汪 敏， 張倩武， 張 林， 宋英雄， 李迎春， 林如儉

(上海大學(xué)特種光纖與光接入網(wǎng)省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200072)

目前，光纖干線與核心網(wǎng)的傳輸速率已經(jīng)超過(guò)Tbit/s，單波長(zhǎng)傳輸速率已經(jīng)超過(guò)40 Gbit/s，并正在向100 Gbit/s乃至更高速率邁進(jìn).100 Gbit/s以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3ba和112 Gbit/s光傳送網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn) ITU-T G.709 OTN OUT4已經(jīng)出臺(tái)，隨著100 Gbit/s以太網(wǎng)和光接口的發(fā)展，光纖接入網(wǎng)也必然會(huì)向更高速率(≥100 Gbit/s)延伸，并在未來(lái)與Tbit/s核心網(wǎng)的發(fā)展相呼應(yīng).

基于PON技術(shù)的接入網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)商用多年，并且已逐漸成為下一代寬帶接入網(wǎng)絡(luò)的主流解決方案.傳統(tǒng)的PON接入網(wǎng)是基于時(shí)分復(fù)用(time-division multiplexing，TDM)以及時(shí)分復(fù)用多址(time division multiple access，TDMA)的，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)速率達(dá)到100 Gbit/s或更高時(shí)，集成電路技術(shù)遇到了瓶頸，上行突發(fā)發(fā)送/接收技術(shù)和針對(duì)不同業(yè)務(wù)的帶寬調(diào)度技術(shù)也遇到諸多難題.

基于波分復(fù)用的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(wavelength-division multiplexing-PON，WDM-PON)缺少適合各種業(yè)務(wù)的波長(zhǎng)以下粒度的子帶寬調(diào)度技術(shù).WDM-PON技術(shù)基本上是一種光接入網(wǎng)的物理層技術(shù)，它對(duì)各種媒質(zhì)訪問(wèn)控制(media access control，MAC)層協(xié)議透明.當(dāng)采用波分多址(wavelength division multiple access，WDMA)MAC協(xié)議時(shí)，調(diào)度的是波長(zhǎng)通道.如果該波長(zhǎng)通道上傳輸?shù)氖歉咚俚亩喾N業(yè)務(wù)的匯聚數(shù)據(jù)流，則波長(zhǎng)調(diào)度不能實(shí)現(xiàn)不同速率和服務(wù)質(zhì)量(quality of service，QoS)要求的各種業(yè)務(wù)流的獨(dú)立調(diào)度;如果該波長(zhǎng)只攜帶單獨(dú)的業(yè)務(wù)流，則波長(zhǎng)通道的大容量能力會(huì)被閑置和浪費(fèi)［1］.因此，工業(yè)界正在發(fā)展基于TDMA MAC協(xié)議的WDM/TDM混合PON技術(shù)，但在單波長(zhǎng)速率和光接口上仍然受限于TDM技術(shù).

OFDM技術(shù)是一種頻譜效率很高的多載波并行數(shù)字傳輸技術(shù)，多年來(lái)已經(jīng)應(yīng)用到通信領(lǐng)域的各個(gè)方面，歷經(jīng)從銅線到無(wú)線，再到光纖的發(fā)展過(guò)程.2005年，OFDM技術(shù)從電域進(jìn)入光域，成為一個(gè)極熱門的研究領(lǐng)域，并已成功應(yīng)用于高速干線光傳輸系統(tǒng).光正交頻分復(fù)用(optical-OFDM，O-OFDM)技術(shù)是一種最新的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，它具有頻譜效率高、抗窄帶干擾能力強(qiáng)、抗信道色散能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).

基于O-OFDM的超大容量PON(如100 Gbit/s)技術(shù)因其突出的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為下一代接入網(wǎng)的優(yōu)選方案之一.該技術(shù)利用子載波群正交特性發(fā)展出的基于正交頻分多址(orthogonal frequency-division multiple access，OFDMA)媒質(zhì)訪問(wèn)規(guī)約的OFDMAPON，可以靈活地提供各種各樣的業(yè)務(wù)，且實(shí)現(xiàn)成本較低.2007年9月，NEC公司美國(guó)實(shí)驗(yàn)室首次提出了基于OFDMA原理的10 G-PON結(jié)構(gòu)［2］，該結(jié)構(gòu)通過(guò)離散傅里葉變換對(duì)(IFFT/FFT)實(shí)現(xiàn)了正交子載波的同時(shí)傳輸.在上行方向，多個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元(optical network unit，ONU)同時(shí)與一個(gè)光線路終端(optical line terminal，OLT)通信而互不干擾，并能透明地支持各種各樣的應(yīng)用，以及在這些應(yīng)用之間動(dòng)態(tài)地分配帶寬.之后，各個(gè)國(guó)家的學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)紛紛投入到OFDM-PON的研究當(dāng)中［3-5］.

然而，OFDM-PON物理層的許多問(wèn)題還沒(méi)有得到很好解決，比如缺少完備的上下行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、超高速光信號(hào)處理方法，以及如何實(shí)現(xiàn)上行光源無(wú)色化等.本研究提出了一種全光OFDM-PON網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該架構(gòu)可以提供100 Gbit/s的接入速率，在對(duì)該架構(gòu)進(jìn)行深入的理論分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)仿真進(jìn)行了驗(yàn)證.

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本研究提出的OFDM-PON系統(tǒng)由1個(gè)OLT，10個(gè)ONU和其間的光配線網(wǎng)絡(luò)(optical distribution network，ODN)組成，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示.傳輸距離20 km，下行傳輸速率≥100 Gbit/s，上行傳輸速率40 Gbit/s(平均每個(gè)ONU 4 Gbit/s).系統(tǒng)工作波長(zhǎng)在C波段.OLT光發(fā)送機(jī)采用由一個(gè)外諧振腔激光器(external cavity laser，ECL)驅(qū)動(dòng)的梳狀光譜發(fā)生器，OLT光接收機(jī)采用數(shù)字相干檢測(cè).

本架構(gòu)在OLT，ONU兩端都采用相干檢測(cè)技術(shù)，本振光源均由中心化梳狀光譜發(fā)生器提供.本架構(gòu)使用反射式半導(dǎo)體光放大器 (reflective semiconductor optical amplifiers，RSOA)作為上行信號(hào)調(diào)制器，以低成本地實(shí)現(xiàn) ONU的無(wú)色化.OOFDM技術(shù)的發(fā)展方向是全光OFDM，因?yàn)樗梢援a(chǎn)生非常大的通信容量.而在全光OFDM-PON中，波長(zhǎng)重用的無(wú)色光源技術(shù)遇到了下行數(shù)據(jù)干擾上行數(shù)據(jù)的基本難題.如果在OLT中采用密集的激光器陣列，則既可以直接產(chǎn)生O-OFDM，又可以為ONU提供純凈的上行光源，但是成本高昂.而梳狀光譜發(fā)生器因其良好的波長(zhǎng)相干性，在相干光源方面得到了越來(lái)越多的應(yīng)用［6-7］.本研究利用自行研發(fā)的梳狀光譜發(fā)生器作為中心化光源［8-9］，譜線頻率間隔12.5 GHz，譜線總數(shù)16，線寬1 MHz.下行采用5個(gè)波長(zhǎng)，上行采用10個(gè)波長(zhǎng)，1個(gè)波長(zhǎng)備用.

對(duì)下行的每根譜線進(jìn)行符號(hào)率為6.25 Gbit/s的光調(diào)制，調(diào)制格式為16QAM，直接產(chǎn)生總速率為125 Gbit/s的光頻OFDM信號(hào).按下行5個(gè)波長(zhǎng)計(jì)算，每根譜線的符號(hào)率應(yīng)為6.25 Gbit/s，6.25×4× 5=125 Gbit/s.中心化梳狀光源為ONU提供10個(gè)純凈的光波，用于上行數(shù)據(jù)調(diào)制，它們不僅可以滿足對(duì)上行光源的低成本和無(wú)色化的要求，還可完全解決下行數(shù)據(jù)干擾上行數(shù)據(jù)的問(wèn)題.同時(shí)，將該光波作為下行已調(diào)光波相干檢測(cè)的本振光波，在OFDMPON的ONU端使用相干解調(diào).在OLT端將純凈的上行光波分光、放大后作為上行O-OFDM信號(hào)相干檢測(cè)所需的本振光波，這樣可大大提高OFDM-PON上行的接收靈敏度，并使O-OFDM到射頻OFDM的下變頻得到簡(jiǎn)化.

圖1 基于中心化梳狀光源的OFDM-PON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Proposed OFDM-PON architecture based on centralized comb source

2 上下行鏈路分析

下行方向16路梳狀光譜發(fā)生器的輸出經(jīng)波道間隔為12.5 GHz的超密集分波器后，形成16路光波，其中5路用于下行數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制，10路空閑光波與5路已調(diào)光波由超密集合波器合成后，經(jīng)摻鉺光纖放大器(erbium doped fiber amplifier，EDFA)放大成為OLT的O-OFDM發(fā)送信號(hào)，波長(zhǎng)λ2，λ5，λ8，λ11，λ14用于攜帶下行數(shù)據(jù)信號(hào).每路數(shù)據(jù)信號(hào)的比特率為25 Gbit/s，5路總比特率為125 Gbit/s.其余10路空閑波長(zhǎng) λ1，λ3，λ4，λ6，λ7，λ9，λ10，λ12，λ13，λ15預(yù)留給ONU用于上行數(shù)據(jù)調(diào)制.鑒于超密集波分復(fù)用器一個(gè)波道內(nèi)的響應(yīng)曲線不平坦，因此，對(duì)于25 Gbit/s下行數(shù)據(jù)，調(diào)制應(yīng)取 16QAM(符號(hào)率6.25 Gbaud/s)，并通過(guò)鈮酸鋰IQ光調(diào)制器來(lái)實(shí)現(xiàn).下行發(fā)送光譜如圖2所示.圖中16QAM光譜旁邊的一條邊頻譜線是下行的信令子載波，也在下行調(diào)制時(shí)作為導(dǎo)頻插入.

圖2 下行鏈路波長(zhǎng)分配Fig.2 Wavelength allocation for downstream

下行光信號(hào)經(jīng)光纖鏈路以及分光器分別達(dá)到10個(gè)ONU.在每個(gè)ONU先用分路器將一個(gè)已調(diào)光信號(hào)(如λ2)和一個(gè)純凈光波(如λ1)注入光探測(cè)器，在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換時(shí)完成2個(gè)光波的差拍，形成中心頻率在12.5 GHz的已調(diào)信號(hào)和頻率為12.5 GHz的純凈載波.進(jìn)一步通過(guò)16QAM相干解調(diào)還原出基帶數(shù)據(jù).接收光波的另一部分被光濾波器取出純凈光波(如λ1)注入給RSOA，用于上行數(shù)據(jù)調(diào)制.這時(shí)，接收到的電場(chǎng)和光強(qiáng)分別如下：

式中，ωc1=2πfc1，fc1為純凈光波的頻率，φ1和φ2為相應(yīng)的光波相位，ωc2=2π(fc1+δf)，(fc1+δf)為下行已調(diào)光波的中心頻率，δf=12.5 GHz.在ONU中的光探測(cè)器輸出端，可得到頻率為12.5 GHz的微波，以及載波頻率為12.5 GHz的16QAM信號(hào)，經(jīng)相干解調(diào)把12.5 GHz的16QAM信號(hào)解調(diào)到基帶，還原出25 Gbit/s數(shù)據(jù).

本研究使用VPI Transmission Maker v8.6軟件對(duì)下行鏈路進(jìn)行仿真分析，經(jīng)過(guò)OLT調(diào)制的全光OFDM信號(hào)頻譜如圖3所示.16個(gè)光載波的譜線間隔為12.5 GHz，其中5個(gè)光載波上調(diào)制有下行信號(hào)，與其余純凈的光載波一同送入光纖鏈路.圖4是經(jīng)過(guò)20 km光纖鏈路傳輸后ONU端接收已解調(diào)星座圖.由圖可以看出，ONU接收端可以很好地恢復(fù)發(fā)送信號(hào).

圖3 下行鏈路全光OFDM信號(hào)光譜Fig.3 Optical spectrum of downstream all-optical OFDM signal

圖4 下行信號(hào)16 QAM星座圖Fig.4 Constellation diagram of downlink 16 QAM signal

在上行方向，數(shù)據(jù)流先經(jīng)OFDM調(diào)制器處理，然后對(duì)RSOA接收和反射的純凈光載波施加調(diào)制，將產(chǎn)生的雙邊帶O-OFDM信號(hào)向OLT發(fā)送.由于RSOA需要實(shí)信號(hào)輸入，故在OFDM信號(hào)產(chǎn)生時(shí)使用的IFFT點(diǎn)數(shù)為128，其中64點(diǎn)承載原始數(shù)據(jù)的共軛值.經(jīng)光分路器進(jìn)入光纖鏈路的上行光波的頻譜分配如圖5所示.

由于RSOA的帶寬只有1.5 GHz，其中設(shè)置了64個(gè)子載波，故相鄰子載波的頻率間隔為23.437 5 MHz，符號(hào)率為23.437 5 Mbaud/s.考慮到光濾波器的過(guò)渡響應(yīng)，將實(shí)際用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捜? 383 MHz，可容納58個(gè)子載波.所設(shè)計(jì)的2個(gè)ONU的上行光波被1個(gè)OLT光探測(cè)器接收、1個(gè)OFDM解調(diào)器解調(diào)、1個(gè)MAC控制器處理，以實(shí)現(xiàn)2個(gè)ONU的頻率資源共享.也就是說(shuō)，當(dāng)1個(gè)ONU的子載波不用之時(shí)，可對(duì)另1個(gè)ONU加以利用.因此，1個(gè)ONU發(fā)送的子載波數(shù)最少為1個(gè)，最多為58個(gè).當(dāng)采用BPSK-64QAM調(diào)制時(shí)，1個(gè)ONU的發(fā)送速率最低為1×1×23.437 5 Mbit/s，最高為58×6× 23.437 5 Mbit/s=8.156 Gbit/s，每個(gè)ONU的平均發(fā)送速率約為4.09 Gbit/s.1個(gè)ONU的OFDM信號(hào)中另外安排1個(gè)子載波用于信令傳輸.

圖5 上行鏈路波長(zhǎng)分配Fig.5 Wavelength allocation for upstream

式中，第一項(xiàng)是電場(chǎng)振幅為El的本振波(波長(zhǎng)為λ2)，第二項(xiàng)是ONU1的電場(chǎng)振幅為Ec1的光載波(波長(zhǎng)為λ1)，第三項(xiàng)是ONU1的OFDM1上邊帶信號(hào)，第四項(xiàng)是ONU1的OFDM1下邊帶信號(hào)，第五項(xiàng)是ONU2的電場(chǎng)振幅為Ec2的光載波(波長(zhǎng)為λ3)，第六項(xiàng)是ONU2的OFDM2上邊帶信號(hào)，第七項(xiàng)是ONU2的OFDM2下邊帶信號(hào).為了避免OFDM1信號(hào)與OFDM2信號(hào)的相互干擾，應(yīng)使它們的子載波頻點(diǎn)錯(cuò)開(kāi).

光探測(cè)器的輸出光電流為I(t)∝0.5E2(t)，其中的差頻項(xiàng)為信號(hào)項(xiàng)(為較強(qiáng)的本振光所加強(qiáng))，表達(dá)式如下：

在光探測(cè)器產(chǎn)生的中心頻率在12.5 GHz的雙邊帶OFDM信號(hào)和頻率為12.5 GHz的純凈載波如圖6所示.進(jìn)一步經(jīng)OFDM解調(diào)即可恢復(fù)出2個(gè)ONU發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)，它們是共享1.5 GHz帶寬的，帶寬分配受MAC層控制.

圖6 光相干檢測(cè)產(chǎn)生的中頻OFDM信號(hào)Fig.6 Intermediate frequency OFDM signal produced by optical coherent detection

經(jīng)過(guò)對(duì)上行鏈路進(jìn)行仿真分析，可以得到OFDM-PON上行信號(hào)的光譜如圖7所示.可以看到，通帶內(nèi)頻譜響應(yīng)并不平坦，這是由RSOA自身頻率特性決定的.使用廉價(jià)的RSOA替代昂貴的鈮酸鋰調(diào)制器作為上行數(shù)據(jù)調(diào)制的方案，對(duì)價(jià)格敏感的接入網(wǎng)來(lái)說(shuō)具有非常重要的意義.如果需要更高的傳輸速率或者更平坦的帶內(nèi)響應(yīng)，可以將上行光調(diào)制器從RSOA升級(jí)到反射式電吸收調(diào)制器(reflective electro-absorption modulators，REAM)+SOA，同時(shí)調(diào)制信號(hào)加到 REAM電極，即可突破調(diào)制帶寬1.5 GHz的局限而達(dá)到10 GHz量級(jí)，上行傳輸速率也可升級(jí)到100 Gbit/s.圖8是OLT端接收到的上行信號(hào)在16QAM調(diào)制情況下的解調(diào)星座圖.由圖可以看出，系統(tǒng)具有良好的上行數(shù)據(jù)傳輸性能.

圖7 上行鏈路RSOA調(diào)制信號(hào)光譜Fig.7 Optical spectrum of uplink modulation by RSOA

圖8 上行信號(hào)16 QAM解調(diào)星座圖Fig.8 Constellation diagram of uplink 16 QAM signal

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出了一種基于中心化梳狀光源的OFDM-PON接入網(wǎng)架構(gòu)，本系統(tǒng)為高速上下行數(shù)據(jù)接入、動(dòng)態(tài)帶寬分配、超高速光信號(hào)處理以及上行光源無(wú)色化等問(wèn)題提供了良好的解決方案.

本系統(tǒng)使用平坦梳狀光譜發(fā)生器作為多波長(zhǎng)中心化光源，為上下行數(shù)據(jù)鏈路提供光載波，同時(shí)為OLT及ONU提供相干性的本振光.本系統(tǒng)可進(jìn)行低成本的上下行鏈路光相干檢測(cè)，以提高光接收靈敏度.最后，通過(guò)仿真驗(yàn)證了本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)下行速率125 Gbit/s、上行速率40 Gbit/s的穩(wěn)定傳輸.

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