFDM信号。若ADC采样后的数据大于第一判别阈值+H或小于第二判别阈值-H的信号设置为逻辑1，否则设置为逻辑0，所述第一判别阈值+H、第二判别阈值-H与接收OFDM信号的能量以及传输信道特性相关。

若OFDM-PON接收端检测到二电平OFDM信号有连续L个逻辑电平为0时，且L大于K_adj，则下一个二电平OFDM信号逻辑电平为1所对应的接收OFDM信号即为冗余序列起始位置，也即OFDM-PON接收端了实现OFDM-PON的符号同步。

如图3所示为本发明实时例中采用的帧结构，其中FFT/IFFT计算点数设置为64，OFDM发送端DAC量化字长为12位，前导零序列的长度U＝78，冗余序列长度K＝2且幅度设置为2047。OFDM发送数据依次包含长度为16的训练序列CP，该训练序列CP的作用是减少符号同步帧头对训练序列的影响，长度为64的训练序列1以及和训练序列1相同的训练序列2，所述训练序列1和2参与系统信道传递函数的计算，长度为16的数据CP以及长度为64的数据，其中在本实时例中每帧OFDM的发送数据数目设置为200。

图4是本发明中符号同步方法的的流程图。

上述产生的OFDM信号经过DAC、前置放大、滤波，然后采用分布式反馈激光器(DFB)把电信号转换为直接调制的光信号，并通过25km单模光纤，在OFDM接收端通过直接检测PIN把光信号转换为电信号，然后经过放大、滤波，使得转换后的模拟信号幅度能够达到数模转换器(ADC)输入信号的满量程，上述模拟信号经过ADC量化并采样的信号如图5所示。在本实施例中，把上述采样信号进行二电平量化，量化后的信号如图6所示，其中第一判别阈值+H＝55，第二判别阈值-H＝-55。从图5可以看出，由于OFDM-PON的光纤路较为稳定，因此OFDM-PON发送端产生的前导零序列在接收端体现为高斯白噪声，前导零序列的后续冗余序列为接收端幅度判决提供了较强的判别鲁棒性。

在本实施例中，K_adj设置为64，当检测到图6中持续长度L＝64为0的二电平信号时，也即采样点为3157，然后再检测到下一个二电平信号为逻辑电平为1所对应的接收OFDM信号即为冗余序列起始位置，如图6的3173，然后根图3物理帧的定义，即完成了OFDM-PON接收端实现OFDM-PON符号同步，其符号同步位置为3173。

如图7、图8所示的在接收光功率为-8dBm和-15dBm下分别产生10000帧OFDM数据的同步位置偏移，其中0表示准确位置，负值表示向前偏移，正值表向后偏移量。可以看到在光功率为-8dBm下，出现了67次向前偏移一个点的情况和75次向后偏移一个点的情况；即使光功率在-15dBm下，出现了112次向前偏移一个点的情况和107次向后偏移一个点的情况。从图7与图8可以看出，基于幅度判决的OFDM-PON系统的同步位置偏移最多为1个采样点，说明基于幅值判别的低复杂度OFDM-PON符号同步方法具有较高的准确性且接收光功率具有较大的范围。

本发明基于幅值判别的低复杂度OFDM-PON符号同步方法，由于没有作任何相关、乘法和累加计算，仅仅使用比较器使得复杂度明显低于现有OFDM-PON系统的符号同步方法。

在Xilinx Vertex 6ML605开发板上，在4Gsps采样率10位ADC期主要资源LUTs和Regs分别为557和765，该同步模块的资源消耗仅为该信号FPGA资源的6％，远满足实时系统的要求。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限制本发明的范围，凡在本发明精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均含于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种正交频分复用无源光网络的同步帧，其特征在于：由符号同步帧头和OFDM发送数据组成，所述符号同步帧头先于OFDM发送数据发送；所述符号同步帧头依次包含长度为U的前导零序列和长度为K的冗余序列，所述U与K为大于1的整数；所述前导零序列的长度U和冗余序列的长度K由OFDM-PON系统的物理信道特性、OFDM-PON系统所采用的FFT/IFFT计算点数和OFDM-PON系统的符号同步运算的并行度P决定；

所述前导零序列的长度U同时满足以下两个条件：

条件1：大于OFDM-PON系统的符号同步运算的并行度P的2倍；

条件2：大于FFT/IFFT的计算点数；

所述冗余序列包含幅度绝对值为2^N-1-1的K个连续的抗干扰码字，其中为OFDM-PON系统发送端DAC的量化字长，N大于等于2；

所述前导零序列的长度U为OFDM-PON符号同步运算的并行度P的2倍和FFT/IFFT的计算点数的最大值。

2.一种采用权利要求1所述正交频分复用无源光网络的同步帧的同步字的符号同步方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

步骤1：OFDM-PON接收端对OFDM信号进行ADC采样；

步骤2：对ADC采样信号进行二电平量化，量化为二电平OFDM信号；有以下具体步骤组成：

步骤2-1：判断ADC采样信号是否大于第一判别阈值+H或小于第二判别阈值-H；如果是，转向步骤2-2，否则转向步骤2-3；

步骤2-2：二电平OFDM信号设置为逻辑1；转向步骤2-4；

步骤2-3：二电平OFDM信号设置为逻辑0；

步骤3：设置OFDM-PON接收端连续接收到二电平OFDM信号为逻辑0的个数L为0；

步骤4：统计OFDM-PON接收端连续接收到二电平OFDM信号为逻辑0的个数L；

步骤5：判断OFDM-PON接收端连续接收到二电平OFDM信号为逻辑0的个数L是否大于K_adj，其中K_adj＝K-δ，δ为大于零的整数，δ由OFDM发送数据在OFDM-PON物理信道传输中对同步帧头造成的干扰程度决定；如果是，转向步骤6，否则转向步骤3；

步骤6：判断OFDM-PON接收端接收到下一个二电平OFDM信号是否为逻辑1；如果是，转向步骤7，否则转向步骤6；

步骤7：将当前位置设定为所述符号同步帧头中冗余序列的起始位置，实现同步。