CN108496316B - 模分复用无源光网络 - Google Patents

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Abstract

一种使用例如在中心局(CO)处执行的发射器侧串扰预补偿技术补偿模分复用无源光网络中的串扰的方法，其中下行链路参考信号如训练序列或导频信号是在没有受其上行链路发射上的串扰效应的情况下于发射器(CO)处检索。上行链路参考信号沿所述光纤在准单模发射中发射，并且基于所述上行链路参考信号调适输入至发射复用器的多个光信号以预补偿串扰。

Description

模分复用无源光网络
技术领域
本发明涉及无源光网络。特别地，本发明涉及模分复用无源光网络，其中少模光纤(FMF)用来传送被选择性地输送至多个末端用户的光信号。
背景技术
模分复用(MDM)技术是用来以成本有效的方式改善光接入网络的容量并且用来提供与传统标准单模光纤网络的反向相容性的可能下一代解决方案。理论上，N倍的容量增加可通过使用少模光纤(FMF)来引导N种独立模式来获得。然而，在FMF中观察到削弱信号并且需要被解决以便达到全容量的两个效应。这些效应为(i)线性模态耦合(串扰)，和(ii)微分模式延迟。在长距离应用上，这些效应之间的相互作用通常需要相干接收器的使用，以便能够通过数字信号处理(DSP)使它们缓和。
支持6种模式(LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b、LP02)的已知MDM无源光网络(PON)的基本体系结构100展示于图1中。在输入(发射器)侧，存在六个光线路终端(OLT)102，所述光线路终端位于同一设施(通常称为中心局(CO))中。在输出(接收器)侧，存在六个光网络单元(ONU)104，所述光网络单元通常分布在不同物理位置中。
每个OLT通过相应单模光纤(SMF)106连接至发射器侧模式复用器108。模式复用器组合来自OLT 102的信号并经少模光纤(FMF)110发射所述信号。在接收器侧，模式去复用器112提取每个相关信号并通过相应单模光纤114输出至每个相应ONU 104。
图1中的系统引入在单模光纤无源光网络中没有遭遇到的对发射信号的新损害，即：
·模式复用器108和模式去复用器112可引入不可忽略量的串扰；
·FMF 110可在线性极化(LP)模式的不同对之间引入不同的微分模式延迟和不同的串扰电平。
对于非退化LP模式的对，如LP01和LP11a或LP01和LP11b，串扰强度可低至-40dB/km(例如在20km的末端处的-27dB)，但是微分模式延迟可高达1000ps/km。相比之下，对于退化LP模式的对，例如LP11a和LP11b或LP21a和LP21b，串扰强度高得多，使得可在几十千米之后实现全混合，但是微分模式延迟可低于1ps/km。
对于退化模式和非退化模式的不同效应可通过考虑FMF 110的传输矩阵来理解。FMF可被模型化为N个部分，其中每个部分通过引入串扰的一个酉矩阵XT和对角元素引入模式延迟的一个对角矩阵DMD模型化。图2展示用于FMF的第i部分的这些矩阵的实例。
通常，只要微分模式延迟是不可忽略的，光纤矩阵HFMF(ω)＝XT1DMD1…XTNDMDN就依赖于频率。因为这通常是针对非退化LP模式的对的情况，所以全光纤矩阵依赖于频率。
在已知MDM技术中，通常在一起检测模式之后在电域中进行信道估计/反转。然而，在图1中所描述的体系结构中，模式被独立地检测，这意味着在接收器端使用DSP是不切实际的或不可能的，例如因为其将需要模式DEMUX与客户驻地之间的已安装SMF的替换和每个客户驻地处单独的支持DSP的ONU的安装。出于这些原因，可取的是如果要使用这种检测技术，则在发射机端处进行信道估计/反转。
CO处的信道估计需要OLT(通过背板致能)与训练序列或导频信号(对于每种模式必定是不同的)的下游发射之间的通信/合作，所述训练序列或导频信号无论如何必须由发射器检索。以这种方式，不同的OLT将接收训练序列或导频信号的不同组合，所述训练序列或导频信号在被组合时允许信道矩阵的估计和随之发生的预补偿。然而，这种布置的缺点在于训练序列/导频信号将在由发射器检索期间经历上游发射上的串扰。在这种情境下，变得非常难以估计下游光纤矩阵。
发明内容
最一般来说，本发明提供例如在中心局(CO)处执行的发射器侧串扰预补偿技术，其中下行链路参考信号如训练序列或导频信号是在没有受其上行链路发射上的串扰效应影响的情况下于发射器(CO)处检索。
根据本发明的一个方面，提供一种模分复用无源光网络，所述模分复用无源光网络包括：多个输入信道，所述多个输入信道中每一个被布置来以多个模式中的不同一个传送输入光信号；光传输单元，其包括：复用器，其具有多个输入端口和输出端口，其中所述多个输入端口中每一个连接至所述多个输入信道中的相应一个；光纤，其具有上行链路末端，所述上行链路末端连接至所述输出端口，其中所述光纤被布置来从所述复用器接收模式复用信号，所述模式复用信号对应于来自所述多个输入信道的所述输入光信号；以及去复用器，其具有输入端口和多个输出端口，其中所述输入端口连接至所述光纤的下行链路末端，并且其中所述去复用器被布置来在所述多个输出端口中每一个之间划分所述模式复用信号；以及多个输出信道，所述多个输出信道中每一个连接至所述多个输出端口中的相应一个，并且被布置来以所述多个模式中的不同一个传送输出光信号，所述输出光信号是由所述多个输入信道传送的，其中所述光传输单元被布置来：以所述模式复用信号发射多个下行链路参考信号，所述多个下行链路参考信号中每一个处于所述多个模式中的不同一个，在所述多个输出端口处接收所述多个下行链路参考信号，将所述接收的多个下行链路参考信号耦合至上行链路参考信号中，沿所述光纤在准单模发射中发射所述上行链路参考信号，并且在所述光纤的所述上行链路末端处接收所述上行链路参考信号；并且其中所述无源光网络还包括下行链路信号预补偿模块，所述下行链路信号预补偿模块被布置来调适所述多个输入信道中的两个或更多个上的所述光信号以预补偿所述光传输单元中的串扰，并且其中所述下行链路信号预补偿模块是基于所述接收的上行链路参考信号可控制的。准单模发射可确保串扰效应不影响上行链路参考信号，例如因为针对该单个选择的模式不经历强烈的串扰效应。例如，光纤的非退化模式对于准单模发射是优选的。
另一方面，本发明提供一种补偿模分复用无源光网络中的串扰的方法，所述方法包括：将多个下行链路参考信号输入至复用器，所述多个下行链路参考信号中每一个处于多个模式中的不同一个；沿光纤将所述多个下行链路参考信号发射为模式复用信号；在去复用器处接收所述模式复用信号；从所述去复用器输出多个接收的下行链路参考信号，所述接收的多个下行链路参考信号中每一个处于多个模式中的不同一个；将所述接收的多个下行链路参考信号耦合至上行链路参考信号中，沿所述光纤在准单模发射中发射所述上行链路参考信号，基于所述上行链路参考信号调适输入至所述复用器的多个光信号以预补偿串扰。
所述光纤可为能够支持以多个退化和非退化模式的传播的少模光纤(FMF)。所述上行链路参考信号可使用所述非退化模式中的一个或多个发射。
在一个实施方案中，复用器(和优选地去复用器)可为模式选择性的，即被优化以将非退化模式之间的串扰降低至小于-20dB。这种模式选择性复用器可使用适当相位掩模加以设计。在这个实施方案中，串扰主要发生在退化模式之间，这简化了系统的串扰特性矩阵。在这种情境下，所述下行链路参考信号可为导频音，并且所述下行链路预补偿模块可使用电蝶形FIR滤波器实现来施加适合预失真。
在另一实施方案中，复用器(和去复用器)可不具有模式选择性能力。这可意味着不可忽略的串扰发生在所有模式(非退化和退化)的对之间。在这种情况下，需要更复杂的现场检测技术来用于信道估计。例如，下行链路参考信号可为训练序列。这些训练序列的检索可允许估计系统的全串扰特性矩阵，以便在发射器(CO)处针对所述多个输入信道中的一个或多个或全部计算(例如，通过数字信号处理器)电反转信号。
在权利要求书中阐述进一步可选的特征和偏好。
附图说明
以下参考附图论述本发明的实例，在附图中：
图1是以上论述的用于模分复用无源光网络(MDM-PON)的已知体系结构的示意图；
图2是以上也论述的光纤模型传输矩阵的部分I的图解；
图3是为本发明的一个实施方案的MDM-PON下行链路体系结构的示意图；
图4是将无误差带宽展示为串扰的函数的曲线图；
图5是为本发明的另一个实施方案的MDM-PON下行链路体系结构的示意图；
图6是下行链路PON框架的示意图，所述下行链路PON框架是所提议体系结构的不同点处的训练序列的理想化表示；
图7是展示图5中所示的MDM-PON下行链路体系结构的性能的曲线图；并且
图8是展示适合于与本发明一起使用的复用器和去复用器的配置的示意图。
具体实施方式
本发明是基于如下认识：在典型FMF中，退化模式之间的微分模式延迟通常极低(～1ps/km)。这意味着使这些模式有关(例如使LP11a和LP11b或LP21a和LP21b有关)的矩阵项XTi具有对频率的低依赖性。这些项主要负责如以上解释的串扰的引入。
图1中所示的模式复用器108和模式去复用器112的串扰特性可通过相应酉矩阵(例如HMUX和HDEMUX)描述。在反转之后，这些矩阵可以用来充分地补偿模式混合。然而，通过技术人员已知的模式复用器108和模式去复用器112的适当设计，可将在非退化LP模式之间引入的串扰降低至小于-20dB，这意味着所述串扰出于本发明的目的可被视为可忽略的。在这种情况下，仅退化LP模式之间的串扰需要补偿。
在本发明中，我们提议通过以下方式来进行对沿FMF引入的串扰的缓和：使用模式选择性MUX/DEMUX并仅缓和发生在退化模式之间的串扰，即在图2中于方框201、202、203、204中突出的项，或通过使用模式非选择性MUX/DEMUX并缓和全组模式之间的串扰。
图3展示使用模式选择性MUX/DEMUX的所提议下行链路体系结构。在这种情况下，可通过仅补偿发生在退化模式之间的串扰缓和串扰。此外，可表明，因为退化模式之间的DMD通常极低(～1ps/km)，所以退化模式之间的串扰项显示出对频率的低依赖性。从而，可通过使用导频音(带内和/或带外)估计串扰项。
用于下行链路的中心局处的电信道估计/反转是基于在分光离器之前于ODN处的模式选择性DEMUX之后检索的导频音(PT)，如图3中所示。然而，模式DEMUX处的信号不能简单地被反射回，因为它们将沿上行链路经受额外串扰。为克服这个问题，本发明提议将准单模发射用于导频音的检索，使用非退化模式(LP01、LP02、……、LP0x，……)中的一种(或多种)。换句话说，来自模式DEMUX的对应于退化模式的对的输出被分接(例如使用80:20光束分离器)、耦合在一起，并经由非退化模式(LP01、LP02，……)中的一种(或多种)发射回到CO。请注意，LP0x模式中的超过一种的使用允许降低耦合损耗(参见图3中的点M)。例如，对于6种模式(LP01、LP02、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b)，LP11a/LP11b对的导频音可经由LP01发射并且LP21a/LP21b对的导频音可经由LP02发射。以这种方式，可以使用两个2×1耦合器而不是一个4×1耦合器(耦合器的损耗随端口数目的增减按比例增减)。对于超过6种模式的情况，类似论证适用。
信道估计可依赖每退化模式的对一个导频音或每退化模式的对具有不同频率的两个导频音进行。另外，为避免导频音在模式DEMUX之后耦合在一起时所述导频音之间的干扰，可将唯一频率寻址到每个退化模式的对。
一旦发射的PT在中心局处被直接检测到，这些PT就被用于描述模式耦合LP11a和LP11b，及LP21a与LP21b之间的模式耦合的2×2矩阵的盲估计。后续信息符号以信息可成功地在ONU处恢复的方式用这个估计的矩阵进行预均衡。
为测试图3中提议的配置，模型化并模拟MDM系统的性能，该MDM系统支持3种模式(LP01、LP11a、LP11b)和彼此独立地操作的每模式一个10Gbps强度调制直接检测(IM/DD)系统。由光纤引入的串扰从-40dB/km到-15dB/km不等，并且模式MUX/DEMU被假设为引入-20dB串扰。光纤被假设为引入LP01与LP11a/b之间的1000ps/km和LP11a与LP11b之间的1ps/km的微分模式延迟。最后，为了评估光纤传输矩阵系数的频率依赖性，在1547.5nm处进行估计，并且在从1530nm到1565nm不等的不同波长处发射10Gbps IM/DD信道。
图4将无误差带宽展示为FMF串扰的函数。结果表明，对于呈现-25dB/km串扰强度的光纤，所提议方法将能够在5nm上补偿退化模式之间的串扰。另一方面，对于具有约-34dB/km串扰的光纤，所提议方法将能够在32nm(全部扩展的C-频带)上补偿退化模式之间的串扰。表1给出文献中提供的若干FMF的性质的列表。可看出，它们呈现介于-30dB/km与-40dB/km之间的串扰强度。因此可预期本发明能实现使用这种FMF的有意义补偿。
Figure BDA0001658131600000081
表1：已知FMF的性质
图5展示使用模式非选择性MUX/DEMUX的所提议下行链路体系结构。在这种情况下，仅可通过补偿全组模式缓和串扰。此外，因为非退化模式之间的DMD通常为高的(10-100ps/km和更高)，所以信道矩阵是依赖于频率的。从而，不能使用导频音。相反，提议使用训练序列来执行信道估计。请注意，图5中的体系结构在使用模式选择性MUX/DEMUX时将同样有效。然而，在那种情况下，导频音的使用是可能的，并且图5中的体系结构可被简化以匹配图3中呈现的体系结构，如以上所解释。
用于下行链路的中心局处的电信道估计/反转是基于在分光离器之前于ODN处的模式非选择性DEMUX之后检索的训练序列，如图5中所示。
在下游传播之后，下行链路信号刚好在模式DEMUX之后被分接(参见图5)，使得它们可返回到中心局并且用来估计光传输单元的串扰特性。类似于图3，提议将准单模发射使用于训练序列的检索(使用非退化模式LP01、LP02，……)。然而，不同于可并行地发送的下行链路参考信号，如果使用准单模发射，则上行链路参考信号必须串行地发送训练序列。因此，在经受不同延迟之后，分接的信号相加在一起以形成上行链路参考信号。为了能够适应这类延迟，时间防护频带被包括在训练序列周围。图6展示在图5中所示的体系结构的不同点处的训练序列的理想化表示。一旦所发射TS在OLT中被检测到，就对这些所发射TS进行处理，以便得到多输入多输出(MIMO)矩阵(在这个实施方案中是6×6矩阵)的估计，所述多输入多输出(MIMO)矩阵描述下行链路信道，包括来自少模光纤的模式耦合和延迟。后续信息符号以信息可成功地在ONU处恢复的方式用这个估计的矩阵进行预均衡。
当信号通过少模光纤传播时，它们经受模式耦合和色散模式延迟，其效应必须由训练序列有效地捕获。许多不同的适合类型的训练序列可用来得到MIMO信道矩阵的估计。在一个实施方案中，可使用恒定幅度零自相关(CAZAC)序列。利用它们的移位正交性性质，每个训练序列样本的长度必须满足以下：
TTS≥N·ΔTch+G..1
其中ΔTch为由信号在下行链路方向上经受的色散模式延迟所造成的时间增宽，并且G为用来适应由色散模式延迟引起的增宽所造成的受破坏信号样本的额外时间持续。以这种方式，方程式1的右手侧元的第一项(N·ΔTch)旨在得到用于MIMO下行链路信道的估计的充分数目的信号样本，而第二项(G)旨在保护这些样本以免在信号在下行链路和上行链路方向上传播时变得被破坏。因此，这个额外时间持续的值的设定必须考虑到信号已传播通过少模光纤两次(在图5中，从点A到点B时一次，从点C到点D时又一次)。因此，G通过下式给出：
G＝2ΔTch..2
尽管G的较小值是可能的，但是其可能导致由较差信道估计所造成的性能损耗。
ΔTch的守恒值将由在通过少模光纤传播时的最慢模式与最快模式之间的差分延迟给出：
Figure BDA0001658131600000101
其中
Figure BDA0001658131600000102
和分别为最慢模式和最快模式的群速度。
一旦执行并行至串行操作，图6中的防护频带的长度可保证在所有模式中发射的整组训练序列适合(fit)。假设发射N种模式，防护频带的时间持续由下式给出：
TGB＝N·TTS..4
方程式4可被修改以考虑当在图5的点B中延迟不同的模式去复用信号时的任何偏差。
最后，训练序列的检索可以通过超过一个LP0x模式进行。在这种情况下，可以减少点M(图5)处的耦合损耗，如针对第一原型所解释。然而，在这种情况下，使用超过一个LP0x模式又有一个优点，其还允许时间防护频带的减少。例如，对于6种模式(LP01、LP02、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b)，LP01、LP11a和LP11b的TS可以经由LP01发射回，并且LP02、LP21a和LP21b的TS可以经由LP02发射。以这种方式，TGB可减少两倍。对于超过6种模式的情况，类似论证适用。
为了测试在图5中提议的配置，模型化并模拟MDM系统的性能，该MDM系统支持3种模式(LP01、LP11a、LP11b)和每模式一个40Gbps QPSK系统。CO处的预均衡使用相干接收器实现，以从刚好在模式DEMUX之后检索的训练序列估计下行链路传输矩阵。此外，使用简单的直接检测ONU(没有DSP)。由光纤引入的串扰从-50dB/km到0dB/km不等，模式非选择性MUX/DEMUX被认为引入任意高串扰值(全混合)，并且LP01模式发起/选择方案被假设为理想的。光纤被假设为引入LP01与LP11a/b之间的40ps/km和LP11a与LP11b之间的1ps/km的微分模式延迟。
图7展示作为光纤串扰的函数的Q-因数，其中呈现最差模式的Q-因数。结果表明，对于呈现高达-20dB/km串扰强度的光纤，所提议的原型将能够正确地预补偿全组模式的串扰。
图3中所呈现的体系结构的实现方式可以使用电反馈环路来命令用来提供预补偿的FIR滤波器的电蝶形系数。图5中的体系结构的实现方式可将光延迟线阵列用于所发射的下行链路训练序列的并行至串行变换。
模式选择性MUX/DEMUX可使用如图8中所示的自由空间光学配置中的相位板实现。
以上论述的实施方案可呈现若干优点。两种实施方案都集中于中心局中的信号处理工作，从而避免ONU中的数字信号处理的使用。使用模式选择性MUX/DEMUX的实施方案简化了OLT：其因为仅需要导频音而简化了发射器，并且其因为仅需要直接检测和简单电蝶形fir滤波器的使用而简化了接收器。使用模式非选择性MUX/DEMUX的实施方案允许较低成本光组件的使用，但是，其需要现场检测技术和数字信号处理的使用。
在使用模式选择性MUX/DEMUX的一个实施方案中，按照每个退化模式的对可使用一个导频音。另外，每个导频音将具有不同频率，使得当它们在DEMUX之后相加时，没有干扰发生。导频音可用来以两种方式更新FIR滤波器系数：
·最大化：当导频音以普通模式被发起并且从普通模式收集时，最大化所检索/所检测导频音的功率；
·最小化：当导频音以普通模式被发起并且从非常模式收集时，最小化所检索/所检测导频音的功率。
导频音可为带内低频音或带外高频音。导频音可被调相或调幅。

Claims (10)

1.一种模分复用无源光网络，其包括：
多个输入信道，所述多个输入信道中每一个被布置来以多个模式中的不同一个传送输入光信号；
光传输单元，其包括：
复用器，其具有多个输入端口和输出端口，其中所述多个输入端口中每一个连接至所述多个输入信道中的相应一个；
光纤，其具有上行链路末端，所述上行链路末端连接至所述输出端口，其中所述光纤被布置来从所述复用器接收模式复用信号，所述模式复用信号对应于来自所述多个输入信道的所述输入光信号；以及
去复用器，其具有输入端口和多个输出端口，其中所述输入端口连接至所述光纤的下行链路末端，并且其中所述去复用器被布置来在所述多个输出端口中每一个之间划分所述模式复用信号；以及
多个输出信道，所述多个输出信道中每一个连接至所述多个输出端口中的相应一个，并且被布置来以所述多个模式中的不同一个传送输出光信号，所述输出光信号是由所述多个输入信道传送的，
其中所述光传输单元被布置来：
在所述模式复用信号中发射多个下行链路参考信号，所述多个下行链路参考信号中每一个处于所述多个模式中的不同一个，
在所述多个输出端口处接收所述多个下行链路参考信号，
将所述接收的多个下行链路参考信号耦合至上行链路参考信号中，
沿所述光纤在准单模发射中发射所述上行链路参考信号，并且
在所述光纤的所述上行链路末端处接收所述上行链路参考信号；并且
其中所述无源光网络还包括下行链路信号预补偿模块，所述下行链路信号预补偿模块被布置来调适所述多个输入信道中的两个或更多个上的所述光信号以预补偿所述光传输单元中的串扰，
其中所述下行链路信号预补偿模块是基于所述接收的上行链路参考信号可控制的。
2.如权利要求1所述的网络，其中，所述复用器是模式选择性的。
3.如权利要求2所述的网络，其中，所述下行链路参考信号是在所述多个模式中的退化模式对上发射的导频音。
4.如权利要求2所述的网络，其中，所述下行链路预补偿模块包括所述多个输入信道中的所述两个或更多个中每一个上的电蝶形FIR滤波器。
5.如权利要求3所述的网络，其中，所述下行链路预补偿模块包括所述多个输入信道中的所述两个或更多个中每一个上的电蝶形FIR滤波器。
6.如权利要求1所述的网络，其中，每个下行链路参考信号包括在下行链路训练序列时隙中发射的训练序列。
7.如权利要求6所述的网络，其中，所述训练序列时隙包括防护频带，所述防护频带具有足够长以包含上行链路训练序列的持续时间，所述上行链路训练序列串行地包括所述接收的下行链路参考信号。
8.如权利要求1至7中任一项所述的网络，其中，所述上行链路参考信号使用所述多个模式中的非退化模式发射。
9.如权利要求1所述的网络，其中，所述光纤为能够支持以多个退化和非退化模式的传播的少模光纤(FMF)。
10.一种补偿模分复用无源光网络中的串扰的方法，所述方法包括：
将多个下行链路参考信号输入至复用器，所述多个下行链路参考信号中每一个处于多个模式中的不同一个；
沿光纤将所述多个下行链路参考信号发射为模式复用信号；
在去复用器处接收所述模式复用信号；
从所述去复用器输出多个接收的下行链路参考信号，所述接收的多个下行链路参考信号中每一个处于多个模式中的不同一个；
将所述接收的多个下行链路参考信号耦合至上行链路参考信号中，
沿所述光纤在准单模发射中发射所述上行链路参考信号，
基于所述上行链路参考信号调适输入至所述复用器的多个光信号以预补偿串扰。
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