基于单载波频分复用的无源光网络信号处理方法与系统的制作方法
【专利摘要】本发明实施例公开了一种基于单载波频分复用的无源光网络信号处理方法与系统。其中，该方法包括对各光网络单元至光线路终端的各路上行数据进行调制与编码处理；在调制与编码处理后，通过多点控制机制对处理后的各光网络单元发送的上行数据进行时分处理；在时域上通过串行方式将时分处理后的各光网络单元的上行数据发送至光线路终端。本发明实施例由于通过时分复用方式传输各光网络单元发送的上行数据，因此在光线路单元解调时就不会出现各个光网络单元的上行数据干扰问题，进而避免了单载波频分多址产生的无色性问题。
【专利说明】基于单载波频分复用的无源光网络信号处理方法与系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及光通信【技术领域】，特别地，涉及一种基于单载波频分复用的无源光网络信号处理方法与系统。
【背景技术】
[0002]光纤通信技术已成为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中起着举足轻重的作用，其近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的，也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具。
[0003]光纤，即为光导纤维的简称。光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式。近年来，由于光纤的大量铺设和波分复用等新技术的应用使得主干光纤网络在几年之内已经有了突破性的发展。同时由于以太网技术的进步，由其主导的局域网带宽也从10M、100M增大到IG甚至10G。而目前大家关注的、最需要突破的地方就在于连接网络主干、局域网以及家庭用户之间的一段，这就是常说的“最后一公里”，这是个瓶颈，必须打破这个瓶颈才可能迎来网络世界的新天地。人们迫切需要一种经济、简单、易升级、能够综合传输语音、数字和视频业务的新的接入网络技术。
[0004]在各种技术中，PON (Passive Optical Network,无源光网络)技术获得了广泛地关注。PON网络的突出优点是消除了户外的有源设备，所有的信号处理功能均由交换机和用户宅内设备完成，而且这种接入方式的前期投资小，大部分资金要推迟到用户真正接入时才投入。它的传输距离比有源光纤接入系统的短，覆盖的范围较小，但它造价低，无须另设机房，容易维护，因此这种结构可以经济地为居家用户提供服务。
[0005]目前PON技术主要有米用ATM (Asynchronous Transfer Mode,异步转移模式)的APON (ATM passive optical network,基于异步转移模式的无源光网络)、EP0N (EthernetPassive Optical Network,以太网无源光网络)、GPON (Gigabit Passive OpticalNetwork,千兆比特无源光网络)和 WDM-PON (Wavelength Division Multiplex PON,波分复用无源光网络)等几种，其主要差异在于采用了不同的传输技术。其中，前三种PON技术都是基于时分复用的，而WDM-PON则是基于波分复用的。
[0006]( I) PON:
[0007]一个典型的PON网络体系结构如图1所示，其主要组成部分包括OLT (OpticalLine Terminator,光线路终端)、0NU(0ptical Network Unit,光网络单兀)和 0DN(0pticalDistribution Network,光配线网)。由于光路特征为ODN全部由光分路器(Splitter)等无源器件组成，不需要贵重的有源电子设备，因此被称为无源光网络。
[0008](2)基于 TDM (Time Division Multiplex，时分复用)的 PON 技术(ΕΡ0Ν 和 GP0N):
[0009]基于TDM 的 PON 主要分为 ΑΡ0Ν/ΒΡ0Ν (Broadband Ρ0Ν,宽带 PON)、EPON 和 GP0N，但只有后两者目前被广泛地应用。其中，EPON非常适合IP业务的宽带接入，商用化程度最高。2004年，IEEE批准EPON标准为802.3ah，它支持上下行最高速率为1.25Gb/s，最大分路比为64。EPON的优点主要有:(a)以太网技术成熟、设备成本低；(b)设备价格低、通用性好；(C)除去了 IP数据传输的协议和格式转换、效率高、管理简单、可灵活支持基于IP的综合业务和多种服务质量管理。其缺点是传送高质量保证的实时性业务比较复杂、服务质量问题和流量控制待加强。
[0010]GPON在高速率和多业务支持方面则有一定优势。2003年GPON被ITU (国际电联)采纳为标准G.984。GPON的优点主要有:Ca)承载快速以太网和Tl (1.544Mbit/s数字同步传输)/El (2.048Mbps数字同步传输)电路不需要额外开销、也不会增加复杂性；(b)综合业务支持能力强、支持VLAN (Virtual Local Area Network,虚拟局域网)交换和其他新的以太网业务。其缺点是目前成本较EPON高，在仅承载以太网业务和语音业务时无明显优势。
[0011](3) WDM-PON:
[0012]WDM-PON是基于波分复用技术的，即在同一根光纤上同时采用多束不同波长的光，将不同波长的光分配给不同的业务或终端。从技术原理上来说，EPON和GPON都是功率分割型的，而WDM-PON则属于波分复用，使用光分路器识别局端(例如，0LT)发出的各种波长，将信号分配给各路光节点(例如，ONU)。WDM-PON的优点在于其可以实现较高的工作带宽、在网络管理和系统升级方面具有一定的优势，但是其缺点是成本很高、距离产业化和大规模应用还有很长的一段距离。
[0013](4)基于 OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access,正交频分复用多址)的PON技术:
[0014]自2007年以来，学术界开始讨论一种新型的基于OFDMA的PON技术。OFDMA是基于OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex,正交频分复用)技术的接入技术。在OFDM技术中，信道被分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用数字信号处理技术来分开，这样可以减少子信道之间的ICI (Inter-Carrier Interference,载波间干扰)。
[0015]基于OFDMA的PON系统结构如图2所示。图2a示出了 0FDMA-P0N的发送端结构示意图。如图2a所示,在发射端,信号经过QAM(Auadrature Amplitude Modulation,正交调幅)或PSK (Phase Shift Keying，相移键控)映射后得到QAM调制符号或PSK调整符号，然后通过IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform,离散傅立叶逆变换)将信号变换到时域，再对其进行上变频，最后经过数模转换与电光转换将信号通过光纤发送出去。图2b示出了 0FDMA-P0N的接收端结构示意图。如图2b所示，接收端是其逆过程。该技术可以实现非常高的频谱效率、抗线性干扰能力强，并且在发射和接收端都可以采用专用DSP芯片，实现简单。
[0016]但是，由于0FDMA-P0N采用多载波调制，使得多载波存在同相相加或相消现象，在同相相加时会产生很大的峰值，导致PAPR (Peak to Average Power Ratio,峰值平均功率t匕)很大。调制器和功率放大器的线性工作区要比较大，因此提高了光电器件的成本，尤其提高了 ONU端的成本，且过大的PAPR将引入光纤非线性，这对于上行和下行链路传输性能都是非常不利的。
[0017](5)基于 SCFDMA (Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access,单载波频分多址)的PON技术:
[0018]SCFDMA技术是OFDMA技术的一种变种,不同于0FDMA-P0N结构，在SCFDMA-P0N中，上行和下行的发射信号都经过了 DFT (Discrete Fourier Transform,离散傅立叶变换)和IDFT，发射信号是单载波的时域信号，不存在多载波调制时的同相相加或相消的问题，从而仍然可以保持很小的PAPR。SCFDMA-PON对于发射机放大器性能要求比0FDMA-P0N要低得多，体现出了明显的优势。在光网络中需要利用光纤来进行传输，SCFDMA-PON的PAPR较小，则功率的峰值也就较小，对应的非线性损伤就较小。
[0019]但是，SCFDMA-PON存在一个严重的问题，由于在上行方向上在频域对资源进行划分，使得上行方向多个ONU发送光信号，在OLT端解调时会产生干扰，导致无色性(colorless)问题，因此需要额外对ONU进行波长管理。
【发明内容】
[0020]本发明实施例要解决的一个技术问题是提供一种基于单载波频分复用的无源光网络信号处理方法与系统，能够解决无色性问题，无需额外对ONU进行波长管理。
[0021]本发明的一个实施例提供了一种基于单载波频分复用的无源光网络信号处理方法，包括对各光网络单元至光线路终端的各路上行数据进行调制与编码处理；在调制与编码处理后，通过多点控制机制对处理后的各光网络单元发送的上行数据进行时分处理；在时域上通过串行方式将时分处理后的各光网络单元的上行数据发送至光线路终端。
[0022]本发明的另一实施例提供了一种基于单载波频分复用的无源光网络信号处理系统，包括光网络单元，用于对光网络单元至光线路终端的各路上行数据进行调制与编码处理；时分处理单元，用于在调制与编码处理后，通过多点控制机制对处理后的各光网络单元发送的上行数据进行时分处理；上行数据发送单元，用于在时域上通过串行方式将时分处理后的各光网络单元的上行数据发送至光线路终端。
[0023]本发明实施例提供的基于单载波频分复用的无源光网络信号处理方法与系统，由于通过时分复用方式传输各光网络单元发送的上行数据，因此在光线路单元解调时就不会出现各个光网络单元的上行数据干扰问题，进而避免了单载波频分多址产生的无色性问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分。在附图中:
[0025]图1是一个典型的PON网络体系结构示意图。
[0026]图2a示出了 0FDMA-P0N的发送端结构示意图。
[0027]图2b示出了 0FDMA-P0N的接收端结构示意图。
[0028]图3是本发明基于单载波频分复用的无源光网络信号处理方法的一个实施例的流程示意图。
[0029]图4a为ONUl的上行数据波形示意图。
[0030]图4b为0NU2的上行数据波形示意图。
[0031]图4c为经本发明处理后的ONUl和0NU2的上行数据波形示意图。
[0032]图5是本发明基于单载波频分复用的无源光网络信号处理方法的另一实施例的流程示意图。[0033]图6是TDM-SCFDM-P0N系统结构示意图。
[0034]图7是本发明基于单载波频分复用的无源光网络信号调制与编码处理的一个实施例的流程示意图。
[0035]图8是本发明基于单载波频分复用的无源光网络信号解调与解码处理的一个实施例的流程示意图。
[0036]图9是本发明基于单载波频分复用的无源光网络信号处理系统的一个实施例的结构示意图。
[0037]图10是本发明基于单载波频分复用的无源光网络信号处理系统的另一实施例的结构示意图。
【具体实施方式】
[0038]下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。本发明的示例性实施例及其说明用于解释本发明，但并不构成对本发明的不当限定。
[0039]以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
[0040]为了克服现有技术中存在的技术问题，本发明下述实施例提出了一种在上行方向上基于单载波频分复用的无源光网络信号处理方法与系统，其不同于SFDMA-P0N，该方法与系统在上行方向上采用单载波频分复用与时分复用相结合的方式传输SCFDM符合，由于采用时分复用的方式，因此不同ONU之间不会产生干扰，从而克服了无色性问题。
[0041]图3是本发明基于单载波频分复用的无源光网络信号处理方法的一个实施例的流程示意图。
[0042]如图3所示，该实施例可以包括以下步骤:
[0043]S302，对各光网络单元至光线路终端的各路上行数据进行调制与编码处理；
[0044]S304，在调制与编码处理后，通过多点控制机制对处理后的各光网络单元发送的上行数据进行时分处理，为了提高频谱效率，同一时刻所有带宽的子载波均可以分配给同一用户，当然，根据传输的数据量大小，也可以将某一个子载波或某几个子载波同时分配给一个用户；
[0045]S306，在时域上通过串行方式将时分处理后的各光网络单元的上行数据发送至光线路终端。
[0046]该实施例由于通过时分复用方式传输各光网络单元发送的上行数据，因此在光线路单元解调时就不会出现各个光网络单元的上行数据干扰问题，进而避免了单载波频分多址时产生的无色性问题。
[0047]其中，步骤S304中通过多点控制机制对处理后的各光网络单元发送的上行数据进行时分处理的步骤可以具体为:根据为各光网络单元分配的带宽设定每个光网络单元所占用的时长；基于设定的时长为各光网络单元分配数据发送时隙。
[0048]如图4所示，图4a为ONUl的上行数据波形示意图，图4b为0NU2的上行数据波形示意图；图4c为经本发明处理后的ONUl和0NU2的上行数据波形示意图。其中，横轴为时间轴，纵轴为数据信号强度。
[0049]从图4可以看出，不同ONU采用单载波频分复用调制，并采用时分复用方式进行上行接入，因此不同ONU之间不会产生相互干扰，解决了 ONU的无色性问题，同时降低了 ONU的成本和复杂度，并且还保留了 SCFDM的高频谱效率。
[0050]图3中的实施例示出了自光网络单元至光线路终端的上行方向数据发送处理方法，在下行方向上，数据的发送处理方法如下述图5所示的实施例。
[0051]图5是本发明基于单载波频分复用的无源光网络信号处理方法的另一实施例的流程示意图。
[0052]如图5所示，该实施例可以包括以下步骤:
[0053]S502，对光线路终端至各光网络单元的下行数据进行调制与编码处理；
[0054]S504，在调制与编码处理后，光线路终端通过广播方式将处理后的下行数据发送至各光网络单元；
[0055]S506，各光网络单元根据下行数据中所携带的标识符接收属于自己的数据，并丢弃属于其他光网络单元的数据。
[0056]具体地，在下行方向上，光线路终端可以基于单载波频分复用方式向各光网络单元发送下行数据，可以基于时分复用方式向各光网络单元发送下行数据，还可以基于单载波频分复用与时分复用相结合的方式向各光网络单元发送下行数据。
[0057]当上、下行方向上均采用基于单载波频分复用与时分复用相结合的方式时，OLT与ONU之间传输数据的方式如图6所示。
[0058]在图6中，OLT包括SCFDM发送单元和SCFDM接收单元，每个ONU也包括相应的SCFDM发送单元和SCFDM接收单元。从图6中可以看出，上行数据和下行数据均采用时分复用方式发送，这样在上行方向上，当OLT接收到多个ONU发送的数据时就不会相互干扰了。
[0059]图7是本发明基于单载波频分复用的无源光网络信号调制与编码处理的一个实施例的流程示意图。
[0060]如图7所示，该实施例可以实现上述步骤S302和步骤S502中的调制与编码处理，具体包括以下步骤:
[0061 ] 步骤一，对待发送的输入信息进行QAM或PSK映射，生成M个符号一组的并行符号序列；
[0062]步骤二，对生成的符合序列进行S/P (Serial/Parallel,串并转换)；
[0063]步骤三，将所生成的并行符号序列进行M点DFT，生成频域信号；
[0064]步骤四，插入零符号，通过子载波映射将每个频域信号映射到分配的子载波上，其中，可以采用集中式子载波映射，也可以采用分布式子载波映射；
[0065]步骤五，将子载波映射后的频域信号经过N点IDFT变换到时域，其中，M、N为自然数，N≤M ;
[0066]步骤六，将得到的时域信号加上CP(Cyclic Prefix，循环前缀)，以消除码间干扰，并降低对同步的要求；
[0067]步骤七，将得到的信号进行P/S (Parallel/Serial，并串转换)；
[0068]步骤八，将并串转换后的信号通过LPF (Low Pass Filter，低通滤波器)；
[0069]步骤九，将得到的信号依次经上变频、数模转换、电光调制后得到光信号。
[0070]该实施例与图2相比，由于进行了 DFT和IDFT处理，因此可以克服多载波调制时产生的峰均比较大的问题。[0071]在OLT至ONU的下行方向上，采用广播方式将光信号发往所有ONU的接收单元，每个ONU根据标识符接收属于自己的数据帧并转发，同时丢弃其他ONU的数据帧，其中，该标识符用于唯一地标识各0NU，该标识符可以有多种形式，例如，MAC地址等，可以将其放置在帧头中。
[0072]在ONU至OLT的上行方向上，可以通过多点控制机制在OLT为每个ONU分配指定时隙，将各ONU的光信号依时间顺序发往OLT的接收单元，其中，通过对各ONU进行测距实现多点控制机制，ONU测距的目的是补偿由于ONU与OLT之间的距离不同而引起的传输时延差异，使所有ONU与OLT的逻辑距离相同，进而在对各ONU进行时隙分配时就不会再出现不同ONU之间信号干扰的问题。
[0073]图8是本发明基于单载波频分复用的无源光网络信号解调与解码处理的一个实施例的流程示意图。通过该实施例，OLT可以实现对上行信号的接收处理、以及ONU实现对下行信号的接收处理。
[0074]如图8所示，该实施例可以包括以下步骤:
[0075]步骤一，对接收信息依次进行光电转换、模数转换、下变频处理后得到时域信号；
[0076]步骤二，该时域信号通过LPF ；
[0077]步骤三，将时域信号去循环 前缀；
[0078]步骤四，对时域信号进行N点DFT变换到频域；
[0079]步骤五，对频域信号进行频域均衡，以在一定程度上纠正误码；
[0080]步骤六，将插零取出，对得到的频域信号进行子载波逆映射，得到载有数据的子载波，其中，可以采用集中式子载波逆映射，也可以采用分布式子载波逆映射；
[0081]步骤七，将子载波中的频域信号进行M点IDFT变换到时域，其中，M、N为自然数，N^M；
[0082]步骤八，对时域信号进行并串转换(P/S)；
[0083]步骤九，对P/S转换后的时域信号进行QAM或PSK解调。
[0084]该实施例与图2相比，由于进行了 DFT和IDFT处理，因此可以克服多载波调制时产生的峰均比较大的问题。
[0085]本领域普通技术人员可以理解，实现上述方法实施例的全部和部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算设备可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤，而前述的存储介质可以包括ROM、RAM、磁碟和光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0086]图9是本发明基于单载波频分复用的无源光网络信号处理系统的一个实施例的结构示意图。
[0087]如图9所示，该实施例中的系统90可以包括光网络单元902、时分处理单元904和上行数据发送单元906。
[0088]其中，光网络单元902对光网络单元至光线路终端的各路上行数据进行调制与编码处理；在调制与编码处理后，时分处理单元904通过多点控制机制对处理后的各光网络单元发送的上行数据进行时分处理；上行数据发送单元906在时域上通过串行方式将时分处理后的各光网络单元的上行数据发送至光线路终端。
[0089]具体地，时分处理单元904可以根据为各光网络单元分配的带宽设定每个光网络单元所占用的时长，基于设定的时长为各光网络单元分配数据发送时隙。
[0090]图10是本发明基于单载波频分复用的无源光网络信号处理系统的另一实施例的结构示意图。
[0091]如图10所示，该实施例中的系统100还可以包括光线路终端1002，该光线路终端1002对光线路终端至各光网络单元的下行数据进行调制与编码处理，在调制与编码处理后，通过广播方式将处理后的下行数据发送至各光网络单元；此外，光网络单元还根据下行数据中所携带的标识符接收属于自己的数据，并丢弃属于其他光网络单元的数据。
[0092]具体地，光线路终端1002可以基于单载波频分复用方式向各光网络单元发送下行数据，可以基于时分复用方式向各光网络单元发送下行数据，还可以基于单载波频分复用与时分复用相结合的方式向各光网络单元发送下行数据。[0093]本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同和相似的部分可以相互参见。对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处可以参见方法实施例部分的说明。
[0094]本发明上述实施例与EP0N/GP0N技术相比，可以实现非常高的频谱效率、抗线性干扰能力强，并且在发射端与接收端均可以采用专用的DSP(Digital Signal Processing,数字信号处理)芯片，实现简单?’与0FDMA-P0N/SCFDMA-P0N技术相比，无需对ONU波长进行管理，降低了 ONU的成本和实现复杂度。
[0095]虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
【权利要求】
1.一种基于单载波频分复用的无源光网络信号处理方法，其特征在于，包括: 对各光网络单元至光线路终端的各路上行数据进行调制与编码处理； 在调制与编码处理后，通过多点控制机制对处理后的所述各光网络单元发送的上行数据进行时分处理； 在时域上通过串行方式将时分处理后的所述各光网络单元的上行数据发送至所述光线路终端。
2.根据权利要求1所述的基于单载波频分复用的无源光网络信号处理方法，其特征在于，所述通过多点控制机制对处理后的所述各光网络单元发送的上行数据进行时分处理的步骤具体为: 根据为所述各光网络单元分配的带宽设定每个光网络单元所占用的时长； 基于设定的时长为所述各光网络单元分配数据发送时隙。
3.根据权利要求1所述的基于单载波频分复用的无源光网络信号处理方法，其特征在于，所述方法还包括: 对所述光线路终端至所述 各光网络单元的下行数据进行调制与编码处理； 在调制与编码处理后，所述光线路终端通过广播方式将处理后的下行数据发送至所述各光网络单元； 所述各光网络单元根据下行数据中所携带的标识符接收属于自己的数据，并丢弃属于其他光网络单元的数据。
4.根据权利要求3所述的基于单载波频分复用的无源光网络信号处理方法，其特征在于，所述光线路终端基于单载波频分复用方式向所述各光网络单元发送下行数据。
5.根据权利要求3所述的基于单载波频分复用的无源光网络信号处理方法，其特征在于，所述光线路终端基于时分复用方式向所述各光网络单元发送下行数据。
6.根据权利要求3所述的基于单载波频分复用的无源光网络信号处理方法，其特征在于，所述光线路终端基于单载波频分复用与时分复用相结合的方式向所述各光网络单元发送下行数据。
7.一种基于单载波频分复用的无源光网络信号处理系统，其特征在于，包括: 光网络单元，用于对所述光网络单元至光线路终端的各路上行数据进行调制与编码处理； 时分处理单元，用于在调制与编码处理后，通过多点控制机制对处理后的各光网络单元发送的上行数据进行时分处理； 上行数据发送单元，用于在时域上通过串行方式将时分处理后的所述各光网络单元的上行数据发送至所述光线路终端。
8.根据权利要求7所述的基于单载波频分复用的无源光网络信号处理系统，其特征在于，所述时分处理单元根据为所述各光网络单元分配的带宽设定每个光网络单元所占用的时长，基于设定的时长为所述各光网络单元分配数据发送时隙。
9.根据权利要求7所述的基于单载波频分复用的无源光网络信号处理系统，其特征在于，所述系统还包括光线路终端，用于对所述光线路终端至所述各光网络单元的下行数据进行调制与编码处理，在调制与编码处理后，通过广播方式将处理后的下行数据发送至所述各光网络单元；所述光网络单元，还用于根据下行数据中所携带的标识符接收属于自己的数据，并丢弃属于其他光网络单元的数据。
10.根据权利要求9所述的基于单载波频分复用的无源光网络信号处理系统，其特征在于，所述光线路终端基于单载波频分复用方式向所述各光网络单元发送下行数据。
11.根据权利要求9所述的基于单载波频分复用的无源光网络信号处理系统，其特征在于，所述光线路终端基于时分复用方式向所述各光网络单元发送下行数据。
12.根据权利要求9所述的基于单载波频分复用的无源光网络信号处理系统，其特征在于，所述光线路终端基于单载波频分复用与时分复用相结合的方式向所述各光网络单元发送下行数据。
【文档编号】H04Q11/00GK103581770SQ201210262026
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年7月26日 优先权日:2012年7月26日
【发明者】姜松, 沈成彬, 蒋铭 申请人:中国电信股份有限公司