基于OFDM的WDM-PON前傳網絡

王逸霖，張春蕾

（蘭州交通大學 電子與信息工程學院，蘭州 730070）

現在移動通信技術已經進入到5G時代.作為最新一代的移動通信技術［1］，5G通信具有速率高、時延低、可靠性強的特性［2］.其中，前傳網絡在整個5G網絡架構中，起到了非常關鍵的作用.前傳網絡是指AAU（有源天線單元）到DU（分布式單元）相連接的網絡.隨著用戶數量和基站數量的爆炸式增長，前傳網絡中的光纖資源面臨的任務越來越重.

傳統的前傳網絡承載方案—光纖直驅方案消耗的光纖資源巨大，成本很高［3］.和光纖直驅方案相比，波分復用無源光網絡（wavelength division multiplexing passive optical network，WDM-PON）可以節省大量的光纖資源，傳輸容量大，傳輸距離遠，帶寬大，在5G前傳承載方案中優勢明顯［4］.正交頻分復用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）是將高速的二進制比特流轉換成低速符號流，再加上循環前綴，抗色散能力強［5］，頻譜利用率非常高［6］，它的調制方式是多載波調制［7］，和單載波調制方式相比，抗碼間干擾能力強.文獻［8］提出了4×10 Gb／s的正交頻分復用光載射頻無源光網絡（orthogonal frequency division multiplexing radio over fiber passive optical network，OFDM-RoF-PON）傳輸系統，下行鏈路傳輸OFDM信號，光纖傳輸距離為500 km；在輸入光功率分別為0.1 dBm和0.7 dBm的時候，品質因數Q值分別為10.89和14.69.文獻［9］在全雙工WDMPON系統中，下行鏈路采用40 Gb／s的差分正交相移鍵控（differential quadrature phase shift keying，DQPSK）調制，上行鏈路采用20 Gb／s的反向歸零（inverted return-to-zero，IRZ）調制，系統的上下行鏈路在40 km的光纖傳輸后性能良好.文獻［10］將十六電平正交幅度調制（sixteen quadrature amplitude modulation，16QAM）、四進制脈沖幅度調制（four pulse amplitude modulation，PAM4）、偏振復用差分正交相移鍵控（polarization multiplexing differential quadrature phase shift keying，PM-DQPSK）作為40 Gb／s WDMPON系統的上下行碼型，從接收機的靈敏度、系統的成本、色散容忍度等方面展開研究，證明了基于強度調制／直接檢測（intensity modulation direct detection，IM-DD）的PAM4和半周期16QAM的系統成本低，適合于短距離傳輸，而采用相干接收技術的PM-DQPSK有著較高的靈敏度，適合在長距離光纖上傳輸.

本文構建了基于OFDM的WDM-PON傳輸系統，系統的上下行鏈路傳輸速率均為10 Gb／s，下行鏈路采用OFDM調制格式進行傳輸，上行鏈路采用非歸零（non-return to zero，NRZ）調制格式進行傳輸，用反射式半導體光放大器作為上行信號的激光源來實現光網絡單元的無色化.

1 系統設計

基于OFDM的WDM-PON系統的設計如圖1所示.圖1中的光線路終端（optical line terminal，OLT）側，連續波激光器（continuous wave laser，CWL）發出4路光載波，采用外調制技術將OFDM無線信號調制到光載波上生成OFDM光毫米波信號，陣列波導光柵（arrayed waveguide grating，AWG）對4路OFDM光毫米波信號復用后送入到光纖中，經過另一側的陣列波導光柵解復用后，送到各自的光網絡單元（optical network unit，ONU）中.光網絡單元側，傳入的下行光信號由分光器分兩路進行傳輸：一路傳入到光電二極管將OFDM光信號轉換成OFDM電信號，再進入到OFDM解調器解調OFDM信號，完成無線傳輸；另一路下行信號由反射式半導體光放大器（reflective semiconductor optical amplifier，RSOA）接收，反射式半導體光放大器刪除下行信號中的數據，保留光載波用于上行NRZ信號的調制，并放大上行NRZ信號，再通過陣列波導光柵復用／解復用傳輸到光線路終端中進行解調，實現系統的上下行傳輸.

圖1 基于OFDM的WDM-PON系統Fig．1 WDM-PON system based on OFDM

2 仿真及其結果分析

本文利用光通信仿真軟件搭建4路WDM-PON系統，4路光載波的中心頻率為193.1～193.7 THz，圖2為4路信號復用后的頻譜圖.下面選擇其中的一路信號進行詳細分析，系統的組成結構如圖3所示.

圖2 4路信號復用后的頻譜圖Fig．2 Spectrum diagram of four channels signal multiplexed

圖3 WDM-PON系統結構圖Fig．3 WDM-PON system structure diagram

系統下行傳輸速率為10 Gb／s，序列長度為212b，OFDM信號的調制過程為：偽隨機序列發生器（PRBS）發出的二進制數據流經過16QAM編碼映射后，傳輸到OFDM調制器里，OFDM調制器對其進行并串轉換、快速傅里葉反變換（IFFT）等過程后，產生OFDM電信號.子載波數為512個，IFFT點數為1 024點.生成的OFDM電信號傳輸到頻率30 GHz的正交調制器，之后由雙臂馬赫曾德爾調制器（mach-zehnder modulator，MZM）調制到連續波激光器發射出的中心頻率193.1 THz、光功率0 dBm的光載波上生成60 GHz OFDM光毫米波信號.馬赫曾德爾調制器兩臂的相位相差為π，消光比為20 dB，半波電壓為4 V，生成的OFDM毫米波光信號頻譜如圖4所示.經光纖傳輸后，下行信號由分光器分成兩路：一路傳入到反射式半導體光放大器中，光電二極管對另一路下行信號進行下變頻，光電二極管的響應度為1 A／W，暗電流為10 nA，最后經過電放大器放大，正交解調器、OFDM解調器解調后，完成OFDM無線信號的傳輸.圖5為OFDM信號經過下變頻后的頻譜圖.

圖4 OFDM毫米波光信號頻譜圖Fig．4 Spectrum diagram of OFDM millimeter wave optical signal

圖5 OFDM信號經過下變頻后的頻譜圖Fig．5 Spectrum diagram of OFDM signal after downconversion

為了分析WDM-PON系統下行鏈路的傳輸性能，圖6為經不同的傳輸距離傳輸后，采用16QAM映射的OFDM信號星座圖.經背靠背傳輸后，OFDM信號傳輸質量良好，星座點分布均勻；通過10 km傳輸后，星座圖發生偏轉，接收端解調時發生錯誤判決，這是因為光纖色散引發的相位偏移所致；當光纖傳輸距離達到20 km時，光纖色散越來越強，星座圖非常雜亂，混疊現象十分嚴重，這時可以使用色散補償和數字信號處理這兩種技術來提高系統下行鏈路的傳輸性能.使用色散補償技術可以節約系統成本，便于部署［11］.保持光纖傳輸距離不變，單模光纖和色散補償光纖衰減系數分別為0.2 dB／km和0.5 dB／km，單模光纖的色散系數為17.5 ps／（nm·km），色散補償光纖的色散系數為-88 ps／（nm·km）.10 km時單模光纖長度為8.39 km，色散補償光纖長度為1.61 km；20 km時單模光纖長度為16.78 km，色散補償光纖長度為3.22 km，并在10，20 km傳輸時分別進行79°和68°的相位補償.采用色散補償技術進行補償后的星座圖如圖7所示，可以看到：星座點在圖中分布均勻，星座圖端正，沒有出現旋轉和混疊現象，系統的傳輸性能得到增強.

圖6 OFDM信號經過不同傳輸距離后的星座圖Fig．6 Constellation diagrams of OFDM signal after different transmission distances

圖7 OFDM信號經過色散補償技術后的星座圖Fig．7 Constellation diagrams of OFDM signal after dispersion compensation technology

為了對系統的下行接收性能進行分析，圖8為下行OFDM信號的誤碼率和接收光功率的關系曲線.當誤碼率（BER）的對數lg（BER）=-15時，經過背靠背傳輸后OFDM信號的接收光功率為-15.2 dBm，經過10，20 km光纖傳輸后，接收光功率分別為-14.7 dBm和-14.1 dBm，功率代價分別為0.5 dBm和1.1 dBm，達到系統傳輸性能的要求.

圖8 下行信號誤碼率和接收光功率的關系曲線圖Fig．8 Relation curve of downstream signal bit error rate and received optical power

上行鏈路采用反射式半導體光放大器作為調制器和激光源來實現無色光網絡單元［12-13］，反射式半導體光放大器通過增益飽和特性刪除下行信號中的數據［14-15］，只保存光載波調制并放大上行NRZ信號.上行鏈路的傳輸速率為10 Gb／s.因為反射式半導體光放大器具有放大功能，使得上行鏈路的發射光功率過大，從而引發光纖的非線性效應，因此在光纖之前加入衰減器，衰減6 dBm后在進行傳輸.上行NRZ信號眼圖如圖9（a）、（b）所示.從圖9（a）、（b）可以看出：背靠背傳輸情況下，NRZ信號眼圖形狀完整，品質因數Q值為10.1；經過20 km光纖傳輸后，由于光纖色散的影響，眼圖一片混亂，傳輸性能很差，對此，采用色散補償技術來減弱光纖色散，單模光纖的長度為16.78 km，色散補償光纖的長度為3.22 km，NRZ信號經過色散補償技術補償色散后的眼圖如圖9（c）所示.從圖9（c）可以看出：采用色散補償技術進行傳輸后，“眼睛”形狀完整，眼圖張開度變大，品質因數為20.6，說明色散補償技術可以克服光纖色散產生的消極作用，從而滿足系統通信的需要.

圖9 上行NRZ信號眼圖Fig．9 Upstream NRZ signal eye diagram

3 結論

本文將基于OFDM的WDM-PON承載方案應用于前傳網絡中，下行鏈路通過外調制方式產生10 Gb／s的OFDM信號，上行鏈路采用反射式半導體光放大器作為調制器及激光源調制并放大NRZ信號，上行鏈路傳輸速率為10 Gb／s，構建了對稱雙向傳輸的WDM-PON系統.在光通信仿真平臺上對系統進行搭建，并對系統上下行鏈路的傳輸性能進行仿真及分析.仿真結果顯示：下行10 Gb／s的OFDM信號在10，20 km光纖傳輸后，由于光纖色散導致星座點發生了相位旋轉和混疊現象，經過色散補償技術減弱色散后，傳輸質量明顯增強，達到了系統傳輸性能的要求；在采用色散補償技術進行色散補償后，上行10 Gb／s的NRZ信號經過20 km光纖傳輸后眼圖張開度很大，傳輸質量良好，滿足系統通信的需要，實現了下行OFDM信號和上行NRZ信號的傳輸.因此，本文提出的基于OFDM的WDM-PON系統的方案可以承載前傳網絡，滿足前傳網絡的傳輸需要.