基于VPI的波分復用型無源光網絡系統可靠性研究

武警工程大學信息工程學院 周 陽

【目的】在基于光譜分割的波分復用型無源光網絡（WDMPON）系統中，為了驗證不同光纖長度對系統可靠性的影響。【方法】利用VPI光通信仿真平臺，設計并搭建了一個基于光譜分割WDM-PON的光網絡系統，通過設置傳輸光纖的長度及相關參數，在接收端通過光電信號分析儀對接收信號進行頻譜、眼圖質量分析。【結論】實驗結果表明：光纖長度的變化對基于光譜分割WDM-PON系統的抗噪聲性能和抗碼間干擾能力有較大影響，光纖長度越長，接收端信號質量越差。

新冠肺炎疫情發生以來，遠程教育、視頻會議等互聯網應用迎來了前所未有的發展，這些業務主要承載在光纖傳輸網絡中。為了提高系統帶寬，密集波分復用無源光網絡（WDM-PON）憑借其利用信道資源少、功率預算低的特點，可以實現用戶數目和傳輸容量的大幅提升，成為了近年來的研究熱點。光譜分割是指WDMPON利用寬帶光源作為光網絡單元（Optical Network Unit，ONU)的光源，輸出信號復用到一根光纖上，在光線路終端（optical line terminal，OLT）通過解復用器到達目的接收機。

近年來，許多研究人員對基于光譜分割的WDM-PON系統進行了研究，取得了一些研究成果。馬子洋等人從頻譜效率、相干接收機等方面出發，對國內外有關超密集波分復用無源光網絡的最新研究進展進行了跟蹤，并預測了其未來的發展方向。張晨希對基于高階調制的技術的WDM-PON前傳網絡進行了研究，其研究的重點是信號的碼型和偏振復用技術在系統傳輸的可行性和優化。G.Sharma and L.Tharani在不同的氣候條件下，展示了一種性價比高的非線性光譜分割WDM通信系統摻鉺光纖放大器是最佳的放大器，但并未對影響該系統傳輸性能質量的因素進行分析。

綜上所述，目前大部分的研究成果并未涉及影響基于光譜分割WDM-PON光網絡系統傳輸性能的因素。因此，本文利用VPI光通信仿真平臺，設計并搭建了基于光譜分割WDM-PON的光網絡系統，通過設置光纖長度等相關參數，觀察比較輸出信號的眼圖和頻譜，從而得出相關結論。

1 仿真實驗與分析

1.1 VPI光通信仿真平臺簡介

VPI transmission maker（VPI）是德國VPIphotonics公司研發的一款專業的光通信系統仿真軟件，它擁有豐富的光通信系統仿真模塊，包括各種類型的信息源、發射機和接收機模塊、光調制器、復用器和濾波器、光纖、光放大器、分析儀等，研究人員可以根據相關規則隨意調用相關模塊在實驗區搭建相應的實驗系統，并可以修改系統內各模塊的參數，甚至可以利用MATLAB/C++等編程語言設計相關模塊，大大提高了研究人員的工作效率。通過多種類型的分析儀可以得到信號的眼圖、波形圖、頻譜圖、誤碼率等信息，方便了研究人員對光通信系統進行仿真研究。

圖1 基于光譜分割WDM-PON的光網絡系統

1.2 實驗結構圖

如圖1所示，本文在VPI平臺上設計并搭建了一個基于光譜分割WDM-PON的光網絡系統。該系統由4個頻道組成，1gb/s。發射器是直接調制的LED。在調制之后，信號被多路復用并通過單模光纖發送。多路復用器執行信道切片。在遠端節點，采用光電二極管對信道進行解復用和檢測；通過改變光纖長度參數大小并在輸出端利用光纖信號分析儀來觀察輸出端信號的質量的影響。

1.3 實驗參數設置

系統的參數設置如表1所示，其中帶內噪聲是一個開關類型的參數，信號發射頻率和采樣中心頻率保持一致，采樣模式帶寬為1.28×1012，傳輸光纖的衰減設為0.2e-3，色散為16e-6，色散率為0.08e-3，光纖長度根據實驗需求進行改變，其余參數為系統默認值。

表1 參數設置

1.4 實驗結果及分析

1.4.1 默認光纖長度下輸出信號的質量

默認光纖長度為10e3m，其余參數保持不變，由光電信號分析儀得到輸出信號的頻譜和眼圖如圖2所示：

圖2 實驗結果圖

由圖2(a)分析可知，輸出信號基本沒有發生頻譜偏移，保持在中心頻率193.1Thz附近。由圖2(b)可知眼圖存在一定程度的線條展寬和模糊，“眼”的張開度較大，取樣時間處的失真較小，線條較為清晰，表明抗噪聲能力較強；同時，信號時間抖動較小，表明此時系統抗碼間干擾能力較強，系統傳輸可靠性較高。

1.4.2 光纖長度為10e4m條件下輸出信號的質量

將光纖長度參數增大為10e4m，其余參數保持不變，由光電信號分析儀得到輸出信號的頻譜和眼圖如圖3所示：

圖3 實驗結果圖

由圖3(a)分析可知，當光纖長度增大為10e4m時，輸出信號也沒有發生頻譜偏移，保持在中心頻率193.1Thz附近，這說明光纖長度的增加不會造成輸出信號頻譜的偏移。由圖3(b)可知眼圖線條展寬嚴重且模糊，“眼”的張開度較小，取樣時間處的失真很大，線條雜亂，表明此時系統抗噪聲能力很弱；同時，信號時間抖動較大，表明此時系統抗碼間干擾能力較弱，系統傳輸可靠性很低。

2 總結與展望

本文研究了不同光纖長度對基于光譜分割WDM-PON系統的影響。在VPI仿真軟件中搭建實驗系統，定量分析了兩種光纖長度的條件下接受信號的質量。實驗結果表明，光纖長度的變化對基于光譜分割WDM-PON系統的抗噪聲性能和抗碼間干擾能力有較大影響，光纖長度越長，接收端信號質量越差。本文的研究結果為下一步研究影響基于光譜分割WDM-PON光網絡系統傳輸性能的因素提供了依據。