基于VPI的波分復用型無源光網(wǎng)絡系統(tǒng)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(wǎng)絡（WDMPON）系統(tǒng)中，為了驗證不同光纖長度對系統(tǒng)可靠性的影響?！痉椒ā坷肰PI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(wǎng)絡系統(tǒng)，通過設置傳輸光纖的長度及相關參數(shù)，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(zhì)量分析?！窘Y(jié)論】實驗結(jié)果表明：光纖長度的變化對基于光譜分割WDM-PON系統(tǒng)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(zhì)量越差。

新冠肺炎疫情發(fā)生以來，遠程教育、視頻會議等互聯(lián)網(wǎng)應用迎來了前所未有的發(fā)展，這些業(yè)務主要承載在光纖傳輸網(wǎng)絡中。為了提高系統(tǒng)帶寬，密集波分復用無源光網(wǎng)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(xiàn)用戶數(shù)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(wǎng)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(tǒng)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(fā)，對國內(nèi)外有關超密集波分復用無源光網(wǎng)絡的最新研究進展進行了跟蹤，并預測了其未來的發(fā)展方向。張晨希對基于高階調(diào)制的技術的WDM-PON前傳網(wǎng)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(tǒng)傳輸?shù)目尚行院蛢?yōu)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(tǒng)摻鉺光纖放大器是最佳的放大器，但并未對影響該系統(tǒng)傳輸性能質(zhì)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(wǎng)絡系統(tǒng)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(wǎng)絡系統(tǒng)，通過設置光纖長度等相關參數(shù)，觀察比較輸出信號的眼圖和頻譜，從而得出相關結(jié)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(fā)的一款專業(yè)的光通信系統(tǒng)仿真軟件，它擁有豐富的光通信系統(tǒng)仿真模塊，包括各種類型的信息源、發(fā)射機和接收機模塊、光調(diào)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(jù)相關規(guī)則隨意調(diào)用相關模塊在實驗區(qū)搭建相應的實驗系統(tǒng)，并可以修改系統(tǒng)內(nèi)各模塊的參數(shù)，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(tǒng)進行仿真研究。

圖1 基于光譜分割WDM-PON的光網(wǎng)絡系統(tǒng)

1.2 實驗結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡系統(tǒng)。該系統(tǒng)由4個頻道組成，1gb/s。發(fā)射器是直接調(diào)制的LED。在調(diào)制之后，信號被多路復用并通過單模光纖發(fā)送。多路復用器執(zhí)行信道切片。在遠端節(jié)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(shù)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(zhì)量的影響。

1.3 實驗參數(shù)設置

系統(tǒng)的參數(shù)設置如表1所示，其中帶內(nèi)噪聲是一個開關類型的參數(shù)，信號發(fā)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(jù)實驗需求進行改變，其余參數(shù)為系統(tǒng)默認值。

表1 參數(shù)設置

1.4 實驗結(jié)果及分析

1.4.1 默認光纖長度下輸出信號的質(zhì)量

默認光纖長度為10e3m，其余參數(shù)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(jié)果圖

由圖2(a)分析可知，輸出信號基本沒有發(fā)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(tǒng)抗碼間干擾能力較強，系統(tǒng)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(zhì)量

將光纖長度參數(shù)增大為10e4m，其余參數(shù)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(jié)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(fā)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(tǒng)抗噪聲能力很弱；同時，信號時間抖動較大，表明此時系統(tǒng)抗碼間干擾能力較弱，系統(tǒng)傳輸可靠性很低。

2 總結(jié)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(tǒng)的影響。在VPI仿真軟件中搭建實驗系統(tǒng)，定量分析了兩種光纖長度的條件下接受信號的質(zhì)量。實驗結(jié)果表明，光纖長度的變化對基于光譜分割WDM-PON系統(tǒng)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(zhì)量越差。本文的研究結(jié)果為下一步研究影響基于光譜分割WDM-PON光網(wǎng)絡系統(tǒng)傳輸性能的因素提供了依據(jù)。