10 Gbit/s時分波分混合復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

李 衛(wèi),陳 明,盛朋馳

(桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院,廣西桂林 541004)

10 Gbit/s時分波分混合復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

李 衛(wèi),陳 明,盛朋馳

(桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院,廣西桂林 541004)

為了解決時分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)的低帶寬、高延時和波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)的高成本、低利用率的問題,提出一種新型時分波分混合復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。利用馬赫曾德爾干涉光開關(guān)陣列和高速鈮酸鋰馬赫曾德爾調(diào)制器,可靈活、快速地為不同光網(wǎng)絡(luò)單元傳遞數(shù)據(jù)包,減少了光調(diào)制器的使用數(shù)量,降低了系統(tǒng)成本。該系統(tǒng)結(jié)合光載波抑制調(diào)制和波長重用技術(shù),實(shí)現(xiàn)了下行10 Gbit/s、上行1.25 Gbit/s的通信速率,傳播距離可達(dá)50 km以上。

時分波分混合復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò);馬赫曾德爾干涉光開關(guān)陣列;光載波抑制調(diào)制;波長重用

隨著信息技術(shù)的發(fā)展,人們對帶寬的需求日益增加。在眾多的寬帶接入技術(shù)中,無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(PON)具有高帶寬、高穩(wěn)定性、高保密性、低成本等優(yōu)勢,從而獲得了廣泛的研究和發(fā)展[1-2]。目前的無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要有波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)(WDMPON)和時分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)(TDM-PON)。WDMPON傳輸距離遠(yuǎn),且具有較高安全性、最佳帶寬保障等優(yōu)點(diǎn)[3],但其設(shè)備復(fù)雜、成本較高、閑置率高,難以廣泛普及應(yīng)用。相對而言,TDM-PON成本較低、應(yīng)用廣泛,是目前PON網(wǎng)絡(luò)的主流方案[4-5],但因TDM-PON的通信協(xié)議復(fù)雜,導(dǎo)致其帶寬升級潛力和覆蓋范圍有限,不能滿足用戶日益增長的帶寬需求。因此,混合型無源光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生[6-8]。

混合型時分波分無源光網(wǎng)絡(luò)兼具TDM-PON和WDM-PON的優(yōu)點(diǎn),在帶寬和用戶成本方面折中考慮。用戶和運(yùn)營商投入的使用成本較低,且能保證較高的接入帶寬,同時使寬帶接入網(wǎng)在擴(kuò)展和帶寬升級方面具有良好的靈活性,有利于TDM-PON向WDM-PON過渡升級。時分波分混合復(fù)用[9]的結(jié)構(gòu)主要有基于時分多址(TDMA)混合型結(jié)構(gòu)[10]、基于波分多址(WDMA)混合型結(jié)構(gòu)[11]、TDM over WDM混合型結(jié)構(gòu)[12]、WDM over TDM混合型結(jié)構(gòu)和雙端環(huán)形樹接入型結(jié)構(gòu)[13-14]等。但這些混合型結(jié)構(gòu)中的光分配網(wǎng)均采用光功率分離器作為時分復(fù)用接入方式的關(guān)鍵器件,很大程度上限制了PON網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。高分支比的光功率分離器在提供較高的光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)接入數(shù)量的同時,產(chǎn)生巨大的功率損耗,大大降低ONU的接收功率,增大系統(tǒng)的誤碼率,從而降低網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。當(dāng)前的混合型無源光網(wǎng)絡(luò)依然需要復(fù)雜的通信協(xié)議、時序同步等技術(shù),才能避免不同ONU突發(fā)上行數(shù)據(jù)流所產(chǎn)生的沖突[15-19]。

鑒于此,提出一種時分波分混合復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過運(yùn)用一組馬赫曾德爾干涉光開關(guān)陣列和一個高速鈮酸鋰馬赫曾德爾調(diào)制器,在為系統(tǒng)下行鏈路提供10 Gbit/s通信速率的同時,可節(jié)省大量光調(diào)制器的使用。結(jié)合波長重用技術(shù),采用RSOA作為ONU上行鏈路的光調(diào)制器與光放大器[20],使ONU無需額外光源便能實(shí)現(xiàn)1.25 Gbit/s的上行數(shù)據(jù)傳輸,避免上行突發(fā)沖突。

1 系統(tǒng)工作原理與結(jié)構(gòu)

時分波分混合復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由光線路終端(OLT)、光分配網(wǎng)(ODN)和ONU三部分組成。OLT負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集中轉(zhuǎn)發(fā)、協(xié)議橋轉(zhuǎn)換、下行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的光調(diào)制和上行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的接收等。ODN采用2組無熱周期陣列波導(dǎo)光柵(AWG),將下行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)解復(fù)用后傳送至每個ONU,并對ONU的上行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)用傳輸。而ONU的主要功能是接收、解析下行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和發(fā)送、上傳用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

時分波分混合復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)下行鏈路采用多波長時分復(fù)用的工作方式,上行鏈路采用波分復(fù)用工作方式。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。從圖1(a)可看出,OLT以串行的工作方式為λ1～λ4光載波加載數(shù)據(jù),在下行傳輸過程中,每一時刻光纖只有一個攜帶數(shù)據(jù)的光波在傳輸。經(jīng)AWG解復(fù)用后,λ1～λ4的光信號被分配到相對應(yīng)的ONU進(jìn)行信號解調(diào),此過程無需光功率分離,使得ONU具有較大的接收功率,降低了信號的誤碼率。從圖1(b)可看出,每個ONU上行鏈路的光波長是唯一的,可顯著提高ONU上行突發(fā)速率,此過程采用波分復(fù)用工作方式,無需MAC協(xié)議分配時隙上傳數(shù)據(jù),在降低數(shù)據(jù)包傳輸延時的同時,可降低整個系統(tǒng)的冗余。

圖1 時分波分混合復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工作原理Fig.1 The working principle of hybrid TDM/WDM-PON system

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)時分波分混合復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的工作原理,構(gòu)建其系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如圖2所示。

為了實(shí)現(xiàn)下行多波長時分復(fù)用的工作方式,在OLT模塊中,先將多路不同波長的分布反饋式激光器(DFB)輸出的光源用光功率分離器分為2部分:一部分輸入至AWG,然后復(fù)用到一路光纖中,作為ONU上行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的光載波;另一部分輸入至馬赫曾德爾干涉光開關(guān)陣列,由陣列開關(guān)控制器選擇性地控制其中某一個開關(guān)閉合,接通并傳輸至AWG進(jìn)行復(fù)用,實(shí)現(xiàn)多波長分時切換功能。基于馬赫曾德爾干涉儀原理的光開關(guān)與傳統(tǒng)的機(jī)械光開關(guān)相比,具有功耗低、開關(guān)速度高、與偏振無關(guān)、無移動部件、重復(fù)率高、體積小、壽命長等優(yōu)點(diǎn)[21],可大大縮短不同波長間的切換時間,提高系統(tǒng)響應(yīng)速率。復(fù)用后的不同波長的光信號輸入至雙臂馬赫曾德爾調(diào)制器(MZM)進(jìn)行下行數(shù)據(jù)調(diào)制。在電域里,通過設(shè)置直流偏置控制器、高頻本地振蕩器和混頻器的參數(shù),實(shí)現(xiàn)光載波抑制調(diào)制格式,而陣列開關(guān)控制器對光開關(guān)進(jìn)行有序控制,不同時間段內(nèi)只開通一路波長的光信號,使其被調(diào)制,從而實(shí)現(xiàn)時分復(fù)用,達(dá)到在不同時間段對多個波長信號中的某一個波長信號進(jìn)行調(diào)制的目的。

被調(diào)制的光信號與AWG復(fù)用的信號經(jīng)光功率耦合器耦合后,再經(jīng)摻鉺光纖放大器(EDFA)放大,輸入到ODN的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SSMF)中進(jìn)行傳輸,由AWG解復(fù)用后,傳輸給每個ONU。在ONU中,輸入的光信號先經(jīng)第1級布拉格反射光柵分離出一個攜帶數(shù)據(jù)的光載波邊帶,再經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號,經(jīng)電域處理后得到下行用戶數(shù)據(jù);而剩下的光信號經(jīng)第2級布拉格反射光柵,分離出光中心載波,再輸入至反射半導(dǎo)體光放大器(RSOA),用作ONU上行數(shù)據(jù)的載波,第2級布拉格反射光柵反射后的光信號也同時被光隔離器阻隔,防止干擾下行鏈路信號。多個ONU的上行光信號經(jīng)ODN中的AWG匯聚復(fù)用,并經(jīng)SSMF傳輸至OLT,由AWG解復(fù)用后,每路光信號分別經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號,最后經(jīng)過相應(yīng)處理得到每個用戶的上行數(shù)據(jù)。

圖2 時分波分混合復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of hybrid TDM/WDM-PON system

2 仿真實(shí)驗(yàn)

時分波分混合復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要工作在C波段(1530～1560 nm)。實(shí)驗(yàn)以8個ONU接入方式對其進(jìn)行模擬仿真。OLT端采用8個不同波長的光源,頻率為193.1～193.8 THz,間隔100 GHz,輸出功率0 dBm。經(jīng)過50∶50的光功率分離器后,一部分經(jīng)光功率耦合器輸出,頻譜圖如圖3(a)所示;另一部分傳輸至馬赫曾德爾干涉光開關(guān)陣列,消光比為25 d B,AWG每個通道的帶寬40 GHz。在電域下,本地高頻振蕩器工作頻率為15 GHz,下行信號的速率為10 Gbit/s。通過設(shè)置直流電壓控制器,使調(diào)制器工作在最大傳輸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)光載波抑制調(diào)制方式,光譜圖如圖3(b)所示。隨后與光信號耦合,如圖3(c)所示。由于被調(diào)制的光信號經(jīng)過多個器件,功率損耗較大,增加了一級EDFA放大器,功率動態(tài)增益為18～35 d B,經(jīng)SSMF傳輸后在ONU端進(jìn)行接收。以O(shè)NU4為例,其接收的光信號的中心頻率為193.4 THz,如圖3(d)所示。FBG1的工作頻率為193.385 THz,帶寬20 GHz,光信號經(jīng)FBG1濾波后,頻譜圖如圖3(e)所示,被PIN接收解調(diào);另一部分被反射并輸入至FBG2,其工作頻率為193.415 THz,帶寬2 GHz,濾出中心載波如圖3(f)所示。隨后被RSOA調(diào)制器調(diào)制,產(chǎn)生一個1.25 Gbit/s速率的光信號,如圖3(g)所示;每個ONU的上行數(shù)據(jù)被RSOA調(diào)制后再經(jīng)AWG復(fù)用,如圖3(h)所示;最后通過SSMF上傳至OLT解復(fù)用接收。

3 仿真結(jié)果與分析

在光纖通信系統(tǒng)中,接收機(jī)的靈敏度對系統(tǒng)性能的影響尤為重要,因此,仿真了8路ONU在不同接收光功率下的誤碼率,如圖4所示。從圖4可看出,當(dāng)光信號經(jīng)35 km傳輸后,每路ONU的接收誤碼率都在10-9以下時,平均接收光功率約為-24.3 d Bm,完全達(dá)到了以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)系統(tǒng)要求的靈敏度指標(biāo)[22]。圖5為不同光信噪比對誤碼率的影響。從圖5可看出,當(dāng)接收信噪比達(dá)到19 d B以上時,誤碼率可維持在10-9dB以下。

聽到這話，皮特玩鬧的樣子一下子消失了，他臉色一沉，手往回一抽，突然間，我的下巴劇痛難忍，整張臉都是，眼前一片黑暗，耳朵嗡嗡作響。我眨了眨眼，踉蹌著走到一邊，感覺整個房間都在傾斜搖晃，完全不記得他的拳頭是怎么打到我的。

系統(tǒng)采用馬赫曾德爾干涉光開關(guān)陣列作為時分復(fù)用的關(guān)鍵器件,但以目前的工藝,馬赫曾德爾干涉光開關(guān)消光比參數(shù)做不到足夠大(＜30 dB)[23],因此需驗(yàn)證馬赫曾德爾干涉光開關(guān)陣列的消光比對系統(tǒng)誤碼率的影響。圖6為下行鏈路中每個ONU在馬赫曾德爾干涉光開關(guān)陣列不同消光比下信號誤碼率。從圖6可看出,假定只對ONU3發(fā)送數(shù)據(jù),當(dāng)消光比為0時,每個ONU都能接收到ONU3的數(shù)據(jù),且誤碼率較低;隨著消光比的增加,ONU3的誤碼率逐漸趨于穩(wěn)定,而其他ONU的誤碼率增大,直到消光比達(dá)到18 d B左右,用戶不再能接收到ONU3的數(shù)據(jù)。這表明,現(xiàn)有的馬赫曾德爾干涉光開關(guān)陣列性能足以滿足系統(tǒng)對消光比指標(biāo)的要求。

圖3 時分波分混合復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的光譜Fig.3 Optical spectra of hybrid TDM/WDM-PON system

圖7為下行信號經(jīng)過不同傳輸距離后的接收信號的眼圖。從10 km到30 km,接收信號的眼圖的變化較小;而從30 km到50 km,信號的衰減稍大;但經(jīng)過50 km的SSMF傳輸后,其眼圖仍能保持一定的張開度,誤碼率維持在1.295 9×10-9左右,表明系統(tǒng)能以10 Gbit/s通信速率傳輸50 km以上。圖8為上行鏈路中各ONU在不同接收信噪比下的誤碼率。從圖8可看出,當(dāng)接收信噪比達(dá)到17 d B時,誤碼率可維持在10-9dB以下。

圖4 下行鏈路中ONU在不同接收光功率下的誤碼率Fig.4 BER of ONU in case of different received optical power in downlink

圖5 下行鏈路中ONU在不同信噪比下的誤碼率Fig.5 BER of ONU in case of different SNR in downlink

圖6 下行鏈路中ONU在不同消光比下的誤碼率Fig.6 BER of ONU in case of different extinction ratio in downlink

圖7 下行鏈路中經(jīng)不同傳輸距離后信號的眼圖Fig.7 Eye diagrams of signal after different transmission distance in downlink

圖8 上行鏈路中不同光信噪比下的誤碼率Fig.8 BER of ONU in case of different optical SNR in uplink

4 結(jié)束語

利用一組馬赫曾德爾干涉光開關(guān)陣列和一個高速鈮酸鋰馬赫曾德爾調(diào)制器,結(jié)合光載波抑制調(diào)制和波長重用等技術(shù),重組了一種全新的時分波分混合復(fù)用工作方式的無源光網(wǎng)絡(luò)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在傳輸50 km后,達(dá)到了10 Gbit/s的下行傳輸速率和1.25 Gbit/s的上行傳輸速率。此混合無源光網(wǎng)絡(luò)方案在實(shí)現(xiàn)高速率通信的情況下,能減少大量調(diào)制器的使用,降低了系統(tǒng)成本,為無源光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了一種新的思路。

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編輯:張所濱

10 Gbit/s hybrid TDM/WDM-PON system

Li Wei,Chen Ming,Sheng Pengchi
(School of Information and Communication Engineering,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

In order to solve the problem of low bandwidth,high latency of TDM-PON and high cost and low utilization of WDM-PON),a novel hybrid TDM/WDM-PON system using Mach-Zehnder interferometer switches and a high speed LiN-bO3Mach-Zehnder modulator is proposed.This scheme can not only enable the transmission of data to fast and flexible for the different optical network units,but also reduce the number of electro-optic modulator and the cost of the system without cut down the high transmission rate.Meanwhile this system is achieved 10 Gbit/s downstream,1.25 Gbit/s upstream over 50 km transmission distance by using the technologies of optical carrier suppressed modulation and wavelength reuse.

hybrid TDM/WDM-PON;Mach-Zehnder interferometer optical switch array;optical carrier suppressed modulation;wavelength reuse

TN915.63

A

1673-808X(2015)02-0087-06

2014-11-03

廣西自然科學(xué)基金(2011GXNSFB18069)

陳明(1979-),男,湖南新寧人,教授,博士,研究方向?yàn)樘掌澕夹g(shù)、光通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)、光載無線通信、量子信息與量子光學(xué)等。E-mail:mchenqq2011@gmail.com

李衛(wèi),陳明,盛朋馳.10 Gbit/s時分波分混合復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(2):87-92.