專利名稱：基于單載波頻分多址的無源光網(wǎng)絡發(fā)送、接收方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于單載波頻分多址的無源光網(wǎng)絡發(fā)送、接收方法及系統(tǒng)，屬于 光通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖通信技術(shù)已成為現(xiàn)代通信的主要支柱之一，在現(xiàn)代電信網(wǎng)中起著舉足輕重的 作用，其近年來發(fā)展速度之快、應用面之廣是通信史上罕見的，也是世界新技術(shù)革命的重要 標志和未來信息社會中各種信息的主要傳送工具。光纖即為光導纖維的簡稱。光纖通信是 以光波作為信息載體，以光纖作為傳輸媒介的一種通信方式。近年來，由于光纖的大量鋪設 和波分復用等新技術(shù)的應用，使得主干光纖網(wǎng)絡在幾年之內(nèi)已經(jīng)有了突破性的發(fā)展。同時 由于以太網(wǎng)技術(shù)的進步，由其主導的局域網(wǎng)帶寬也從10M，100M到IG甚至10G。而目前大 家關(guān)注，最需要突破的地方就在于連接網(wǎng)絡主干和局域網(wǎng)以及家庭用戶之間的一段，這就 是常說的“最后一公里”，這是個瓶頸。必須打破這個瓶頸，才可能迎來網(wǎng)絡世界的新天地。 人們迫切需要一種經(jīng)濟、簡單、易升級、能夠綜合傳輸語音、數(shù)字和視頻業(yè)務的新的接入網(wǎng) 絡技術(shù)。在各種技術(shù)中，無源光網(wǎng)絡(PON)技術(shù)獲得了廣泛的關(guān)注。PON網(wǎng)絡的突出優(yōu)點是消除了戶外的有源設備，所有的信號處理功能均在交換機 和用戶宅內(nèi)設備完成。而且這種接入方式的前期投資小，大部分資金要推遲到用戶真正接 入時才投入。它的傳輸距離比有源光纖接入系統(tǒng)的短，覆蓋的范圍較小，但它造價低，無須 另設機房，維護容易。因此這種結(jié)構(gòu)可以經(jīng)濟地為居家用戶服務。目前PON技術(shù)主要有采用異步轉(zhuǎn)移模式(ATM)的無源光網(wǎng)絡ΑΡΟΝ、以太網(wǎng)無源 光網(wǎng)絡(EPON)、千兆比特無源光網(wǎng)絡(GPON)和波分復用無源光網(wǎng)絡(WDM-PON)等幾種， 其主要差異在于采用了不同的傳輸技術(shù)。其中，前三種PON技術(shù)都是基于時分復用的，而 WDM-PON是基于波分復用的。1)無源光網(wǎng)絡(PON)一個典型的無源光網(wǎng)絡P0N(Passive Optical Network)的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)如圖 1所示，其主要組成部分包括光線路終端(OLT，Optical Line Terminator)，光網(wǎng)絡單元 (0NU, Optical NetworkUnit)和光配線網(wǎng)(Optical Distribution Network, 0DN).由于光 路特征為ODN全部由光分路器(Splitter)等無源器件組成，不需要貴重的有源電子設備， 因此被稱為無源光網(wǎng)絡。2)基于時分復用(TDM)的的PON技術(shù)(ΕΡ0Ν和GP0N)基于TDM 的 PON 主要分為 ΑΡ0Ν/ΒΡ0Ν (ΑΤΜΡ0Ν/ 寬帶 PON)、EPON (以太網(wǎng) Ρ0Ν)和 GPON(千兆比特Ρ0Ν)，但只有后兩者目前有廣泛的應用。其中，EPON非常適合IP業(yè)務的寬 帶接入，商用化程度最高。2004年，IEEE批準EPON標準為802. 3ah,它支持上下行最高速 率1.25Gb/s傳輸，最大分路比為64。EPON的優(yōu)點主要有(1)以太網(wǎng)技術(shù)成熟，設備成本 低；(2)設備價格低，通用性好；(3)除去了 IP數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議和格式轉(zhuǎn)換，效率高，管理簡 單，可靈活支持基于IP的綜合業(yè)務和多種服務質(zhì)量管理。其缺點在于傳送高質(zhì)量保證的實時性業(yè)務比較復雜，服務質(zhì)量問題和流量控制待加強。GPON在高速率和多業(yè)務支持方面則有一定優(yōu)勢。2003年GPON被國際電聯(lián)(ITU) 采納為標準G. 984。GPON的優(yōu)點主要有(1)承載快速以太網(wǎng)和T1/E1電路不需要額外開 銷，也不會增加復雜性；(2)綜合業(yè)務支持能力強，支持VLAN交換和其他新的以太網(wǎng)業(yè)務。 其缺點是目前成本較EPON高，在僅承載以太網(wǎng)業(yè)務和語音業(yè)務時無明顯優(yōu)勢。3) WDM-PON WDM-PON是基于波分復用技術(shù)的，即在同一根光纖上同時采用多束不同波長的光， 用不同波長的光分配給不同的業(yè)務或終端。從技術(shù)原理上來說，EPON和GPON都是功率分 割型的，而WDM-PON則屬于波分復用，使用光分路器識別局端(OLT)發(fā)出的各種波長，將信 號分配給各路光節(jié)點(ONU)。WDM-PON優(yōu)點在于可以實現(xiàn)較高的工作帶寬，在網(wǎng)絡管理和系 統(tǒng)升級方面具有一定的優(yōu)勢，但其缺點是成本很高，距離產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模應用還有很長的 一段距離。4)基于 OFDMA 的 PON 技術(shù)基于OFDMA的PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。OLT中的發(fā)射部分都主要由m_QAM調(diào)制、 快速傅里葉反變換、數(shù)字或模擬上變頻、D/A和電光調(diào)制幾個部分構(gòu)成。信號經(jīng)過m-QAM映 射后得到QAM調(diào)制符號，然后IFFT將信號變換到時域，再對其進行上變頻，最后經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn) 換與電光轉(zhuǎn)換將信號通過光纖發(fā)送出去。接收端及其逆過程。在0FDMA-P0N中，采用多載 波調(diào)制，多載波存在同相相加或相消，在同相相加時會產(chǎn)生很大峰值，導致PAPR很大。自2007年以來，學術(shù)界開始討論一種新型的基于正交頻分多址(OFDMA)的PON技 術(shù)。OFDMA是基于正交頻分復用(OFDM)技術(shù)的接入技術(shù)。在OFDM技術(shù)中，信道被分成若干 正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行傳 輸。正交信號可以通過在接收端采用數(shù)字信號處理技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間 的相互干擾ICI。OFDMA是利用OFDM對信道進行子載波化后，在部分子載波上加載傳輸數(shù) 據(jù)的多址接入技術(shù)。但是，OFDMA技術(shù)存在著如PAPR過大等很多問題，調(diào)制器和功率放大器的線性工 作區(qū)要比較大，提高了光電器件的成本，尤其是提高了 ONU端的成本；且過大的PAI^R將引入 光纖非線性，這對于上行和下行鏈路傳輸性能都是非常不利的。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明的目的在于提出一種基于SC-FDMA的PON信 號發(fā)送、接收方法及系統(tǒng)。不同于0FDMA-P0N結(jié)構(gòu)，在SCFDMA-P0N中，上行和下行的發(fā)射信 號都經(jīng)過了 DFT和IFFT，發(fā)射信號是單載波的時域的信號，不存在多載波調(diào)制時的同相相 加或相消的問題，從而可以使PAPR仍然能保持很小。SCFDMA-P0N對于發(fā)射機放大器性能 要求比0FDMA-P0N要低得多，體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。在光網(wǎng)絡中需要利用光纖來進行傳輸， PAPR越大，則功率的峰值也就越大，對應的非線性損傷就越大。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種基于單載波頻分多址的無源光網(wǎng)絡發(fā)送方法，其步驟為1)發(fā)射單元將輸入信息進行映射，生成M個符號一組的并行符號序列；2)將所生成的并行符號序列進行M點離散傅里葉變換，生成頻域信號；
3)通過子載波映射模塊將每個頻域信號映射到分配的子載波上；4)將子載波映射后的頻域信號經(jīng)過N點快速傅里葉反變換到時域；5)將得到的時域信號依次經(jīng)上變頻、數(shù)模轉(zhuǎn)換、電光調(diào)制后得到光信號發(fā)送給接 收單元；其中，M、N為自然數(shù)。進一步的，其中N彡M。進一步的，所述子載波映射模塊為集中式子載波映射模塊或分布式子載波映射模 塊?！N基于單載波頻分多址的無源光網(wǎng)絡接收方法，其步驟為1)接收單元將接收信息依次進行光電接收、模數(shù)轉(zhuǎn)換、下變頻處理后得到一時域 信號；2)將時域信號經(jīng)N點快速傅里葉變換到頻域；3)通過子載波逆映射模塊對得到的頻域信號進行映射，得到載有數(shù)據(jù)的子載波；4)將子載波中的頻域信號進行M點離散傅里葉反變換到時域；5)將步驟4)的時域信號進行解調(diào)；其中，M、N為自然數(shù)。進一步的，其中N彡M。進一步的，所述子載波逆映射模塊為集中式子載波逆映射模塊或分布式子載波逆 映射模塊。一種基于單載波頻分多址的無源光網(wǎng)絡系統(tǒng)，包括發(fā)射單元和接收單元；其特征 在于所述發(fā)射單元包括正交幅度調(diào)制模塊、M點離散傅里葉變換模塊、子載波映射模塊、N 點快速傅里葉反變換模塊、上變頻模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、電光調(diào)制模塊；其中所述正交幅度調(diào)制模塊，用于將輸入信息進行映射后，生成M個符號一組的并行 符號序列并將其發(fā)送給所述M點離散傅里葉變換模塊；所述M點離散傅里葉變換模塊，用于對接收信息進行變換，生成頻域信號并將其 發(fā)送到所述子載波映射模塊；所述子載波映射模塊，用于對接收信息進行子載波映射，將每個頻域信號擴頻到 分配的子載波上傳輸給所述N點快速傅里葉反變換模塊；所述N點快速傅里葉反變換模塊，用于將接收信息變換到時域；所述N點快速傅里葉反變換模塊輸出的信息依次經(jīng)所述上變頻模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模 塊、電光調(diào)制模塊處理后發(fā)送到所述接收單元；所述接收單元包括光電接收模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、下變頻模塊、N點快速傅里葉變 換模塊、子載波逆映射模塊、M點離散傅里葉反變換模塊、正交幅度解調(diào)模塊；其中接收信息依次經(jīng)所述光電接收模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、下變頻模塊處理后發(fā)送到所 述N點快速傅里葉變換模塊；所述N點快速傅里葉變換模塊，用于將接收信息變換到頻域，傳輸給所述子載波 逆映射模塊；所述子載波逆映射模塊，用于對接收信息進行子載波逆映射后傳輸給所述M點離 散傅里葉反變換模塊；所述M點離散傅里葉反變換模塊，用于對接收信息進行變換，生成時域信號并將其發(fā)送給所述正交幅度解調(diào)模塊；所述正交幅度解調(diào)模塊，用于對接收信息進行變換，生成頻域信號；其中，M、N為自然數(shù)。進一步的，其中N彡M。進一步的，所述子載波映射模塊為集中式子載波映射模塊，所述子載波逆映射模 塊為集中式子載波逆映射模塊。進一步的，所述子載波映射模塊為分布式子載波映射模塊，所述子載波逆映射模 塊為分布式子載波逆映射模塊。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的積極效果為從下面的實驗結(jié)果圖3和圖4可看出SCFDMA-P0N的PAPR帶來的光纖非線性損傷 比0FDMA-P0N明顯要低很多，帶來的優(yōu)點是可以減小對調(diào)制器和功率放大器線性工作區(qū)的 要求，有效降低光電器件的成本。并且低非線性損傷這一優(yōu)勢在光網(wǎng)絡中顯得尤為重要。


圖1、PON網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)；圖2、基于OFDMA的PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；圖2 (a) 0FDMA-P0N的OLT下行結(jié)構(gòu)框圖(發(fā)送)，圖2 (b) 0FDMA-P0N的ONU下行結(jié)構(gòu)框圖(接收)，圖 3、SC-FDMA-P0N 與 0FDMA-P0N 峰均比對比；圖 4、SC-FDMA-P0N 與 0FDMA-P0N 非線性對比；圖5、本發(fā)明基于SC-FDMA的PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖5(a)本發(fā)明的OLT下行結(jié)構(gòu)框圖(發(fā)送)；圖5(b)本發(fā)明的ONU下行結(jié)構(gòu)框圖(接收)；圖6、兩種子載波映射方法及其頻譜示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細描述本發(fā)明技術(shù)提出一種基于SC-FDMA的PON上行或下行結(jié)構(gòu)方案，如圖5所示。以下行鏈路為例，在SC-FDMA-P0N系統(tǒng)中，OLT單元發(fā)射部分包括QAM Modification (正交幅度調(diào)制)，M點DFT (離散傅里葉變換)，Subcarrier Mapping (子載 波映射)，N點IFFT (快速傅里葉反變換)，上變頻，D/A (數(shù)模轉(zhuǎn)換)，E/0 (電光調(diào)制)等部 分。ONU單元接收部分包括0/E (光電調(diào)制)，A/D (模數(shù)轉(zhuǎn)換)，下變頻，N點FFT(快速傅 里葉變換)，Subcarrier De-Mapping(子載波逆映射)，M點IDFT (離散傅里葉反變換)， QAMDe-Modification(正交幅度解調(diào))等部分。這種結(jié)構(gòu)方案下的下行鏈路中，OLT端信 號經(jīng)過QAM映射后，得到M個符號一組的并行符號序列，將其進行M點的DFT后得到頻域信 號。接著進行Subcarrier Mapping(子載波的映射)，插入零符號，將每個數(shù)據(jù)符號擴頻到 分配的子載波上傳輸。映射后的頻域信號經(jīng)過N點的IFFT再次變換到時域后。經(jīng)過上變 頻，信號變至中頻，再經(jīng)過D/A將信號變?yōu)槟M信號。最后經(jīng)E/0將信號變?yōu)楣庑盘?，通過 光纖將信號發(fā)送出去。接收端是發(fā)射端的逆過程。ONU端接收到光信號之后先由E/0轉(zhuǎn)為電信號，再用A/D將信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，然后經(jīng)過下變頻把中頻信號恢復到原始頻率。而后 用N點FFT將信號變換至頻域，通過Subcarrier De-Mapping,將插零取出，得到載有數(shù)據(jù)的 子載波，最后經(jīng)過M點IDFT將信號還原到時域，由QAM解調(diào)將信號做解調(diào)制處理。對于上 行鏈路，與下行鏈路的過程是相同的。只需將ONU置為發(fā)射端，OLT置為接收端即可。一般來說，N > M，M、N為自然數(shù)。這樣就存在著一個如何從N個子載波中選擇分 配M個子載波的問題，即子載波映射。子載波映射一般有以下兩種方法集中式子載波映射和分布式子載波映射。映射 方法和頻譜示意圖如圖6所示。集中式子載波映射方法是將經(jīng)過M點DFT變換之后的數(shù)據(jù)分配到M個相鄰的子載 波上，其余子載波上插零。這樣再經(jīng)過N點IFFT變換之后的發(fā)射信號就相當于經(jīng)過了一個 sine函數(shù)脈沖成型濾波器。在SCFDMA系統(tǒng)中，得到的信號類似于一個窄帶的單載波信號。 另一種是分布式子載波映射。具體方法是將經(jīng)過M點DFT變換后的數(shù)據(jù)分配到M個等間隔 的子載波上，而不是上一種方法中的M個連續(xù)的子載波上，然后其余子載波上也同樣插零。 這樣做的結(jié)果使得時域上波形呈周期性的重復，即發(fā)射的N點IFFT后信號為原M點數(shù)據(jù)重 復L次，其中L為映射時兩個子載波的距離。本方法中采用集中式子載波映射，即只占用了 部分帶寬。這種方式雖然沒有分布式那樣具有較大頻率分集的增益，但是由于它占用的帶 寬窄，信道的頻域相應變化要相對小一些，便于和頻域調(diào)度結(jié)合，能夠達到較好的性能。
權(quán)利要求
一種基于單載波頻分多址的無源光網(wǎng)絡發(fā)送方法，其步驟為1)發(fā)射單元將輸入信息進行映射，生成M個符號一組的并行符號序列；2)將所生成的并行符號序列進行M點離散傅里葉變換，生成頻域信號；3)通過子載波映射模塊將每個頻域信號映射到分配的子載波上；4)將子載波映射后的頻域信號經(jīng)過N點快速傅里葉反變換到時域；5)將得到的時域信號依次經(jīng)上變頻、數(shù)模轉(zhuǎn)換、電光調(diào)制后得到光信號發(fā)送給接收單元；其中，M、N為自然數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于N> M。
3.如權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于所述子載波映射模塊為集中式子載波映 射模塊或分布式子載波映射模塊。
4.一種基于單載波頻分多址的無源光網(wǎng)絡接收方法，其步驟為1)接收單元將接收信息依次進行光電接收、模數(shù)轉(zhuǎn)換、下變頻處理后得到一時域信號；2)將時域信號經(jīng)N點快速傅里葉變換到頻域；3)通過子載波逆映射模塊對得到的頻域信號進行映射，得到載有數(shù)據(jù)的子載波；4)將子載波中的頻域信號進行M點離散傅里葉反變換到時域；5)將步驟4)的時域信號進行解調(diào)；其中，M、N為自然數(shù)。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于N> M。
6.如權(quán)利要求4或5所述的系統(tǒng)，其特征在于所述子載波逆映射模塊為集中式子載波 逆映射模塊或分布式子載波逆映射模塊。
7.一種基于單載波頻分多址的無源光網(wǎng)絡系統(tǒng)，包括發(fā)射單元和接收單元；其特征在 于所述發(fā)射單元包括正交幅度調(diào)制模塊、M點離散傅里葉變換模塊、子載波映射模塊、N點 快速傅里葉反變換模塊、上變頻模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、電光調(diào)制模塊；其中所述正交幅度調(diào)制模塊，用于將輸入信息進行映射后，生成M個符號一組的并行符號 序列并將其發(fā)送給所述M點離散傅里葉變換模塊；所述M點離散傅里葉變換模塊，用于對接收信息進行變換，生成頻域信號并將其發(fā)送 到所述子載波映射模塊；所述子載波映射模塊，用于對接收信息進行子載波映射，將每個頻域信號擴頻到分配 的子載波上傳輸給所述N點快速傅里葉反變換模塊；所述N點快速傅里葉反變換模塊，用于將接收信息變換到時域； 所述N點快速傅里葉反變換模塊輸出的信息依次經(jīng)所述上變頻模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、 電光調(diào)制模塊處理后發(fā)送到所述接收單元；所述接收單元包括光電接收模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、下變頻模塊、N點快速傅里葉變換模 塊、子載波逆映射模塊、M點離散傅里葉反變換模塊、正交幅度解調(diào)模塊；其中接收信息依 次經(jīng)所述光電接收模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、下變頻模塊處理后發(fā)送到所述N點快速傅里葉變 換模塊；所述N點快速傅里葉變換模塊，用于將接收信息變換到頻域，傳輸給所述子載波逆映 射模塊；所述子載波逆映射模塊，用于對接收信息進行子載波逆映射后傳輸給所述M點離散傅 里葉反變換模塊；所述M點離散傅里葉反變換模塊，用于對接收信息進行變換，生成時域信號并將其發(fā) 送給所述正交幅度解調(diào)模塊；所述正交幅度解調(diào)模塊，用于對接收信息進行變換，生成頻域信號； 其中，M、N為自然數(shù)。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于N> M。
9.如權(quán)利要求7或8所述的系統(tǒng)，其特征在于所述子載波映射模塊為集中式子載波映 射模塊，所述子載波逆映射模塊為集中式子載波逆映射模塊。
10.如權(quán)利要求7或8所述的系統(tǒng)，其特征在于所述子載波映射模塊為分布式子載波映 射模塊，所述子載波逆映射模塊為分布式子載波逆映射模塊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于單載波頻分多址的無源光網(wǎng)絡發(fā)送、接收方法及系統(tǒng)，屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域。本系統(tǒng)包括發(fā)射單元和接收單元；其中發(fā)射單元包括正交幅度調(diào)制模塊、M點離散傅里葉變換模塊、子載波映射模塊、N點快速傅里葉反變換模塊、上變頻模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、電光調(diào)制模塊；接收單元包括光電接收模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、下變頻模塊、N點快速傅里葉變換模塊、子載波逆映射模塊、M點離散傅里葉反變換模塊、正交幅度解調(diào)模塊。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以使信號的PAPR保持很小，從而減小對調(diào)制器和功率放大器線性工作區(qū)的要求，有效降低光電器件的成本。
文檔編號H04L27/26GK101909034SQ20101021579
公開日2010年12月8日 申請日期2010年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月22日
發(fā)明者何永琪, 李巨浩, 陳章淵 申請人:北京大學