基于中心化梳状光源的125 Gbit/s全光OFDM-PON接入网架构

汪 敏， 张倩武， 张 林， 宋英雄， 李迎春， 林如俭

(上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室，上海200072)

目前，光纤干线与核心网的传输速率已经超过Tbit/s，单波长传输速率已经超过40 Gbit/s，并正在向100 Gbit/s乃至更高速率迈进.100 Gbit/s以太网的标准IEEE 802.3ba和112 Gbit/s光传送网的标准 ITU-T G.709 OTN OUT4已经出台，随着100 Gbit/s以太网和光接口的发展，光纤接入网也必然会向更高速率(≥100 Gbit/s)延伸，并在未来与Tbit/s核心网的发展相呼应.

基于PON技术的接入网络已经商用多年，并且已逐渐成为下一代宽带接入网络的主流解决方案.传统的PON接入网是基于时分复用(time-division multiplexing，TDM)以及时分复用多址(time division multiple access，TDMA)的，但当网络速率达到100 Gbit/s或更高时，集成电路技术遇到了瓶颈，上行突发发送/接收技术和针对不同业务的带宽调度技术也遇到诸多难题.

基于波分复用的无源光网络(wavelength-division multiplexing-PON，WDM-PON)缺少适合各种业务的波长以下粒度的子带宽调度技术.WDM-PON技术基本上是一种光接入网的物理层技术，它对各种媒质访问控制(media access control，MAC)层协议透明.当采用波分多址(wavelength division multiple access，WDMA)MAC协议时，调度的是波长通道.如果该波长通道上传输的是高速的多种业务的汇聚数据流，则波长调度不能实现不同速率和服务质量(quality of service，QoS)要求的各种业务流的独立调度;如果该波长只携带单独的业务流，则波长通道的大容量能力会被闲置和浪费［1］.因此，工业界正在发展基于TDMA MAC协议的WDM/TDM混合PON技术，但在单波长速率和光接口上仍然受限于TDM技术.

OFDM技术是一种频谱效率很高的多载波并行数字传输技术，多年来已经应用到通信领域的各个方面，历经从铜线到无线，再到光纤的发展过程.2005年，OFDM技术从电域进入光域，成为一个极热门的研究领域，并已成功应用于高速干线光传输系统.光正交频分复用(optical-OFDM，O-OFDM)技术是一种最新的调制解调技术，它具有频谱效率高、抗窄带干扰能力强、抗信道色散能力强等优点.

基于O-OFDM的超大容量PON(如100 Gbit/s)技术因其突出的优势，已经成为下一代接入网的优选方案之一.该技术利用子载波群正交特性发展出的基于正交频分多址(orthogonal frequency-division multiple access，OFDMA)媒质访问规约的OFDMAPON，可以灵活地提供各种各样的业务，且实现成本较低.2007年9月，NEC公司美国实验室首次提出了基于OFDMA原理的10 G-PON结构［2］，该结构通过离散傅里叶变换对(IFFT/FFT)实现了正交子载波的同时传输.在上行方向，多个光网络单元(optical network unit，ONU)同时与一个光线路终端(optical line terminal，OLT)通信而互不干扰，并能透明地支持各种各样的应用，以及在这些应用之间动态地分配带宽.之后，各个国家的学者和研究机构纷纷投入到OFDM-PON的研究当中［3-5］.

然而，OFDM-PON物理层的许多问题还没有得到很好解决，比如缺少完备的上下行网络架构、超高速光信号处理方法，以及如何实现上行光源无色化等.本研究提出了一种全光OFDM-PON网络架构，该架构可以提供100 Gbit/s的接入速率，在对该架构进行深入的理论分析的基础上，通过仿真进行了验证.

1 系统架构

本研究提出的OFDM-PON系统由1个OLT，10个ONU和其间的光配线网络(optical distribution network，ODN)组成，网络架构如图1所示.传输距离20 km，下行传输速率≥100 Gbit/s，上行传输速率40 Gbit/s(平均每个ONU 4 Gbit/s).系统工作波长在C波段.OLT光发送机采用由一个外谐振腔激光器(external cavity laser，ECL)驱动的梳状光谱发生器，OLT光接收机采用数字相干检测.

本架构在OLT，ONU两端都采用相干检测技术，本振光源均由中心化梳状光谱发生器提供.本架构使用反射式半导体光放大器 (reflective semiconductor optical amplifiers，RSOA)作为上行信号调制器，以低成本地实现 ONU的无色化.OOFDM技术的发展方向是全光OFDM，因为它可以产生非常大的通信容量.而在全光OFDM-PON中，波长重用的无色光源技术遇到了下行数据干扰上行数据的基本难题.如果在OLT中采用密集的激光器阵列，则既可以直接产生O-OFDM，又可以为ONU提供纯净的上行光源，但是成本高昂.而梳状光谱发生器因其良好的波长相干性，在相干光源方面得到了越来越多的应用［6-7］.本研究利用自行研发的梳状光谱发生器作为中心化光源［8-9］，谱线频率间隔12.5 GHz，谱线总数16，线宽1 MHz.下行采用5个波长，上行采用10个波长，1个波长备用.

对下行的每根谱线进行符号率为6.25 Gbit/s的光调制，调制格式为16QAM，直接产生总速率为125 Gbit/s的光频OFDM信号.按下行5个波长计算，每根谱线的符号率应为6.25 Gbit/s，6.25×4× 5=125 Gbit/s.中心化梳状光源为ONU提供10个纯净的光波，用于上行数据调制，它们不仅可以满足对上行光源的低成本和无色化的要求，还可完全解决下行数据干扰上行数据的问题.同时，将该光波作为下行已调光波相干检测的本振光波，在OFDMPON的ONU端使用相干解调.在OLT端将纯净的上行光波分光、放大后作为上行O-OFDM信号相干检测所需的本振光波，这样可大大提高OFDM-PON上行的接收灵敏度，并使O-OFDM到射频OFDM的下变频得到简化.

图1 基于中心化梳状光源的OFDM-PON网络系统架构Fig.1 Proposed OFDM-PON architecture based on centralized comb source

2 上下行链路分析

下行方向16路梳状光谱发生器的输出经波道间隔为12.5 GHz的超密集分波器后，形成16路光波，其中5路用于下行数据信号调制，10路空闲光波与5路已调光波由超密集合波器合成后，经掺铒光纤放大器(erbium doped fiber amplifier，EDFA)放大成为OLT的O-OFDM发送信号，波长λ2，λ5，λ8，λ11，λ14用于携带下行数据信号.每路数据信号的比特率为25 Gbit/s，5路总比特率为125 Gbit/s.其余10路空闲波长 λ1，λ3，λ4，λ6，λ7，λ9，λ10，λ12，λ13，λ15预留给ONU用于上行数据调制.鉴于超密集波分复用器一个波道内的响应曲线不平坦，因此，对于25 Gbit/s下行数据，调制应取 16QAM(符号率6.25 Gbaud/s)，并通过铌酸锂IQ光调制器来实现.下行发送光谱如图2所示.图中16QAM光谱旁边的一条边频谱线是下行的信令子载波，也在下行调制时作为导频插入.

图2 下行链路波长分配Fig.2 Wavelength allocation for downstream

下行光信号经光纤链路以及分光器分别达到10个ONU.在每个ONU先用分路器将一个已调光信号(如λ2)和一个纯净光波(如λ1)注入光探测器，在进行光电转换时完成2个光波的差拍，形成中心频率在12.5 GHz的已调信号和频率为12.5 GHz的纯净载波.进一步通过16QAM相干解调还原出基带数据.接收光波的另一部分被光滤波器取出纯净光波(如λ1)注入给RSOA，用于上行数据调制.这时，接收到的电场和光强分别如下：

式中，ωc1=2πfc1，fc1为纯净光波的频率，φ1和φ2为相应的光波相位，ωc2=2π(fc1+δf)，(fc1+δf)为下行已调光波的中心频率，δf=12.5 GHz.在ONU中的光探测器输出端，可得到频率为12.5 GHz的微波，以及载波频率为12.5 GHz的16QAM信号，经相干解调把12.5 GHz的16QAM信号解调到基带，还原出25 Gbit/s数据.

本研究使用VPI Transmission Maker v8.6软件对下行链路进行仿真分析，经过OLT调制的全光OFDM信号频谱如图3所示.16个光载波的谱线间隔为12.5 GHz，其中5个光载波上调制有下行信号，与其余纯净的光载波一同送入光纤链路.图4是经过20 km光纤链路传输后ONU端接收已解调星座图.由图可以看出，ONU接收端可以很好地恢复发送信号.

图3 下行链路全光OFDM信号光谱Fig.3 Optical spectrum of downstream all-optical OFDM signal

图4 下行信号16 QAM星座图Fig.4 Constellation diagram of downlink 16 QAM signal

在上行方向，数据流先经OFDM调制器处理，然后对RSOA接收和反射的纯净光载波施加调制，将产生的双边带O-OFDM信号向OLT发送.由于RSOA需要实信号输入，故在OFDM信号产生时使用的IFFT点数为128，其中64点承载原始数据的共轭值.经光分路器进入光纤链路的上行光波的频谱分配如图5所示.

由于RSOA的带宽只有1.5 GHz，其中设置了64个子载波，故相邻子载波的频率间隔为23.437 5 MHz，符号率为23.437 5 Mbaud/s.考虑到光滤波器的过渡响应，将实际用于数据传输的带宽取为1 383 MHz，可容纳58个子载波.所设计的2个ONU的上行光波被1个OLT光探测器接收、1个OFDM解调器解调、1个MAC控制器处理，以实现2个ONU的频率资源共享.也就是说，当1个ONU的子载波不用之时，可对另1个ONU加以利用.因此，1个ONU发送的子载波数最少为1个，最多为58个.当采用BPSK-64QAM调制时，1个ONU的发送速率最低为1×1×23.437 5 Mbit/s，最高为58×6× 23.437 5 Mbit/s=8.156 Gbit/s，每个ONU的平均发送速率约为4.09 Gbit/s.1个ONU的OFDM信号中另外安排1个子载波用于信令传输.

图5 上行链路波长分配Fig.5 Wavelength allocation for upstream

式中，第一项是电场振幅为El的本振波(波长为λ2)，第二项是ONU1的电场振幅为Ec1的光载波(波长为λ1)，第三项是ONU1的OFDM1上边带信号，第四项是ONU1的OFDM1下边带信号，第五项是ONU2的电场振幅为Ec2的光载波(波长为λ3)，第六项是ONU2的OFDM2上边带信号，第七项是ONU2的OFDM2下边带信号.为了避免OFDM1信号与OFDM2信号的相互干扰，应使它们的子载波频点错开.

光探测器的输出光电流为I(t)∝0.5E2(t)，其中的差频项为信号项(为较强的本振光所加强)，表达式如下：

在光探测器产生的中心频率在12.5 GHz的双边带OFDM信号和频率为12.5 GHz的纯净载波如图6所示.进一步经OFDM解调即可恢复出2个ONU发送的数据信号，它们是共享1.5 GHz带宽的，带宽分配受MAC层控制.

图6 光相干检测产生的中频OFDM信号Fig.6 Intermediate frequency OFDM signal produced by optical coherent detection

经过对上行链路进行仿真分析，可以得到OFDM-PON上行信号的光谱如图7所示.可以看到，通带内频谱响应并不平坦，这是由RSOA自身频率特性决定的.使用廉价的RSOA替代昂贵的铌酸锂调制器作为上行数据调制的方案，对价格敏感的接入网来说具有非常重要的意义.如果需要更高的传输速率或者更平坦的带内响应，可以将上行光调制器从RSOA升级到反射式电吸收调制器(reflective electro-absorption modulators，REAM)+SOA，同时调制信号加到 REAM电极，即可突破调制带宽1.5 GHz的局限而达到10 GHz量级，上行传输速率也可升级到100 Gbit/s.图8是OLT端接收到的上行信号在16QAM调制情况下的解调星座图.由图可以看出，系统具有良好的上行数据传输性能.

图7 上行链路RSOA调制信号光谱Fig.7 Optical spectrum of uplink modulation by RSOA

图8 上行信号16 QAM解调星座图Fig.8 Constellation diagram of uplink 16 QAM signal

3 结束语

本研究提出了一种基于中心化梳状光源的OFDM-PON接入网架构，本系统为高速上下行数据接入、动态带宽分配、超高速光信号处理以及上行光源无色化等问题提供了良好的解决方案.

本系统使用平坦梳状光谱发生器作为多波长中心化光源，为上下行数据链路提供光载波，同时为OLT及ONU提供相干性的本振光.本系统可进行低成本的上下行链路光相干检测，以提高光接收灵敏度.最后，通过仿真验证了本系统可以实现下行速率125 Gbit/s、上行速率40 Gbit/s的稳定传输.

［1］ 林如俭，宋英雄，张林.论OFDM-PON与WDM-PON［J］.激光与光电子学进展，2011，48：070601.

［2］ QIAND Y，HUJ Q，YUJ J，et al.Experimental demonstration of a novel OFDM-A based 10 Gb/s PON architecture［C］∥ECOC 2007.2007：1-2.

［3］ QIAND Y，HUJ Q，JIP N，et al.10 Gb/s OFDMAPON for delivery of heterogeneous services［C］∥OFC/ NFOEC 2008.2008：OWH4.

［4］ TIENP L，LINY M，YUANGM C.A novel OFDMAPON architecture toward seamless broadband and wireless integration［C］∥OFC/NFOEC 2009.2009：OMV2.

［5］ COURAD J C，SILVAJ A L，SEGATTOM E V.A bandwidth scalable OFDM passive optical network for future access network［J］.Photon Netw Commun，2009，18(3)：409-416.

［6］ SAKAMOTOT，KAWANISHIT，IZULSUM.Optimization of electro-optic comb generation using conventional Mach-Zehnder modulator［C］∥ Microwave Photonics 2007.2007：50-53.

［7］ ENDOM，TSUCHIDAH.Investigation of single sideband optical frequency comb generations using a dual-electrode Mach-Zehnder modulator in a fiber recirculating loop［C］∥Lasers and Electro-Optics 1999.1999：771-772.

［8］ ZHANGL，SONGY X，ZOUS H，et al.Flat frequency comb generation based on Mach-Zehnder modulator and phase modulator［C］∥ 12th IEEE International Conference on Communication Technology(ICCT).2010：211-213.

［9］ ZHANGL，SONGY X，ZOUS H，et al.Performance analysis offlatopticalcomb generation based on recirculating frequency shifter［C］∥ International Conference on Applications of Optics and Photonics.2011：80011C-8.