CN110418219A - 一种基于星座压缩的pon动态带宽分配系统及方法 - Google Patents

一种基于星座压缩的pon动态带宽分配系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于星座压缩的PON动态带宽分配系统，包括串并变化单元、QAM调制器、星座多级压缩模块、多载波调制模块、任意波形发生器、光调制器、光放大器、任意波导光栅、光开关、功分器、激光器和ONU模块，所述串并变化单元、QAM调制器、星座多级压缩模块和多载波调制模块依次相连来对光路线路终端OLT传输给光网络单元ONU的电信号的二进制数据依次进行串并变化、QAM调制和星座多级压缩，变为符号数据。本发明提出的一种基于星座压缩的PON动态带宽分配系统及方法将接收到的星座图根据分支比进行不同程度的星座压缩，使得ONU接收到的速率由于信号星座图的改变实现信号的灵活速率的接入，不浪费资源，且不会导致粗颗粒度的调节，满足各个用户需求。

Description

一种基于星座压缩的PON动态带宽分配系统及方法
技术领域
本发明涉及光接入网技术领域，具体涉及一种基于星座压缩的PON动态带宽分配系统及方法。
背景技术
随着云计算、物联网等5G场景的出现，未来的光接入网技术需要实现灵活的多速率接入。光接入网包括无源光网络(PON)和有源光网络(AON)，其中基于无源器件组的PON技术因具有抗电磁和雷电干扰能力强、体积小、成本低等特点已经得到大规模的商用。从通信结构来看，PON主要由光线路终端(OLT)、光分配网络(ODN)、以及光网络单元(ONU)组成。ODN为OLT与ONU之间提供光传输手段，主要功能是完成光信号功率的分配，即数据帧由OLT通过分支比为1：N的无源光分路器传输给各个ONU，目前分支比一般为1:4到1:128之间。然而由于不同的接入场景下用户对接入速率的不同需求，PON的动态灵活的分配技术变得越来越重要。
传统的PON技术是根据不同的分支比从而实现带宽的分配，比如将高阶的正交幅度调制(QAM)信号转变为同一种低阶的正交幅度调制信号(即将64QAM信号在分支比为1:32时调制为16QAM，分支比为1:128时调制为4QAM)。其中分支比是依据接入网中在线的ONU的数量而变化的。带宽分配主要是将光纤链路总带宽根据分支比通过波长选择开关后分配给每个ONU端。但是，波长相对于每一个ONU都是固定的，这种固定波长的带宽分配方案将会导致粗颗粒度的调节以及资源的浪费。因而调制格式相对单一的传统PON带宽分配方案已经不能满足未来用户对于灵活多速率大带宽的动态接入网的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于星座压缩的PON动态带宽分配系统及方法来解决现有技术的PON动态带宽的分配方法导致粗颗粒度的调节和资源浪费的问题。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：提供一种基于星座压缩的PON动态带宽分配系统，其创新点在于：包括串并变化单元、QAM调制器、星座多级压缩模块、多载波调制模块、任意波形发生器、光调制器、光放大器、任意波导光栅、光开关、功分器、激光器和ONU模块，所述串并变化单元、QAM调制器、星座多级压缩模块和多载波调制模块依次相连来对光路线路终端OLT传输给光网络单元ONU的电信号的二进制数据依次进行串并变化、QAM调制和星座多级压缩，变为符号数据，所述多载波调制模块和任意波形发生器连接，多载波信号将多路电信号调制形成单载波并输出至任意波形发生器，所述光调制器分别与任意波形发生器、激光器和光放大器连接，任意波形发生器将星座压缩后的电信号数据通过光调制器加载到激光器产生的光波上形成光载波，所述光放大器、任意波导光栅、光开关、功分器和ONU模块依次相连来对光载波进行放大处理后接入网络并均分传入ONU模块，所述ONU模块和星座多级压缩模块相连，将在ONU模块内部的二进制数据产生误码的数据传入星级多级压缩模块重新进行多级压缩处理，所述光放大器和任意波导光栅通过单模光纤链路连接。
进一步的，所述ONU模块内部包括数个ONU单元，通过功分器处理后的每一束光载波分别进入一ONU单元，每一所述ONU单元包括用于光电转换的光电探测器、低通滤波器、分束器、星座解压缩单元、QAM解调器和并串变化单元，所述光电探测器、低通滤波器、分束器、星座解压缩单元、QAM解调器和并串变化单元依次连接来将进入该ONU单元的光载波转换为电信号并依次进行滤波处理、载波分束、星座解压缩、QAM解调和并串变化处理形成二进制数据，以此形成通信系统接收端的二进制数据，所述并串变化单元连接星座多级压缩模块。
进一步的，所述星座多级压缩模块包括星座分区单元、数据标记单元、星座映射单元和数据投影单元，所述星座分区单元、数据标记单元、星座映射单元和数据投影单元依次相连，在对星座分区后，在星座分区内对符号数据进行标记、映射和投影，以此来完成对电信号的多级压缩，所述星座分区单元和QAM调制器相连，所述数据投影和多载波调制模块相连。
进一步的，所述QAM调制器为64QAM调制器，所述QAM解调器为64QAM解调器。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案还提供了一种基于星座压缩的PON动态带宽分配方法，其创新点在于：具体包括以下步骤：
(1)系统的多个用户在发射端的光路线路终端OLT发出多路电信号原始二进制数据均传入串并变化单元，通过串并变化处理后，每一路电信号原始二进制数据变为符号数据，并均传入QAM调制器进行调制，得到复数调制信号；
(2)将步骤(1)得到的多路复数调制信号传入星座多级压缩模块，在星座多级压缩模块内进行星座分区，并根据接收端的各个ONU模块的用户的不同的需求对应的分支比以及压缩因子在星座分区内对复数调制信号进行数据标记、星座映射和数据投影处理，由于本系统的QAM调制器为64QAM，经过星座多级压缩模块处理后产生多路非均匀分布的64QAM信号；
(3)多路64QAM信号传入多载波调制模块进行多载波复用处理，多载波复用处理即将多路64QAM信号调制形成一路信号；
(4)激光器产生光波输入光调制器，多载波调制模块产生的一路64QAM电信号通过任意波形发生器传输至光调制器，并通过任意波形发生器在光调制器内将64QAM电信号加载到光波上，形成光载波，并将光载波传入光放大器内；
(5)光放大器对光载波进行功率预放大处理并由单模光纤链路传送到任意波导光栅，由任意波导光栅在网络内接入所述光载波，接入网络的光载波依次传送至光开关和功分器，有光开关和功分器共同作用将光载波均分并传送给ONU模块内的各个ONU单元；
(6)光载波在各个ONU单元内部先进入光电探测器，在光电探测器内部进行光电转换，将光信号转为电信号，再传入低通滤波器进行滤波处理，滤除光电转换后基带以外的电噪声，滤波处理后的电信号传至分束器进行载波分束，分为多束的电信号进入星座解压缩单元进行解压缩处理，此时的电信号为符号数据，将所述符号数据依次通过QAM解调器和并串变化单元分别进行QAM解调处理和并串变化处理形成二进制数据，即得到通信系统的接收端的接收数据。
进一步的，所述步骤(2)中在星座多级压缩模块内部的星座分区步骤包括：根据星座点与原点的欧式距离将64QAM的星座图划分一个16QAM子星座、一个32QAM除去16QAM剩余星座点组成的子星座以及64QAM中去除32QAM的星座点根据不同的欧式距离划分的不同的子星座。
进一步的，所述步骤(2)中在星座多级压缩模块内部的数据标记步骤包括：根据常规均匀分布的64QAM星座点映射规则分别在各个星座点所代表的二进制序列前添加标签用于数据标记，添加的标签规则由压缩因子决定，压缩因子是根据各个用户的不同需求动态设置的值。
进一步的，所述步骤(2)中在星座多级压缩模块内部的星座映射步骤包括：星座映射根据不同的压缩因子而变化，压缩因子越大，星座图中外围的星座店以更大的概率被映射到靠近原点的位置。
进一步的，所述步骤(2)中在星座多级压缩模块内部的数据投影步骤包括：数据投影依据各个子载波和各个时隙的压缩因子将数据标记后的二进制序列投影到星座点上，形成新的星座压缩后的星座图，数据投影和星座映射联合调制，使得接收的星座图不同，每个用户侧具有不同的接入速率。
进一步的，所述步骤(6)中，在各个ONU单元内采用FEC限或者根据实际系统传输均设置一个误码阈值，当ONU单元内产生的二进制数据和原始二进制数据比较产生误码且达到误码阈值时，所述电信号将再传入星座多级压缩模块进行再一次压缩降低误码，使得信息能够正常解调。
本发明和现有技术相比，产生的有益效果为：
本发明提出的一种基于星座压缩的PON动态带宽分配系统及方法将接收到的星座图根据分支比进行不同程度的星座压缩，使得ONU接收到的速率由于星座图的改变实现信号的灵活速率的接入，不浪费资源，且不会导致粗颗粒度的调节，满足各个用户需求。
附图说明
为了更清晰地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种基于星座压缩的PON动态带宽分配系统的系统框图。
图2为图1中的ONU模块内部的系统结构框图。
图3为图1中的星座多级压缩模块内部的系统结构框图。
图4为本发明的64QAM星座分区示意图。
图5为本发明的常规64QAM与星座压缩64QAM对比示意图。
图6为本发明的传统带宽分配与星座压缩对比图。
图7为本发明的星座多级压缩模块内的二级星座压缩示意图。
图8为星座多级压缩的PON星座仿真结果图。
具体实施方式
下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供的一种基于星座压缩的PON动态带宽分配系统，其系统框图如图1所示，包括串并变化单元、QAM调制器、星座多级压缩模块、多载波调制模块、任意波形发生器、光调制器、光放大器、任意波导光栅、光开关、功分器、激光器和ONU模块，所述串并变化单元、QAM调制器、星座多级压缩模块和多载波调制模块依次相连来对光路线路终端OLT传输给光网络单元ONU的电信号的二进制数据依次进行串并变化、QAM调制和星座多级压缩，变为符号数据，所述多载波调制模块和任意波形发生器连接，多载波信号将多路电信号调制形成单载波并输出至任意波形发生器，所述光调制器分别与任意波形发生器、激光器和光放大器连接，任意波形发生器将星座压缩后的电信号数据通过光调制器加载到激光器产生的光波上形成光载波，所述光放大器、任意波导光栅、光开关、功分器和ONU模块依次相连来对光载波进行放大处理后接入网络并均分传入ONU模块，所述ONU模块和星座多级压缩模块相连，将在ONU模块内部的二进制数据计算误码率并传入星级多级压缩模块重新进行多级压缩处理，所述光放大器和任意波导光栅通过单模光纤链路连接。
本发明的ONU模块内部的系统结构如图2所示，包括数个ONU单元，通过功分器处理后的每一束光载波分别进入一ONU单元，每一所述ONU单元包括用于光电转换的光电探测器、低通滤波器、分束器、星座解压缩单元、QAM解调器和并串变化单元，所述光电探测器、低通滤波器、分束器、星座解压缩单元、QAM解调器和并串变化单元依次连接来将进入该ONU单元的光载波转换为电信号并依次进行滤波处理、载波分束、星座解压缩、QAM解调和并串变化处理形成二进制数据，以此形成通信系统接收端的二进制数据，所述并串变化单元连接星座多级压缩模块。本发明QAM调制器为64QAM调制器，QAM解调器为64QAM解调器。
本发明的星座多级压缩模块内部的系统框图如图3所示，包括星座分区单元、数据标记单元、星座映射单元和数据投影单元，所述星座分区单元、数据标记单元、星座映射单元和数据投影单元依次相连，在对星座分区后，在星座分区内对QAM调制后的符号数据进行标记、映射和投影，以此来完成对数据信息的多级压缩，所述星座分区单元和QAM调制器相连，所述数据投影和多载波调制模块相连。
本发明还提供了一种基于星座压缩的PON动态带宽分配方法，其创新点在于：具体包括以下步骤：
(1)系统的多个用户在发射端的光路线路终端OLT发出多路电信号原始二进制数据均传入串并变化单元，通过串并变化处理后，每一路电信号原始二进制数据变为符号数据，并均传入QAM调制器进行调制，得到复数调制信号。
(2)将步骤(1)得到的多路复数调制信号传入星座多级压缩模块，在星座多级压缩模块内进行星座分区，并根据接收端的各个ONU模块的用户的不同的需求对应的分支比以及压缩因子在星座分区内对复数调制信号进行数据标记、星座映射和数据投影处理，由于本系统的QAM调制器为64QAM，经过星座多级压缩模块处理后产生多路非均匀分布的64QAM信号。
本发明的星座分区根据星座点与原点的欧式距离将64QAM的星座图划分一个16QAM子星座、一个32QAM除去16QAM剩余星座点组成的子星座以及64QAM中去除32QAM的星座点根据不同的欧式距离划分的不同的子星座，如图4所示，将64QAM的各个星座点用字母a、b、c、d、e、f、g、h、m、n,表示，其中，a、b、c所标记的星座点为16QAM子星座，定义为S201；将d、e所标记的星座点，即32QAM除去16QAM剩余星座点组成的子星座，定义为S202；将f、g、h、m、n所标记的星座点分别定义为子星座S203、S204、S205、S206、S207。
本发明的数据标记根据常规均匀分布的64QAM星座点映射规则分别在各个星座点所代表的二进制序列前添加标签用于数据标记，添加的标签规则由压缩因子决定，压缩因子是根据各个用户的不同需求动态设置的值，如图5所示，(a)、(c)分别代表常规64QAM以及压缩后的64QAM的时频块压缩因子原理设置图，(b)、(d)分别代表两者的压缩因子值分布图。
本发明的星座映射根据不同的压缩因子而变化，压缩因子越大，星座图中外围的星座店以更大的概率被映射到靠近原点的位置，如图6所示，(e)中子载波的分支比为1:32时，(a)中的64QAM信号转变为(b)中常规的32QAM信号，(e)中子载波分支比为1:128时，(c)表示的是子载波的分支比为1:64时传统的64QAM将变为16QAM信号，星座映射单元根据各个载波或各个时隙不同的压缩因子将(a)常规的64QAM信号的星座图转变为(c)、(d)所示的星座图，星座图中的圆圈表示该星座点不存在或经数据标记后被映射到内围有颜色的星座点上，由于图5中各个子载波和各时隙的压缩因子是变化的，所以各个用户的星座映射规则不同，得到的星座图也并不相同，从而不同的ONU的接入速率也是灵活变化的。
本发明的数据投影依据各个子载波和各个时隙的压缩因子将数据标记后的二进制序列投影到星座点上，形成新的星座压缩后的星座图，数据投影和星座映射联合调制，使得接收的星座图不同，每个用户侧具有不同的接入速率。由于当分支比小于1:128时，传统的带宽分配方案无法实现64QAM信号的调制传输，因此我们针对这种特殊的分支比提出了二级星座压缩方案，在线用户数量越多，分支比越小，所传输的信号越集中。二级星座压缩方案如图7所示，将常规64QAM信号先后进行两次星座压缩，从而获得较高的信噪比，本申请以分支比为1:1024为例，先将(a)所示的常规64QAM信号进行一级星座压缩，得到图(b)所示的类似于16QAM的非均匀的星座图(圆圈处的星座点表示已经被压缩到有颜色的星座点上，此处星座点无数据映射)；由于用户数量太多，所以将一次星座压缩后的非均匀分布的16QAM再次压缩调制为图(c)所示的非均匀分布的9QAM星座图。该二级星座压缩方案可以使得用户侧的各个ONU接收到的信息具有更小的误码率，更优的信噪比性能。
(3)多路64QAM信号传入多载波调制模块进行多载波复用处理，多载波复用处理即将多路64QAM信号调制形成一路信号；
(4)激光器产生光波输入光调制器，多载波调制模块产生的一路64QAM电信号通过任意波形发生器传输至光调制器，并通过任意波形发生器在光调制器内将64QAM电信号加载到光波上，形成光载波，并将光载波传入光放大器内；
(5)光放大器对光载波进行功率预放大处理并由单模光纤链路传送到任意波导光栅，由任意波导光栅在网络内接入所述光载波，接入网络的光载波依次传送至光开关和功分器，有光开关和功分器共同作用将光载波均分并传送给ONU模块内的各个ONU单元；
(6)光载波在各个ONU单元内部先进入光电探测器，在光电探测器内部进行光电转换，将光信号转为电信号，再传入低通滤波器进行滤波处理，滤除光电转换后基带以外的电噪声，滤波处理后的电信号传至分束器进行载波分束，分为多束的电信号进入星座解压缩单元进行解压缩处理，此时的电信号为符号数据，将所述符号数据依次通过QAM解调器和并串变化单元分别进行QAM解调处理和并串变化处理形成二进制数据，即得到通信系统的接收端的接收数据。
本发明的步骤(4)的星座多级压缩模块经过星座压缩仿真后的星座图如图8所示，其中(a)是常规均匀分布的64QAM星座图，(b)是当在线用户数量较少时，对常规的64QAM进行简单的星座压缩，以使得用户可以获得灵活的接入速率；(c)是当分支比为1:32时，所采用的是将常规的64QAM星座压缩为不同速率下的32QAM方案；(d)则是分支比为1:64时64QAM星座压缩为非均匀分布的16QAM星座。
本发明在各个ONU单元内采用FEC限或者根据实际系统传输均设置一个误码阈值，当ONU单元内产生的二进制数据和原始二进制数据比较产生误码且达到误码阈值时，电信号将再传入星座多级压缩模块进行再一次压缩降低误码，使得信息能够正常解调。
上面所述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进均应落入本发明的保护范围，本发明的请求保护的技术内容，已经全部记载在技术要求书中。

Claims (10)

1.一种基于星座压缩的PON动态带宽分配系统，其特征在于：包括串并变化单元、QAM调制器、星座多级压缩模块、多载波调制模块、任意波形发生器、光调制器、光放大器、任意波导光栅、光开关、功分器、激光器和ONU模块，所述串并变化单元、QAM调制器、星座多级压缩模块和多载波调制模块依次相连来对光路线路终端OLT传输给光网络单元ONU的电信号的二进制数据依次进行串并变化、QAM调制和星座多级压缩，变为符号数据，所述多载波调制模块和任意波形发生器连接，多载波信号将多路电信号调制形成单载波并输出至任意波形发生器，所述光调制器分别与任意波形发生器、激光器和光放大器连接，任意波形发生器将星座压缩后的电信号数据通过光调制器加载到激光器产生的光波上形成光载波，所述光放大器、任意波导光栅、光开关、功分器和ONU模块依次相连来对光载波进行放大处理后接入网络并均分传入ONU模块，所述ONU模块和星座多级压缩模块相连，将在ONU模块内部的二进制数据计算误码率并传入星级多级压缩模块重新进行多级压缩处理，所述光放大器和任意波导光栅通过单模光纤链路连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于星座压缩的PON动态带宽分配系统，其特征在于：所述ONU模块内部包括数个ONU单元，通过功分器处理后的每一束光载波分别进入一ONU单元，每一所述ONU单元包括用于光电转换的光电探测器、低通滤波器、分束器、星座解压缩单元、QAM解调器和并串变化单元，所述光电探测器、低通滤波器、分束器、星座解压缩单元、QAM解调器和并串变化单元依次连接来将进入该ONU单元的光载波转换为电信号并依次进行滤波处理、载波分束、星座解压缩、QAM解调和并串变化处理形成二进制数据，以此形成通信系统接收端的二进制数据，所述并串变化单元连接星座多级压缩模块。
3.根据权利要求1所述的一种基于星座压缩的PON动态带宽分配系统，其特征在于：所述星座多级压缩模块包括星座分区单元、数据标记单元、星座映射单元和数据投影单元，所述星座分区单元、数据标记单元、星座映射单元和数据投影单元依次相连，在对星座分区后，在星座分区内对符号数据进行标记、映射和投影，以此来完成对数据信号的多级压缩，所述星座分区单元和QAM调制器相连，所述数据投影和多载波调制模块相连。
4.根据权利要求1所述的一种基于星座压缩的PON动态带宽分配系统，其特征在于：所述QAM调制器为64QAM调制器，所述QAM解调器为64QAM解调器。
5.一种基于星座压缩的PON动态带宽分配方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)系统的多个用户在发射端的光路线路终端OLT发出多路电信号原始二进制数据均传入串并变化单元，通过串并变化处理后，每一路电信号原始二进制数据变为符号数据，并均传入QAM调制器进行调制，得到复数调制信号；
(2)将步骤(1)得到的多路复数调制信号传入星座多级压缩模块，在星座多级压缩模块内进行星座分区，并根据接收端的各个ONU模块的用户的不同的需求对应的分支比以及压缩因子在星座分区内对复数调制信号进行数据标记、星座映射和数据投影处理，由于本系统的QAM调制器为64QAM，经过星座多级压缩模块处理后产生多路非均匀分布的64QAM信号；
(3)多路64QAM信号传入多载波调制模块进行多载波复用处理，多载波复用处理即将多路64QAM信号调制形成一路信号；
(4)激光器产生光波输入光调制器，多载波调制模块产生的一路64QAM电信号通过任意波形发生器传输至光调制器，并通过任意波形发生器在光调制器内将64QAM电信号加载到光波上，形成光载波，并将光载波传入光放大器内；
(5)光放大器对光载波进行功率预放大处理并由单模光纤链路传送到任意波导光栅，由任意波导光栅在网络内接入所述光载波，接入网络的光载波依次传送至光开关和功分器，有光开关和功分器共同作用将光载波均分并传送给ONU模块内的各个ONU单元；
(6)光载波在各个ONU单元内部先进入光电探测器，在光电探测器内部进行光电转换，将光信号转为电信号，再传入低通滤波器进行滤波处理，滤除光电转换后基带以外的电噪声，滤波处理后的电信号传至分束器进行载波分束，分为多束的电信号进入星座解压缩单元进行解压缩处理，此时的电信号为符号数据，将所述符号数据依次通过QAM解调器和并串变化单元分别进行QAM解调处理和并串变化处理形成二进制数据，即得到通信系统的接收端的接收数据。
6.根据权利要求5所述的一种基于星座压缩的PON动态带宽分配方法，其特征在于：所述步骤(2)中的星座分区根据星座点与原点的欧式距离将64QAM的星座图划分一个16QAM子星座、一个32QAM除去16QAM剩余星座点组成的子星座以及64QAM中去除32QAM的星座点根据不同的欧式距离划分的不同的子星座。
7.根据权利要求5所述的一种基于星座压缩的PON动态带宽分配方法，其特征在于：所述步骤(2)中数据标记根据常规均匀分布的64QAM星座点映射规则分别在各个星座点所代表的二进制序列前添加标签用于数据标记，添加的标签规则由压缩因子决定，压缩因子是根据各个用户的不同需求动态设置的值。
8.根据权利要求5所述的一种基于星座压缩的PON动态带宽分配方法，其特征在于：所述步骤(2)中的星座映射根据不同的压缩因子而变化，压缩因子越大，星座图中外围的星座店以更大的概率被映射到靠近原点的位置。
9.根据权利要求5所述的一种基于星座压缩的PON动态带宽分配方法，其特征在于：所述步骤(2)中的数据投影依据各个子载波和各个时隙的压缩因子将数据标记后的二进制序列投影到星座点上，形成新的星座压缩后的星座图，数据投影和星座映射联合调制，使得接收的星座图不同，每个用户侧具有不同的接入速率。
10.根据权利要求5所述的一种基于星座压缩的PON动态带宽分配方法，其特征在于：所述步骤(6)中，在各个ONU单元内采用FEC限或者根据实际系统传输均设置一个误码阈值，当ONU单元内产生的二进制数据和原始二进制数据比较产生误码且达到误码阈值时，所述电信号将再传入星座多级压缩模块进行再一次压缩降低误码，使得信息能够正常解调。
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