CN116094605A - 基于非正交多址接入的无源光网络信息传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于非正交多址接入的无源光网络信息传输系统及方法，基于不同ONU用户或不同ONU组的信道条件，即光路损耗(OPL)的变化，通过调整不同ONU用户或不同ONU组之间的发射功率和安全等级实现自适应线路的接入率。发射功率是在OLT中数字地调整分配给各ONU或ONU组的调制格式的欧式距离来实现；安全等级是在OLT中数字地调整不同ONU用户或不同ONU组之间的前向纠错编码（FEC）的码率来实现。因此，基于非正交多址接入的无源光网络安全方法考虑不同OLT‑ONU之间光纤信道状态，并根据不同的信道状态设定不同的功率分配及不同的安全等级，使得NG‑PON实现自适应接入速率的同时显著提高了系统的安全容量。

Description

基于非正交多址接入的无源光网络信息传输系统及方法

技术领域

本发明属于光通信技术、光网络领域，具体涉及一种基于非正交多址接入的无源光网络信息传输系统及方法。

背景技术

随着视频监控、虚拟现实、增强现实等各种流量模式的业务类型越来越多，网络流量呈爆炸式增长。大容量的光纤接入网可以满足电信网络大带宽的要求。而下一代无源光网络(NG-PON)因其成本低、速率高、传输距离长、支持服务类型多等优点，是作为解决“最后一公里”有效方案而备受关注。其中，基于时分复用的PON(TDM-PON)是典型的解决方式。在TDM-PON中，光线路终端(OLT)与其下所属的光网络单元（ONU）通过光分配网络（ODN）连接，可以更有效地利用带宽。然而，在现有NG-PON传输系统中，由于下行TDM-PON的广播特性，网络中极大概率存在非合法ONU或者在光纤中窃听者并将光信号解调为数字数据，这些都将是潜在的安全隐患。典型的NG-PON中安全防护方法主要有采用混沌技术的物理层加密方法，以及在第二层或更高层使用计算资源对数据进行加密实现的数字层密码，如高级加密标准（AES）。

另一方面，目前的NG-PON系统为所有ONU提供相同的接入（保证）数据速率，但由于PON系统自然是点对多点(PtMP)体系结构，NG-PON系统受到性能最差的光网络单元(ONU)的限制。为了解决这一问题，非正交多路接入（NOMA）近年来被认为是在NG-PON中一种新型有前景的多址技术。而作为典型的NOMA方案，基于功率域(PD-NOMA)在发射端基于相同的时频资源对多个ONU用户的信号进行叠加，且可以根据每个ONU用户的服务质量(QoS)优化功率分配比（PDR），而在接收端根据连续干扰抵消(SIC)算法进行多ONU用户检测。

然而，目前还未有在基于NOMA的NG-PON中研究网络安全防护问题。

发明内容

为了在NG-PON中在具有灵活的接入数据速率的同时实现更高的安全性，本发明提供一种基于非正交多址接入的无源光网络信息传输系统（NOMA-PON），以及基于NOMA-PON系统的无源光网络信息传输方法。本发明基于NOMA的NG-PON中的数据保护方案，提供基于实现高频谱效率、低延迟、改进公平性、高安全保障等通信系统的特性。

本发明基于非正交多址接入的无源光网络信息传输系统（NOMA-PON），主要包含依次连接的OLT的光发射机部分，光纤链路部分、ONU的光接收机部分；

所述OLT的光发射机部分包括依次连接OLT的DSP模块、数字模拟转换器DAC和光电调制器，以及与光电调制器连接的激光器；

所述OLT的DSP模块包括依次连接的二进制数据输入模块、根据不同安全等级设定的不同ONU编码速率、根据不同数据速率设定的不同ONU调制映射；

所述ONU的光接收机部分包括依次连接光电探测器、模拟数字转换器ADC和ONU的DSP模块；

所述ONU的DSP模块包括依次连接的符号同步与信道均衡模块、根据不同数据速率设定的不同ONU解调制映射、根据不同安全等级设定的不同ONU解码，以及二进制数据输出模块；

所述光纤链路部分包括光纤放大器和普通标准单模光纤；

所述OLT的DSP模块，根据不同安全等级和不同数据速率对二进制比特数据进行的调整为携带灵活调制格式和码率的混合结构 ，经过混合结构后的DSP电信号经过DAC驱动电光调制器，激光器产生光载波，之后，经过光纤放大器和普通标准单模光纤传输后，在ONU的接收机中，首先光电探测器将光信号转换成电信号，之后电信号经过ADC后进行ONU端的DSP处理，符号同步与信道均衡模块为OLT发射机的DAC和每个ONU接收机的ADC之间符号同步，最后各ONU恢复出自己理想的数据。

在运营商的网络中实现具有自适应接入速率和高安全性能的NG-PON，整体电信网络接入能力也得到提高。PON自然情况下是一个准静态分布的网络，不同的ONU用户分布在不同的位置，这意味着其中一些ONU用户信道条件好，整体NG-PON的信噪比存在富裕。

本发明基于NOMA-PON系统的无源光网络信息传输方法，利用NG-PON的信噪比富裕，针对信噪比比较高的ONU用户，分配高阶调制格式和更高的编码速率FEC以实现更高的数据速率和安全等级，反之亦然；

具体地，根据NOMA-PON系统中不同ONU接入速率的要求不同，在OLT中针对不同的ONU的不同调制格式，在发射机端进行调制格式的功率域叠加，如在OLT的发射机端发一个高阶的调制格式，经过ODN的传输；在ONU的接收端，根据信道条件合适地选择欧氏距离进行硬判决，以恢复自己理想信号，如信道条件差的ONU仅需要从收到的高阶调制中恢复出低阶的调制格式，而信道条件好的ONU则将其它ONU接收的信号视为噪声，在总接收信号中根据其信道条件恢复较高调制格式；

编码速率FEC通过在OLT进行基于低密度奇偶校验码（LDPC）母码的缩短和打孔的方式，实现在0 和1之间变化不同的LDPC FEC编码码率。

本发明在母码的信息部分的末尾使用与G.9804.2一致的缩短方法。

本发明无源光网络信息传输方法，所述不同的ONU具有不同的安全等级需要，不同的安全等级的含义为在满足输出误码率如1e-15条件的光信噪比OSNR限制下，合法ONU与窃听ONU的容量之差最大。

所述编码速率FEC主要基于LDPC码，母码采用基于IEEE 802.3ca中定义的LDPC(17664,14592)，即长度为17664的码字由14592个信息位和3072个奇偶校验位组成。

所述编码速率FEC的LDPC码都是由相同的母校验矩阵生成的，不同码率的生成具体方法为：

设LDPC母码的信息比特位为M，校验比特位为N，母码字随后被缩短和穿孔 ，以产生各种子码，缩短信息位比特为P，以及打孔校验位比特为S后分别形成M-P位信息比特和N-S位的校验比特的大小，从而实现分别在0-1不同数据编码率之间进行调整；

所述缩短信息位通过减少馈送到FEC编码器的信息比特数来实现，同时将剩余的比特数固定为零，这些固定的缩短位不被传输，在将数据发送到FEC解码器之前，在接收端重新插入母码，由于缩短的位上的值为确定的零，因此设置为较大的对数似然比，从而提高了这种缩短码的纠错能力；

另一方面，在母码的末端对奇偶校验位进行打孔，在传输之前丢弃FEC编码器输出的打孔比特，在接收端，这些信息比特被视为未知的擦除，因此LLR为0并在FEC解码过程中恢复；

由于所有缩短的LDPC重新采用相同的编解码矩阵，只需要对原来的LDPC编码器和解码器进行最小的更改，并且在恒定S+P的约束下，通过调整其分别的长度可以创建具有不同程度纠错能力的码率范围的码子族。

本发明NOMA-PON中基于不同调制格式与不同的码率根据NOMA-PON的信道状态自适应调整，实现灵活接入。与传统的TDM-PON体系结构兼容而使得传统TDM-PON系统架构无需更改。

为保证NG-PON中不同ONU的服务类型的不同的接入速率，本发明在NG-PON中基于OLT-ONU之间不同的传输信道提供不同的功率以及安全等级，基于不同ONU用户或不同ONU组的信道条件，即光路损耗(OPL)的变化，通过调整不同ONU用户或不同ONU组之间的发射功率和安全等级等实现自适应线路的接入率。具体地，发射功率是在OLT中数字地调整分配给各ONU或ONU组的调制格式的欧式距离来实现；安全等级是在OLT中数字地调整不同ONU用户或不同ONU组之间的前向纠错编码（FEC）的码率来实现。因此，基于非正交多址接入的无源光网络安全方法考虑不同OLT-ONU之间光纤信道状态，并根据不同的信道状态设定不同的功率分配及不同的安全等级，使得NG-PON实现自适应接入速率的同时显著提高了系统的安全容量。

本发明无源光网络信息传输方法，通过使用自适应功率分配以及安全等级编码速率，实现灵活NOMA-PON覆盖光纤距离和分支比差异较大的不同区域。因此，基于NOMA-PON的安全性为接入网部署方面提供了更大的自由度和安全容量。本发明将对构建和推进灵活且安全的NG-PON通信系统发展具有重要作用和意义。

附图说明

图1为本发明基于非正交多址接入的无源光网络信号传输系统示意图。

图2为本发明基于非正交多址接入的无源光网络架构示意图。

图3为本发明基于非正交多址接入的无源光网络根据不同安全等级设定不同的编码速率示意图。

具体实施方式

为了本技术领域的人员更好的理解本发明技术方案，下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步详细说明，但不是对本发明的限定。

实施例

参照图1，本发明基于非正交多址接入的无源光网络信息传输系统，所述传输系统主要包含依次连接的OLT的光发射机部分，光纤链路部分、ONU的光接收机部分；

所述OLT的光发射机部分包括依次连接OLT的DSP模块、数字模拟转换器（DAC）和光电调制器，以及与光电调制器连接的激光器；

所述OLT的DSP模块包括依次连接的二进制数据输入模块、根据不同安全等级设定的不同ONU编码速率、根据不同数据速率设定的不同ONU调制映射；

所述ONU的光接收机部分包括依次连接光电探测器、模拟数字转换器（ADC）和ONU的DSP模块；

所述ONU的DSP模块包括依次连接的符号同步与信道均衡模块、根据不同数据速率设定的不同ONU解调制映射、根据不同安全等级设定的不同ONU解码，以及二进制数据输出模块；

所述光纤链路部分包括光纤放大器和普通标准单模光纤；

所述OLT的DSP模块，根据不同安全等级和不同数据速率对二进制比特数据进行的调整可以设计为携带灵活调制格式和码率的混合结构，经过混合结构后的DSP电信号经过数字模拟转换器（DAC）驱动电光调制器，激光器产生光载波；之后，经过光纤放大器和普通标准单模光纤（SSMF）传输后， ONU的接收机中，首先光电探测器将光信号转换成电信号，之后电信号经过模拟数字转换器（ADC）后进行ONU端的DSP处理，符号同步与信道均衡模块的作用为OLT发射机的DAC和每个ONU接收机的ADC之间符号同步，并有效抑制信号传输过程中的硬件和光纤链路的不理想因素，最后各ONU恢复出自己理想的数据。

在灵活NOMA-PON部署场景中，现有ONU最差的信道条件限制了整体PON系统的接入速率和安全容量。为了进一步增加NG-PON部署的灵活性和安全性，可以根据ONU的信道条件灵活配置一组ONU所能达到的接入速率和安全容量。通过将调制格式和FEC相结合，编码甚至可以动态调整，以覆盖不同的ONU密度、传输距离、可靠性和能耗。如对于人口密集的城市地区，采用高阶QAM加上高编码率FEC（低编码开销）可以满足高带宽要求。另一方面，在遥远的低密度农村地区，采用低阶QAM +低编码率FEC（高编码开销）的方式来扩展光纤传输距离及提高网络安全性。因此，本发明基于非正交多址接入的安全无源光网络信号传输系统及方法示意图如图1所示。

根据不同的光纤传输长度和分支比，在NG-PON系统部署场景可以分为城市、郊区和农村地区等区域。覆盖城市地区的光接入网距离较短，是需要支持大量业务ONU的密集地区。在长距离覆盖农村地区，商业密度相对较低。城市与农村之间的郊区区域具有中等覆盖范围和密度。多场景应用下，使用传统的PON架构会降低网络资源的使用效率，限制连接的灵活性。由于光纤传输距离和无源节点的数量不同，每个ONU节点的信道状态和功率预算有很大的差异。并且，NG-PON中存在光纤窃听以及非法ONU 的情况。图2为在OLT与ONU之间，不同光纤传输距离、分支比和安全性要求的场景下，NG-PON部署的示例。

NG-PON系统的光功率损耗（OPL）由传输损耗和分支损耗两部分组成。设n组ONU位于不同的位置，光功率损耗不同。只要总损耗低于功率预算，就可以实现无差错传输。在一定的光纤长度下，随着功率预算越高，则可以支持的分支比越大。如图2中所示，下行信号经过分别L1、L2、L3 至Ln km的光纤传输，如果OPL1 < OPL2 < OPL3<OPLn，则相应可实现的最大数据速率R1 > R2 > R3> Rn。如经L1 km光纤的传输，提升的功率预算可以支持256个ONU。反之，当下行信号传输距离越长，所支持的ONU越少。

与非正交多址接入的安全无源光网络上行突发信号形式不同，下行信号是连续的，本发明基于NOMA-PON信号传输总方案集中在下行的灵活性和安全性概念上，采用强度调制直接探测机制。

本发明基于NOMA-PON系统的无源光网络信息传输方法，利用NG-PON的信噪比富裕，针对信噪比比较高的ONU用户，分配高阶调制格式和更高的编码速率FEC以实现更高的数据速率和安全等级，反之亦然；

具体地，根据NOMA-PON中不同ONU接入速率的要求不同，在OLT中针对不同的ONU的不同调制格式（如ONU1至ONUn 采用的调制格式从QPSK格式至32QAM 格式之间变化），在发射机端进行调制格式的功率域叠加，如在OLT的发射机端发一个高阶的调制格式，经过ODN的传输；在ONU的接收端，根据信道条件合适地选择欧氏距离进行硬判决，以恢复自己理想信号，信道条件差的ONU如ONUn 链路从叠加的调制格式中选择性解调满足本信道SNR需求的低阶调制格式（如QPSK格式），而信道条件好的ONU如ONU1则将其它ONU接收的信号视为噪声，在总接收信号中根据其信道条件恢复较高调制格式（32QAM格式）；

编码速率FEC通过在OLT进行基于低密度奇偶校验码LDPC母码的缩短和打孔的方式，实现在0 和1之间变化不同的LDPC FEC编码码率。

所述不同的ONU具有不同的安全等级需要，不同的安全等级的含义为在满足输出误码率如1e-15条件的光信噪比（OSNR）限制下，合法ONU与窃听ONU的容量之差最大。具体可以根据不同的信道条件采用自适应编码方案，以充分利用系统的功率富裕度。

本发明中根据不同的安全等级设定不同ONU的FEC速率方法基于NG-PON的行业标准，具体地，母码采用基于IEEE 802.3ca中定义的LDPC(17664,14592)，该母码也被ITU-TG.9804.2推荐采用，即长度为17664的码字由14592个信息位和3072个奇偶校验位组成。

目前，商用NG-PON中FEC 的编码采用里所码（RS）编码，但LDPC码在NG-PON中由于其显著的纠错能力已得到了广泛研究。因此，本发明可变FEC码速率主要基于LDPC码。自适应编码的实现与现有的PON规范高度兼容，只需要稍加修改。

以传统的XG-PON标准(ITU-T G987.3)为例，下行XG-PON传输汇聚(XGTC)和物理层(PHY)帧在125秒的时间窗口只允许一种编码方法。这里所有编码的LDPC码都是由相同的母校验矩阵生成的，不同码率的生成具体如图3所示。

不同码率的生成具体方法为：设LDPC母码的信息比特位位M，校验比特位N，这个母码字随后被缩短和穿孔，以产生各种子码如图3所示，缩短信息位比特P，以及打孔校验位比特S后分别形成M-P位信息比特和N-S位的校验比特的大小，从而实现分别在0-1不同数据编码率之间进行调整；

所述缩短信息位通过减少馈送到FEC编码器的信息比特数来实现，同时将剩余的比特数固定为零，这些固定的缩短位不被传输，在将数据发送到FEC解码器之前，可以在接收端重新插入母码，由于缩短的位上的值为确定的零，因此可以设置为较大的对数似然比，从而提高了这种缩短码的纠错能力。

另一方面，在母码的末端对奇偶校验位进行打孔，在传输之前丢弃FEC编码器输出的打孔比特；在接收端，这些信息比特被视为未知的擦除，因此LLR为0并在FEC解码过程中恢复；由于所有缩短的LDPC重新采用相同的编解码矩阵，只需要对原来的LDPC编码器和解码器进行最小的更改，从而降低了ASIC和算法升级的复杂性和成本，并且在恒定S+P的约束下，通过调整其分别的长度可以创建具有不同程度纠错能力的码率范围的码子族。

本发明一种基于非正交多址接入的安全无源光网络信息传输系统和传输方法，通过将灵活的调制实现ONU 不同功率的数字叠加。并且，结合灵活的FEC，根据不同的安全等级设定不同的最优码字，信道的信噪比越高，设定越高的码率。该NOMA-PON安全传输系统可以在多个离散系统中配置运行，充分利用可用的NG-PON信道条件，最大化了ONU的接入速率和安全容量。

以上所述仅为本发明在实施例中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.基于非正交多址接入的无源光网络信息传输系统，其特征在于：

所述传输系统主要包含依次连接的OLT的光发射机部分，光纤链路部分、ONU的光接收机部分；

所述OLT的光发射机部分包括依次连接OLT的DSP模块、数字模拟转换器DAC和光电调制器，以及与光电调制器连接的激光器；

所述OLT的DSP模块包括依次连接的二进制数据输入模块、根据不同安全等级设定的不同ONU编码速率、根据不同数据速率设定的不同ONU调制映射；

所述ONU的光接收机部分包括依次连接光电探测器、模拟数字转换器ADC和ONU的DSP模块；

所述ONU的DSP模块包括依次连接的符号同步与信道均衡模块、根据不同数据速率设定的不同ONU解调制映射、根据不同安全等级设定的不同ONU解码，以及二进制数据输出模块；

所述光纤链路部分包括光纤放大器和普通标准单模光纤；

所述OLT的DSP模块，根据不同安全等级和不同数据速率对二进制比特数据进行的调整为携带灵活调制格式和码率的混合结构，经过混合结构后的DSP电信号经过DAC驱动电光调制器，激光器产生光载波；之后，经过光纤放大器和普通标准单模光纤传输后，在ONU的接收机中，首先光电探测器将光信号转换成电信号，之后电信号经过ADC后进行ONU端的DSP处理，符号同步与信道均衡模块为OLT发射机的DAC和每个ONU接收机的ADC之间符号同步，最后各ONU恢复出自己理想的数据。

2.基于非正交多址接入的无源光网络信息传输方法，其特征在于，包括权利要求1所述的基于非正交多址接入的无源光网络信息传输系统NOMA-PON；

所述信息传输方法：利用NG-PON的信噪比富裕，针对信噪比比较高的ONU用户，分配高阶调制格式和更高的编码速率FEC以实现更高的数据速率和安全等级，反之亦然；

具体地，根据NOMA-PON系统中不同ONU接入速率的要求不同，在OLT中针对不同的ONU的不同调制格式，在发射机端进行调制格式的功率域叠加，如在OLT的发射机端发一个高阶的调制格式，经过ODN的传输；在ONU的接收端，根据信道条件合适地选择欧氏距离进行硬判决，以恢复自己理想信号，如信道条件差的ONU仅需要从收到的高阶调制中恢复出低阶的调制格式，而信道条件好的ONU则将其它ONU接收的信号视为噪声，在总接收信号中根据其信道条件恢复较高调制格式；

编码速率FEC通过在OLT进行基于低密度奇偶校验码LDPC母码的缩短和打孔的方式，实现在0 和1之间变化不同的LDPC FEC编码码率。

3.根据权利要求2所述的无源光网络信息传输方法，其特征在于：

所述不同的ONU具有不同的安全等级需要，不同的安全等级的含义为在满足输出误码率如1e-15条件的光信噪比OSNR限制下，合法ONU与窃听ONU的容量之差最大。

4.根据权利要求2所述的无源光网络信息传输方法，其特征在于：所述编码速率FEC主要基于LDPC码，母码采用基于IEEE 802.3ca中定义的LDPC(17664,14592)，即长度为17664的码字由14592个信息位和3072个奇偶校验位组成。

5.根据权利要求4所述的无源光网络信息传输方法，其特征在于：所述编码速率FEC的LDPC码都是由相同的母校验矩阵生成的，不同码率的生成具体方法为：

设LDPC母码的信息比特位为M，校验比特位为N，母码字随后被缩短和穿孔，以产生各种子码，缩短信息位比特为P，以及打孔校验位比特为S后分别形成M-P位信息比特和N-S位的校验比特的大小，从而实现分别在0-1不同数据编码率之间进行调整；

所述缩短信息位通过减少馈送到FEC编码器的信息比特数来实现，同时将剩余的比特数固定为零，这些固定的缩短位不被传输，在将数据发送到FEC解码器之前，在接收端重新插入母码，由于缩短的位上的值为确定的零，因此设置为较大的对数似然比，从而提高了这种缩短码的纠错能力；

另一方面，在母码的末端对奇偶校验位进行打孔，在传输之前丢弃FEC编码器输出的打孔比特；在接收端，这些信息比特被视为未知的擦除，因此LLR为0并在FEC解码过程中恢复；

由于所有缩短的LDPC重新采用相同的编解码矩阵，只需要对原来的LDPC编码器和解码器进行最小的更改，并且在恒定S+P的约束下，通过调整其分别的长度可以创建具有不同程度纠错能力的码率范围的码子族。

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