基于副载波调制的OQAM-OFDM波长堆叠PON下行传输系统

摘要

本发明提供了一种基于副载波调制的OQAM-OFDM波长堆叠PON下行传输系统。本发明基于副载波调制，用DSB-SC模块产生副载波调制所需的光副载波，即单个激光器为两个下行射频OQAM-OFDM信号提供光载波，提高资源利用率，降低接入网系统成本；并综合利用OQAM-OFDM调制信号高旁瓣抑制比、高频谱效率及对ICI和ISI干扰具有松弛性等优点，以实现低载波间隔的下行信号传输，增加带宽利用率、提高用户的接入数。该系统经灵活部署后也可实现用直接检测光电探测器完成OQAM-OFDM信号的远程外差相干检测。

说明书

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体地，涉及一种基于副载波调制的OQAM-OFDM 波长堆叠PON下行传输系统。

背景技术

近年来，Internet流量和带宽需求呈指数级增长，据思科最近发布的报告，在 2015年“最后一公里”流量将超过长距离传输流量，带宽瓶颈大幅度转移至“最后 一公里”。无源光网络PON因其高容量和低成本成为最有前景接入网技术之一。而 现有的EPON/GPON技术均难以满足带宽不断增长的需求，且现有商业PON结构因简 单及低成本的考虑常采用OOK调制和检测。为了提升数据传输率、带宽容量，业界 为NG-PON2提出了多种体系结构及调制方式。

数字信号处理DSP近来被用在核心网中使得系统性能大幅度提升，故业界正研 究将其用于PON。DSP的显著优点是能根据链路状况来改变链路功率预算，从而更 好的利用网络资源、支持更多的用户。而正交频分复用无源光网络OFDM-PON是基 于DSP的弹性PON典型结构。OFDM-PON最早是在2007年的欧洲光通信会议ECOC上， 由美国普林斯顿NEC实验室的Dayou Qian等人提出。其具有系统频谱利用率高、 服务透明、灵活带宽、基于成熟DSP技术的实现成本效益高、降低高速PON系统对 光器件的要求和限制等优点被业界认为是下一代接入网最有竞争力的技术之一。

然而，因传统OFDM信号具有时域和频域内的双重正交性，对传输系统的线性 度要求较高；且信号频谱具有较高的旁瓣起伏，在一定程度上决定了其具有较低的 抗噪声能力，从而影响信号在光纤信道中的传输特性。而基于交错正交幅度调制的 正交频分复用(Offset-QAM Orthogonal Frequency Division Multiple)OQAM-OFDM 信号具有较高的旁瓣抑制比，抗噪声能力及频谱效率高大大提升，已作为增强调制 技术，提交至美国电讯工业化协会(Telecommunications Industry Association, TIA)、IEEE 802.22WRAN以及3GPP TR 25.814。

此外，为了进一步提高带宽利用率及下行系统的传输速率，副载波调制(SCM  Subcarrier modulation)得到了广泛的关注。其中，双边带抑制载波调制(DSB-SC  Double Sideband-Suppressed Carrier)是副载波产生方式之一，即使得单个激光 器产生两路副载波，提高资源利用率进而降低系统成本。

经对现有文献检索发现，2008年美国NEC实验室的Jianjun Yu,Dayou Qian 等人在IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS上发表了"Centralized Lightwave  WDM-PON Employing 16-QAM Intensity Modulated OFDM Downstream and OOK  Modulated Upstream Signals"(采用下行16QAM OFDM调制和上行OOK调制的集中 式光波WDM-PON系统)。该文章中提出了一种OFDM-WDM-PON结构。下行传输信号 采用OFDM调制，首先OFDM基带信号与RF射频源相乘后从基带搬至高射频域，再 与光源一同注入马赫曾德尔调制器将OFDM信号搬至光域实现DSB信号。然而，这 种载波产生方式需要高频的射频时钟源才能实现，增加了系统成本。另外，OFDM的 低旁瓣抑制比会使得下行载波间隔的增大，且该系统结构的远端节点采用光阵列波 导光栅来实现上/下行数据的合/分路，会改变已铺设网络系统中的光分布式网络的 结构。

又经检索发现Dayou Qian,Neda Cvijetic等人2009年在Optical Fiber  Communication Conference and National Fiber Optic Engineers Conference  OFC/NFOEC会议上发表了题为“40-Gb/s MIMO-OFDM-PON Using Polarization  Multiplexing and Direct-Detection”(采用偏振复用和直接检测的40-Gb/s  MIMO-OFDM-PON)。该文献中，作者提出了基于偏振复用技术与多输入多输出(MIMO) 均衡算法的OFDM-PON系统，以此来提高下行系统的传输速率。该文章在光线路终 端对连续波通过抑制载波的调制方式产生两个光副载波信号，从而实现副载波复用。 经OFDM调制的两路光载波分别通过偏振合波器合路，产生偏振复用下行OFDM信号。 下行OFDM信号在光网络单元经过偏振分束器分成两路分别送入两个光电检测器。 但该系统采用的副载波产生方法需要高频的射频时钟源才能实现，增加了系统成本； 且基于单波长OFDM-PON直接检测，OFDM信号的高旁瓣及系统保护边带预留会导致 频谱利用率降低；另外采用基于直接检测的偏振复用技术，需要对传统的偏振解复 用方法及相应的相干解调技术进行改进，增加了ONU解调模块的复杂度和成本。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于副载波调制的 OQAM-OFDM波长堆叠PON(无源光网络)下行传输系统。该系统综合利用副载波复 用和OQAM-OFDM调制技术，其中，采用抑制载波的双边带调制DSB-SC模块产生副 载波复用所需的副载波。具体地，此DSB-SC模块采用低频射频时钟源使单个激光 器产生两路光副载波，分别用来承载使用OQAM-OFDM调制方式的不同数据，实现副 载波复用，提高了资源利用率，降低接入网系统成本，且充分利用OQAM-OFDM信号 高旁瓣抑制比、高频谱效率及对ICI和ISI干扰具有松弛性等优点，可实现低载波 间隔的下行信号传输，增加带宽利用率、提高用户的接入数。光网络单元的下行信 号检测模块可采用直接检测或者相干检测，且通过光线路终端器件部署的简单调整 该系统也可实现用直接检测光电探测器完成OQAM-OFDM信号的远程外差相干检测。 另外，远端节点采用光分路/合路器，与现有的TDM-PON系统兼容，易于实现和升 级改造。

根据本发明提供的一种基于副载波调制的OQAM-OFDM波长堆叠PON下行传输系统， 包括：光线路终端、馈入式光纤、远端节点、分布式光纤网络、光网络单元；

其中，光线路终端与馈入式光纤的一端相连并输出下行信号，馈入式光纤的另一端 连接至远端节点，远端节点通过分布式光纤网络中的不同分布式光纤分别将下行信号输 入各个光网络单元。

优选地，所述光线路终端包括：下行L波段激光器阵列、抑制载波的双边带调制 DSB-SC模块、第一射频OQAM-OFDM信号产生模块、第二射频OQAM-OFDM信号产生模块、 第一马赫曾德尔调制器、第三马赫曾德尔调制器耦合器、耦合器、上行C波段激光器阵 列、上行信号接收阵列、第一光环行器以及第一粗波分复用器；

下行L波段激光器阵列中的每个DFB激光器分别连接一个双边带调制DSB-SC模块；

双边带调制DSB-SC模块的输出端产生两路光副载波，其中一路光副载波与第一射 频OQAM-OFDM信号产生模块产生的第一射频OQAM-OFDM信号一同注入第一马赫曾德尔调 制器进行调制，其中另一路光副载波与第二射频OQAM-OFDM信号产生模块产生的第二射 频OQAM-OFDM信号一同注入第三马赫曾德尔调制器进行调制，即所述两路光副载波分别 作为不同下行OQAM-OFDM信号的光载波；

第一马赫曾德尔调制器和第三马赫曾德尔调制器输出下行OQAM-OFDM调制信号至耦 合器，下行OQAM-OFDM调制信号通过耦合器输入第一粗波分复用器；第一粗波分复用器 连接馈入式光纤进而实现不同中心波长的下行OQAM-OFDM调制信号的输出；

上行C波段激光器阵列连接第一光环形器的第1端口，第一光环行器的第2端口连 接第一粗波分复用器以实现上行种子光源的输出，第一光环行器的第3端口输出注入上 行信号接收阵列以实现上行信号的接收。

优选地，所述光线路终端包括：下行L波段激光器阵列、抑制载波的双边带调制 DSB-SC模块、第一射频OQAM-OFDM信号产生模块、第一马赫曾德尔调制器、第一偏振控 制器、第二偏振控制器、耦合器、上行C波段激光器阵列、上行信号接收阵列、第一光 环行器以及第一粗波分复用器；所述光线路终端中不部署第二射频OQAM-OFDM信号产生 模块和第三马赫曾德尔调制器；

下行L波段激光器阵列中的每个DFB激光器分别连接一个双边带调制DSB-SC模块；

双边带调制DSB-SC模块的输出端产生两路光副载波，其中一路光副载波通过第一 偏振控制器与第一射频OQAM-OFDM信号产生模块产生的第一射频OQAM-OFDM信号一同注 入第一马赫曾德尔调制器进行调制，用作下行OQAM-OFDM调制信号的下行光载波；其中 另一路光副载波注入第二偏振控制器以接受偏振状态的调整，使所述另一路光副载波的 偏振态与下行OQAM-OFDM调制信号的下行光载波保持一致，用作下行OQAM-OFDM调制信 号外差检测的本振光源；第二偏振控制器的输出端和第一马赫曾德尔调制器的输出端通 过耦合器连接第一粗波分复用器的一端，第一粗波分复用器的另一端连接馈入式光纤进 而实现下行OQAM-OFDM调制信号和下行本振光的输出；

上行C波段激光器阵列连接第一光环形器的第1端口，第一光环行器的第2端口连 接第一粗波分复用器以实现上行种子光源的输出，第一光环行器的第3端口输出注入上 行信号接收阵列以实现上行信号的接收。

优选地，所述抑制载波的双边带调制DSB-SC模块用于产生副载波调制所需的光副 载波，包括第二马赫曾德尔调制器、射频时钟源、第二光环行器以及布拉格光栅滤波器；

第二马赫曾德尔调制器的输入端连接一DFB激光器，调节由射频时钟源驱动的第二 马赫曾德尔调制器的偏置电压使第二马赫曾德尔调制器偏置在传输零点，以使第二马赫 曾德尔调制器输出载波抑制的双边带信号；

第二马赫曾德尔调制器连接第二光环形器的第1端口，第二光环行器的第2端口连 接布拉格光栅滤波器以分离载波抑制双边带信号的上边带和下边带，第二光环行器的第 3端口、布拉格光栅滤波器分别输出载波抑制双边带信号的上边带、下边带即分别输出 用来承载OQAM-OFDM信号的两路光副载波。

优选地，所述光网络单元包括：第二粗波分复用器、下行信号检测模块、射频 OQAM-OFDM信号解调模块、上行信号发生模块；

其中，分布式光纤的一端与远端节点相连，另一端与第二粗波分复用器相连，所述 第二粗波分复用器滤出的不同中心波长的下行OQAM-OFDM调制信号，分别注入下行信号 检测模块以实现不同中心波长的下行OQAM-OFDM调制信号的检测，下行信号检测模块的 输出端连接射频OQAM-OFDM信号解调模块以实现下行OQAM-OFDM调制信号的解调；所述 第二粗波分复用器滤出的上行种子光源注入上行信号发生模块。

优选地，所述下行信号检测模块为光电检测器以实现直接检测，或者为本振光源、 混频器及一对平衡光电探测器以实现相干检测。

优选地，所述第二粗波分复用器滤出的所述下行OQAM-OFDM调制信号和所述下行本 振光注入下行信号检测模块，所述下行信号检测模块采用直接检测光电检测器以实现下 行OQAM-OFDM调制信号和下行本振光的外差相干检测。

优选地，所述的远端节点为1:N光分路/合路器，该光分路/合路器将下行信号和上 行种子光源通过分路器经分布式光纤传送到各个光网络单元，并将各个光网络单元的上 行信号通过馈入式光纤传送到光线路终端。

优选地，所述的1:N光分路/合路器中N取64、128、256或512。

优选地，所述下行L波段激光器阵列为M个下行L波段DFB激光器，每个DFB激光 器分别通过所述抑制载波的双边带调制DSB-SC模块产生两路光副载波，为使用 OQAM-OFDM调制方式的下行数据提供光载波或者为所述下行OQAM-OFDM调制信号提供外 差检测的本振光源。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明综合采用OQAM-OFDM调制和副载波复用技术：充分利用OQAM-OFDM 信号高旁瓣抑制比、高频谱效率及对ICI和ISI干扰具有松弛性等优点，提高PON 系统的接入能力，实现低载波间隔的下行信号传输，增加带宽利用率、实现更大传 输容量。

2、本发明采用副载波复用，其中DSB-SC模块使用低频射频时钟源即可使单个 激光器产生两路光副载波，分别为两个射频OQAM-OFDM信号提供载波，提高了资源 利用率，降低接入网系统成本，提高用户的接入数。

3、本发明通过灵活部署光线路终端结构，在光网络单元中用直接检测光电探 测器完成OQAM-OFDM信号的远程外差相干检测。同时，该系统不改变现有铺设的无 源光网络的光纤分布式网络结构，且可沿用现有PON系统中的远端节点结构，与现 有PON系统兼容，易于升级改造。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明基于副载波调制的OQAM-OFDM波长堆叠无源光网络下行传输系统 结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于 本发明的保护范围。

本发明提供了一种基于副载波调制的OQAM-OFDM波长堆叠无源光网络下行传输系统， 包括：光线路终端、馈入式光纤、远端节点、若干分布式光纤和若干光网络单元。其中， 光线路终端与馈入式光纤的一端相连并输出下行信号、馈入式光纤的另一端连接至远端 节点，远端节点通过若干分布式光纤分别将下行信号输入各个光网络单元。本发明基于 副载波调制，用DSB-SC模块产生副载波调制所需的光副载波，即单个激光器为两个下 行射频OQAM-OFDM信号提供光载波，提高资源利用率，降低接入网系统成本；并综合利 用OQAM-OFDM调制信号高旁瓣抑制比、高频谱效率及对ICI和ISI干扰具有松弛性等优 点，以实现低载波间隔的下行信号传输，增加带宽利用率、提高用户的接入数。该系统 经灵活部署后也可实现用直接检测光电探测器完成OQAM-OFDM信号的远程外差相干检测。

如图1所示，本实施例中，本发明提供的系统包括：光线路终端、馈入式光纤、远 端节点、若干分布式光纤和若干光网络单元。其中，光线路终端与馈入式光纤的一端相 连并输出下行OQAM-OFDM信号、馈入式光纤的另一端连接至远端节点，远端节点通过若 干分布式光纤分别将下行信号输入各个光网络单元。远端节点为1:N光分路/合路器， 光分路/合路器通过分布式光纤连接光网络单元1、光网络单元2、……,光网络单元N。 具体地，N值取决于光分路合路器的分光比，N可取64、128、256或512。

其中，图1中虚线框(1)内的模块为本发明可灵活部署的结构，若部署此结构， 耦合器输出的下行信号为不同副载波承载的OQAM-OFDM调制信号；若不部署此结构， 耦合器输出的下行信号为OQAM-OFDM调制信号和其本振光源，可在光网络单元实现 外差检测。

光线路终端包括M个下行L波段(λ_d1～λ_dM)DFB激光器、抑制载波的双边带调制 DSB-SC模块、第一射频OQAM-OFDM信号产生模块、第二射频OQAM-OFDM信号产生模块、 第一马赫曾德尔调制器、第三马赫曾德尔调制器耦合器、耦合器、上行C波段激光器阵 列、上行信号接收阵列、第一光环行器、第一粗波分复用器、第一偏振控制器、第二偏 振控制器。其中，下行L波段激光器阵列中的每个DFB激光器分别连接一个DSB-SC模 块，DSB-SC模块的输出端产生两路光副载波，其一路光副载波与第一射频OQAM-OFDM 信号一同注入第一马赫曾德尔调制器，另一路光副载波与第二射频OQAM-OFDM信号一同 注入第三马赫曾德尔调制器，即两路光副载波分别作为不同下行OQAM-OFDM信号的光载 波。第一马赫曾德尔调制器和第三马赫曾德尔调制器的输出端连接耦合器，下行 OQAM-OFDM调制信号通过耦合器输入第一粗波分复用器，第一粗波分复用器连接馈入式 光纤进而实现不同中心波长的下行OQAM-OFDM调制光信号的输出。上行C波段激光器阵 列连接第一光环形器的第1端口，第一光环行器的第2端口连接第一粗波分复用器以实 现上行种子光源的输出，第一光环行器的第3端口输出注入上行信号接收阵列以实现上 行信号的接收。具体的M值取决于无源光网络系统中的下行速率，M可取4、8或10。 第一偏振控制器、第二偏振控制器分别部署在第一马赫曾德尔调制器、第三马赫曾德尔 调制器前，以便调整偏振控制器使得马赫曾德尔调制器的输出光功率最大。再如图1所 示，任一光网络单元包括第二粗波分复用器、下行信号检测模块、射频OQAM-OFDM信号 解调模块、上行信号发生模块。其中，分布式光纤的一端与第二粗波分复用器相连，第 二粗波分复用器滤出的不同中心波长的下行OQAM-OFDM调制信号，分别注入下行信号检 测模块以实现不同中心波长的OQAM-OFDM调制信号的检测，下行信号检测模块的输出端 连接OQAM-OFDM信号解调模块以实现OQAM-OFDM信号的解调。第二粗波分复用器滤出的 上行种子光源注入上行信号发生模块。此下行信号检测模块可为光电检测器以实现直接 检测也可为本振光源、混频器及一对平衡光电探测器以实现相干检测。

进一步地，DSB-SC模块使用低频射频时钟源即可产生副载波复用所需的两路光副载 波，包括第二马赫曾德尔调制器、射频时钟源、第二光环行器和布拉格光栅滤波器。其 中，单个DFB激光器的输出端连接第二马赫曾德尔调制器，调节由射频时钟源驱动的第 二马赫曾德尔调制器的偏置电压使其偏置在传输零点，使第二马赫曾德尔调制器输出载 波抑制的双边带信号。第二马赫曾德尔调制器连接第二光环形器的第1端口，第二光环 行器的第2端口连接布拉格光栅滤波器用于分离载波抑制双边带信号的上边带和下边带， 第二光环行器的第3端口和布拉格光栅滤波器分别输出载波抑制双边带信号的上边带和 下边带即两路光副载波。

此外，如图1(1)所示，实施例中光线路终端的第二射频OQAM-OFDM信号产生模块和 第三马赫曾德尔调制器可灵活部署，若不部署，则需在光线路终端内部署第一偏振控制 器、第二偏振控制器；此时DSB-SC模块输出的两路光副载波其一与射频OQAM-OFDM信 号一同注入第一马赫曾德尔调制器，用作OQAM-OFDM信号的下行光载波；另一路副载波 注入第二偏振控制器以调节其偏振状态，使其与调制OQAM-OFDM信号后的边带光载波保 持一致，用作下行OQAM-OFDM调制信号外差检测的本振光源。偏振控制器的输出端和第 一马赫曾德尔调制器的输出端通过耦合器连接第一粗波分复用器，第一粗波分复用器的 另一端连接馈入式光纤进而实现下行OQAM-OFDM调制信号和下行本振光源的输出。

进一步地，此时，任一光网络单元中第二粗波分复用器滤出的下行OQAM-OFDM信号 和下行本振光注入下行信号检测模块，下行信号检测模块采用直接检测光电检测器即可 实现下行OQAM-OFDM信号和下行本振光的外差相干检测。

远端节点为1:N光分路/合路器，该光分路/合路器将下行信号和上行种子光源通过 分路器经分布式光纤传送到各个光网络单元并将各个光网络单元的上行信号通过馈入 式光纤传送到光线路终端。

本实施例为基于副载波调制的OQAM-OFDM波长堆叠无源光网络下行传输系统，综合 利用副载波复用和OQAM-OFDM调制，具有以下的优点：

1)该体系结构下行采用OQAM-OFDM调制技术，充分利用其高旁瓣抑制比、高频谱 效率及对ICI和ISI干扰具有松弛性等优点，可实现低载波间隔的下行信号传输，增加 带宽利用率及传输容量，提高无源光网络系统的接入能力。

2)基于副载波调制技术，使用DSB-SC模块产生副载波调制所需的副载波，即利用 低频射频时钟源使单个激光器产生两路光副载波，分别承载使用OQAM-OFDM调制方式的 不同数据，提高了资源利用率，降低接入网系统成本，结合OQAM-OFDM调制技术可进一 步提高用户的接入数。

3)通过灵活部署光线路终端结构，可在光网络单元中用直接检测光电探测器完成 OQAM-OFDM信号的远程外差相干检测，提升系统灵敏度。

4)该体系结构不改变现有铺设的无源光网络的光纤分布式网络结构，且可沿用现 有PON系统中的远端节点结构，与现有PON系统兼容，易于升级改造。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改， 这并不影响本发明的实质内容。