專利名稱：一種基于交織頻分多址的無源光網絡上行傳輸系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無源光網絡上行傳輸系統(tǒng)，尤其涉及一種基于交織頻分多址 (IFDMA)的無源光網絡上行傳輸系統(tǒng)，屬于光通信領域。
背景技術：
本領域常用的一些術語及其縮略語介紹無源光網絡(PON)、光配線網(ODN)、正交頻分復用(OFDM)、正交頻分多址(OFDMA)、交織頻分多址(IFDMA)。2009年瑞典皇家科學院諾貝爾獎委員會宣布，將2009年度諾貝爾物理學獎授予一名中國香港科學家高琨(Charles K. Kao)和兩名美國科學家?？茖W家Charles K. Kao因為“在光學通信領域中光的傳輸的開創(chuàng)性成就”而獲獎。眾所周知，光纖通信技術已成為現代通信的主要支柱之一，在現代電信網中起著舉足輕重的作用，極大地影響著人們的日常生活。光纖通信的原理是在發(fā)送端，首先要把傳送的信息(如話音)變成電信號，然后調制到激光器發(fā)出的激光束上，使光的強度隨電信號的幅度(頻率)變化而變化，并通過光纖發(fā)送出去；在接收端，檢測器收到光信號后把它變換成電信號，經解調后恢復原信息。光纖通信容量大、傳輸距離遠；一根光纖的潛在帶寬可達20THz。近年來，由于光纖的大量鋪設和波分復用等新技術的應用使得主干光纖網絡在幾年之內已經有了突破性的發(fā)展。目前大家所關注的是連接網絡主干和局域網以及家庭用戶之間的一段，這就是常說的“最后一公里”，這也是‘長途跋涉’后關鍵的一步。人們迫切需要一種經濟、簡單、易升級、能夠綜合傳輸語音、數字和視頻業(yè)務的新的接入網絡技術。在各種技術中，無源光網絡 (PON)技術獲得了廣泛的關注。PON技術概念起源于20世紀90年代中期。PON的無源特性使之具有運行維護方便，成本低廉。目前PON技術主要有采用異步轉移模式(ATM)的無源光網絡ΑΡΟΝ、以太網無源光網絡(EPON)、千兆比特無源光網絡(GPON)和波分復用無源光網絡(WDM-PON)等幾種，其主要差異在于采用了不同的傳輸技術。其中，前三種PON技術都是基于時分復用的， 而WDM-PON是基于波分復用的。交織頻分多址(IFDMA)是單載波頻分復用(SC-FDMA)技術的一種時域產生方法， 本質上在一種單載波技術。該技術是通過為每個用戶分配不同的子載波來實現多址接入的，子載波的分配是通過時域上的符號重復和相位調制來實現的。由于IFDMA同時也可以看成是OFDMA的擴展，故其繼承了兩種接入方式的優(yōu)點。IFDMA由于本質是單載波傳輸，其具有較低的峰均比(PAPR)，這可以降低在ONU端發(fā)射機對調制器和放大器的要求，節(jié)約了用戶端的成本。IFDMA的實現方式非常簡單，僅需要對時域信號進行重復，相位旋轉，這也減少發(fā)射端的算法和器件的復雜程度，這些優(yōu)點恰好是PON中的ONU需要的。故我們認為， IFDMA將是一種比較有效的上行傳輸技術。本發(fā)明首次將IFDMA技術引入到光網絡接入系統(tǒng)中，將其作為一種有效的上行傳
輸方案。a)與本發(fā)明相關的現有技術
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i.無源光網絡(PON)PON(無源光網絡)中最主要的三部分包括位于局端的0LT(0ptical Line ^Terminal，光線路終端)、終端ONU(Optical Network Unit，光網絡單元)、以及ODN(Optical Distribution Network，光配線網)。PON “無源”是指ODN全部由光分路器(Splitter)等無源器件組成，不含有任何電子器件及電源。其網絡體系結構如圖1所示。ii基于時分復用(TDM)的PON技術(ΕΡ0Ν和GP0N)TDM-PON是指基于時分多址接入技術的PON結構，其基本原理是下行方向通過 TDM廣播的方式發(fā)送給各ONU數據，并用特定的標示來指示各時隙是屬于哪個ONU的。再有所有ONU的全部信息的光信號功率在光分路器處被分成若干份經各分支到達各個0NU，各 ONU根據相應的標識收取屬于自己的下行信息數據，其它時隙的信息數據就丟棄。上行方向通過TDMA方式實現接入。各ONU在OLT的控制下，只在OLT指定的時隙發(fā)送自己的信息數據。各ONU的時隙在光合路器處匯合，PON系統(tǒng)的測距和多址接入控制保證上行各ONU的信息數據不發(fā)生沖突?；赥DM 的 PON 主要分為 ΑΡ0Ν/ΒΡ0Ν (ΑΤΜΡ0Ν/ 寬帶 PON)、EPON (以太網 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1.25(ib/S傳輸，最大分路比為64。EPON的優(yōu)點主要有(1)以太網技術成熟，設備成本低；( 設備價格低，通用性好；C3)除去了 IP數據傳輸的協(xié)議和格式轉換，效率高，管理簡單，可靈活支持基于IP的綜合業(yè)務和多種服務質量管理。其缺點在于傳送高質量保證的實時性業(yè)務比較復雜，服務質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)承載快速以太網和T1/E1電路不需要額外開銷，也不會增加復雜性；( 綜合業(yè)務支持能力強，支持VLAN交換和其他新的以太網業(yè)務。 其缺點是目前成本較EPON高，在僅承載以太網業(yè)務和語音業(yè)務時無明顯優(yōu)勢。iii.基于波分復用的WDM-PONWDM-PON是基于波分復用技術的，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)點在于可以實現較高的工作帶寬，在網絡管理和系統(tǒng)升級方面具有一定的優(yōu)勢，但其缺點是成本很高，距離產業(yè)化和大規(guī)模應用還有很長的一段距離。綜上所述，當前的PON主要是TDM-P0N，其在上行系統(tǒng)中只需要對用戶的信號進行映射就可以發(fā)出了，但是每個用戶的信號只能在指定的時隙發(fā)送，而且需要突發(fā)模式的收發(fā)機，但由于高速突發(fā)模式收發(fā)機和分光器的使用使得其速率受限，不能滿足指數增長的帶寬需求。WDM-PON可以實現高帶寬，但其ONU端需要多個激光器，也需要進行波長管理，成本過于高昂。接入網ONU端需要一個低成本，實現簡單的上行方案。

發(fā)明內容
針對現有技術中存在的技術問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于交織頻分多址(IFDMA)的無源光網絡上行傳輸系統(tǒng)；交織頻分多址(IFDMA)系統(tǒng)是一種特殊的單載波系統(tǒng)，它采用碼片復制技術，通過為每個用戶分配不同的子載波實現多址接入。它結合了單載波和多載波系統(tǒng)的優(yōu)點，具有低PAPR特性，發(fā)射機復雜度低，實現簡單，在上行系統(tǒng)中受到了廣泛的關注。本發(fā)明的技術方案為 一種基于交織頻分多址的無源光網絡上行傳輸系統(tǒng)，包括ONU端和OLT端，所述 OLT端與所述ONU端通過光纖網絡連接；其特征在于所述ONU端包括一 IFDMA基帶信號產生模塊，用于將用戶的信號生成基帶IFDMA信號；所述IFDMA基帶信號產生模塊輸出的信號依次經上變頻模塊、濾波模塊發(fā)送給電光調制模塊；所述OLT端包括一 IFDMA基帶信號解調模塊，用于從基帶IFDMA信號中解調出用戶信號；所述OLT端的光電轉換模塊將輸出信號依次經下變頻模塊、濾波模塊處理后發(fā)送給所述IFDMA基帶信號解調模塊。進一步的，所述上變頻模塊為模擬上變頻模塊。進一步的，所述下變頻模塊為模擬下變頻模塊。進一步的，所述濾波模塊為低通濾波模塊。進一步的，所述IFDMA基帶信號產生模塊中，用戶信號的偏移量由所述OLT端預先分配。進一步的，所述IFDMA基帶信號產生模塊中，用戶信號的偏移量根據上行傳輸系統(tǒng)環(huán)境動態(tài)分配。進一步的，所述IFDMA基帶信號產生模塊中，用戶信號的重復次數等于或大于當前用戶數。在ONU發(fā)射端，首先對用戶信息進行PSK或者QAM等任意方式的調制，產生長度為 L的符號塊。其次，將已調制符號塊(以整塊為單位)重復N次，產生一個長度為LXN的符號塊。接著，長度為LXN的符號塊在時域乘上一個特定的相位偏移，不同的用戶采用不同的相位偏移。時域的相位偏移操作等效于在頻域的循環(huán)移位操作。因此，各用戶的“梳狀” 頻譜被循環(huán)移位到了各自不同的偏移位置上，從而實現了頻分多址。最后，添加循環(huán)前綴， 進行低通濾波，再通過上變頻和數模變換操作后將信號轉換為光信號發(fā)射出去。在接收端，首先對接收信號進行光電轉換和模數轉換，然后進行下變頻和低通濾波，接著去除循環(huán)前綴，將信號通過FFT變換到頻域進行信道均衡，并用IFFT變換回時域進行后續(xù)的解調和解碼恢復出傳送的原始比特信息。其具體的基帶DSP實現框圖如圖2所示， 圖2 (a) (b)分別對應了 ONU端發(fā)射機和OLT端接收機的DSP實現框圖，圖3通過簡單的示例(L = 3，N = 3)表示IFDMA符號形成的時域和頻域的變換。與現有技術相比，本發(fā)明的積極效果為本發(fā)明通過在ONU端上行采用IFDMA技術，該技術通過僅需要在時域對用戶信號進行重復和相移操作便能達到頻分多址。本發(fā)明可以使信號的PAI^R保持很小，從而減小對調制器和功率放大器線性工作區(qū)的要求，有效降低ONU端光電器件的成本。圖4是經過 matlab仿真的PAPR比較圖，仿真條件是512個子載波，映射方式為QPSK。本發(fā)明可以大大簡化ONU端接收機/發(fā)射機的結構，采用普通的光通信收發(fā)機即可實現信號的收發(fā)，從而節(jié)約ONU端的成本。對于PON系統(tǒng)中的用戶和運營商來說，ONU端的復雜度和成本是極為重要的一個因素。從結構圖中我們看出，ONU端的實現非常簡單，僅
5需要對時域的數據進行重復，相位偏移操作，同時由于發(fā)射信號本質上為單載波信號，PAPR 低，可以有效的減少ONU端的成本和復雜度。另外，這個方案通過頻分多址，也能提高傳輸速率。目前TDM-PON雖可以實現無色性，但由于突發(fā)接收以及色散等影響很難滿足人民日益增長的帶寬需求。WDM-PON雖然可以實現高帶寬高速率，但ONU端需要不同的波長，有色性帶來的波長管理和昂貴的器件使得用戶成本居高不下。本方案可以非常有效的實現高速上行傳輸，對于實際應用有非常重要的意義。


圖1、PON網絡體系結構圖；圖2、基帶DSP實現框圖；(a) ONU端(上行發(fā)射端)DSP處理框圖，(b) OLT端(上行接收端)DSP處理框圖，圖3、IFDMA符號形成的時域和頻域變換示意圖；(a) IFDMA符號形成的時域變換示意圖，(b) IFDMA符號形成的頻域變換示意圖，圖 4、OFDMA, DFT-S-OFDM 和 IFDMA 在 QPSK 映射方式下的 PAPR 比較圖；圖5、本發(fā)明基于IFDMA技術的PON上行傳輸系統(tǒng)結構圖。
具體實施例方式
本發(fā)明技術提出一種可用于10(ib/S及更高速率的基于IFDMA的PON上行系統(tǒng)。在已有方案中，TDM-PON是進行時分復用的，需要在OLT端采用突發(fā)模式的接收機和發(fā)射機。 WDM-PON采用波分復用技術，需要多個激光器和接收機，另外波長管理和AWG等非常復雜。 本方案是通過對用戶端的數據進行時域處理，以將個用戶信息的頻譜等間隔呈梳狀分布， 實現頻分多址。基于這種思想的PON結構方案下行鏈路可以采用多種方式。本專利只涉及上行傳輸方式。其實現框圖如圖5所示，首先是基帶信號產生模塊，這個模塊的工作如圖2所描述的，在ONU端，IFDMA基帶信號產生模塊先將用戶的信號進行映射，重復，相移，低通濾波等一些列操作，得到了基帶的IFDMA信號，接著對基帶的IFDMA信號進行上變頻操作，然后進行電濾波，再接著將濾波后的信號調制到光載波上(即電光轉換)，這樣用戶的信號就轉換為光信號，發(fā)送到光纖網絡中傳輸，經過一段距離的光纖到達接收端；在接收端，首先將接收到的光信號進行光電轉換，也就是將光纖中的光信號變換為攜帶信息的電信號，對電信號接下來進行下變頻到基帶，再經過濾波和解調等一系列操作。在OLT接收端，光電檢測后的電信號通過模擬下變頻并濾波后，得到所需要的基帶信號。上行鏈路中，特定的ONU端發(fā)射的基帶數據首先進行重復和相位偏移，這個偏移量是每個用戶特定的，可以由OLT實現分配好，也可以根據當前的上行傳輸系統(tǒng)環(huán)境動態(tài)分配，重復的次數是根據用戶數在確定的，可以等于或大于當前通信的用戶數。最后信號經過波形成形，上變頻一系列操作后等進入光纖傳輸。接收端對接收到的信號進行PD檢測，再經過數字信號處理，便可以得到用戶發(fā)射的信號。
權利要求
1.一種基于交織頻分多址的無源光網絡上行傳輸系統(tǒng)，包括ONU端和OLT端，所述OLT 端與所述ONU端通過光纖網絡連接；其特征在于所述ONU端包括一 IFDMA基帶信號產生模塊，用于將用戶的信號生成基帶IFDMA信號；所述IFDMA基帶信號產生模塊輸出的信號依次經上變頻模塊、濾波模塊發(fā)送給電光調制模塊；所述OLT端包括一 IFDMA基帶信號解調模塊，用于從基帶IFDMA信號中解調出用戶信號；所述OLT端的光電轉換模塊將輸出信號依次經下變頻模塊、濾波模塊處理后發(fā)送給所述IFDMA基帶信號解調模塊。
2.如權利要求1所述的無源光網絡上行傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述上變頻模塊為模擬上變頻模塊。
3.如權利要求1或2所述的無源光網絡上行傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述下變頻模塊為模擬下變頻模塊。
4.如權利要求1所述的無源光網絡上行傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述濾波模塊為低通濾波模塊。
5.如權利要求1所述的無源光網絡上行傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述IFDMA基帶信號產生模塊中，用戶信號的偏移量由所述OLT端預先分配。
6.如權利要求1所述的無源光網絡上行傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述IFDMA基帶信號產生模塊中，用戶信號的偏移量根據上行傳輸系統(tǒng)環(huán)境動態(tài)分配。
7.如權利要求5或6所述的無源光網絡上行傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述IFDMA基帶信號產生模塊中，用戶信號的重復次數等于或大于當前用戶數。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于交織頻分多址的無源光網絡上行傳輸系統(tǒng)，屬于光通信領域。本系統(tǒng)包括通過光纖網絡連接的ONU端和OLT端；其特征在于ONU端包括一IFDMA基帶信號產生模塊，用于將用戶的信號生成基帶IFDMA信號；IFDMA基帶信號產生模塊輸出的信號依次經上變頻模塊、濾波模塊發(fā)送給電光調制模塊；OLT端包括一IFDMA基帶信號解調模塊，用于從基帶IFDMA信號中解調出用戶信號；OLT端光電轉換模塊將輸出信號依次經下變頻模塊、濾波模塊處理后發(fā)送給IFDMA基帶信號解調模塊。與現有技術相比，本發(fā)明可使信號PAPR保持很小，從而減小對調制器和功率放大器線性工作區(qū)的要求，并且發(fā)射機復雜度低，有效降低ONU端光電器件成本。
文檔編號H04Q11/00GK102291633SQ20111025763
公開日2011年12月21日 申請日期2011年9月1日 優(yōu)先權日2011年9月1日
發(fā)明者何永琪, 李巨浩, 楊慧, 陳章淵 申請人:北京大學