基于網絡融合的光通信技術研究

曾慶珠

(南京信息職業技術學院，江蘇 南京210023)

基于網絡融合的光通信技術研究

曾慶珠

(南京信息職業技術學院，江蘇 南京210023)

摘要:分析了網絡融合背景，探索新型光纖技術和無源光網絡技術，提出了PON技術在5G中的應用方案，設計了一種光載射頻技術和無源光網絡融合鏈路系統,通過實驗結果的分析驗證出系統傳輸性能良好，最后,展望了光通信技術發展前景。

關鍵詞:網絡融合；無源光網絡；光載射頻技術

到2014年12月底，國內光纖接入FTTH/O用戶比上年末凈增約2 749.3萬戶，達到6 831.6萬戶(2015年7月達9 400.6萬戶)，為全球第一。光纖接入FTTH/O端口比上年凈增4 763.9萬個，達到1.63億個(2015年6月達到2.1億個)。三家基礎電信企業固定寬帶接入用戶凈增1 157.5萬戶，總數超過2億戶(2015年7月達到2.08億戶)[1]，同樣是全球第一。FTTH用戶占寬帶用戶總數的比重在2015年7月達到45.2%。8Mbit/s和20MMbit/s以上寬帶接入用戶占比分別達到55.9%和21.1%。寬帶接入端口“光進銅退”趨勢更加明顯，2015年7月底，xDSL用戶僅為6 964.3萬個。數量龐大的端口和用戶帶來網絡變革與融合。

1網絡融合的背景和方向

電信網絡發展受運營商和基于開放互聯網的視頻服務(OTT)的影響，網絡規模急速膨脹，網絡全局流量模型向業務云端化和終端虛擬化轉變，特有網絡、設備及業務創新推動網絡智能化轉型。網絡融合帶來了光通信技術新發展。其中，光通信芯片集成工藝、通信網絡層間融合、復用方式、傳輸速率、光電材料集成、智能控制、調試方式、業務得到飛速發展，元器件發展如圖1所示。

網絡融合中業務環境和服務對象發生了變化。業務環境變化，云計算大量應用，服務模式云端化；4K、8K視頻業務的大量應用，數字內容寬帶化；終端接入的開放，應用類型多樣化，業務亮點層出不窮。服務對象變化，個人業務以語音、帶寬、視頻為主，集團客戶以企業接入、專線接入和行業專網為主，互聯網客戶OTT以IDC租用，DC互聯和后向保障為主，運營商網絡從“專注前段”到“面向云端”，服務實現“雙向化”。同時，互聯網高速發展，網絡融合漸成趨勢。移動網絡和固定互聯網流量高速增長，對業務的接入和傳送提出嚴峻挑戰。電信網絡業務百花齊放，網絡業務界限逐

圖1　光器件發展

漸模糊，高連接密度、網絡接入界限逐漸模糊。傳送網和接入網的發展需審視業務的劃分和融合承載。網絡融合的大背景下，光通信技術在光纖、PON和傳輸等技術開展新的研究。

2新型光纖技術

光纖技術得到飛速發展，第一階段100G低損耗光纖，主要特點是提高傳輸距離，無需增加成本；第二階段400G有效面積低損耗光纖，主要特點是突破非線性效應瓶頸，提升可入纖功率；第三階段1Tb-Pb，主要特點是少模多芯光纖，光子軌道角動量(OAM)光纖，光子晶體技術，空分復用和模分復用，突破香農極限。

光傳輸承載“寬帶中國戰略”，預測2020年固定寬帶接入網用戶4億戶，3G、LTE用戶12億戶，固定寬帶家庭普及率70%，3G、LTE用戶普及率85%，城市寬帶接入能力50Mbit/s，農村寬帶接入能力12Mbit/s[2]。Mobile，BigDate，OTT和Cloud的應用，期待更大的容量、更低的成本，超100Gbit/s成為必然，400Gbit/s將成為主流。對光纖要求放寬了對色散和PMD的需求。但是需要改善更低損耗光纖，進一步提升有效面積，允許注入更高入纖功率，提升OSNR。

2.1新型光纖工藝

為了更好地降低光纜的衰減，對光纖生產工藝進行創新，通過實驗驗證提升光纖有效面積和抗彎性能，降低了光纜衰減，提升系統OSNR，為400Gbit/s系統提供優質傳輸介質?！癡AD+PCVD+OVD”三步法實現內包層折射率下凹型波導結構來增強抗彎的領先技術。三步法可調節光纖中某一特定模式的泄露光纖信號，能進一步控制光纖的彎曲衰減(損耗)?！叭椒ā鄙a出光纖，VAD芯棒超低損耗，PCVD超強抗彎，OVD包層高效且低成本。試驗驗證光纖波長為1 550nm時，光纖有效面積比G.652D增大60%，損耗小于0.185dB/km?！叭椒ā敝圃旃饫w預制棒，突破傳統“兩步法”，制造工藝搶占國際技術高點。

2.2光子軌道角動量(OAM)的新型光纖

電磁波也是光子，遵循粒二象性原理。1992年，科學家通過實驗證實光子具有軌道角動量(OAM)。

如圖2所示為光子軌道角動量(OAM)的新型光纖，由空間等相位面、橫截面強度分布和橫截面相位分布可以看出，OAM與現有通信電磁波維度完全正交，可大幅度提高通信系統容量。根據研究成果建立超長距離和超大容量OAM模式傳輸光纖研究。設計生產出HE模式和EH模式的微結構OAM空心光纖和多芯OAM模式傳輸光纖。光纖實現了50km超長距離OAM信號高保真傳輸[3]。如圖3為OAM模式的光纖測試畫面。

光纖技術在融合中發展，追隨著應用的腳步不斷更新。

3PON技術

3.1PON架構

2015年開始，FTTH端口數比例進一步提升至60%和ONU數比例進一步提升至95%以上。GPON互通緩解成本壓力，規模部署元年，滿足FTTH發展新形勢下的迫切需求。中國移動1GPON經10GPON到NG-PON2的發展，PON技術從面向固定寬帶接入，向固定網絡和移動網絡等融合的統一業務承載平臺演進。形成了基于光分路器的TWDM-PON和基于AWG的WDM-PON的技術架構(見圖4、圖5)。

波長規劃，TWDM-PON下行已規劃，上行規定多套可選方案，需要進一步明確上行波長方案的選用，TWDM-PONPtPWDMch選項多；WDM-PON未細化。NG-PON2在波長規劃和無色ONU技術方案等方面有待進一步統一和完善，TWDM-PON業內已有演示系統，WDM-PON正開展試點應用(江蘇移動)，NG-PON2預計2018年以后技術成熟可商用，具體應用時間點和業務需求緊密相關。

圖2　光子軌道角動量(OAM)的新型光纖

圖3　正負一階、二階光纖OAM測試圖片

圖4　基于光分路器(含TDM、PtP WDM通道)的PON技術架構

圖5　基于AWG的PON技術架構

3.2PON在5G應用

PON作為5G回傳和前傳技術，高頻率載波、高階調制的引入使5G的小站覆蓋范圍進一步縮小，高帶寬、高密度的需求使小基站覆蓋場景在5G時代更為重要，宜采用低成本方案構建小基站的回/前傳網絡。以PON技術為主接入一體化皮站/飛站，是考量網絡投入/產出因素的優選方案(見圖6)。

以PON為主接入，PON成本更低、更靠近用戶，可滿足4G深度覆蓋需要。PTN主要用于已覆蓋區域。CMNet承載通過啟用QoS滿足時延、PDV等技術指標要求，不擁塞時單跳10～30μs，擁塞時高優先級業務單跳40～80μs。網絡安全措施，小基站位于用戶側，存在安全隱患，主要措施是部署防火墻、安全網關，基站到安全網關采用IPSec。L3PTN與EPC對接，基站流量經L3PTN疏導后進入EPC。

圖6　PON在5G中應用方案

4光載射頻技術和無源光網絡融合

對終端用戶提供寬帶更大的服務是未來信息系統的發展趨勢。FTTX/H可以實現用戶端大帶寬的有線接入，然而無線系統可以為終端用戶提供方便、自由和靈活的接入方式。有線和無線的融合可以減少雙重基礎設施的建設，減低建設資金和運營成本。光載射頻技術和無源光網絡的網絡結構有較高的兼容性，傳輸介質為光纖，解決無線接入和光纖接入帶寬不匹配的問題。

4.1混合接入系統

根據麥克斯韋理論得知，電磁波的光波是橫波，光的傳播方向和振動方向是互相垂直的。偏振方向相互正交的光波可以相互地攜帶數據信息，實現沿傳輸方向互不影響地傳輸，從而擴大系統的傳輸容量[3]。

利用Optisystem仿真平臺搭建了混合系統的仿真鏈路。如圖7和表1為混合網絡可選擇性接入系統結構及功能描述。激光器輸出光載波信(f0)送入一個雙電極馬赫曾德爾調制器中進行光載波抑制調制,驅動波形為相位相差180°正弦波(fm)，輸出兩個頻率間隔2fm的一階邊帶成分的光毫米波信號(f1=f0-fm，f2=f0+fm)。光毫米波信號通過一個光纖光柵濾波器使下邊帶光信號和上邊帶光信號分離。經過濾波器反射后的上邊帶信號(f2)的X偏振態光信號被下行信號通過一個單電極馬赫曾德爾調制器進行強度調制[4-5]，通過光纖光柵濾波器后的光毫米波f1下邊帶光信號經偏振控制器作用生成Y偏振態，與X偏振態正交。偏振合束器將Y偏振態光信號和X偏振態光信號合并為偏振態相互正交的下行光毫米波信號。混合光網絡單元中，通過偏振控制器改變信號的偏振態，經過偏振分束器實現Y偏振態光信號和X偏振態光信號的分離，Y偏振態光信號經過帶通濾波器成為無線上行鏈路的光載波信號，X偏振態光信號由光檢測器恢復電信號。

圖7　可選擇性接入系統結構

序號名稱功能1無線/有線用戶端無線/有線下行信號的接收和上行信號的加載工作2混合光網絡單元下行光信號轉換為用于有線接入的基帶信號或用于無線接入的毫米波信號,并完成上行有用或無線接入信號加載到由下行信號提取出的光載波上3中心站下行毫米波信號的產生以及上行信號的接收

4.1.1上行鏈路

有線接入上行鏈路中,基帶有線信號直接調制到Y偏振態光信號經過帶通濾波器成為上行鏈路的光載波信號上，通過單模光纖傳輸到線路終端后通過光電探測器轉換為電信號，由低通濾波后經過解調恢復原來有線接入上行基帶信號。

無線接入上行鏈路中,無線用戶端的無線射頻毫米波信號被混合光網絡單元的天線接收,先經過功率探測轉換為基帶信號,然后通過光調制器強度調制到預留的上行光載波上，經過光纖傳輸到光線路終端后由光電探測器轉換為無線接入上行基帶信號。

4.1.2下行鏈路

有線接入下行鏈路中,混合光網絡將X偏振態的光毫米波信號由光電檢測器產生光電流，經過低通濾波器輸出基帶電信號。

無線接入下行鏈路中，混合光網絡將X偏振態的光毫米波信號由光電檢測器產生光電流，經過帶通濾波器輸出2fm的射頻毫米波，信號放大通過無線天線發送給用戶終端，無線用戶終端利用射頻本振對信號進行相干解調，經過低通濾波器后恢復下行無線數據。

4.2仿真結果

仿真參數設置及測試數據如表2、表3所示。圖8、圖9為上下行鏈路誤碼率曲線，可以看出系統中有線接入上下行鏈路要求比無線接入上下鏈路好一些。主要因為有線信號比無線信號引入了較少的帶內噪聲，信號載波相位差也會減低無線鏈路傳輸性能。

表2無線鏈路光功率損耗(衰減)表

方向BTB/dBmL=30km損耗量/dBL=60km損耗量/dB下行-36.55-36.40dBm0.15-36.25dBm0.3上行-42.65-42.60dBm0.05-42.05dBm0.6

注：本表的測試參數為帶通濾波器BW=10GHz，f0=195.1THz(線寬1MHz)，f1=195.06THz，f2=195.14THz，fm=40GHz，V偏壓=4V，NRZ速率為5Gbit/s，NRZ碼位為211-1，誤碼率為10-9。

表3有線鏈路光功率損耗(衰減)表

方向BTB/dBmL=30km損耗量/dBL=60km損耗量/dB下行-42.48-42.22dBm0.26-42.08dBm0.4上行-42.75-42.50dBm0.25-42.35dBm0.4

注：本表的測試參數為帶通濾波器BW=10GHz，f0=195.1THz(線寬1MHz)，f1=195.06THz，f2=195.14THz，fm=40GHz，V偏壓=4V，NRZ速率為5Gbit/s，NRZ碼位為211-1，誤碼率為10-9。

圖8　上行鏈路的誤碼率曲線及眼圖

圖9　下行鏈路的誤碼率曲線及眼圖

如圖8a和圖9b所示為無線鏈路的誤碼率曲線仿真結果，圖中可以看出隨著接收光功率的減小,誤碼率呈不斷增加的趨勢。在對數坐標系中,誤碼率曲線大體呈線性。

從圖8a、圖9b和表2中看出下行傳輸眼圖的睜開程度逐漸減小,但是傳輸60km后依然比較清晰。上行傳輸的眼圖也有類似的趨勢,傳輸30km至60km損耗量相對較大，隨著傳輸距離的增加眼圖有一定程度的閉合,但是經過60km傳輸后眼圖依然清晰。由誤碼率曲線表明無線鏈路傳輸性能良好。

如圖8b和圖9a所示為有線鏈路信號的BER曲線和眼圖。具體參數及數據如表3所示。

由表3、圖8b和圖9a可以看出上下行有線傳輸的性能基本相差不大。可見，隨著光纖傳輸距離的增加，眼圖睜開度逐漸減小,主要因為傳輸距離的增加使信號性能劣化以及光域的相位噪聲在接收端轉化為強度噪聲，使信號性能下降。對接收端的電平判決和信號接收影響較少。從眼圖的形態判斷出上行鏈路傳輸性能良好。

混合光網絡中分光器的分路可以獲得適應有線傳輸和無線傳輸的信號，有線信號送給光網絡單元中實現有線接入，無線信號送入基站實現射頻無線接入，用戶在有線和無線服務二選一，該融合網絡可以通過在接收端的開關實現可選擇的有線和無線接入方式，實現了共享接收端和發送端的設備資源，并大大節約信道資源。網絡融合解決了基站結構復雜且成本高的問題，解決了有線信道和無線信道占有造成的信道資源的浪費。仿真實驗驗證該方案的可行性,通過對BER曲線及眼圖等仿真結果的分析表明,此系統傳輸性能優越。

5光通信技術展望

機載雷達向總裝智能雷達(作為飛機的一部分組裝)發展趨勢，進一步提高隱形效果和性能指標，對光纖通信技術及傳輸介質提出更高要求。通信普通單模光纖產能相對過剩，光纖超低損耗、大有效面積單模光纖商用化，學術領域聚焦多芯少模光纖。400Gbit/s和1Tbit/s速率成為未來高速傳輸新的標準化焦點。光傳送網綠色成為發展趨勢，降低每比特傳輸能耗，實現提速，減少設備種類和網絡層疊，實現網絡融合，多層多域應用時網絡效能提升，實現協同。

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Opticalcommunicationtechnologyresearchaboutnetworkintegration

ZENGQingzhu

(Nanjing Vocational College of Information Technology,Nanjing 210023，China)

Abstract:The background of network integration is analyzed, new fiber technology and PON technology are explored, and an innovative ROF and PON link system are designed. Through the analysis of experimental results, the performance of systematic transmission has been verified to be satisfactory. Also, the author looks to the perspective of optical communication technology.

Key words:network integration; passive optical network; radio over fiber

中圖分類號:TN915

文獻標志碼:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.04.016

基金項目：2015年江蘇省通信技術品牌專業項目(PPZY2015A092)；江蘇省工程研發中心開放基金項目(KF20140501)；2013年江蘇省“青藍工程”骨干教師培養對象基金項目

作者簡介：

曾慶珠(1978— )，副教授，高工，碩士，主要研究方向為通信技術和通信工程。

責任編輯：許盈

收稿日期：2015-11-05

文獻引用格式：曾慶珠. 基于網絡融合的光通信技術研究[J].電視技術，2016，40(4)：74-79.

ZENGQZ.Opticalcommunicationtechnologyresearchaboutnetworkintegration[J].Videoengineering，2016，40(4)：74-79.