基于RSOA和高階QAM調(diào)制的OFDMA-PON上行傳輸系統(tǒng)

張飛翔 任宏亮 章旌紅 覃亞麗 溫浩

(浙江工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，杭州，310023)

自2007年在歐洲光通信會議上OFDMA- PON（ Orthogonal Frequency Division Multiple Access Passive Optical Network）被提出以來，在系統(tǒng)傳輸方面，國內(nèi)外絕大多數(shù)的研究集中在下行方向，上行方向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在不同的 ONU（Optical Network Unit）處產(chǎn)生，調(diào)制格式也不盡相同，最后匯聚在OLT（Optical Line Terminal）處，是一個典型的“點對多點”的傳輸系統(tǒng)，對OFDM-PON上行傳輸?shù)难芯扛哂刑魬?zhàn)性。目前，國內(nèi)外OFDM-PON上行傳輸方案主要有兩種：一是Dayou Qian等[1]提出的單波長上行傳輸方案，但是基于單波長的多個上行光載波之間的拍頻噪聲對系統(tǒng)性能影響劣化，嚴(yán)重限制了 PON（Passive Optical Network）系統(tǒng)中ONU數(shù)量的增加；二是美國 NEC實驗室和臺灣一些學(xué)校提出的基于 WDM的上行 OFDM-PON傳輸系統(tǒng)[2]，但是其多波長光源問題會引起系統(tǒng)成本上升，且為降低拍頻噪聲增大頻隔嚴(yán)重浪費了帶寬資源。國內(nèi)北京郵電大學(xué)喬耀軍等對第二種方案給出了一個環(huán)回結(jié)構(gòu)來避免差拍噪聲，但并沒有考慮波長資源的利用問題[3]。本文給出了一個基于 RSOA（Reflective Semiconductor Optical Amplifier） 的 32QAM OFDM-PON上行傳輸系統(tǒng)，在OLT處注入鎖定上行波長實現(xiàn)了 ONU的無色化，相鄰 ONU通過OFDM子帶復(fù)用可以共用一個波長資源，節(jié)省了波長資源。通過系統(tǒng)數(shù)值仿真，驗證了系統(tǒng)的可行性。

1 系統(tǒng)設(shè)計

限于 RSOA較小的調(diào)制帶寬，設(shè)計了一種基于32QAM的OFDMA-PON上行傳輸系統(tǒng)，上行速率可達10 Gb/s，而先前的OFDMA-PON上行系統(tǒng)[4]采用4QAM或16QAM等較低階調(diào)制格式使其上行速率遠小于10 Gb/s這個值。該上行傳輸系統(tǒng)如圖1(a)所示。整個系統(tǒng)由OLT端提供種子光源，該光源下行傳輸?shù)竭_ONU端，作為上行傳輸光載波使用，從而實現(xiàn)ONU的無色化。在ONU端，位置相近的ONU (ONU11和ONU12 或者ONU21和 ONU22)共用一個波長，采用 OFDM 子帶復(fù)用方式進行多址接入。

圖1 (b)采用子帶方式的光饋線網(wǎng)絡(luò)上OFDMA多址信號

子帶復(fù)用方式在光饋線網(wǎng)上信號頻譜如圖1(b)所示，波長λ1可同時被 ONU11、ONU12共用，同理λ2可以被ONU21和ONU22共用，這樣可以實現(xiàn)一個波長為兩個ONU用戶所使用，節(jié)約波長資源。其中d為共用一個波長的兩個ONU的頻譜間隔，它的大小對系統(tǒng)性能也有較大的影響。不同ONU用戶的信息經(jīng)過OFDM調(diào)制后產(chǎn)生的射頻信號，經(jīng)過 RSOA調(diào)制后從電域轉(zhuǎn)換到光域。不同波長作為光載波的光信號經(jīng)波分復(fù)用后，通過 45 km的光纖傳輸?shù)竭_OLT端，先在光域進行解復(fù)用，波長相同的作為光載波光信號分別設(shè)計了自零差相干接收，之后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺陔娪驅(qū)灿貌ㄩL的兩個ONU的OFDM射頻信號按頻帶進行濾波以分別進行OFDM解調(diào)，這種方法避免了OLT中嚴(yán)格的同步，大大降低了接收端的復(fù)雜度[5]。

2 仿真結(jié)果

用Optisystem 7.0和Matlab7.0軟件聯(lián)合對以上系統(tǒng)設(shè)計進行數(shù)值仿真，證實系統(tǒng)設(shè)計的可行性，系統(tǒng)中OFDM編解碼模塊用Matlab7.0代碼生成，其他器件取自O(shè)ptisystem7.0軟件自帶器件庫。系統(tǒng)基本的參數(shù)設(shè)置如表1所示。仿真顯示系統(tǒng)光饋線網(wǎng)絡(luò)上的頻譜信號如圖2所示，其中（a）為ONU11經(jīng)光濾波器濾波后的頻譜信號，（b）為共用同一波長的ONU11和ONU12耦合后的頻譜放大信號，(c)是四個 ONU經(jīng)耦合的信號，其中ONU11和ONU12使用的光載波的波長λ1，ONU21和ONU22使用的光載波波長為λ2，兩者的頻譜間隔d均為0.08 GHz。

表1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

參數(shù) 激光器線寬/kHz FFT點數(shù)數(shù)值 50 256參數(shù) 光纖長度/km 光纖色散ps/nm·km數(shù)值 45 16.75參數(shù) 調(diào)制方式 激光器功率/dBm數(shù)值 32QAM 0參數(shù) 偏置電流功率/dBm 頻譜間隔 d/GHz數(shù)值 15.105 0.08參數(shù) 子載波個數(shù) 正交調(diào)制增益數(shù)值 128 0.00042參數(shù) DAC采樣率/bit 上變頻位置/GHz數(shù)值 64 1.95 2.58參數(shù) 上行傳輸速率/Gb/s OFDM符號周期/ μs數(shù)值 10 0.1024

圖2 (a) ONU11經(jīng)濾波后的信號

圖2 (b) ONU11和ONU12耦合后的信號

圖2 (c) 四個ONU耦合后的信號

在發(fā)送端OFDM符號中添加導(dǎo)頻，導(dǎo)頻間隔為8，接收端使用LS信道估計。圖3(a)為利用估計結(jié)果進行相位均衡后的星座圖，可見符號落點聚集，誤碼率為6.7925×10-5，性能良好。圖3(b) 表明了系統(tǒng)誤碼率隨激光器線寬變化的情況。在自零差的上行相干系統(tǒng)中，調(diào)制端光源與相干接收的本地光源為同一個激光器，隨著激光器線寬的增加，系統(tǒng)的相位噪聲在不斷增加，可以看到當(dāng)激光器線寬從10 kHz到100 kHz依次變化時，系統(tǒng)的誤碼率緩慢增大。RSOA的偏置電流對系統(tǒng)性能有較大的影響，如圖 3(c)所示，可以看到系統(tǒng)中 RSOA的最佳偏置電流注入范圍為0.18±0.005。共用一個波長的兩個ONU的頻譜間隔d是影響系統(tǒng)性能的另一個重要因素，如圖3(d)所示，伴隨著頻譜間隔的增大，系統(tǒng)的誤碼率逐漸減小，當(dāng)頻譜間隔增大到0.08 GHz時，系統(tǒng)的誤碼率趨于穩(wěn)定。原因是頻譜間隔d太小，可能會在接收端相干接收時產(chǎn)生相互干擾的光拍頻噪聲，劣化系統(tǒng)性能。

圖3 (a) 均衡后的星座圖

圖3 (b)激光器線寬對誤碼率的影響

圖3 (c) RSOA直流偏置對系統(tǒng)誤碼率的影響

圖3 (d)共用同一波長的兩個ONU之間的頻率間隔對系統(tǒng)誤碼率的影響

3 結(jié)語

本文給出了基于 RSOA和 32QAM 調(diào)制的OFDMA-PON上行傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)中使用了32QAM調(diào)制，而非常見的4QAM和16QAM調(diào)制，更高階數(shù)的調(diào)制意味著更高的信噪比、誤碼率。另外對系統(tǒng)的位分辨率、激光器線寬、IQ調(diào)制和解調(diào)器的不平衡性以及光纖非線性提出更高更嚴(yán)格的要求，本文從理論上解決了高階調(diào)傳輸所面臨的上述問題，從而提高了系統(tǒng)的頻譜利用率。在較大激光器線寬的情況下，系統(tǒng)性能將急劇下降，這個問題的解決需要更進一步的探討。

[1] QIAN DAYOU, NEDA CVIJETIC. 108 Gb/s OFDMA-PON with polarization multiplexing and direct detection[J]. Journal of Lightwave Technology, 2010,28(4):12-16.

[2] JIANJUN Y, H MING-FANG. Centralized lightwave WDM-PON employing 16-QAM intensity modulated OFDM downstream and OOK modulated upstream signals[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2008,20(18):1545-1547.

[3] 喬耀軍, 王蕾, 趙遠征, 等. 基于光環(huán)路正交頻分多址無源光網(wǎng)絡(luò)的光拍頻噪聲避免方案及性能仿真[J].光子學(xué)報, 2014, 43(7): 0706008-1-5.

[4] 陳晨.OFDM-PON中無源ONU的實現(xiàn)方法及實驗研究[D]. 電子科技大學(xué),2013:22-24.

[5] JOHANNES VON HOYNINGEN-HUENE. Experimental demonstration of OFDMA-PON uplink-transmission with four individual ONUs[C].USA,OFC/NFOEC, 2013, OTh3A.