专利名称：一种偏振交织的ofdm/scfdm无源光网络系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无源光网络系统，尤其涉及一种偏振交织的0FDM/SCFDM的PON系统，属于光通信领域。
背景技术：
本领域常用的一些术语及其缩略语介绍无源光网络(PON)、光配线网(ODN)、正交频分复用(OFDM)、正交频分多址(OFDMA)、异步转移模式(ATM)、光线路终端(OLT)、光网络单元(ONU)、光分配网络(ODN)、单载波频分复用(SCFDM)、单载波频分多址(SCFDMA)、 峰均值比(PAPR)、偏振复用(PDM)、数字信号处理(DSP)、偏振交织(Pl)、多输入多输出 (MIMO)。光纤通信技术是现代通信技术的重要支柱之一，其发展方向主要呈两个大方向 (1)主干层面向高速率、大容量、智能化的光网络方向发展，最终实现全光网络；( 接入层面向低成本、综合接入、宽带化、光纤化的接入网发展，最终实现光纤到家的梦想。骨干网层面的容量达到(ib/s，甚至Tb/S量级，下一代网络的逐步引入使得网络的利用率进一步提高，已能基本上满足新兴业务的需求；而接入网层面始终是整个网络的瓶颈。人们迫切需要一种经济、简单、易升级、能够综合传输语音、数字和2020欧洲杯投注官网 业务的新的接入网络技术。在各种技术中，无源光网络(PON)技术因其设备简单、组网灵活、设备安装方便、无电磁干扰和扩容简单等优点，引起了人们的广泛关注。无源光网络(PON)是指在OLT (光线路终端)和ONU (光网络单元)之间的ODN(光分配网络)，是没有任何有源电子设备的光接入网。OLT放在中心机房，ONU为用户端设备。 ODN主要由一个或数个分光器来连接OLT和0NU，负责分发下行数据并集中上行数据，完成光信号功率分配和波长复用等功能。OLT既是一个交换机或路由器，又是一个多业务提供平台，提供面向PON的光纤接口。分光器是一个简单设备，它不需要电源，可以置于全天候的环境中。一般而言，一个分光器的分路比为2，4或8，并且可以多级连接。ONU为网络提供用户侧的接口，完成下行光到电、上行电到光的转换，实现各类业务的接入。目前PON技术主要有采用异步转移模式(ATM)的无源光网络ΑΡΟΝ、以太网无源光网络(EPON)、千兆比特无源光网络(GPON)和波分复用无源光网络(WDM-PON)等几种， 其主要差异在于采用了不同的传输技术。其中，前三种PON技术都是基于时分复用的，而 WDM-PON是基于波分复用的。目前市场上的主流产品是EPON与GP0N，其中IEEE于2009年制定了 802. 3av IO-G EPON 标准，ITU-T 于 2010 制定了 10_G GPON 标准。随着新的宽带通信业务的发展，用户对带宽的需求不断增加，下一代无源光网络将向40-Gb/s及更高速率方向发展。当前的无源光网络(EP0N、GP0N)需要复杂的算法与帧结构来支持多种业务，并且对包延迟十分敏感。另一方面，波分复用无源光网络(WDM-PON) 可以通过复用波长很好地增加用户容量，提供透明性的服务。然而，波分复用无源光网络系统不能动态地分配带宽资源，且成本较高。0FDM、SCDFM具有高频谱效率，能够有效地抵抗多径效应、色散及偏振模色散，且可以简单地用DSP技术实现。自2007年以来，OFDM技术在PON中的应用，引起了学术界广泛的讨论。SCFDM是OFDM技术的一种改良形式，其较OFDM 有着较低峰均值比。研究表明，OFDM-PON与SCFDM-P0N将是10_Gb/s及更高速率的PON的有竞争力的方案。然而，OFDM-PON与SCFDM-P0N十分依赖于DSP技术，特别是DAC、ADC器件。在偏振交织与偏振复用技术中，两个偏振方向均可以携带高速率的OFDM、SCFDM信号， 可以很好地降低系统对器件的带宽需求。与本发明相关的现有技术i.无源光网络(PON)一个典型的无源光网络的结构体系如图1所示，在其链路中没有贵重的有源电子设备，均有无源器件构成，因此这种经济的接入网结构被称为无源光网络。图ι中，OLT(光线路终端)既是一个光交换机或路由器，又是一个多业务平台，提供面向PON的网络接口。另外，OLT还可以根据用户服务水平的不同要求进行带宽分配、网络安全与管理配置。 ODN(光分配网络)负责分发下行数据并集中上行数据，完成光信号功率分配和波长复用等功能。ii基于时分复用(TDM)的PON技术(ΕΡ0Ν和GP0N)基于 TDM 的 PON 主要分为 ΑΡ0Ν/ΒΡ0Ν (ATM PON/ 宽带 PON)、EPON (以太网 Ρ0Ν)和 GPON (千兆比特Ρ0Ν)，但只有后两者目前有广泛的应用。EPON是在ΑΡ0Ν/ΒΡ0Ν的基础上提出的，EPON以以太网代替ATM作为链路层协议，构成一个可以提供更大带宽、更低成本，非常适合IP业务的宽带接入网。2004年，IEEE提出的EPON标准为802. 3ah，它支持上下行最高速率1. 25-Gb/s传输，最大分路比为64。2009年，IEEE在802. 3ah的基础上制定了 802. 3av IO-G EPON标准。IEEE 802. 3av确定了两种物理层模式，一种是非对称模式，即 IO-G速率下行和I-G速率上行；另外一种是对称模式，即上下行速率均为10-G。非对称模式可以认为是对称模式的一种过渡形式，在前期对上行带宽需求较少和成本较为敏感的场合，可以使用非对称形式。随着业务的发展和技术的进步，将会逐步过渡到对称模式。EPON 的优点主要有(1)以太网技术成熟，设备成本低；( 设备价格低，通用性好；C3)除去了 IP数据传输的协议和格式转换，效率高，管理简单，可灵活支持基于IP的综合业务和多种服务质量管理。其缺点在于传送高质量保证的实时性业务比较复杂，服务质量问题和流量控制待加强。GPON最早由FSAN(全业务接入网论坛)组织于2002年9月提出，ITU-T (国际电信联盟远程通信标准化组织)在此基础上于2003年3月完成了 ITU-T G. 984. 1和G. 984. 2 的制定，2004年2月和6月完成了 G. 984. 3的标准化。GPON具有高带宽，高效率，大覆盖范围，用户接口丰富等众多优点，被大多数运营商视为实现接入网业务宽带化，综合化改造的理想技术。GPON的优点主要有(1)承载快速以太网和T1/E1电路不需要额外开销，也不会增加复杂性；( 综合业务支持能力强，支持VLAN交换和其他新的以太网业务。其缺点是 GPON标准复杂且开发较晚，目前成本较EPON高，在仅承载以太网业务和语音业务时无明显优势。2010年，ITU-T制定了 IO-G GPON标准，是当前最新、速率最高的标准。iii. WDM-PONWDM-PON是基于波分复用技术的，在同一根光纤上传输用多个波长分别调制的光信号，不同波长的光分配给不同的业务或终端。一个典型的WDM-PON系统结构包括光线路终端(0LT，Optical line termination)、传输光纤、光分配网络(ODN, Opticaldistribution network)和光网络终端(ONUs，Optical network units)四个部分，如图 2 所示。上下行业务在不同波长窗口传输。一般采用阵列波导光栅(AWG Arrayed waveguide grating)实现复用/解复用功能。每个ONU只能接收到一个波长通道的信号。下行数据时，OLT中的多波长信号经过传输光纤，通过复用解复用器，最终各个波长信号达到相应的 ONU接收端被接收。上行数据时，不同ONU的信号经复用/解复用器耦合到一个光纤，传送到接收端，经OLT中的解复用器分路后，由接收机阵列完成接收。从技术原理上来说，EPON 和GPON都是功率分割型的，而WDM-PON则属于波分复用，使用光分路器识别局端(OLT)发出的各种波长，将信号分配给各路光节点(ONU)。WDM-PON优点在于可以实现较高的工作带宽，在网络管理和系统升级方面具有一定的优势，但其缺点是成本很高，距离产业化和大规模应用还有很长的一段距离。iv.正交频分复用(OFDM)与单载波频分复用(SCFDM)技术OFDM技术是一种优秀的数据调制技术，它的基本原理与一般的频分复用(FDM)相同，即把高速的数据流通过串并转换分配到速率相对较低的若干个频率子信道中进行传输。但与FDM系统子载波之间需要保护带宽不同，OFDM产生的子载波是相互正交的，因此调制后子载波可以相互重叠而不相互干扰，还大大提高了频谱利用率。在无线通信系统中， 由于OFDM在对抗频率选择性衰落和窄带干扰方面具有优秀的性能，因此被确定为第4代移动通信的核心技术。SCFDM是OFDM的一种改良形式，其较OFDM有着较低的峰均值比，低的峰均值比可以降低器件的线性要求。目前，SCFDMA技术被确定为LTE(长期演进)的上行传输方案。OFDM发射端的基带信号产生如图3(a)所示，主要步骤包括QAM信号映射、串并转换、N点IFFT、添加循环前缀、并串转换等若干步骤。FFT与循环前缀的长度视传输条件与网络规模而定。SCFDM发射端的基带信号产生如图3(c)所示，主要步骤包括QAM信号映射、串并转换、M点DFT、子载波映射、N点IDFT、添加循环前缀、并串转换等若干步骤。其中， DFT与IDFT视网络的结构与用户的需求而定，子载波映射模块使得用户的数据调制到其分配到的子载波上，实现了多址接入。信号的OFDM接收端的基带信号接收如图3(b)所示，主要步骤包括串并转换、去循环前缀、N点FFT、频域均衡、相位补偿、并串转换和QAM解映射。 信号的SCFDM接收端的基带信号接收如图3(d)所示，主要步骤包括串并转换、去循环前缀、 N点DFT、频域均衡、M点IDFT、相位补偿、并串转化、QAM解映射。SCFDM与OFDM基带信号电数字处理的主要区别在发射端与接收端，OFDM只做了一次DFT/IDFT变换，而SCFDM做了两次DFT/IDFT变换。两次DFT/IDFT变换，信号从时域转换到频域，再从频域转换到时域。这两种技术在基带信号处理上具有相同的实现复杂度，但是SCDFM较OFDM有着较低的 PAPR，在一定程度上，降低了系统对器件的线性要求。V.基于 0FDM/SCFDM 的 PON 技术在OFDM、SCFDM技术中，全部系统带宽被划分成大量频谱相互正交的窄带子信道， 并将附加的保护间隔引入0FDM/SCFDM符号。采用0FDM/SCFDM的传输系统可以将OFDM/ SCFDM技术与传统的多址接入方案如FDMA (频分多址)、CDMA (码分多址)和TDMA (时分多址)相结合，实现多用户0FDM/SCFDM系统。此外，0FDM/SCFDM本身可以利用子载波进行复用，被称为正交频分多址(OFDMA)/单载波频分多址(SCFDMA)。这几种多址方式下基于 0FDM/SCFDM的PON的系统结构是相似的，主要是发射和接收端的数字信号处理方法和帧结构不同。
基于0FDM/SCFDM的PON系统结构如图4所示。OLT和ONU中的发射部分都主要由0FDM/SCFDM基带信号产生、数字或模拟上变频和电光调制三个部分构成，视变频和调制方式不同，有可能光信号入射到光纤之前还需要进行光滤波。而接收部分都主要由光电转换、电滤波、下变频和0FDM/SCFDM基带信号接收四个部分构成。vi.基于 PDM 的 0FDMA-P0N在偏振复用技术中，光的两个方向均可以携带高速信号，因此，其具有很高的频谱效率。偏振复用技术，已广泛应用于长距离光纤传输系统中。基于0FDM/SCFDM的无源光网络十分依赖于DSP技术，特别是DAC、ADC器件。受限于当前ADC/DAC技术，实现单路40_Gb/ s及其以上速率0FDM/SCFDM信号较为困难。为了实现40_Gb/s及其以上速率，美国NEC实验室提出了一种基于偏振复用(PDM)的系统方案，该方案的结构框图如图5，6，7所示。在 OLT端，激光器与光强度调制器产生两个具有一定频率间距Cf。)的光载波。两个光载波被偏振控制器置于正交的偏振方向上，并分别携带高速的OFDM信号。两路信号通过偏振合束器实现偏振复用，最后通过滤波器，实现单边带传输。图5为基于偏振复用的0FDMA-P0N 的OLT端结构，图6 (a)-(e)为图5中几个关键节点的频谱结构。其中，图6(a)描述了频率间隔为2fc的两个光载波的频谱，图6(b)与(c)为经过电光调制后，X、Y两路的频谱图，图 6(d)为经过偏振合束后的光谱图，图6(e)为经过滤波器后的光谱图。在ONU端，偏振分束器将复用信号分开，通过两个接收机分别解调。最后，为了解决偏振串扰问题，接收端采用了 MIMO算法。该方案很好地克服了当前光、电器件带宽的限制，成功实现了 40(ibit/S及其以上速率OFDM信号的传输，但是其MIMO均衡算法十分复杂，而且要求信号的频谱具有严格的对称性，如图6(e)所示。
发明内容
针对现有技术中40-Gb/s及更高速率的0FDM/SCFDM信号传输，对于光、电器件的带宽需求较高的问题。为了降低系统对器件带宽的需求，同时降低DSP均衡算法的复杂度， 本发明的目的在于提出一种偏振交织的0FDM/SCFDM的PON系统。本发明偏振交织的基于SCFDM/0FDM的PON结构方案特点是用两个具有一定频率间隔的光载波(即激光器1、2的频率具有一定频率间隔)分别调制上变频的SCFDM/0FDM 的信号，通过偏振合束器，实现了偏振交织的40(ib/S及其以上速率的传输；该方案不但适用于单边带传输，也适用于双边带传输；该方案的MIMO均衡算法较简单，有效克服了光纤传输中偏振状态旋转引入的偏振串扰问题。本发明的技术方案为一种偏振交织的0FDM/SCFDM无源光网络系统，包括OLT单元和ONU单元，所述OLT 单元与所述ONU单元通过光纤网络连接，采用单边带传输时，其特征在于所述OLT单元包括载波调制单元1、载波调制单元2 ；所述载波调制单元1的输出端经一电光调制器1与一偏振合束器的一合束输入端连接、且电光调制器1的控制端经一上变频器1与一 0FDM/SCFDM发射机连接，所述载波调制单元2的输出端经一电光调制器2 与所述偏振合束器的另一合束输入端连接、且电光调制器2的控制端经一上变频器2与一 0FDM/SCFDM发射机连接；所述偏振合束器的合束输出端与一滤波器连接；其中，所述载波调制单元1的输出频率与所述载波调制单元的输出频率之间具有一频率间隔，使得经所述偏振合束器输出的信号为偏振交织信号；所述ONU单元包括一偏振分束器、一 MIMO接收机，所述偏振分束器的两分束输出端分别依次经一光接收机、一 0FDM/SCFDM接收机与所述MIMO接收机连接；其中，所述MIMO 接收机采用2 X 2MIM0均衡算法。一种偏振交织的0FDM/SCFDM无源光网络系统，包括OLT单元和ONU单元，所述OLT 单元与所述ONU单元通过光纤网络连接，采用双边带传输时，其特征在于所述OLT单元包括载波调制单元1、载波调制单元2 ；所述载波调制单元1的输出端经一电光调制器1与一偏振合束器的一合束输入端连接、且电光调制器1的控制端经一上变频器1与一 0FDM/SCFDM发射机连接，所述载波调制单元2的输出端经一电光调制器2 与所述偏振合束器的另一合束输入端连接、且电光调制器2的控制端经一上变频器2与一 0FDM/SCFDM发射机连接；其中，所述载波调制单元1的输出频率与所述载波调制单元的输出频率之间具有一频率间隔，使得经所述偏振合束器输出的信号为偏振交织信号；所述ONU单元包括一偏振分束器、一 MIMO接收机，所述偏振分束器的两分束输出端分别依次经一光接收机、一 0FDM/SCFDM接收机与所述MIMO接收机连接；其中，所述MIMO 接收机采用2 X 2MIM0均衡算法。上述系统中，在所述光接收机中设有一低通滤波器，用于对输入信号进行滤波。上述系统中，所述载波调制单元1、所述载波调制单元2分别为一可调谐激光器。与现有技术相比，本发明技术方案带来的有益效果为本发明采用偏振交织降低了系统对光、电器件带宽的需求，以及MIMO均衡算法的复杂度，实现了 40-Gb/s及以上速率SCFDM-P0N/0FDM-P0N的传输。用简单的2X2MIM0算法克服了光纤传输中偏振旋转引入的偏振串扰问题。由于当前光、电器件带宽的限制，特别是ADC/DAC器件，普通的方案无法实现 40-Gb/s及更高的速率的SCFDM-P0N/0FDM-P0N，本发明采用偏振交织技术很好地解决了这一难题。相较于NEC实验室提出的偏振复用方案，本发明的MIMO均衡算法的复杂性较低。 NEC实验室的偏振复用方案只适用于单边带传输，而本发明的偏振交织方案既适用于单边带传输，也适用于双边带传输。
图1.无源光网络体系结构；图2. WDM-PON接入网结构；图3. OFDM与SCFDM基带电数字信号处理流程图；(a)发射端OFDM基带电数字信号处理，(b)接收端的OFDM基带电数字信号处理，(c)发射端SCFDM基带电数字信号处理，(d)接收端的SCFDM基带电数字信号处理，图 4. 0FDM-P0N/SCFDM-P0N 的系统结构框图；图5基于偏振复用的0FDMA-P0N的OLT端结构；图6.基于偏振复用的0FDMA-P0N的OLT端结构中关键节点a e的频谱图；图7.基于偏振复用的0FDMA-P0N的ONU端结构；图8.本发明基于偏振交织的0FDM-P0N/SCFDM-P0N系统的OLT单元；
图9.本发明基于偏振交织的0FDM-P0N/SCFDM-P0N系统的ONU单元；图10.基于偏振交织的0FDM-P0N/SCFDM-P0N系统结构中关键节点a h的频谱结构。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明进行进一步详细描述本发明技术提出一种偏振交织的基于0FDM/SCFDM的PON系统结构，系统的OLT单元结构如图8所示，系统的ONU单元结构如图9所示。在OLT端，两个具有一定频率间隔的光载波(频率间隔为fo)分别携带上变频(f。)的0FDM/SCFDM信号，图8中a、b处的频谱如图10(a)与(b)所示。偏振合束器将两路正交信号合为一路，c点处的频谱如图10(c)所示。为了实现偏振交织，两个光载波的频率间隔应该满足& > ^f2, fi与f2分别代表信号频谱最远端与其光载波的频率间隔。该方案不但适用于单边带传输，也适用于双边带传输。 为实现单边带传输，需在发射端使用一个光滤波器滤除每一路的一个边带，d点处的频谱如图10(d)所示。在接收端，偏振分束后的信号分别通过接收机实现光电转换。偏振交织的信号，在普通单模光纤中传输时，偏振状态会发生不确定性的旋转，因此，偏振分束后，X路信号含有来自Y路的串扰分量，Y路亦有来自X路的串扰，e、f点处的频谱如图10(e)与(f) 所示。光电转换后，高频串扰信号可由低通滤波器滤除，g、h点处的频谱如图10(g)与(h) 所示，而低频串扰分量可由MIMO接收机中的DSP均衡算法有效消除。为了解决偏振串扰问题，NEC实验室的PDM方案(即图7中的MIMO接收机)中采用了复杂的4X 4MIM0算法，而我们的偏振交织方案采用了简单的2 X 2MIM0算法，其与偏振复用的基于相干接收机的OFDM系统相同。因此，偏振交织的使用，大大降低接收机MIMO算法的复杂度。该方案最为关键的一点是，X、Y两路正交信号的频谱分量是不交叠的，即偏振交织的。偏振交织是本领域WDM系统中常用的技术，但与波分复用系统中的偏振交织不同的是，该方案中两路正交信号仍然在同一个信道中。
权利要求
1.一种偏振交织的0FDM/SCFDM无源光网络系统，包括OLT单元和ONU单元，所述OLT 单元与所述ONU单元通过光纤网络连接，采用单边带传输时，其特征在于所述OLT单元包括载波调制单元1、载波调制单元2 ；所述载波调制单元1的输出端经一电光调制器1与一偏振合束器的一合束输入端连接、且电光调制器1的控制端经一上变频器1与一 0FDM/SCFDM 发射机连接，所述载波调制单元2的输出端经一电光调制器2与所述偏振合束器的另一合束输入端连接、且电光调制器2的控制端经一上变频器2与一 0FDM/SCFDM发射机连接；所述偏振合束器的合束输出端与一滤波器连接；其中，所述载波调制单元1的输出频率与所述载波调制单元的输出频率之间具有一频率间隔，使得经所述偏振合束器输出的信号为偏振交织信号；所述ONU单元包括一偏振分束器、一 MIMO接收机，所述偏振分束器的两分束输出端分别依次经一光接收机、一 0FDM/SCFDM接收机与所述MIMO接收机连接；其中，所述MIMO接收机采用2X2MIM0均衡算法。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述光接收机中设有一低通滤波器，用于对输入信号进行滤波。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于所述载波调制单元1、所述载波调制单元 2分别为一可调谐激光器。
4.一种偏振交织的0FDM/SCFDM无源光网络系统，包括OLT单元和ONU单元，所述OLT单元与所述ONU单元通过光纤网络连接，采用双边带传输时，其特征在于所述OLT单元包括载波调制单元1、载波调制单元2 ；所述载波调制单元1的输出端经一电光调制器1与一偏振合束器的一合束输入端连接、且电光调制器1的控制端经一上变频器1与一 0FDM/SCFDM发射机连接，所述载波调制单元2的输出端经一电光调制器2与所述偏振合束器的另一合束输入端连接、且电光调制器2的控制端经一上变频器2与一 0FDM/SCFDM发射机连接；其中， 所述载波调制单元1的输出频率与所述载波调制单元的输出频率之间具有一频率间隔，使得经所述偏振合束器输出的信号为偏振交织信号；所述ONU单元包括一偏振分束器、一 MIMO接收机，所述偏振分束器的两分束输出端分别依次经一光接收机、一 0FDM/SCFDM接收机与所述MIMO接收机连接；其中，所述MIMO接收机采用2X2MIM0均衡算法。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于所述光接收机中设有一低通滤波器，用于对输入信号进行滤波。
6.如权利要求4或5所述的系统，其特征在于所述载波调制单元1、所述载波调制单元 2分别为一可调谐激光器。
全文摘要
本发明公开一种偏振交织的OFDM/SCFDM无源光网络系统，属于光通信领域。本系统单边带传输时，OLT单元包括载波调制单元1、2；载波调制单元1经一电光调制器1与一偏振合束器的一合束输入端连接、且电光调制器1的控制端经一上变频器1与一发射机连接，载波调制单元2经电光调制器2与偏振合束器另一合束输入端连接、且电光调制器2经一上变频器2与一发射机连接；偏振合束器的合束输出端与一滤波器连接；其中，所述载波调制单元1的输出频率与所述载波调制单元的输出频率之间具有一频率间隔；ONU单元包括一偏振分束器、一MIMO接收机，MIMO接收机采用2×2MIMO均衡算法。本发明克服了偏振串扰问题，提高了传输带宽。
文档编号H04Q11/00GK102237977SQ20111018727
公开日2011年11月9日 申请日期2011年7月5日 优先权日2011年7月5日
发明者何咏琪, 李巨浩, 林邦姜, 陈章渊 申请人:北京大学