基于OFDM調(diào)制的雙向TWDM-PON系統(tǒng)設(shè)計

彭泉生，陳新橋

(中國傳媒大學信息工程學院，北京100024)

1 引言

隨著交互式網(wǎng)絡(luò)電視、高清流媒體視頻等多種高帶寬業(yè)務(wù)的快速普及，人們對接入網(wǎng)帶寬需求大幅提高。傳統(tǒng)的TDM-PON由于單一波長傳輸速率等性能的受限，正逐步向WDM-PON轉(zhuǎn)型。針對目前已經(jīng)大量部署的TDM-PON，出于使用成本和系統(tǒng)平滑升級等因素的考慮，外界普遍認為在向未來WDM-PON過渡的一段時期，可以引入混合時分波分的TWDM-PON。

與TDM-PON和WDM-PON系統(tǒng)不同，TWDM-PON在網(wǎng)絡(luò)資源的分配上，同時具有波長和時隙的二維特性。在TWDM-PON中，OLT端通過WDM技術(shù)實現(xiàn)多波長的復用和解復用。在接收端，給每個ONU分配特定的波長接收下行數(shù)據(jù)和發(fā)送上行數(shù)據(jù)。本質(zhì)上，TWDM-PON系統(tǒng)是由多個使用不同波長的TDM-PON系統(tǒng)通過WDM的方式結(jié)合在一起的。目前的研究和應用表明，TWDM-PON 可以很大程度地改善現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，使網(wǎng)絡(luò)具有較低的使用成本。同時，TWDM-PON 吸收了兩種已有PON 的技術(shù)優(yōu)點，擁有較高的安全性，并且有利于延長現(xiàn)有系統(tǒng)的生命周期。隨著TWDM-PON被FSAN選為NG-PON2的實現(xiàn)方案，對TWDM-PON技術(shù)的研究也越來越普及。

正交頻分復用(OFDM)做為一種多載波調(diào)制技術(shù)。由于在傳輸過程中高速的二進制數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為了低速的符號流，同時加上了循環(huán)前綴，因此OFDM具有較強的抗色散能力。為了充分利用OFDM調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點，本文通過仿真設(shè)計并驗證了一種OFDM-TWDM-PON系統(tǒng)，將OFDM調(diào)制技術(shù)應用于TWDM-PON系統(tǒng)，以實現(xiàn)超長距離(60公里)的接入。TWDM-PON的另一個問題在于每個OUN都需配置一個用于上行信號發(fā)射的光源。本文通過將ONU“無色化”，把從OLT發(fā)送到ONU的光信號分成兩部分，一部分用于數(shù)據(jù)信號的恢復，另一部分則通過一個RSOA，利用RSOA的增益飽和效應，實現(xiàn)對調(diào)制在光信號的數(shù)據(jù)信號進行“擦除”，從而可做上行鏈路的光源。

2 基于OFDM調(diào)制 TWDM-PON系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計了一個四波長復用的TWDN-PON系統(tǒng)，下行采用了QAM-OFDM調(diào)制技術(shù)，上行的NRZ數(shù)據(jù)經(jīng)由EAM調(diào)制后傳回中心局，通過系統(tǒng)仿真和參數(shù)優(yōu)化，系統(tǒng)傳輸距離和性能都能夠得到有效的提升。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

基于QAM-OFDM調(diào)制的4×25Gb/s的TWDM-PON系統(tǒng)框圖如圖1所示。該方案中，四路光載波的波長頻率間隔為50GHz，頻率從1通道的193.05THz到4通道的193.20THz。在OLT端，下行的二進制序列經(jīng)過4QAM調(diào)制后，產(chǎn)生的基帶信號經(jīng)過OFDM的串并轉(zhuǎn)換調(diào)制到512路子載波上，其中FFT點數(shù)1024。在OFDM調(diào)制模塊中，OFDM調(diào)制器的IQ分量經(jīng)由功分器被調(diào)制到LiNb電光調(diào)制器上。經(jīng)過一個WDM復用器件后，下行光信號被發(fā)射到光纖信道中進行下行傳輸。

圖1 基于QAM-OFDM調(diào)制的TWDM-PON系統(tǒng)框圖

圖2 誤碼率與發(fā)射功率關(guān)系的曲線圖(傳輸距離為60km)

在ONU端，WDM的解復用信號經(jīng)由一光分路器分為兩路信號，其中一路進入OFDM解調(diào)模塊完成下行數(shù)據(jù)的解調(diào)，另外一路光信號進入ONU，將上行信號的一部分，經(jīng)過RSOA后，作為上行信號的光源進行信號的再調(diào)制。ONU的發(fā)射端應包括偽隨機01序列，NRZ信號發(fā)生器和一個反射型半導體激光放大器(RSOA)。來自各個ONU的上行光信號經(jīng)光纖傳輸后到達OLT端，并在OLT端通過光電轉(zhuǎn)換恢復出上行信號。表1中展示了仿真中的一些關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置情況。

表1 仿真過程中的關(guān)鍵參數(shù)

續(xù)表

2.2 仿真結(jié)果與分析

2.2.1 下行鏈路性能研究

下行傳輸?shù)恼`碼率與OLT的光源發(fā)射功率的關(guān)系如圖2所示，當系統(tǒng)光源的發(fā)射功率為5dBm時，系統(tǒng)的誤碼率(BER)的性能達到最佳，約為10e-12。因此，在該系統(tǒng)仿真中，下行信道的發(fā)射端光源的功率為5dBm。

在該系統(tǒng)仿真中，還分析了隨著系統(tǒng)的光纖鏈路從30km增加到70km的情況下，系統(tǒng)的Q值和誤碼率(BER)性能，結(jié)果如圖3和圖4所示。為了仿真結(jié)果的簡潔，圖4的Q值曲線圖取的是1信道中接收端的結(jié)果。從4中可以看出，當系統(tǒng)的光纖鏈路達到60km時，系統(tǒng)的誤碼率降低至10-12左右。因此，該系統(tǒng)的傳輸距離最遠可到達60km，傳輸距離有了顯著的提高。

圖3 系統(tǒng)Q值與系統(tǒng)鏈路長度關(guān)系的曲線圖

圖4 系統(tǒng)誤碼率與系統(tǒng)鏈路長度關(guān)系的曲線圖

(a)傳輸距離30km (b)傳輸距離40km

(c)傳輸距離50km (d)傳輸距離60km

(e)傳輸距離70km圖5 信道2中ONU接收端的信號星座圖

圖6 系統(tǒng)誤碼率與接受端光功率關(guān)系的曲線圖

圖7 上行信號的光譜圖

星座圖是調(diào)制信號在復平面上的表示，是分析系統(tǒng)性能的另一重要手段。在該系統(tǒng)中，下行的已調(diào)信號在不同的傳輸距離下的接收端星座圖如圖5所示?？梢钥吹皆?0km的傳輸距離下，接收端的星座點仍舊分離，而在70km的傳輸距離下，星座點已經(jīng)有相互匯聚的現(xiàn)象。

2.2.2 系統(tǒng)的功率預算分析

功率預算是評價光網(wǎng)絡(luò)性能的基本參數(shù)，是為了保證系統(tǒng)的各傳輸段達到需要的性能水平，而對從OLT到ONU端總的光功率損耗進行估算。在一個無源光網(wǎng)絡(luò)中，假定a表示OLT端，而b表示ONU端，若PTmin表示發(fā)送端的最低光發(fā)射功率，PSmin表示需到達接收端的最低光功率值(也即接收機靈敏度)，則光功率預算的值表示為：

PB(a，b)=Pγmin-PSmin

(1)

如圖6所示為系統(tǒng)誤碼率與接收端光功率關(guān)系的曲線圖。當系統(tǒng)的誤碼率在10-12時，接收端的光功率為-16.55dBm，如圖8所示。鑒于系統(tǒng)的光發(fā)射功率為5dBm，因此，從OLT端到ONU端的光功率預算值為：

5bBm-16.55dBm=21.55dBm

(2)

該值是在系統(tǒng)的傳輸距離為60km時測得的。

圖8 OLT接收端的光功率值

圖9 OLT接收端的上行信號Q值與傳輸距離的關(guān)系曲線

2.2.3 上行鏈路性能研究

經(jīng)過再調(diào)制的NRZ上行信號從ONU端經(jīng)過光復用器到達OLT接收端，圖7所示為該上行信號的光譜圖。通過仿真記錄在不同傳輸距離下四路上行信號在OLT接收端的Q值，如圖9所示。可以看出，當傳輸距離在60km時上行信號的Q值在6到7之間，而在傳輸距離為70km時，信號的Q值發(fā)生惡化，降低到了4以下。因此，在保證系統(tǒng)誤碼率和Q值等性能的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)最佳的傳輸距離為60km。

3 結(jié)論

本文介紹了一個基于OFDM-QAM調(diào)制的TWDM-PON系統(tǒng)，系統(tǒng)的下行傳輸速率為25Gbps。在上行傳輸中對四路NRZ的上行數(shù)據(jù)進行再調(diào)制，傳輸速率為10Gbps。在系統(tǒng)的誤碼率和星座圖的分析中，當系統(tǒng)的傳輸距離到達60km時，下行信號的Q值和誤碼率分別達到了6.38和7.17e-12。系統(tǒng)的OLT端到ONU端的功率預算為21.55dBm。