訊號再調(diào)變被動式高速寬帶光纖接取計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

丁 蕙

(南京森林警察學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院,南京210009 )

1 光通訊網(wǎng)絡(luò)

依據(jù)電信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組件的特性，光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可大致分為主動光纖網(wǎng)絡(luò)(Active optical network; AON)與被動光纖網(wǎng)絡(luò)(Passive optical network; PON)兩種[1]。其中，又以被動式光網(wǎng)絡(luò)最為矚目。由于被動式組件不需耗電就可以完成信號處理，PON只有局端及終端設(shè)備需要用到電源，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與節(jié)點(diǎn)則可由光纖與被動組件構(gòu)成，由于傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為無耗電的裝置，因此，在維護(hù)成本上會遠(yuǎn)低于的光纖銅纜混合網(wǎng)絡(luò)(Hybrid fibre-coaxial; HFC)。PON 可作為下一代新興的覆蓋最后一哩(Lastmile) 的寬帶接取網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[2]，因其在光分歧點(diǎn)上并不需要節(jié)點(diǎn)設(shè)備，只需使用一個簡單的光分歧器(OpticalSplitter) 即可，目前已有多種不同的被動光纖網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)被提出。亞洲為建置PON 網(wǎng)絡(luò)最多的國家，美國與歐洲PON 的數(shù)量目前也正快速地增加中。依照多任務(wù)器的類型分類而言，PON 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可區(qū)分為分時多任務(wù) (Time division multiplexing; TDM) 與分波多任務(wù) (Wavelength division multiplexing)兩種型式如圖1所示，在TDM-PON 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)內(nèi)，上傳與下傳使用不同單一波長進(jìn)行傳輸[3]，由不同子頻道所輸出的信號或數(shù)據(jù)流可以同時在一條通信線路上傳輸，各個子頻道則輪流占用此通信線路。時間域被劃分成周期循環(huán)的多個小時段，每段時間長度是固定的，每個時段用來傳輸一個子頻道的信號。例如子頻道1 使用時間段1，子頻道2 使用時間段2，等，當(dāng)最后一個子頻道n 傳輸完畢，這樣的過程將會再次重復(fù)( 從1～n)?，F(xiàn)行商業(yè)的PON 網(wǎng)絡(luò)皆為分時多任務(wù)，包括ATM-PON、Broadband-PON、Etherne。

圖1 分時多任務(wù)- 被動式光網(wǎng)絡(luò)(TDM-PON) 示意圖

另一方面，如圖2所示，WDM-PON 則是在單條光纖上使用多激光器發(fā)送多束激光，每個子頻道都傳輸于獨(dú)有區(qū)段內(nèi)，所以設(shè)施容量增大，相較于分時多任務(wù)，其帶寬效率潛力、接入速率、安全性和信號承載力方面有明顯優(yōu)勢[4]。目前，GPON 系統(tǒng)是許多用戶一起分享帶寬，這會引起帶寬縮減問題，導(dǎo)致用戶群得不到他們預(yù)期中的帶寬。而 WDM-PON 可提供10 或 20 倍以上的帶寬和單獨(dú)波長，網(wǎng)絡(luò)速度極快，可以在幾秒內(nèi)下載一首音樂或在幾分鐘內(nèi)下載一部電影。最近幾年，分波多任務(wù)的技術(shù)又實現(xiàn)了高密度分波多任務(wù) (Dense wavelength division multiplexing; DWDM)，所謂 DWDM 與 WDM 原理類似，是指 DWDM 可以以高密度的方法讓8個以上不同波長的光信息同時通過一條光纖傳輸，最多可將約 80 筆的數(shù)據(jù)封包多任務(wù)放在單一光纖上傳輸，以達(dá)到充分寬帶的效果，同時也被視為未來最具發(fā)展?jié)摿Φ墓饩W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)之一。

圖2 分波多任務(wù)- 被動式光網(wǎng)絡(luò)(WDM-PON) 示意圖

2 ONU 搭配CLS技術(shù)

圖3 綜合長距離被動光網(wǎng)絡(luò)(LR-PON) 的簡化架構(gòu)圖

盡管WDM-PON 擁有技術(shù)上的巨大優(yōu)勢，可以提供相當(dāng)高帶寬的網(wǎng)絡(luò)，但其成本也隨著頻寬的增加而迅速地增長，而成本剛好是使用者考慮的最關(guān)鍵因素[5]。如此一來，WDM-PON 會因WDM 光源的價格原因而無法普及化。另一方面，在WDM-PON 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，最重要的也是最具挑戰(zhàn)性的議題即WDM 激光光源數(shù)量的需求，在多個不同波長同時工作時，最直接的WDM-PON 系統(tǒng)使用會系在 OLT 內(nèi)使用多個不同波長的激光光源，而每一個ONU 也會使用特定波長的激光光源且相對應(yīng)于 OLT 內(nèi)的下傳光源波長，其點(diǎn)對點(diǎn)連接都按預(yù)先設(shè)計的波長進(jìn)行配置和工作。使用的用戶數(shù)越多，其需要的激光波長數(shù)就會越多，需要不同波長的激光光源種類也越多，將會產(chǎn)生大量的儲備機(jī)房問題。對 ONU 的影響會尤其明顯[6]，因為其成本無法像 OLT 一樣具有可分?jǐn)傂?，在成本上要考慮。由于存在嚴(yán)重的 ONU 儲備機(jī)房問題，固定光源的解決方案難以應(yīng)用于商用 WDM-PON 系統(tǒng)，因此使用無色光源的 ONU(Colorless-ONU) 模塊已成為當(dāng)前 WDM-PON 相關(guān)技術(shù)研究的方向。

圖4 使用RONU 時所產(chǎn)生之兩種RB 噪聲示意圖

無色光源 ONU 搭配中央化光源 (Centralized light source; CLS) 可達(dá)到最高的經(jīng)濟(jì)效益。如圖3、圖4所示，系統(tǒng)中的所有光源都置于 OLT 處，并通過數(shù)組波導(dǎo)光柵 (Arrayed waveguide grating; AWG) ( 或是使用 WDM Multiplexer)分割光譜向 ONU 提供光信號，而 ONU 重新調(diào)制信號后產(chǎn)生上傳信號。此操作方式的 ONU 也稱為反射式 ONU(Reflective ONU; RONU)。AWG 分波下傳光源發(fā)出的光，提供給ONU 作為上傳光源，光信號不會浪費(fèi)。R-ONU 調(diào)制器價格低廉，其工作在操作溫度范圍內(nèi)不受偏振影響，且光帶寬范圍較大、噪聲低且插入損耗小。反射調(diào)變器有注入鎖模式的 Fabry-Perot 激光二極管 (FP-laser diode; FP-LD)、反射式半導(dǎo)體光放大器 (Reflective semiconductor optical amplifier; RSOA) 以及致電 - 吸光式調(diào)變器 ，可現(xiàn)無色 ONU。

此技術(shù)避免使用 ONU 光源，然而也存在缺點(diǎn)。 OLT 光源要很大輸出功率來支持上下傳的傳輸。若無高功率的 OLT 光，替代方法是放大上傳信號。為在 ONU和 OLT 間保持被動設(shè)備，須在 ONU 內(nèi)放置放大器，以致 ONU 成本增加。另外，當(dāng) OLT 與 ONU 之間僅使用單一光纖同時傳輸上下傳訊號時，會導(dǎo)致嚴(yán)重的雷利后向散射 (Rayleigh backscattering; RB)，造成信號干擾，若分離上下行信號，在不同的光纖里傳輸，就會成倍增加光纖數(shù)量、路由器端口數(shù)量，設(shè)備安裝維護(hù)的復(fù)雜度提高。如圖3所示，光源從 OLT 處由光回旋器及單模光纖散布到 RONU 中以產(chǎn)生上傳訊號。由于光纖傳輸?shù)谋举|(zhì)特性，將會導(dǎo)致兩種不同類型的 RB 噪聲產(chǎn)生，并且在 OLT 中的光接收器對上傳訊號進(jìn)行干擾。載子 -RB 是當(dāng)光源從 OLT 處散布到 RONU 時被光纖反射所產(chǎn)生的。信號 -RB 則是由于上傳訊號被光纖反射后回到 RONU 中，經(jīng)過 RONU 的二次調(diào)變及放大所導(dǎo)致的。

3 被動式訊號再調(diào)變光纖接取網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

因為在 TDM-PON 中，每個 ONU 距離局端的 OLT(Optical line termination)距離都不一樣，到達(dá) OLT 的功率必定都不一致。這樣會造成 OLT 必須接收不同功率的光訊號，使得 OLT 的光接收器變的相當(dāng)復(fù)雜，不僅影響接收性能，也造成成本上升。

因此，在本發(fā)明中，我們利用一個光旋波器(Optical Circulator, OC)以及一個被動式功率平整器(Passive Power Equalizer)，其容易內(nèi)建在 OLT 模塊內(nèi)，并且可以由功率平整器來統(tǒng)一各個 ONU的上傳功率，使得每個 ONU 的光收發(fā)器傳送的訊號在到達(dá) OLT 時都可以幾乎一樣?？梢院喕?OLT 的接收器的復(fù)雜度，也可以提升整體接收的質(zhì)量，如圖5所示。

圖5 提出的被動式光模塊架構(gòu)

其主要通過 FP-LD 的增益飽和特性使得每個上傳信號的功率大小被均化，可以簡化OLT的接收器的復(fù)雜度，同時提升接收質(zhì)量?，F(xiàn)行 2.5 Gb/s TDM-PON 的傳輸技術(shù)是TDM 方式傳輸，因此在 OLT 端需要一個 2.5 Gb/s 的暴沖式光接收器(Burst-mode receiver; BMR)。但現(xiàn)階段若是要達(dá)到 10 Gb/s 的上傳信號的話，在 OLT 端則需要一個10 Gb/s 的 BMR，以目前的 BMR 技術(shù)而言，現(xiàn)階段僅能在實驗室內(nèi)進(jìn)行實驗驗證，無法有效將其產(chǎn)品化。因為 10 Gb/ s BMR 是影響整個網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，因此，我們提出以現(xiàn)行的光電通訊組件設(shè)計成 10 Gb/s 上傳信號的光纖接取網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，不但不需改變原本的光纖網(wǎng)絡(luò)，同時還可以解決無 10 Gb/s BMR 的窘境。如圖6所示，將 4 顆具 2.5 Gb/s 直接調(diào)變信號的自我注入式Fabry-Perot 激光二極管(FP-LD)放置于 TDM-PON 的 ONU 內(nèi)以作為 10 Gb/s 的上傳信號源。本研究方式簡易且可以直接實現(xiàn) 10-Gb/s 的上傳數(shù)據(jù)率。圖7為我們所提出的“訊號再調(diào)變”長程被動光纖網(wǎng)絡(luò)實驗架構(gòu)圖。

圖6 提出的10 Gb/s 之上傳信號TDM-PON 架構(gòu)

圖7 訊號再調(diào)變 DWDM-PON 實驗架構(gòu)圖。EAM:致電 - 吸光式調(diào)變器 ,SMF:單模光纖 ,EDFA:摻鉺光纖放大器 ,RSOA: 反射式半導(dǎo)體光放大器 ,FP-LD:FabryPerot激光二極管。

圖8 不同種類ONU 所產(chǎn)生的下傳OFDM 及上傳NRZ

基頻數(shù)字訊號處理器 Digital signal processing; DSP) 被用來產(chǎn)生實驗所需的 16-QAM OFDM 訊號，搭配 4 GHz 取樣率總比特率 (Bit rate) 達(dá) 4 Gb/s 的 OFDM 訊號由 16 個次載波組成，共占據(jù) 1 GHz 的帶寬，每個次載波則采用 16-QAM 編碼格式。下傳 16-QAM OFDM 訊號經(jīng) 100 km單模光纖的傳輸后使用摻鉺光纖放大器 (Erbium doped fiber amplifier; EDFA) 補(bǔ)償光纖傳遞所導(dǎo)致的光損耗后被光接收器所偵測。在 ONU 中， 10%的下傳訊號能量被預(yù)放大-接收器(Pre-amplified receiver) 所接收，此接收器由一個 EDFA、光帶通濾波器及 PIN 光偵測器所組成。所接收到的下傳模擬訊號經(jīng)由模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (Real-time 10 GHz sampling oscilloscope) 轉(zhuǎn)成數(shù)字訊號以便做訊號解調(diào)。解調(diào)的過程由計算機(jī)軟件來執(zhí)行。誤碼率由測量到的 EVM(Error vector magnitude) 計算而得。其余 90% 的下傳訊號則傳送到 ONU 中的無色調(diào)變器進(jìn)行上傳訊號的調(diào)變。在研究當(dāng)中，我們分析3種不同種類的無色調(diào)變器，包括了 EAM、 RSOA 與 FP-LD。每一種調(diào)變器皆以 2.5 Gb/s nonreturn-to-zero (NRZ) data 做直接調(diào)變。調(diào)變后的上傳訊號經(jīng)由另外一條單模光纖傳送回局端中的接收器做訊號的解調(diào)和誤碼率(Bit error rate; BER)的計算。由于下傳 OFDM-QAM 訊號的 ER(Extinction ratio)值會影響到上下傳訊號的傳輸質(zhì)量，故首先調(diào)查這項參數(shù)變化對傳輸質(zhì)量的影響。如8所示，降低下傳 OFDM 訊號的 ER 值可得到的功率代價更好的上傳的訊號質(zhì)量。對于以 EAM 所組成的 ONU 來說，當(dāng) OFDM 的 ER 值為 3.7 dB 時，上下傳的訊號大約有 4 dB 的功率代價 (Power penalty)?？梢园l(fā)現(xiàn)，采用 RSOA 的增益飽合特性或者 FP-LD 的光注入鎖模特性皆可觀察到下傳 OFDM 訊號被明顯的抑制，從而得到質(zhì)量較好的上傳訊號，結(jié)果顯示，由于上傳 NRZ 訊號可以有效率的調(diào)變到下傳的訊號上，功率代價可以改進(jìn) 2-dB。進(jìn)一步比較以 RSOA 以及 FP-LD 為基底時訊號再調(diào)變系統(tǒng)的成果。從圖8得知 FP-LD 的光注入鎖模特性可以有效抑制下傳 OFDM 信號以便得到比較好的上傳 NRZ 信號。

4 結(jié) 語

我國光纖通訊產(chǎn)業(yè)起步較慢，因此，發(fā)展光纖接取網(wǎng)絡(luò) (Fiber access network) 關(guān)鍵技術(shù)，建立局端接取設(shè)備技術(shù)同時研究光通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，及早建立 IP 化的光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及完整化的布局，進(jìn)而由技術(shù)追隨者轉(zhuǎn)變成為領(lǐng)先者。其光纖傳輸信號可避免受電磁波的干擾，且具有低損耗的特性，可以提高傳輸通訊的質(zhì)量，光纖通訊網(wǎng)絡(luò)已成為現(xiàn)在寬帶接取網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案之一。本設(shè)計的光纖網(wǎng)絡(luò)可以提供相當(dāng)高速的帶寬，一次可以滿足用戶高帶寬的需求，免去日后需重新建置網(wǎng)絡(luò)的麻煩。