无源光网络的上行用户信号接入系统和方法
【专利摘要】公开了无源光网络(PON)的上行用户信号接入系统和方法。在该系统中，光网络单元将多个上行用户信号分别调制到基于小波变换产生的两两正交的多个数字波形信号上以产生数字调制信号，对数字调制信号进行数模转换和低通滤波，将获得的模拟信号调制到相同波长的光载波上以产生多个上行用户光信号，光分线单元将这些上行用户光信号混合。光线路终端接收该光信号并将其分为多个子光信号，对子光信号进行光电转换和模数转换，将获得的数字信号与基于小波变换产生的两两正交的多个数字波形信号进行相关运算以确定相关值，然后根据相关值判决以恢复多个上行用户信号。由此，可在PON中进行上行用户信号接入，并可以让多个上行用户信号共享一个波长和一个时隙。
【专利说明】无源光网络的上行用户信号接入系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤通信技术，并且具体涉及一种无源光网络的上行用户信号接入系 统和上行用户信号接入方法。
【背景技术】
[0002] 无源光网络（Passive Optical Network, Ρ0Ν)技术是一种一点到多点的光纤接入 技术，它由局侧的光线路终端（0LT)、用户侧的光网络单元/光网络终端（0NU/0NT)以及无 源光分线网络（0DN)组成。
[0003] 目前用于宽带接入的Ρ0Ν技术主要有APON(ATM-PON)、EPON(Ethernet-PON)和 GPON(Gigabit-PON)等几种。ΕΡ0Ν由于其将以太网技术与Ρ0Ν技术完美结合，成了非常适 合IP业务的宽带接入技术，已得到一定程度的商用。ΕΡ0Ν可以支持1. 25Gbps对称速率，将 来速率还能升级到lOGbps。
[0004] 根据0NU与0LT之间采用的数据传输方式，Ρ0Ν -般可分为：时分复用无源光网络 (TDM-P0N)、波分复用无源光网络（WDM-P0N)以及时分波分复用混合无源光网络（ΗΡ0Ν)。
[0005] 对于TDM-P0N，在下行传输时采用连续工作模式，0LT采用广播方式，通过1490nm 的分布反馈（DFB)激光器将IEEE802. 3以太网帧传送至所有0NU ;在上行传输时采用突发 工作模式，各个0NU向0LT请求相应的上行传输带宽，0LT在此基础上协调各个0NU的发送 时序，通过1310nm的DFB激光器或者法布里-帕罗（FP)激光器由0NU向0LT传送信号。 因此，在下行方向，不会存在突发接收问题，但在上行方向，对于0LT来讲，存在多个信号源 (0NU)，0NU与0LT之间的不同距离以及链路特性上的差异会造成各0NU的发送功率相同，但 0LT接收到的功率却各不相同，这就需要0LT端的接收机支持突发接收；同时从整个系统优 化的角度而言，要求0NU在没有传送信号时处于关断状态，而在传送信号时能够很快打开， 这就需要0NU支持突发发射。因此，上行接入是TDM-P0N系统设计的关键，而支持突发模式 的光收发器件也成为整个TDM-P0N系统的重点和难点。对于TDM技术，各个上行用户信号 在时域上可通过波形区分，在频域上共有同一段频谱。由于技术和成本问题，TDM-P0N发展 到单波长l〇Gbit/ S速率后，很难再获得更高的速率。
[0006] 对于WDM-P0N，各个上行用户信号在频域上占用不同的频带，因此可以通过波分复 用器分开，而在时域上不可区分。主要有两种方案：第一种是0NU波长固定WDM-P0N，对每个 0NU分配一对波长，分别用于上行和下行传输，从而提供0LT到各0NU的固定的虚拟点对点 双向连接；第二种是采用无色〇NU (colorless 0NU)，即0NU与波长无关。第一种方案中， 0LT中有多个不同波长的光源，每个0NU也使用特定波长的光源，各点对点连接都按预先设 计的波长进行配置和工作，多个不同波长同时工作。在这种WDM-P0N网络中，波长数越多， 需要的光源种类也越多，从而需要更多价格昂贵的光器件，这对0NU尤其突出，使得初期建 设投资非常大。第二种方案中，根据使用器件的不同，可分为宽谱光源0NU和无光源0NU。 在采用宽谱光源的WDM-P0N系统中，所有0NU都采用同一个宽谱光源，它们接在AWG/WDM合 波器的不同端口上，每个0NU分切到同一个光源的不同光谱，即每个通道（0NU)得到的是不 同的波长信号。但是，由于光谱分割的损耗非常大，如果系统要达到较高的比特率，要采用 昂贵的大功率LED或者在ONU使用光放大，以便使光源提供足够强的光功率。此外，频谱分 割会引起较大的线性串扰，限制了系统的动态范围。另一种方案是在ONU处无光源，系统中 的所有ONU共用的宽谱光源置于OLT处，并通过波导光栅路由器（WGR)进行光谱分割，然后 向每个ONU提供波长互不相同的光信号，而ONU直接对此光信号进行调制，以产生上行信 号。这种方案成功地解决了在ONU进行波长控制的问题，但是增加了下行光源的负担。其 次，这种技术需要采用某种时间压缩复用（TCM)机制以便把下行光分为下行及上行两部分， 或者采用某种叠加调制技术，但这会带来其他的代价。也可以提供一个独立的下行波长专 门用于上行调制，但这会使波长数目又成倍增加。
[0007] 因此，需要一种新的上行用户信号接入技术，其能够在Ρ0Ν中进行上行用户信号 接入，同时避免上述Ρ0Ν技术的缺点。
【发明内容】
[0008] 考虑到以上问题而提出了本发明。本发明的一个目的是提供一种无源光网络的上 行用户信号接入系统和上行用户信号接入方法，其可以在Ρ0Ν中使用来实现上行用户信号 接入。
[0009] 根据本发明的一个方面，提供了一种无源光网络的上行用户信号接入系统，包括 光网络单元、光分线单元和光线路终端。光网络单元包含：多个正交信号产生器，被配置为 将多个上行用户信号分别调制到基于小波变换产生的两两正交的多个数字波形信号上，以 产生两两正交的多个数字调制信号，多个数模转换器，被配置为将所述多个数字调制信号 分别转换为多个模拟信号，多个低通滤波器，被配置为分别对所述多个模拟信号进行低通 滤波，和多个相同波长的激光器，被配置为分别将滤波后的所述多个模拟信号调制到相同 波长的光载波上，从而产生多个上行用户光信号。光分线单元被配置为将所述多个上行用 户光信号混合。光线路终端包含：光分路器，被配置为接收所述混合的光信号并且将其分为 多个子光信号，多个光接收模块，被配置为将所述多个子光信号分别转换为多个子电信号， 多个模数转换器，被配置为分别将所述多个子电信号转换为多个数字信号，多个相关器，被 配置为分别对所述多个数字信号与基于小波变换产生的两两正交的多个数字波形信号进 行相关运算，以确定各个数字信号的相关值，和多个判决器，被配置为分别根据各个数字信 号的相关值对所述多个数字信号进行判决，从而恢复多个上行用户信号。
[0010] 根据本发明的另一方面，提供了一种用于无源光网络的上行用户信号接入系统的 方法，所述上行用户信号接入系统包括光网络单元、光分线单元和光线路终端，所述方法包 括：在光网络单元中，为将多个上行用户信号分别调制到基于小波变换产生的两两正交的 多个数字波形信号上，以产生两两正交的多个数字调制信号，将所述多个数字调制信号分 别转换为多个模拟信号，分别对所述多个模拟信号进行低通滤波，和分别将滤波后的所述 多个模拟信号调制到相同波长的光载波上，从而产生多个上行用户光信号；在光分线单元 中，将所述多个上行用户光信号混合；以及在光线路终端中，接收所述混合的光信号并且将 其分为多个子光信号，将所述多个子光信号分别转换为多个子电信号，分别将所述多个子 电信号转换为多个数字信号，分别对所述多个数字信号与基于小波变换产生的两两正交的 多个数字波形信号进行相关运算，以确定各个数字信号的相关值，和分别根据各个数字信 号的相关值对所述多个数字信号进行判决，从而恢复多个上行用户信号。
[0011] 利用根据本发明上述方面的上行用户信号接入系统和方法，可以在上行方向，给 每个上行用户信号分配一种时域正交序列，使得不同的上行用户信号所对应的正交序列两 两正交，然后将这些正交序列分别调制到相同波长的光载波上，再混合传输到0LT。这样， 不同的0NU用户的正交序列共用一段频谱（frequency spectrum),共用一段时隙（time slice)，只是序列不同，所以上行方向也采用的是连续工作模式，不需要复杂的突发工作模 式，也不需要采用不同波长的激光器，各个用户只需要同一种激光器即可，这样可大大减少 了用户的成本，节约了资源，提高了传输效率。而且，如果波形选择得恰当，还可以提高频谱 利用率。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 通过结合附图对本发明的实施例进行详细描述，本发明的上述和其它目的、特征、 优点将会变得更加清楚，其中：
[0013] 图1示出了根据本发明实施例的上行信道接入系统的框图；
[0014] 图2示出了根据本发明实施例的光网络单元的框图。
[0015] 图3示出了图2所示的正交信号产生器的一种示例性实现方式。
[0016] 图4是根据本发明实施例的光线路终端的框图。
[0017] 图5是根据本发明实施例的在光网络单元和光分线单元处执行的发送方法的流 程图。
[0018] 图6是根据本发明实施例的在光线路终端处执行的接收方法的流程图。
【具体实施方式】
[0019] 下面将参照附图来描述根据本发明的实施例。在附图中，相同的参考标号自始至 终表示相同的元件。应当理解：这里描述的实施例仅仅是说明性的，而不应被解释为限制本 发明的范围。
[0020] 图1示出了根据本发明实施例的无源光网络的上行信道接入系统的框图。如图1 所示，上行信道接入系统10包括光网络单元（0NU) 20、光分线单元（0DN) 30和光线路终端 (0LT)40。光分线单元30和光线路终端40经由光纤连接。光网络单元20相当于上行信道 接入系统10的发射机，其接收来自多个用户（为便于说明，假设为N个用户，N > 2)的上行 用户信号(在这里，所述上行用户信号为数字信号)，将上行用户信号转换为多个上行用户 光信号。光分线单元30将所述多个上行用户光信号混合，并且经由光纤传输到光线路终端 40。光线路终端40相当于上行信道接入系统10的接收机，其接收该混合的光信号，将该光 信号转换为电信号，并且对其进行解复用，以恢复N个上行用户信号。
[0021] 首先，参照图2来描述根据本发明实施例的光网络单元20。
[0022] 如图2所示，光网络单元20包括：N个正交信号产生器201-1、201-2、…201 - N ; 分别与这N个正交信号产生器连接的N个数模转换器（DAC) 202-1、202-2、"·202 - N ;分 别与这Ν个数模转换器连接的Ν个滤波器203-1、203-2、"·203 - Ν;以及分别与这Ν个滤 波器连接的Ν个激光器204-1、204-2、…204 - Ν。Ν个上行用户信号分别被输入到Ν个正 交信号产生器201-1、201-2、"·201 - Ν，其中，第i (l<i<N)个上行用户信号依序由 正交信号产生器201-i、DAC202-i、滤波器203-i和激光器204-i处理，然后被输入到光分 线单元30。
[0023] 正交信号产生器201-1、201_2、"ΙΟΙ - N将所述N个上行用户信号分别调制到 基于小波变换产生的两两正交的N个数字波形信号上，以产生N个两两正交的数字调制信 号，然后将所述数字调制信号分别输出到对应的数模转换器。可以使用现场可编程门阵列 (FPGA)来实现根据本发明实施例的正交信号产生器，所述FPGA例如可以是Xilinx公司发 布的型号为vertex5的FPGA。稍后将详细描述所述正交信号转换器。
[0024] 数模转换器202-1、202-2、"·202 - N接收来自相应的正交信号产生器的数字调 制信号，并且将这些数字调制信号分别转换为模拟信号，然后将各个模拟信号输出到相应 的滤波器。可以使用本领域常用的数模转换器(例如德州仪器公司的DAC5681)来实现各个 数模转换器。
[0025] 滤波器203-1、203_2、"·203 - Ν接收从相应的数模转换器输出的模拟信号，分别 对所述模拟信号进行低通滤波，然后将滤波后的模拟信号输出到各个激光器。可以使用本 领域常用的低通滤波器(例如Mini-Circuits公司的LFCN-490低通滤波器）来实现各个滤 波器。在某些实施例中，也可以省略所述滤波器，在这种情况下，可以将从各个DAC输出的 模拟信号直接提供给激光器。
[0026] 激光器204-1、204_2、…204 - N接收所述N个模拟信号，并且分别将所述N个模 拟信号调制到相同波长的光载波上，从而产生多个上行用户光信号。换言之，所述激光器是 相同波长的激光器。所述激光器可以采用本领域公知的直接调制激光器或外调制器激光器 (例如武汉电信器件公司生产的RTMX系列光发射模块)来实现，其输出的波长可以是符合国 际电信联盟（ITU)制定的相关标准中规定的波长。
[0027] 光分线单元（S卩，光合路器）30连接到这N个激光器的光分线单元，其接收从各个 激光器204-1、204-2、"·204 - N输出的N个上行用户光信号，将这些上行用户光信号混 合。然后，该混合的上行用户光信号经由光纤传输到光线路终端40。
[0028] 下面将详细描述所述Ν个正交信号产生器201-1、201-2、…201 - Ν (可统称为正 交信号产生器201)。
[0029] 如上文所述，这Ν个正交信号产生器可以将Ν个上行用户信号分别调制到基于小 波变换产生的两两正交的Ν个数字波形信号上，以产生Ν个两两正交的数字调制信号。为 此，这Ν个正交信号产生器可以首先基于小波变换产生两两正交的Ν个数字波形信号，然后 进行上行用户信号的调制。
[0030] 首先描述正交信号产生器基于小波变换产生两两正交的Ν个数字波形信号的方 法。
[0031] 在本发明的实施例中，分别由Ν个正交信号产生器产生两两正交的Ν个数字序列 fi(l < i <Ν)，作为所述数字波形信号，其中，每个数字序列的长度为L，即具有L个元素。 L是不小于用户数量的2的幂，S卩，当用户数量为2的幂时，L等于用户数量，而当用户数量 不是2的幂时，L为大于该上行用户信号数量且最接近该上行用户数量的2的幂。
[0032] 具体地，可以使用基于Daubechies (DB)小波包(例如DB2小波包、DB4小波包、DB8 小波包、DB16小波包等）的小波变换来产生所述数字序列。在本实施例中，作为示例，可以 选择具有正交性的DB4小波包。
[0033] -旦选择了 Daubechies小波包，与该小波包对应的尺度函数Φ (t)以及小波函数 炉(0就已经确定，在这里，假设序列h和g的长度为Q，。然后，可以利用Φ (t)和供(/)如下 构造序列h和g :
[0034] h [k] =〈 Φ ⑴，Φ _1; k (t) > ( 1)
[0035]
【权利要求】
1. 一种无源光网络的上行用户信号接入系统，包括： 光网络单元，其包含： 多个正交信号产生器，被配置为将多个上行用户信号分别调制到基于小波变换产生的 两两正交的多个数字波形信号上，以产生两两正交的多个数字调制信号， 多个数模转换器，被配置为将所述多个数字调制信号分别转换为多个模拟信号， 多个低通滤波器，被配置为分别对所述多个模拟信号进行低通滤波，和 多个相同波长的激光器，被配置为分别将滤波后的所述多个模拟信号调制到相同波长 的光载波上，从而产生多个上行用户光信号； 光分线单元，被配置为将所述多个上行用户光信号混合；以及 光线路终端，其包含： 光分路器，被配置为接收所述混合的光信号并且将其分为多个子光信号， 多个光接收模块，被配置为将所述多个子光信号分别转换为多个子电信号， 多个模数转换器，被配置为分别将所述多个子电信号转换为多个数字信号， 多个相关器，被配置为分别对所述多个数字信号与基于小波变换产生的两两正交的多 个数字波形信号进行相关运算，以确定各个数字信号的相关值，和 多个判决器，被配置为分别根据各个数字信号的相关值对所述多个数字信号进行判 决，从而恢复各个上行用户信号。
2. 如权利要求1所述的上行用户信号接入系统，其中，所述小波变换基于Daubechies 小波包，并且基于序列h和g产生长度为L的两两正交的多个数字序列作为所述多个数字 波形信号，所述长度L为不小于上行用户信号数量的2的幂，其中， h[k]=< Φ (t), Φ-1；1?(?) >,
其中，序列h和g的长度为Ι^，η=1，2,…，Lp Φ (t)和冰)分别为对应于该Daubechies 小波包的尺度函数和小波函数，彳= 幻，t为时间， 其中，光网络单元包含的所述正交信号产生器与光线路终端中用于产生所述多个数字 波形信号的正交信号产生器同步，并通过对于每个上行用户信号的每个比特周期，在该上 行用户信号为1时输出与该上行用户信号对应的数字序列，并且在该上行用户信号为〇时 输出长度为L的0序列，来产生与该上行用户信号对应的数字调制信号。 其中，所述判决器通过对每个数字信号的每个比特周期，将该数字信号的相关值和与 对应的阈值进行比较，来对该数字信号进行判决，其中，当相关值大于所述阈值时，将该数 字信号在该比特周期的比特值判决为1，而当相关值不大于所述阈值时，将该数字信号在该 比特周期的比特值判决为0。
3. 如权利要求2所述的上行用户信号接入系统，其中，所述阈值是基于来自光网络单 元的光训练信号按照以下方式获得的： 将所述光训练信号分为多个子光训练信号； 将所述多个子光训练信号转换为多个子电训练信号； 分别将所述多个子电训练信号转换为多个数字训练信号； 对每个数字训练信号与所述多个数字波形信号进行相关运算，以确定各个数字训练信 号的相关值； 基于每个数字训练信号的相关值，确定该数字训练信号的与比特值1对应的相关值的 第一平均值和与比特值0对应的相关值的第二平均值；以及 计算所述第一平均值和所述第二平均值的平均值，作为所述阈值。
4. 一种用于无源光网络的上行用户信号接入系统的方法，所述上行用户信号接入系统 包括光网络单元、光分线单元和光线路终端，所述方法包括： 在光网络单元中： 将多个上行用户信号分别调制到基于小波变换产生的两两正交的多个数字波形信号 上，以产生两两正交的多个数字调制信号， 将所述多个数字调制信号分别转换为多个模拟信号， 分别对所述多个模拟信号进行低通滤波，和 分别将滤波后的所述多个模拟信号调制到相同波长的光载波上，从而产生多个上行用 户光信号， 在光分线单元中，将所述多个上行用户光信号混合。 在光线路终端中： 接收所述混合的光信号并且将其分为多个子光信号， 将所述多个子光信号分别转换为多个子电信号， 分别将所述多个子电信号转换为多个数字信号， 分别对所述多个数字信号与基于小波变换产生的两两正交的多个数字波形信号进行 相关运算，以确定各个数字信号的相关值，和 分别根据各个数字信号的相关值对所述多个数字信号进行判决，从而恢复各个上行用 户信号。
5. 如权利要求4所述的上行用户信号接入方法，其中，所述小波变换基于Daubechies 小波包，并且基于序列h和g产生长度为L的两两正交的多个数字序列作为所述多个数字 波形信号，所述长度L为不小于上行用户信号数量的2的幂，其中， h[k]=< Φ (t), Φ-1；1?(?) >,
其中，序列h和g的长度为1^，11=1，2，·"，!^，Φ (t)和扒/)分别为对应于该Daubechies 小波包的尺度函数和小波函数，#_U(/) = V^(2/-幻，t为时间， 其中，光网络单元中的数字波形信号的产生与光线路终端中的数字波形信号的产生同 步，并且通过对于每个上行用户信号的每个比特周期，在该上行用户信号为1时输出与该 上行用户信号对应的数字序列，并且在该上行用户信号为〇时输出长度为L的0序列，来产 生与该上行用户信号对应的数字调制信号， 其中，通过对每个数字信号的每个比特周期，将该数字信号的相关值和与对应的阈值 进行比较，来对该数字信号进行判决，其中，当相关值大于所述阈值时，将该数字信号在该 比特周期的比特值判决为1，而当相关值不大于所述阈值时，将该数字信号在该比特周期的 比特值判决为0。
6. 如权利要求5所述的上行用户信号接入系统，其中，所述阈值是基于来自光网络单 元的光训练信号按照以下方式获得的： 将所述光训练信号分为多个子光训练信号； 将所述多个子光训练信号转换为多个子电训练信号； 分别将所述多个子电训练信号转换为多个数字训练信号； 对每个数字训练信号与所述多个数字波形信号进行相关运算，以确定各个数字训练信 号的相关值； 基于每个数字训练信号的相关值，确定该数字训练信号的与比特值1对应的相关值的 第一平均值和与比特值0对应的相关值的第二平均值；以及 计算所述第一平均值和所述第二平均值的平均值，作为所述阈值。
【文档编号】H04Q11/00GK104301809SQ201310298009
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年7月16日 优先权日:2013年7月16日
【发明者】李蔚, 余少华, 王艺蒙 申请人:武汉邮电科学研究院