CN112839268B - 一种基于简化相干的光纤接入网传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于简化相干的光纤接入网传输系统，包括互相通信连接的局端和用户端，设计基于远端光源的上下行简化相干接收机方案，实现不同场景下无线、有线数据融合接入，提升了系统光域、DSP处理层的透明性级开放性，且在局端的上下行波长资源成对配置，并采用上下行波长交织复用技术，降低了波长复用通道间隔。本发明的系统通过上下行光源统一在局端调配和处理构建光波资源池，极大地简化了系统相干接收和用户端接入单元的结构和处理，降低了系统升级成本；选用上下行波长交织复用方案，降低了波长复用通道间隔，满足了未来接入用户对带宽和波长通道增加的要求。

Description

一种基于简化相干的光纤接入网传输系统及方法

技术领域

本发明属于光纤接入网技术领域，具体涉及一种基于简化相干的光纤接入网传输系统及方法。

背景技术

随着物联网、云计算、虚拟/增强现实等新兴业务的不断涌现，终端用户对接入带宽(包括上行、下行接入带宽)、接入容量和接入业务能力的需求越来越高。在此趋势下，数据中心将会迎来大规模发展，用户侧各类终端设备的接入带宽需求也会不断增长，这进一步增加了光纤传输网络中接入端的压力。现有传输技术包括强度调制/直接检测(IM/DD)方案以及数字相干系统。然而，IM/DD方案很难同时支持所需的信道速率和功率预算；相干传输系统则尚未在其复杂性、功耗以及成本之间达到平衡。因此，需要探索新型接入网传输系统对目前已有传输技术进行优化，为下一代光纤接入网的标准化和实用化做好技术准备。

根据文献调研发现，目前关于该方面的研究较少，只有少数学者提出了关于相干传输系统改进的简化相干系统。例如Varghese A.Thomas于2018年在《QuasicoherentReceivers》中进行了基于包络检波的简化相干接收机的仿真，与传统相干接收机相比，基于包络检波的接收机结构更加简单，一定程度上降低了系统整体复杂度。此外，JoseA.Altabas于2020年在《Real-Time 10Gbps Polarization Independent QuasicoherentReceiver for NG-PON2 Access Networks》中提出的偏振无关简化相干接收机，信号和本振通过偏振分束器，并在系统中考虑了光源的频谱特性。然而，该方案需要复杂的相位频率回复算法。并且，目前这些方案在系统实际应用、模型匹配度、实现复杂性等方面存在一些问题，需要进一步改进。

因此，综合考虑未来移动网络业务接入需求，以未来接入网发展趋势为出发点，以满足未来有线/无线业务对带宽、时延等差异化及升级成本的要求为切入点，聚焦于下一代光纤接入网传输系统研究，需要一种大容量、高效能的简化相干光纤接入网传输系统。

发明内容

基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种基于简化相干的光纤接入网传输系统及方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于简化相干的光纤接入网传输系统，包括互相通信连接的局端和用户端，局端包括：

用于分发、接收上下行信号及将上下行波长交织复用的波长路由器，波长路由器与用户端连接；用于均衡及补偿信号的信号均衡器；与下行光源接入点、波长路由器和信号均衡器连接的下行调制器，与波长路由器连接的波长可调谐的上行光源接入点；通过可调光滤波器与波长路由器连接的上行简化相干接收机，上行简化相干接收机还与波长可调谐的上行光源接入点和信号均衡器连接；

用户端包括与波长路由器连接的光环行器；与光环行器连接的粗波分复用器，用于过滤出该用户端的下行光源和上行光源；与粗波分复用器连接的光耦合器，用于实现不同光功率信号在不同光纤间的分路及合路；光耦合器一端出口与下行简化相干接收机连接，另一端出口与可调光滤波器连接后通往上行调制器；下行简化相干接收机和上行调制器皆与用户端数据收发端口连接，用户端数据收发端口用于收发用户数据；上行调制器还与光环行器连接。

作为优选方案，局端还包括波长可调谐的直接调制激光器和上行可调谐光源，直接调制激光器与下行光源接入点连接，上行可调谐光源与上行光源接入点连接。

作为优选方案，波长路由器发出的上下行交织光，其波长处于C波段。

作为优选方案，简化相干接收机的本振光源是由远端光线路终端统一提供的。

作为优选方案，当用户端为无线接入场景时，局端与用户端的连接通路在连接光环行器之前还连接有射频拉远单元或有源天线处理单元。

作为优选方案，在用户端为有线接入场景时，局端与用户端的连接通路在连接光环行器之前还连接有光网络单元，用于提供多个业务场景接入接口。

作为优选方案，局端和用户端之间设有光分路器，波长路由器由馈线光纤连接光分路器，从光分路器由分布式光纤连接各用户端。

另一方面，本发明还提供一种基于简化相干的光纤接入网传输方法，应用于上述任一项的系统，包括步骤：

S1、将预均衡处理过的下行光与可调谐上行光源输入波长路由器；

S2、波长路由器将下行光与上行光源交织复用后，分路发送至各用户端；

S3、粗波分复用器过滤出该用户端的下行光与上行光源；

S4、光耦合器将下行光与上行光源分离，下行光送至下行简化相干接收器，上行光源送至可调光滤波器分离出上行光源数据；

S5、上行光源数据送至上行调制器完成调制，生成上行数据；

S6、上行数据经光环行器发送至波长路由器；

S7、波长路由器将上行数据注入信号均衡器均衡。

作为优选方案，步骤S1中，预均衡方法为基于概率幅度整形的数据预处理算法。

作为优选方案，步骤S7中，上行数据的均衡方法为基于特征优化的改进LightGBM算法、基于特征向量的单一超平面训练的SVM算法、基于改进DNN的均衡器、基于信道特征迁移的均衡算法中的一种。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

1)通过上下行光源统一在局端调配和处理，构建成光波资源池，极大地简化了系统相干接收和用户端接入单元的结构和处理，降低了系统升级成本；

2)选用上下行波长交织复用方案，降低了波长复用通道间隔，满足了未来接入用户对带宽和波长通道增加的要求。

附图说明

图1是本发明实施例1的一种基于简化相干的光纤接入网传输系统的结构框图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，并获得其他的实施方式。

实施例：如图1所示，本实施例涉及一种基于简化相干的光纤接入网传输系统，包括互相之间由光纤通信连接的局端和用户端。局端具有一波长路由器，波长路由器可在光信号经过网络节点时，根据它的波长来选择路由指向。

局端还设有下行光源接入点，有波长可调谐的直接调制激光器与上述下行光源接入点相连，输入下行光；下行光源接入点还与信号均衡模块及下行调制器连接，下行调制器连接至波长路由器的下行端口。波长路由器的上行端口连接上行光源接入点与可调光滤波器，上行光源接入点与可调光滤波器共同连接至上行简化相干接收机，再由上行简化相干接收机连接信号均衡器，另设有波长可调谐光源连接至上行光源接入点，输入上行光源。

上述结构中信号均衡器为基于DSP的信号均衡器。可调光滤波器则为一种用作光上下行复用器的光学器件，在一定波长范围内对特定的光波长有选择通过的作用。调制器是高速率高阶信号调制，包括但不仅限于，PAM-M调制。

波分路由器由馈线光纤连接至光分路器，再从光分路器由分布式光纤连接至各个用户端，各个用户端分为有线接入场景和无线接入场景。在无线接入场景中，用户端中包括光环行器、粗波分复用器、光耦合器、可调光滤波器、简化相干接收机、上行调制器与收发天线。收发天线用于收发上下行数据。光分路器由分布式光纤连接至光环行器，光环行器的一端口与光耦合器、可调光滤波器、下行简化相干接收机、收发天线依次连接，收发天线还连接至上行调制器，光耦合器也经可调光滤波器连接至上行调制器。可调光滤波器连接至光环行器的另一端口。在光分路器连接到光环行器之前，还分出一旁路连接有射频拉远单元和有源天线处理单元，用于业务接入。

在有线接入场景中，用户端中包括光环行器、粗波分复用器、光耦合器、可调光滤波器、简化相干接收机、上行调制器与上行数据接入点。光分路器由分布式光纤连接至光环行器，光环行器的一端口与粗波分复用器、光耦合器、简化相干接收机、简化DSP&BER测试设备依次连接，光耦合器的另一端口与可调光滤波器、上行调制器、光环行器的另一端口依次连接。上行调制器还连接上行数据接入点，接收上行数据。在光分路器连接到光环行器之前，还分出一旁路连接有光网络单元，光网络单元是光纤接入网终端设备，向用户端提供多个业务场景接入接口。

上述结构中粗波分复用器(CWDM)可以将不同波长的光信号复用至单根光纤进行传输，可以充分利用光纤的带宽资源，使传输容量扩大。

可调光滤波器(TOF)是一种用作光上下行复用器的光学器件，在一定波长范围内对特定的光波长有选择通过的作用。

光耦合器(OC)是用于实现不同光功率信号在不同光纤间的分路及合路的光器件。

上行光源接入点提供了下行简化相干的本振光源和上行信号解调的本振光源，实现光网络单元(ONU)无色化。

下面将结合上述系统结构说明本实施例的一种基于简化相干的光纤接入网传输方法：

在局端，无线下行数据由下行数据接入点输入局端，经过信号均衡模块预均衡后，送至下行调制器调制为承载下行数据的光波；波长可调谐的上行光源与上述下行广播被一同注入波长路由器，然后由波长路由器进行上下行光波交织复用，再通过馈线光纤传输至光分路器，分路后由分布式光纤将上下行交织复用光波分发至各个用户端。

波长交织复用技术的光波长选在C波段，该技术利用上下行波长的交织特性，可降低波长复用通道间隔，增加C波段可用波长数以满足未来接入用户对带宽和波长通道增加的要求。波长交织复用技术使上行或下行波长通道仍可保持大间隔，即上行或下行波长间隔是波长交织间隔的2倍，可以避免信道串扰问题。该技术对于不同业务接入场景可以有不同的方案。例如对于PON系统用户，采用混合时分波长复用技术；对于无线用户，通过增加波长资源来获得业务扩展。

在用户端，下上行交织复用光波到达光环行器，从光环行器的一端口送往粗波分复用器，并在粗波分复用器过滤出该用户端的下行数据和上行光源。粗波分复用器输出信号至光耦合器，光耦合器将下行数据与上行光源分离，下行数据进入下行简化相干接收机实现下行数据接收，上行光源进入可调光滤波器分离出上行光源信号，将上行光源信号送至上行调制器与用户端数据收发点送入的上行数据调制后，将调制后的上行数据送至光环行器，沿局端和用户端间的通路送至波长路由器，再经波长路由器分发，注入信号均衡器，均衡算法为基于机器学习的DSP系统损伤补偿算法，选用计算复杂度低、系统匹配度高的算法，包括但不仅限于，基于特征优化的改进LightGBM算法、基于特征向量的单一超平面训练的SVM算法、基于改进DNN的均衡器、基于信道特征迁移的均衡算法等，本实施例中选用基于特征优化的改进LightGBM算法。

上述用户端流程中，由粗波分复用器分离出的两路信号可以直接通过光拍频生成毫米波或者太赫兹等无线信号，这是由于上下行波长交织的巧妙设计，下行接收机可根据无线接入业务的不同，合理调节上下行波长间隔。

发送至局端的上行数据还可包括局端中的上行光源，上行光源作为本振和上行信号一起注入光接收模块，实现上行信号的简化相干解调。

通过上述的方法与系统设计，在局端，不同业务接入数据的光波及DSP补偿算法均被池化形成光波资源池，即对于上下行光源、系统特征参数统一在局端调配和处理，并充分利用波长调谐激光源实现上下行波长通道配置、功率控制等；在用户端，采用了可调谐上下行波长交织复用技术，即下行传输中包含交织的上行光载波；此外，光波资源池中的上行光源还可作为下行解调的本振，实现单一器件的多维复用，极大的简化了系统相干接收和用户端接入单元结构，降低了系统升级成本。

综上所述，本发明涉及的基于简化相干的光纤接入网传输系统，充分考虑到下一代PON系统发展趋势以及未来网络业务的接入需求。通过构建光波池，实现了波长资源在不同业务之间的优化配置，简化了用户端的结构，降低其升级成本；设计基于上行光源接入点的上下行简化相干接收机方案，实现不同场景下无线、有线数据融合接入，提升了系统光域、DSP处理层的透明性及开放性，降低了系统升级成本；利用上下行波长交织复用技术，降低了波长复用通道间隔，增加了C波段可用波长数以满足未来接入用户对带宽和波长通道增加的要求。因此，本发明能满足未来不同业务对带宽、时延、复杂性等差异化要求，实现了基于高速多电平、低成本带限器件、简化相干光纤接入网系统。

应当说明的是，以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于简化相干的光纤接入网传输方法，应用于一种基于简化相干的光纤接入网传输系统，所述的光纤接入网传输系统包括互相通信连接的局端和用户端，局端包括：

波长路由器，用于分发、接收上下行信号及将上下行波长交织复用，波长路由器与用户端连接；

信号均衡器，用于均衡及补偿信号；

下行调制器，与下行光源接入点、波长路由器和信号均衡器连接；

上行光源接入点，与波长路由器连接且波长可调谐；

上行简化相干接收机，通过可调光滤波器与波长路由器连接，上行简化相干接收机还与波长可调谐的上行光源接入点和信号均衡器连接；

用户端包括：

光环行器，与波长路由器连接；

粗波分复用器，与光环行器连接，用于过滤出该用户端的下行光源和上行光源；

光耦合器，与粗波分复用器连接，用于实现不同光功率信号在不同光纤间的分路及合路；光耦合器一端出口与下行简化相干接收机连接，另一端出口与可调光滤波器连接后通往上行调制器；下行简化相干接收机和上行调制器皆与用户端数据收发端口连接，用户端数据收发端口用于收发用户数据；上行调制器还与光环行器连接，其特征在于，所述的光纤接入网传输方法包括如下步骤：

S1、将预均衡处理过的下行光与可调谐上行光源输入波长路由器；

S2、波长路由器将下行光与上行光源交织复用后，分路发送至各用户端；

S3、粗波分复用器过滤出该用户端的下行光与上行光源；

S4、光耦合器将下行光与上行光源分离，下行光送至下行简化相干接收器，上行光源送至可调光滤波器分离出上行光源数据；

S5、上行光源数据送至上行调制器完成调制，生成上行数据；

S6、上行数据经光环行器发送至波长路由器；

S7、波长路由器将上行数据注入信号均衡器均衡。

2.如权利要求1所述的一种基于简化相干的光纤接入网传输方法，其特征在于，局端还包括波长可调谐的直接调制激光器和上行可调谐光源，直接调制激光器与下行光源接入点连接，上行可调谐光源与上行光源接入点连接。

3.如权利要求1所述的一种基于简化相干的光纤接入网传输方法，其特征在于，波长路由器发出的上下行交织光，波长处于C波段。

4.如权利要求1所述的一种基于简化相干的光纤接入网传输方法，其特征在于，简化相干接收机的本振光源由远端光线路终端统一提供。

5.如权利要求1所述的一种基于简化相干的光纤接入网传输方法，其特征在于，当用户端为无线接入场景时，局端与用户端的连接通路在连接光环行器之前还连接有射频拉远单元或有源天线处理单元。

6.如权利要求1所述的一种基于简化相干的光纤接入网传输方法，其特征在于，在用户端为有线接入场景时，局端与用户端的连接通路在连接光环行器之前还连接有光网络单元，用于提供多个业务场景接入接口。

7.如权利要求1所述的一种基于简化相干的光纤接入网传输方法，其特征在于，局端和用户端之间设有光分路器，波长路由器由馈线光纤连接光分路器，从光分路器由分布式光纤连接各用户端。

8.如权利要求1所述的一种基于简化相干的光纤接入网传输方法，其特征在于，步骤S1中，预均衡处理的方法采用基于概率幅度整形的数据预处理算法。

9.如权利要求1所述的一种基于简化相干的光纤接入网传输方法，其特征在于，步骤S7中，上行数据的均衡方法采用基于特征优化的改进LightGBM算法、基于特征向量的单一超平面训练的SVM算法、基于改进DNN的均衡器、基于信道特征迁移的均衡算法中的一种。

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