基于中心化梳狀光源的125 Gbit/s全光OFDM-PON接入網(wǎng)架構

汪 敏， 張倩武， 張 林， 宋英雄， 李迎春， 林如儉

(上海大學特種光纖與光接入網(wǎng)省部共建重點實驗室，上海200072)

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

基于PON技術的接入網(wǎng)絡已經(jīng)商用多年，并且已逐漸成為下一代寬帶接入網(wǎng)絡的主流解決方案.傳統(tǒng)的PON接入網(wǎng)是基于時分復用(time-division multiplexing，TDM)以及時分復用多址(time division multiple access，TDMA)的，但當網(wǎng)絡速率達到100 Gbit/s或更高時，集成電路技術遇到了瓶頸，上行突發(fā)發(fā)送/接收技術和針對不同業(yè)務的帶寬調(diào)度技術也遇到諸多難題.

基于波分復用的無源光網(wǎng)絡(wavelength-division multiplexing-PON，WDM-PON)缺少適合各種業(yè)務的波長以下粒度的子帶寬調(diào)度技術.WDM-PON技術基本上是一種光接入網(wǎng)的物理層技術，它對各種媒質(zhì)訪問控制(media access control，MAC)層協(xié)議透明.當采用波分多址(wavelength division multiple access，WDMA)MAC協(xié)議時，調(diào)度的是波長通道.如果該波長通道上傳輸?shù)氖歉咚俚亩喾N業(yè)務的匯聚數(shù)據(jù)流，則波長調(diào)度不能實現(xiàn)不同速率和服務質(zhì)量(quality of service，QoS)要求的各種業(yè)務流的獨立調(diào)度;如果該波長只攜帶單獨的業(yè)務流，則波長通道的大容量能力會被閑置和浪費［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，但在單波長速率和光接口上仍然受限于TDM技術.

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

基于O-OFDM的超大容量PON(如100 Gbit/s)技術因其突出的優(yōu)勢，已經(jīng)成為下一代接入網(wǎng)的優(yōu)選方案之一.該技術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)訪問規(guī)約的OFDMAPON，可以靈活地提供各種各樣的業(yè)務，且實現(xiàn)成本較低.2007年9月，NEC公司美國實驗室首次提出了基于OFDMA原理的10 G-PON結構［2］，該結構通過離散傅里葉變換對(IFFT/FFT)實現(xiàn)了正交子載波的同時傳輸.在上行方向，多個光網(wǎng)絡單元(optical network unit，ONU)同時與一個光線路終端(optical line terminal，OLT)通信而互不干擾，并能透明地支持各種各樣的應用，以及在這些應用之間動態(tài)地分配帶寬.之后，各個國家的學者和研究機構紛紛投入到OFDM-PON的研究當中［3-5］.

然而，OFDM-PON物理層的許多問題還沒有得到很好解決，比如缺少完備的上下行網(wǎng)絡架構、超高速光信號處理方法，以及如何實現(xiàn)上行光源無色化等.本研究提出了一種全光OFDM-PON網(wǎng)絡架構，該架構可以提供100 Gbit/s的接入速率，在對該架構進行深入的理論分析的基礎上，通過仿真進行了驗證.

1 系統(tǒng)架構

本研究提出的OFDM-PON系統(tǒng)由1個OLT，10個ONU和其間的光配線網(wǎng)絡(optical distribution network，ODN)組成，網(wǎng)絡架構如圖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ONU 4 Gbit/s).系統(tǒng)工作波長在C波段.OLT光發(fā)送機采用由一個外諧振腔激光器(external cavity laser，ECL)驅(qū)動的梳狀光譜發(fā)生器，OLT光接收機采用數(shù)字相干檢測.

本架構在OLT，ONU兩端都采用相干檢測技術，本振光源均由中心化梳狀光譜發(fā)生器提供.本架構使用反射式半導體光放大器 (reflective semiconductor optical amplifiers，RSOA)作為上行信號調(diào)制器，以低成本地實現(xiàn) ONU的無色化.OOFDM技術的發(fā)展方向是全光OFDM，因為它可以產(chǎn)生非常大的通信容量.而在全光OFDM-PON中，波長重用的無色光源技術遇到了下行數(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相干性，在相干光源方面得到了越來越多的應用［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個波長，上行采用10個波長，1個波長備用.

對下行的每根譜線進行符號率為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.按下行5個波長計算，每根譜線的符號率應為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上行光源的低成本和無色化的要求，還可完全解決下行數(shù)據(jù)干擾上行數(shù)據(jù)的問題.同時，將該光波作為下行已調(diào)光波相干檢測的本振光波，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信號相干檢測所需的本振光波，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的下變頻得到簡化.

圖1 基于中心化梳狀光源的OFDM-PON網(wǎng)絡系統(tǒng)架構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，波長λ2，λ5，λ8，λ11，λ14用于攜帶下行數(shù)據(jù)信號.每路數(shù)據(jù)信號的比特率為25 Gbit/s，5路總比特率為125 Gbit/s.其余10路空閑波長 λ1，λ3，λ4，λ6，λ7，λ9，λ10，λ12，λ13，λ15預留給ONU用于上行數(shù)據(jù)調(diào)制.鑒于超密集波分復用器一個波道內(nèi)的響應曲線不平坦，因此，對于25 Gbit/s下行數(shù)據(jù)，調(diào)制應取 16QAM(符號率6.25 Gbaud/s)，并通過鈮酸鋰IQ光調(diào)制器來實現(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)制時作為導頻插入.

圖2 下行鏈路波長分配Fig.2 Wavelength allocation for downstream

下行光信號經(jīng)光纖鏈路以及分光器分別達到10個ONU.在每個ONU先用分路器將一個已調(diào)光信號(如λ2)和一個純凈光波(如λ1)注入光探測器，在進行光電轉(zhuǎn)換時完成2個光波的差拍，形成中心頻率在12.5 GHz的已調(diào)信號和頻率為12.5 GHz的純凈載波.進一步通過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，接收到的電場和光強分別如下：

式中，ωc1=2πfc1，fc1為純凈光波的頻率，φ1和φ2為相應的光波相位，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，經(jīng)相干解調(diào)把12.5 GHz的16QAM信號解調(diào)到基帶，還原出25 Gbit/s數(shù)據(jù).

本研究使用VPI Transmission Maker v8.6軟件對下行鏈路進行仿真分析，經(jīng)過OLT調(diào)制的全光OFDM信號頻譜如圖3所示.16個光載波的譜線間隔為12.5 GHz，其中5個光載波上調(diào)制有下行信號，與其余純凈的光載波一同送入光纖鏈路.圖4是經(jīng)過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發(fā)送信號.

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

圖4 下行信號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信號向OLT發(fā)送.由于RSOA需要實信號輸入，故在OFDM信號產(chǎn)生時使用的IFFT點數(shù)為128，其中64點承載原始數(shù)據(jù)的共軛值.經(jīng)光分路器進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，其中設置了64個子載波，故相鄰子載波的頻率間隔為23.437 5 MHz，符號率為23.437 5 Mbaud/s.考慮到光濾波器的過渡響應，將實際用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捜? 383 MHz，可容納58個子載波.所設計的2個ONU的上行光波被1個OLT光探測器接收、1個OFDM解調(diào)器解調(diào)、1個MAC控制器處理，以實現(xiàn)2個ONU的頻率資源共享.也就是說，當1個ONU的子載波不用之時，可對另1個ONU加以利用.因此，1個ONU發(fā)送的子載波數(shù)最少為1個，最多為58個.當采用BPSK-64QAM調(diào)制時，1個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ONU的平均發(fā)送速率約為4.09 Gbit/s.1個ONU的OFDM信號中另外安排1個子載波用于信令傳輸.

圖5 上行鏈路波長分配Fig.5 Wavelength allocation for upstream

式中，第一項是電場振幅為El的本振波(波長為λ2)，第二項是ONU1的電場振幅為Ec1的光載波(波長為λ1)，第三項是ONU1的OFDM1上邊帶信號，第四項是ONU1的OFDM1下邊帶信號，第五項是ONU2的電場振幅為Ec2的光載波(波長為λ3)，第六項是ONU2的OFDM2上邊帶信號，第七項是ONU2的OFDM2下邊帶信號.為了避免OFDM1信號與OFDM2信號的相互干擾，應使它們的子載波頻點錯開.

光探測器的輸出光電流為I(t)∝0.5E2(t)，其中的差頻項為信號項(為較強的本振光所加強)，表達式如下：

在光探測器產(chǎn)生的中心頻率在12.5 GHz的雙邊帶OFDM信號和頻率為12.5 GHz的純凈載波如圖6所示.進一步經(jīng)OFDM解調(diào)即可恢復出2個ONU發(fā)送的數(shù)據(jù)信號，它們是共享1.5 GHz帶寬的，帶寬分配受MAC層控制.

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

經(jīng)過對上行鏈路進行仿真分析，可以得到OFDM-PON上行信號的光譜如圖7所示.可以看到，通帶內(nèi)頻譜響應并不平坦，這是由RSOA自身頻率特性決定的.使用廉價的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，對價格敏感的接入網(wǎng)來說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，可以將上行光調(diào)制器從RSOA升級到反射式電吸收調(diào)制器(reflective electro-absorption modulators，REAM)+SOA，同時調(diào)制信號加到 REAM電極，即可突破調(diào)制帶寬1.5 GHz的局限而達到10 GHz量級，上行傳輸速率也可升級到100 Gbit/s.圖8是OLT端接收到的上行信號在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)制信號光譜Fig.7 Optical spectrum of uplink modulation by RSOA

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

3 結束語

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，本系統(tǒng)為高速上下行數(shù)據(jù)接入、動態(tài)帶寬分配、超高速光信號處理以及上行光源無色化等問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)生器作為多波長中心化光源，為上下行數(shù)據(jù)鏈路提供光載波，同時為OLT及ONU提供相干性的本振光.本系統(tǒng)可進行低成本的上下行鏈路光相干檢測，以提高光接收靈敏度.最后，通過仿真驗證了本系統(tǒng)可以實現(xiàn)下行速率125 Gbit/s、上行速率40 Gbit/s的穩(wěn)定傳輸.

［1］ 林如儉，宋英雄，張林.論OFDM-PON與WDM-PON［J］.激光與光電子學進展，2011，48：070601.

［2］ QIAND Y，HUJ Q，YUJ J，et al.Experimental demonstration of a novel OFDM-A based 10 Gb/s PON architecture［C］∥ECOC 2007.2007：1-2.

［3］ QIAND Y，HUJ Q，JIP N，et al.10 Gb/s OFDMAPON for delivery of heterogeneous services［C］∥OFC/ NFOEC 2008.2008：OWH4.

［4］ TIENP L，LINY M，YUANGM C.A novel OFDMAPON architecture toward seamless broadband and wireless integration［C］∥OFC/NFOEC 2009.2009：OMV2.

［5］ COURAD J C，SILVAJ A L，SEGATTOM E V.A bandwidth scalable OFDM passive optical network for future access network［J］.Photon Netw Commun，2009，18(3)：409-416.

［6］ SAKAMOTOT，KAWANISHIT，IZULSUM.Optimization of electro-optic comb generation using conventional Mach-Zehnder modulator［C］∥ Microwave Photonics 2007.2007：50-53.

［7］ ENDOM，TSUCHIDAH.Investigation of single sideband optical frequency comb generations using a dual-electrode Mach-Zehnder modulator in a fiber recirculating loop［C］∥Lasers and Electro-Optics 1999.1999：771-772.

［8］ ZHANGL，SONGY X，ZOUS H，et al.Flat frequency comb generation based on Mach-Zehnder modulator and phase modulator［C］∥ 12th IEEE International Conference on Communication Technology(ICCT).2010：211-213.

［9］ ZHANGL，SONGY X，ZOUS H，et al.Performance analysis offlatopticalcomb generation based on recirculating frequency shifter［C］∥ International Conference on Applications of Optics and Photonics.2011：80011C-8.