基于OFDM的WDM-PON系统及下行数据传输方法

摘要

本发明提供一种具有更长传输距离的，有效抑制FWM效应的基于OFDM的波分复用无源光网络的下行数据传输方法，以及实现该方法的系统。光线路终端的各下行发送模块对下行数据流进行OFDM调制，将生成的基带OFDM信号上变频至光域形成下行光信号；光线路终端中各下行发送模块输出的下行光信号的波长均不同，光复用/解复用器将各下行发送模块输出的下行光信号复用为一路光信号；下行发送模块在进行OFDM调制时，空置位于OFDM频带的中心部分的子载波。下行发送模块在进行OFDM调制时，将FWM分量严重的中心频带空置，不再用于承载有效数据，因此受到的FWM效应影响较小，FWM产生分量的功率大大降低。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及波分复用无源光网络的传输性能。

背景技术

PON(PON：Passive Optical Network，无源光网络)中包括光线路终端(OLT：Optical  Line Terminal)、光网络单元(ONU：Optical Network Units)。OLT位于中心局(CO：Central  Office)，OLT与ONU之间是无源的，无需提供任何功率。

无源光网络中，常见的有时分复用PON(TDM-PON)和波分复用PON(WDM-PON)系统。相比 TDM-PON，WDM-PON在实现长距离、大覆盖范围的传输上更具优势。当升级PON以支持更多的 用户时，TDM-PON中的插入损耗增加，而WDM-PON不变。因此，WDM-PON在升级用户数量时， 功率损耗并没有增加，这对实现长距离、大覆盖范围的PON非常重要。PON的传输距离、覆 盖范围增加了，就意味着减少了城域网和ONU之间的中央节点(CO)的数量，从而进一步节 省了接入网的成本，而且通过减少数据的转接次数可以增强QoS(服务质量)。

WDM-PON中，各个ONU工作在不同的波长上，WDM-PON为针对每个用户的上行、下行传 输均分配一个波长，位于CO的OLT向各ONU发送数据的下行传输中，多个不同的波长的下行 光信号通过波分复用器件复用在同一根光纤中，每一个波长在CO和ONU之间建立了点对点连 接，即WDM-PON在点对多点的物理网络架构中实现了点到点的连接。在WDM-PON中，每个用 户可以单独占有分配给它的波长带宽。各ONU通过远端节点(RN：Remote Node)与OLT相连。 远端节点为一个光复用/解复用器(如列阵波导光栅AWG：Arrayed Waveguide Grating)。光 复用/解复用器可以将单根光纤中的多个波长耦合至各自的传输光纤上，也可以将用户端多根 光纤上的不同波长耦合进同一根光纤上进行传输。

一个典型的WDM-PON系统，如图1所示，ONU总数为N，OLT包含有一个光复用/解复用 器以及对应ONU个数的N组下行发送模块与上行接收模块；各ONU单元包括N组下行接收模 块与上行发送模块。每个下行发送模块包括下行激光器、光调制器。每个上行接收模块包括 上行接收机，为ONU的上行提供的光载波可由接收到的下行光信号提供，无需在上行接收模 块中专门使用激光器。另外，上行接收可以使用直接探测或相干探测的方式。当采用直接探 测时，上行接收模块中直接设置探测模块。当采用相干探测时，上行接收模块中需设置本地 激光器以及混频、探测模块。ONU的上行光载波由接收到的下行光信号提供，通过一个半导 体光放大器SOA放大后作为上行的光载波，将数据通过强度调制后的光信号作为上行信号。 OLT的下行发送模块中的激光器(下行光激光器)将光输入至光调制器为下行数据提供光载 波，待发送的数据对光载波进行调制形成光信号。来自不同下行发送模块的光信号经光复用 器复用为一路下行光信号经光放大器进行功率放大处理后发送至远端节点。传输下行光信号 时，远端节点对接收到的光信号进行解复用。各ONU的下行接收模块针对不同波长使用不同 的探测器来进行光信号的解调。各ONU的上行发送模块利用接收到的光载波再生成上行光信 号。各上行发送模块发送的上行光信号经远端节点复用为一路上行光信号发送至OLT的上行 接收模块。

由于受到传输距离的限制，每个WDM-PON的远端节点只能布置在ONU相对集中的地方， 而距此较远的部分ONU单元则需加入新的远端节点，甚至因传输距离较远必须建立新的 WDM-PON网络才能实现数据传输，这必然增加了网络运营商的运营和维护成本，同时也造成 了WDM-PON网络的资源浪费。并且，由于WDM-PON不能也缺乏网络布置的灵活性，不利于新 用户的接入和新型服务的转换。

另一方面，随着正交频分复用(OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 技术的发展，其高频谱利用效率、大色散容限使它已经成为更有效的调制方式。将OFDM调制 应用到WDM-PON中，即在数据发送端进行光调制时使用经OFDM调制模块生成的OFDM数据来 调制光载波，在数据接收端使用OFDM解调模块恢复出原始数据流。基于OFDM的WDM-PON不 仅可以继承传统WDM-PON的各种优势，还可以动态调整各ONU所占用的带宽，既满足用户服 务所需带宽要求也不会造成带宽的浪费，同时提高抗噪声能力，增强数据传输性能。

但是，在将OFDM调制应用在WDM-PON系统时，四波混频(FWM：Four-Wave Mixing)效 应成为系统性能的一个主要限制因素，因为WDM-PON中通常会使用光放大器，使得入纤光功率 较高，FWM效应串扰的物理起源和由此导致的系统性能下降可以这样理解：只要频率为ω_i，ω_j和ω_k的三个光波同时在光纤中传输，FWM就能在频率ω_F＝ω_i±ω_j±ω_k处产生新的波。对于一 个OFDM频带内包含N个子载波的OFDM系统，i，j和k均在1至N的范围内变化，导致了FWM 产生的新频率的大量组合，FWM分量M的个数按N²(N-1)/2增长，如此大量频率分量，将导 致很大的功率转换效率，降低信道功率，信道功率的耗尽会增长误码率(BER：Bit Error Rate)。 此外FWM本身就是信道间的串音，即一个信道的信息对另一个信道的干扰。

在传统的WDM-PON系统中，FWM效应并不突出。WDM信道的典型频率间隔是50GHz，本 地光纤色散的一般值就足以消除FWM效应的影响。但使用了OFDM调制之后，尽管标准单模光 纤有着较大的群速度色散(GVD：Group-velocity Dispersion)值，但是OFDM子载波间隔可 以小到几MHz，子载波个数可以达到上百个，当光功率较大时，FWM效应明显，对系统传输性 能的影响较大。WDM-PON系统中，由于OLT的下行传输中直接采用激光器提供光载波，并在 传输下行光信号时使用了光放大器，使得下行传输的开始部分光功率比较大，下行传输中受 到FWM影响较大。上行的光信号是采用接收到的光信号进行调制，这个时候光功率已经比较 小了，FWM影响可以不用考虑。上行传输时，如要想使得传输距离更远，需要提高入纤光功 率，但是这样又会加重FWM效应，影响数据传输质量。

因此，要使得基于OFDM的WDM-PON系统达到最佳的传输，让远端节点到ONU传输距离更 远，传输覆盖范围更大，需要抑制下行传输时的FWM效应。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有更长传输距离的，有效抑制FWM效应的基 于OFDM的波分复用无源光网络的下行数据传输方法，以及实现该方法的系统。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，基于OFDM的WDM-PON系统的下行数据 传输方法，包括：

光线路终端的各下行发送模块对下行数据流进行OFDM调制，将生成的基带OFDM信号上 变频至光域形成下行光信号；光线路终端中各下行发送模块输出的下行光信号的波长均不同， 光复用/解复用器将各下行发送模块输出的下行光信号复用为一路光信号；下行发送模块在进 行OFDM调制时，空置位于OFDM频带的中心部分的子载波；

远端节点将下行光信号解复用后传送至各光网络单元；

各光网络单元的下行接收模块对接收到的下行光信号进行探测接收，将下行光信号变换 至电域，滤出承载有效数据的OFDM频带，再在频域进行OFDM解调恢复出下行数据流。

本发明利用在OFDM调制空置位于OFDM频带的中心部分的子载波，来达到抑制FWM效应 的效果，基于申请人对基于OFDM的系统中FWM效应的分析：

假设OFDM系统各子载波功率为P_SC，由频率为ω_i，ω_j和ω_k的三个子载波在光纤中传输时 产生的FWM分量的功率为P_ijk，它们之间的近似关系如下：

$P_{\mathrm{ijk}}\approx \frac{{D_{\mathrm{ijk}}}^2}{9}{\left(\gamma L_{\mathrm{eff}}\right)}^2{P_{\mathrm{SC}}}^3---\left(1.1\right)$

其中，D_ijk是简并因子(包括非简并FWM的简并因子、简并FWM的简并因子)，非简并(NDG： Non-degenerate)FWM的D_ijk＝6，简并(DG：Degenerate)FWM的D_ijk＝3，L_eff为光纤有效长 度，γ为光纤非线性系数。

$\gamma =\frac{2\pi n_2}{\lambda A_{\mathrm{eff}}}---\left(1.2\right)$

其中，n₂是光纤材料的非线性系数，A_eff是光纤有效纤芯面积。

在OFDM基带中，子载波个数N³？N²，因此，由FWM产生的频率分量个数M满足： M ≈N³/2。每个OFDM子载波上的平均FWM分量功率P_FWM/SC为：

$P_{\mathrm{FWM}/\mathrm{SC}}=\frac{M}{N}{P}_{\mathrm{ijk}}---\left(1.3\right)$

电信号的品质因素q_elec有如下关系：

${q_{\mathrm{elec}}}^2=\frac{P_{\mathrm{SC}}}{P_{\mathrm{FWM}/\mathrm{SC}}}---\left(1.4\right)$

P_total为系统总的发射功率，且P_total＝N·P_SC，则根据式错误！未找到引用源。～式 错误！未找到引用源。可以得到品质因素q_elec的如下关系式：

${q_{\mathrm{elec}}}^2=\frac{18}{{D_{\mathrm{ijk}}}^2{\left(\gamma L_{\mathrm{eff}}{P}_{\mathrm{total}}\right)}^2}---\left(1.5\right)$

图2为FWM分量在OFDM频带外与OFDM频带内上的分布示意图，在整个OFDM频带带宽内， 共有512个子载波。从图2看出，DG在OFDM频带内对于各子载波的影响是均等的，因此， 此处只考虑NDG对各子载波的影响，D_ijk＝6，于是：

${q_{\mathrm{elec}}}^2=\frac{1}{2{\left(\gamma L_{\mathrm{eff}}{P}_{\mathrm{total}}\right)}^2}---\left(1.6\right)$

从式(1.6)可以看出，品质因素q_elec与OFDM子载波个数无关，而是依赖于光纤的非线 性系数以及系统的发射功率。

从图2看出，OFDM频带中心部分的FWM分量个数是频带边缘FWM分量个数的1.5倍，由 Q(dB)＝20log₁₀(q_elec)可知，频带中心处的品质因素下降了约1.7dB。

本发明基于上述分析，下行发送模块在进行OFDM调制时，将FWM分量严重的中心频带空 置，不再用于承载有效数据，由于其功率为0，因此受到的FWM效应影响较小，FWM产生分量 的功率大大降低。从而使得系统提高入纤光功率后，也不易受到FWM效应影响。在下行数据 接收端(ONU)，空置频带处的FWM分量不足以影响到传输数据的子载波信息的接收，降低了 系统接收的误码率。虽然，因减少了传输数据的子载波数，系统总速率将会降低，但是由于 光功率的提高，系统传输距离将增加。

另一方面在调整传输速率时OFDM能够避开噪声的影响。如图3(a)所示，使用传统的 单载波WDM-PON系统，在降低传输速率时，由于硬件限制，接收机的带宽将保持不变而不是 相应减少。因此，尽管信号速率降低，占用的接收机带宽(f_REC)减少，即，信号带宽(Bs) 减少，但接收机的噪声带宽(Br)不变，这就导致了单载波系统在降低传输速率时，接收机 无法针对低速率信号进行接收带宽f_REC的优化。但是基于OFDM的的多载波系统可以避免这个 问题，本发明中OFDM通过减少子载波数目来实现降低速率。同时在下行接收模块中对子载波 解调是在频域完成的，被空置的子载波处的噪声不会影响传输数据的子载波，因此在降低速 率的情况下，下行接收模块也能够针对噪声来进行接收带宽的优化。单载波在频域上表现为 一个辛格(sinc)函数，而OFDM信号在频域上比较平坦，近似于一个升余弦窗。在下行接收 端，当信号带宽与探测器带宽相差不大时，两者都要受探测器噪声的影响。当传输速率降低， 信号带宽减小，占用部分探测器带宽时，对于单载波传输系统，由于数据流恢复是在时域进 行的，探测器带宽内的噪声都会对探测接收产生影响；而对于基于OFDM的系统，数据流恢复 在频域中进行，从图3(b)可以看出，OFDM信号频带外的功率谱密度下降较快，在对接收信 号进行数据流恢复前，提取出OFDM频带内的有效信号，将OFDM频带外的噪声信号直接滤掉， 仅有效信号带宽部分的探测噪声会对信号造成影响。

进一步的，下行发送模块在进行OFDM调制时，将OFDM频带的中心之外的部分频带采用 均匀或非均匀的方式空置。

进一步的，下行发送模块在进行OFDM调制时，根据其对应的光网络单元与远端节点的距 离来调整空置率；对应的光网络单元与远端节点的距离越大，空置率越高。即，根据信道质 量以及传输距离需求的不同，可以在信道传输速率要求不高的情况下，增加数据的传输距离， 以满足不同传输距离的要求，使得ONU在系统中的布置更加灵活。

OFDM信号部分子载波进行空置时，空置的子载波频带处依然会有FWM分量以及其他噪声 存在。在接收端对信号进行处理时，可以通过对接收机进行优化设计，滤出传输数据的子载 波信号，排除了OFDM频带外的噪声以及OFDM频带内空置频带处噪声对OFDM频带中传输数据 的子载波信号接收的影响。因此，OFDM信号部分频带的空置，不会带来噪声对传输数据的子 载波信号的影响。

为了实现上述方法，本发明提供一种基于OFDM的WDM-PON系统，包括光线路终端、光网 络单元、远端节点，所述光线路终端中包括2个以上的下行发送模块，所述光网络单元包括 有2个以上的下行接收模块；

所述下行发送模块用于，对下行数据流进行OFDM调制，将生成的基带OFDM信号上变频 至光域形成上行光信号；各上行发送模块输出的上行光信号的波长均不同；在进行OFDM调制 时，上行发送模块空置位于OFDM频带的中心部分的子载波；

所述远端节点用于，接收到来自光线路终端的下行光信号时，将下行光信号解复用，并 传送至各光网络单元；

所述下行接收模块用于，对解复用后的下行光信号进行探测接收，将下行光信号变换至 电域，滤出承载有效数据的OFDM频带，再在频域进行OFDM解调处理恢复出下行数据流。

进一步的，下行发送模块还用于，在进行OFDM调制时，将OFDM频带的中心之外的部分 频带采用均匀或非均匀的方式空置。

本发明的有益效果是，通过空置位于OFDM频带的中心部分的子载波来抑制FWM效应对下 行数据传输的影响，在保证通信质量的情况下，提高WDM-PON系统中数据的传输距离，进一 步的，再通过空置部分频带以及选择空置比使得系统配置更加灵活。

附图说明

图1为现有的WDM-PON系统示意图；

图2为FWM分量在OFDM频带外和OFDM频带内的分布；

图3(a)为单载波信号频谱；

图3(b)为OFDM信号频谱；

图4为实施例系统中OLT中一组下行发送模块与上行接收模块的示意图；

图5为实施例系统中一个ONU中上行发送模块与下行接收模块的示意图；

图6(a)为中心频带两边采用均匀方式空置示意图；

图6(b)为中心频带两边采用非均匀方式空置示意图。

具体实施方式

系统如图1所示相同，包括N个ONU通过分别与远端节点相连，OLT与远端节点相连。 远端节点为一个光复用/解复用器。

OLT包含有一个光复用/解复用器以及对应ONU个数的N组下行发送模块与上行接收模块； 各ONU单元包括N组下行接收模块与上行发送模块。

如图4所示，OLT中的第i组(i＝1，…，N)下行发送模块、上行接收模块对应0NU_i。

下行发送模块包括下行激光器、光调制器、OFDM调制器。下行数据经OFDM调制模块后 生成OFDM数据，OFDM数据输入光调制器作为调制信号，OLT的下行发送模块中的激光器(下 行光激光器)将光输入至光调制器，将激光作为被调信号，OFDM数据经光调制器对光载波进 行调制，形成下行光信号。

每个上行接收模块包括上行接收机。上行接收机包括探测模块，ADC(模数转换器)、DSP (数字处理模块)。其中DSP包括解调模块。

如图5所示，ONU_i的上行发送模块包括光调制器、SOA(半导体光放大器)。上行发送模块 中没有提供光载波的本地激光器，而是直接接收来自OLT中上行激光器发出的激光作为上行 传输的光载波。上行数据输入光调制器作为调制信号，来自OLT的光载波经SOA放大后输入 至光调制器，数据经光调制器对光载波进行调制，形成上行光信号。

ONU_i的下行接收模块包括本地激光器、混频、探测模块，ADC(模数转换器)、DSP(数字 处理模块)。其中DSP包括滤波模块、OFDM解调模块。

当ONU_i(i＝1，…，N)与OLT进行上行数据传输时：

ONU的上行发送模块中，OFDM调制模块对下行数据流进行调制(可采用OOK等强度调制)， 经DAC进行数模转换后，输入光调制模块上变频至光域形成上行光信号发送至远端节点；各 ONU的上行发送模块输出的下行光信号的波长均不同；

远端节点将各ONU的上行光信号进行复用为一路发送至OLT；

OLT的光复用/解复用器将接收到的一路光信号解复用，发送至对应各上行接收模块；

上行接收模块中，通过探测模块进行直接探测接收，完成光电转换过程，电信号输入ADC 经模数转换后，数字信号输入DSP进行处理。在DSP中，OFDM解调模块的信号处理在频域进 行。

当OLT与各ONU_i(i＝1，…，N)进行下行数据传输时：

OLT的各下行发送模块中，OFDM调制模块对下行数据流进行OFDM调制，经DAC进行数模 转换后，将生成的OFDM数据输入至光调制器，同时，下行激光器输出光载波至光调制器，光 调制器输出下行光信号；光线路终端中各下行发送模块输出的下行光信号的波长均不同；

光复用/解复用器将各下行发送模块输出的下行光信号复用为一路光信号；

远端节点将接收到光信号解复用后传送至各ONU；

ONU的下行接收模块中，本地激光器输入混频、探测模块对接收到的下行光信号进行相 干探测，完成光电转换过程，电信号输入ADC经模数转换后，数字信号输入DSP进行处理。 在DSP中，滤波莫奎啊滤出承载有效数据的OFDM频带输入至OFDM解调模块，OFDM解调模块 在频域进行OFDM解调处理，恢复出下行数据流。

下行发送模块中，不同ONU的光调制模块中被调制光载波的波长均不同；各OFDM调制模 块均空置OFDM频带的中心部分，并针对所在ONU到远端节点之间传输距离不同，而采用不同 的子载波频带空置率来空置中心部分两侧的频带；需传输的距离越远，选用的空置率越高；

下行接收模块中，各混频、探测器模块探测波长不同的光信号。每个下行接收机中光探 测器对接收到的下行光信号进行探测接收，完成光电转换过程，电信号输入ADC经模数转换 后，数字信号输入DSP进行处理。在DSP中，由于传输有效数据的子载波频带与空置频带处 的功率谱密度相差很大，滤波模块能很容易地提取出传输数据的子载波信号，而滤去空置频 带处的噪声，使之后OFDM解调模块在进行对各子载波进行解调处理时，被空置的子载波处的 噪声不会影响传输数据的子载波，从而很好地恢复出下行数据流。

由于将OFDM调制应用于本发明的WDM-PON网络中，结合OFDM与WDM-PON的传输性能上 的优点，即使部分ONU距离远端节点较远，也可以正常实现数据传输，扩大了PON的应用范 围。在此基础上，由于OFDM频带中心处FWM分量严重，可以优先考虑让这部分频带空置，以 减小FWM效应影响并提高传输数据的子载波的入纤光功率，增大数据传输距离。具体地，在 OFDM频带中心处空置的子载波数量可根据其所在ONU与远端节点的距离确定。原则是，ONU 与远端节点的距离越远，空置的子载波数量越大。如图6(a)，取频带中心处占OFDM频带总 子载波总数26％的子载波进行空置；如图6(b)，取频带中心处占OFDM频带总子载波总数16％ 的子载波进行空置。

进一步的，如果空置了OFDM频带的中心部分之后，数据传输距离仍然达不到要求，可以 继续选择空置中心部分两侧的频带，两侧频带的空置可以采用均匀/非均匀的方式进行，如图 6(a)，为两侧频带均匀空置，如图6(b)，为两侧频带非均匀空置。每个信道中OFDM调制 的子载波个数以及子载波的分布，根据信道质量的好坏和传输距离远近可以灵活地改变。同 时，兼顾FWM效应在OFDM频带中的分布，优先将中心部分子频带空置，以尽可能多的子载波 个数进行数据传输。采用本发明方法，可以使WDM-PON在不改变硬件和链路结构的情况下， 在信道质量因某些因素有所下降的情况，也能保证网络正常运行。当WDM-PON需要添加新ONU 单元时，可以最大限度地不受安装距离限制，可以将ONU安装到距离远端节点近的位置(可 以获取高传输速率)，也可以将ONU安装到距离远端节点较远的位置(较低的传输速率)。此 外，还可以根据ONU用户的服务需求，动态给其分配带宽和提供不同的数据传输质量。