基于網(wǎng)絡(luò)融合的光通信技術(shù)研究

曾慶珠

(南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京210023)

基于網(wǎng)絡(luò)融合的光通信技術(shù)研究

曾慶珠

(南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京210023)

摘要:分析了網(wǎng)絡(luò)融合背景，探索新型光纖技術(shù)和無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出了PON技術(shù)在5G中的應(yīng)用方案，設(shè)計了一種光載射頻技術(shù)和無源光網(wǎng)絡(luò)融合鏈路系統(tǒng),通過實驗結(jié)果的分析驗證出系統(tǒng)傳輸性能良好，最后,展望了光通信技術(shù)發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)融合；無源光網(wǎng)絡(luò)；光載射頻技術(shù)

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

1網(wǎng)絡(luò)融合的背景和方向

電信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展受運營商和基于開放互聯(lián)網(wǎng)的視頻服務(wù)(OTT)的影響，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模急速膨脹，網(wǎng)絡(luò)全局流量模型向業(yè)務(wù)云端化和終端虛擬化轉(zhuǎn)變，特有網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備及業(yè)務(wù)創(chuàng)新推動網(wǎng)絡(luò)智能化轉(zhuǎn)型。網(wǎng)絡(luò)融合帶來了光通信技術(shù)新發(fā)展。其中，光通信芯片集成工藝、通信網(wǎng)絡(luò)層間融合、復(fù)用方式、傳輸速率、光電材料集成、智能控制、調(diào)試方式、業(yè)務(wù)得到飛速發(fā)展，元器件發(fā)展如圖1所示。

網(wǎng)絡(luò)融合中業(yè)務(wù)環(huán)境和服務(wù)對象發(fā)生了變化。業(yè)務(wù)環(huán)境變化，云計算大量應(yīng)用，服務(wù)模式云端化；4K、8K視頻業(yè)務(wù)的大量應(yīng)用，數(shù)字內(nèi)容寬帶化；終端接入的開放，應(yīng)用類型多樣化，業(yè)務(wù)亮點層出不窮。服務(wù)對象變化，個人業(yè)務(wù)以語音、帶寬、視頻為主，集團(tuán)客戶以企業(yè)接入、專線接入和行業(yè)專網(wǎng)為主，互聯(lián)網(wǎng)客戶OTT以IDC租用，DC互聯(lián)和后向保障為主，運營商網(wǎng)絡(luò)從“專注前段”到“面向云端”，服務(wù)實現(xiàn)“雙向化”。同時，互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)融合漸成趨勢。移動網(wǎng)絡(luò)和固定互聯(lián)網(wǎng)流量高速增長，對業(yè)務(wù)的接入和傳送提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。電信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)百花齊放，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)界限逐

圖1　光器件發(fā)展

漸模糊，高連接密度、網(wǎng)絡(luò)接入界限逐漸模糊。傳送網(wǎng)和接入網(wǎng)的發(fā)展需審視業(yè)務(wù)的劃分和融合承載。網(wǎng)絡(luò)融合的大背景下，光通信技術(shù)在光纖、PON和傳輸?shù)燃夹g(shù)開展新的研究。

2新型光纖技術(shù)

光纖技術(shù)得到飛速發(fā)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(yīng)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(shù)，空分復(fù)用和模分復(fù)用，突破香農(nóng)極限。

光傳輸承載“寬帶中國戰(zhàn)略”，預(yù)測2020年固定寬帶接入網(wǎng)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(nóng)村寬帶接入能力12Mbit/s[2]。Mobile，BigDate，OTT和Cloud的應(yīng)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(jìn)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(chǎn)工藝進(jìn)行創(chuàng)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(tǒng)OSNR，為400Gbit/s系統(tǒng)提供優(yōu)質(zhì)傳輸介質(zhì)?！癡AD+PCVD+OVD”三步法實現(xiàn)內(nèi)包層折射率下凹型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)抗彎的領(lǐng)先技術(shù)。三步法可調(diào)節(jié)光纖中某一特定模式的泄露光纖信號，能進(jìn)一步控制光纖的彎曲衰減(損耗)。“三步法”生產(chǎn)出光纖，VAD芯棒超低損耗，PCVD超強(qiáng)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(yù)制棒，突破傳統(tǒng)“兩步法”，制造工藝搶占國際技術(shù)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(xué)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(qiáng)度分布和橫截面相位分布可以看出，OAM與現(xiàn)有通信電磁波維度完全正交，可大幅度提高通信系統(tǒng)容量。根據(jù)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(shè)計生產(chǎn)出HE模式和EH模式的微結(jié)構(gòu)OAM空心光纖和多芯OAM模式傳輸光纖。光纖實現(xiàn)了50km超長距離OAM信號高保真?zhèn)鬏擺3]。如圖3為OAM模式的光纖測試畫面。

光纖技術(shù)在融合中發(fā)展，追隨著應(yīng)用的腳步不斷更新。

3PON技術(shù)

3.1PON架構(gòu)

2015年開始，F(xiàn)TTH端口數(shù)比例進(jìn)一步提升至60%和ONU數(shù)比例進(jìn)一步提升至95%以上。GPON互通緩解成本壓力，規(guī)模部署元年，滿足FTTH發(fā)展新形勢下的迫切需求。中國移動1GPON經(jīng)10GPON到NG-PON2的發(fā)展，PON技術(shù)從面向固定寬帶接入，向固定網(wǎng)絡(luò)和移動網(wǎng)絡(luò)等融合的統(tǒng)一業(yè)務(wù)承載平臺演進(jìn)。形成了基于光分路器的TWDM-PON和基于AWG的WDM-PON的技術(shù)架構(gòu)(見圖4、圖5)。

波長規(guī)劃，TWDM-PON下行已規(guī)劃，上行規(guī)定多套可選方案，需要進(jìn)一步明確上行波長方案的選用，TWDM-PONPtPWDMch選項多；WDM-PON未細(xì)化。NG-PON2在波長規(guī)劃和無色ONU技術(shù)方案等方面有待進(jìn)一步統(tǒng)一和完善，TWDM-PON業(yè)內(nèi)已有演示系統(tǒng)，WDM-PON正開展試點應(yīng)用(江蘇移動)，NG-PON2預(yù)計2018年以后技術(shù)成熟可商用，具體應(yīng)用時間點和業(yè)務(wù)需求緊密相關(guān)。

圖2　光子軌道角動量(OAM)的新型光纖

圖3　正負(fù)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(shù)架構(gòu)

圖5　基于AWG的PON技術(shù)架構(gòu)

3.2PON在5G應(yīng)用

PON作為5G回傳和前傳技術(shù)，高頻率載波、高階調(diào)制的引入使5G的小站覆蓋范圍進(jìn)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(gòu)建小基站的回/前傳網(wǎng)絡(luò)。以PON技術(shù)為主接入一體化皮站/飛站，是考量網(wǎng)絡(luò)投入/產(chǎn)出因素的優(yōu)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(qū)域。CMNet承載通過啟用QoS滿足時延、PDV等技術(shù)指標(biāo)要求，不擁塞時單跳10～30μs，擁塞時高優(yōu)先級業(yè)務(wù)單跳40～80μs。網(wǎng)絡(luò)安全措施，小基站位于用戶側(cè)，存在安全隱患，主要措施是部署防火墻、安全網(wǎng)關(guān)，基站到安全網(wǎng)關(guān)采用IPSec。L3PTN與EPC對接，基站流量經(jīng)L3PTN疏導(dǎo)后進(jìn)入EPC。

圖6　PON在5G中應(yīng)用方案

4光載射頻技術(shù)和無源光網(wǎng)絡(luò)融合

對終端用戶提供寬帶更大的服務(wù)是未來信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。FTTX/H可以實現(xiàn)用戶端大帶寬的有線接入，然而無線系統(tǒng)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(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，減低建設(shè)資金和運營成本。光載射頻技術(shù)和無源光網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有較高的兼容性，傳輸介質(zhì)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(tǒng)

根據(jù)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(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)沿傳輸方向互不影響地傳輸，從而擴(kuò)大系統(tǒng)的傳輸容量[3]。

利用Optisystem仿真平臺搭建了混合系統(tǒng)的仿真鏈路。如圖7和表1為混合網(wǎng)絡(luò)可選擇性接入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(diào)制器中進(jìn)行光載波抑制調(diào)制,驅(qū)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(jīng)過濾波器反射后的上邊帶信號(f2)的X偏振態(tài)光信號被下行信號通過一個單電極馬赫曾德爾調(diào)制器進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)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(jīng)偏振控制器作用生成Y偏振態(tài)，與X偏振態(tài)正交。偏振合束器將Y偏振態(tài)光信號和X偏振態(tài)光信號合并為偏振態(tài)相互正交的下行光毫米波信號。混合光網(wǎng)絡(luò)單元中，通過偏振控制器改變信號的偏振態(tài)，經(jīng)過偏振分束器實現(xiàn)Y偏振態(tài)光信號和X偏振態(tài)光信號的分離，Y偏振態(tài)光信號經(jīng)過帶通濾波器成為無線上行鏈路的光載波信號，X偏振態(tài)光信號由光檢測器恢復(fù)電信號。

圖7　可選擇性接入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(wǎng)絡(luò)單元下行光信號轉(zhuǎn)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(chǎn)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(diào)制到Y(jié)偏振態(tài)光信號經(jīng)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?shù)骄€路終端后通過光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號，由低通濾波后經(jīng)過解調(diào)恢復(fù)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(wǎng)絡(luò)單元的天線接收,先經(jīng)過功率探測轉(zhuǎn)換為基帶信號,然后通過光調(diào)制器強(qiáng)度調(diào)制到預(yù)留的上行光載波上，經(jīng)過光纖傳輸?shù)焦饩€路終端后由光電探測器轉(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)將X偏振態(tài)的光毫米波信號由光電檢測器產(chǎn)生光電流，經(jīng)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(wǎng)絡(luò)將X偏振態(tài)的光毫米波信號由光電檢測器產(chǎn)生光電流，經(jīng)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(fā)送給用戶終端，無線用戶終端利用射頻本振對信號進(jìn)行相干解調(diào)，經(jīng)過低通濾波器后恢復(fù)下行無線數(shù)據(jù)。

4.2仿真結(jié)果

仿真參數(shù)設(shè)置及測試數(shù)據(jù)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(tǒng)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(nèi)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(shù)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(shù)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(jié)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(shù)坐標(biāo)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?shù)难蹐D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(jīng)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(shù)及數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3、圖8b和圖9a可以看出上下行有線傳輸?shù)男阅芑鞠嗖畈淮?。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(zhuǎn)化為強(qiáng)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(tài)判斷出上行鏈路傳輸性能良好。

混合光網(wǎng)絡(luò)中分光器的分路可以獲得適應(yīng)有線傳輸和無線傳輸?shù)男盘?，有線信號送給光網(wǎng)絡(luò)單元中實現(xiàn)有線接入，無線信號送入基站實現(xiàn)射頻無線接入，用戶在有線和無線服務(wù)二選一，該融合網(wǎng)絡(luò)可以通過在接收端的開關(guān)實現(xiàn)可選擇的有線和無線接入方式，實現(xiàn)了共享接收端和發(fā)送端的設(shè)備資源，并大大節(jié)約信道資源。網(wǎng)絡(luò)融合解決了基站結(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)果的分析表明,此系統(tǒng)傳輸性能優(yōu)越。

5光通信技術(shù)展望

機(jī)載雷達(dá)向總裝智能雷達(dá)(作為飛機(jī)的一部分組裝)發(fā)展趨勢，進(jìn)一步提高隱形效果和性能指標(biāo)，對光纖通信技術(shù)及傳輸介質(zhì)提出更高要求。通信普通單模光纖產(chǎn)能相對過剩，光纖超低損耗、大有效面積單模光纖商用化，學(xué)術(shù)領(lǐng)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(biāo)準(zhǔn)化焦點。光傳送網(wǎng)綠色成為發(fā)展趨勢，降低每比特傳輸能耗，實現(xiàn)提速，減少設(shè)備種類和網(wǎng)絡(luò)層疊，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合，多層多域應(yīng)用時網(wǎng)絡(luò)效能提升，實現(xiàn)協(xié)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(xiàn)標(biāo)志碼:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.04.016

基金項目：2015年江蘇省通信技術(shù)品牌專業(yè)項目(PPZY2015A092)；江蘇省工程研發(fā)中心開放基金項目(KF20140501)；2013年江蘇省“青藍(lán)工程”骨干教師培養(yǎng)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(shù)和通信工程。

責(zé)任編輯：許盈

收稿日期：2015-11-05

文獻(xiàn)引用格式：曾慶珠. 基于網(wǎng)絡(luò)融合的光通信技術(shù)研究[J].電視技術(shù)，2016，40(4)：74-79.

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