一种基于PAM4补码升级无源光网络的系统及方法

一种基于pam4补码升级无源光网络的系统及方法
技术领域
1.本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于pam4补码升级无源光网络的系统及方法。


背景技术：

2.随着社会经济的快速发展，人们对于网络带宽的需求在迅速增加，尤其是高清视频点播、远程会议等高带宽服务的涌现以及5g通信时代的到来，现有pon的带宽潜力将被耗竭。而连接用户的“最初/后一公里”的接入网由于其建设的滞后性，一度成为了网络的带宽瓶颈。无源光网络(pon)被认为是解决接入网瓶颈问题的最有吸引力的解决方案。一些pon(apon/bpon、gpon、epon、10gepon、xgpon、ngpon2和xgspon)已经标准化，其中一些(apon/bpon、gpon、epon)已经在世界各地部署。一些未来的无源光网络(25g/50g epon、超级无源光网络和高速无源光网络)正在进行标准化。
3.作为接入网，pon对成本较敏感。pon的主要成本来自于建设光分配网络(optical distribution network，odn)。为了避免重建新的odn的成本，新一代pon希望重用旧pon已部署的odn。因此，优选平滑升级，其中新一代pon被添加到现有基础设施中，以与旧pon共享已部署的odn。
4.在平滑升级中，新pon应与旧pon共存，直到旧pon中的用户全部升级。共存导致两个pon信号之间存在串扰。一般两个pon信号由不同的波长传输，因此它们可以通过光学滤波器分离。新的pon链路可以直接配备新安装的光学滤波器，然而旧pon链路没有这样的光学滤波器，因此新pon下行信号将进入旧光网络单元(optical network unit，onu)并成为旧pon信号的串扰。增加光学滤波器将带来改造成本，特别是对于分布广泛的旧光网络单元。平滑升级中的主要问题是在不改变odn和旧onu的情况下，减少或消除升级过程中新pon下行信号对旧pon下行信号的串扰。
5.在现有onu保持不变的情况下，其中提出的一些pon升级的方法包括同步脉冲交织、电堆叠调制和副载波调制，分别在下行方向上提供旧pon信号和新pon信号的时域/幅度域/频域共存。然而，这些方法需要昂贵的元件(如高速电倍增器和脉冲发射器)，并且必须牺牲新pon信号的质量，因此几乎没有进一步的研究。也有人提出新pon信号采用非幅度调制，如差分相移键控(differential phase shift keying，dpsk)、偏振移键控(polarization shift keying，polsk)和频移键控(frequency shift keying，fsk)。振幅恒定的新pon信号对振幅移位键控(ask)调制的旧pon信号产生非常小的串扰。然而，非幅度调制带来了额外的操作复杂性，因此它们不适用于下一代pon。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种基于pam4补码升级无源光网络的系统及方法，利用pam4补码低频压制能力较强、编码效率高、生成简单等特点，有效的解决了现有技术存在的问题。本发明在保持旧onu不变的条件下，保持旧pon信号的正常传输，
同时也能实现高速信号的传输。
7.本发明采用以下技术方案：
8.一种基于pam4补码升级无源光网络的系统，包括中心局、波分复用器、远程节点、光网络单元；
9.中心局包括新光线路终端、旧光线路终端、波分复用器；
10.远程节点包括远程节点分光器；
11.光网络单元包括新光网络单元、旧光网络单元；
12.新光线路终端、旧光线路终端分别与波分复用器连接，波分复用器与远程节点分光器连接，新光网络单元、旧光网络单元分别与远程节点分光器连接；
13.旧光线路终端发送的旧信号与新光线路终端发送的新信号通过波分复用器合路后传输至远程节点分光器，并通过远程节点分光器等分成多部分传输至新光网络单元、旧光网络单元，新光网络单元解调得到新信号，旧光网络单元解调得到旧信号，新信号采用pam4补码调制。
14.作为优选方案，旧光线路终端包括下行nrz数据发射模块，下行nrz数据发射模块包括第一光源、第一马赫-曾德尔调制器、第一nrz数据端，第一光源、第一nrz数据端分别与第一马赫-曾德尔调制器连接，第一马赫-曾德尔调制器与波分复用器连接。
15.作为优选方案，旧光线路终端中的下行信号采用ook调制。
16.作为优选方案，新光线路终端包括下行pam4补码数据发射模块，下行pam4补码数据发射模块包括第二光源、第二nrz数据端、pam4补码编码器、第二马赫-曾德尔调制器，第二nrz数据端、pam4补码编码器、第二马赫-曾德尔调制器依次连接，第二光源与第二马赫-曾德尔调制器连接，第二马赫-曾德尔调制器与波分复用器连接。
17.作为优选方案，波分复用器通过单模光纤与远程节点分光器连接。
18.作为优选方案，旧光网络单元包括下行nrz数据接收模块，下行nrz数据接收模块包括依次连接的第一光电探测器、第一低通滤波器、第一信号接收端。
19.作为优选方案，新光网络单元包括下行pam4补码数据接收模块，下行pam4补码数据接收模块包括依次连接的光学滤波器、第二光电探测器、第二低通滤波器、第二信号接收端。
20.作为优选方案，远程节点分光器连接有多个网络分光器，多个新光网络单元通过网络分光器与远程节点分光器连接。
21.还提供一种基于pam4补码升级无源光网络的方法，基于上述的一种基于pam4补码升级无源光网络的系统，包括步骤：
22.s1、新光线路终端发送经过软件上线路编码之后转换成pam4补码数据格式的新信号，旧光线路终端发送数据格式为nrz的旧信号；
23.s2、新信号、旧信号经过电脉冲产生器后作为光载荷的电输入信号，经过光幅度调制器调制到光载波上以形成两路光载波信号；
24.s3、两路光载波信号通过波分复用器合路，以形成合路信号，合路信号通过远程节点分光器等分成若干部分传输至新光网络单元、旧光网络单元；
25.s4、新光网络单元解调得到新信号，旧光网络单元解调得到旧信号。
26.作为优选方案，步骤s1中还包括，判断旧光网络单元是否升级完成，若完成，则将
数据到pam4补码调制格式的映射关系解除。
27.本发明的有益效果是：
28.采用pam4补码信号作为新pon链路的信号格式，该格式有效的降低了低频分量，因此对旧pon链路造成的串扰较小。
29.本发明采用的pam4补码可以通过软件程序进行，不需要设备。调制和解调都是传统的ask调制和解调，因此pam4补码调制不需要额外的设备，也不需要复杂的操作，从而降低了升级的成本。
30.相较于其他拥有低频抑制能力格式的信号，如manchester编码信号和6b8b编码信号，pam4补码信号的编码效率为75％高于编码效率为50％的manchester编码信号，相同编码效率的6b8b编码信号的低频压制效果不如pam4补码，参见说明书附图5-8所示。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1是本发明所述一种基于pam4补码升级无源光网络的系统的结构示意图；
33.图2是下行nrz数据发射模块的结构示意图；
34.图3是下行pam4补码数据发射模块的结构示意图；
35.图4是下行pam4补码数据接收模块的结构示意图。
36.图5是10g发射机生成的nrz码信号的频谱图；
37.图6是10g发射机生成的pam4补码信号的频谱图；
38.图7是10g发射机生成的manchester码信号的频谱图；
39.图8是10g发射机生成的6b8b码信号的频谱图；
40.图9是新pon在manchester编码格式下共存旧pon接收的下行nrz格式信号眼图；
41.图10是新pon在6b8b编码格式下共存旧pon接收的下行nrz格式信号眼图；
42.图11是新pon在pam4编码格式下共存旧pon接收的下行nrz格式信号眼图；
43.图12是新pon在未编码格式下共存旧pon接收的下行nrz格式信号眼图；
44.图13是manchester编码格式的新pon下行信号接收的眼图；
45.图14是6b8b编码格式的新pon下行信号接收的眼图；
46.图15是pam4补码编码格式的新pon下行信号接收的眼图；
47.图16是未编码格式的新pon下行信号接收的眼图；
48.图17是四种编码的编码示意图。
49.图18是旧pon信号与不同编码格式的新pon信号共存时的ber曲线图；
50.图19是不同编码格式的新pon信号与旧pon信号共存时的ber曲线图；
51.图20是本发明所述一种基于pam4补码升级无源光网络的方法的流程示意图。
具体实施方式
52.以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明
书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
53.实施例一：
54.参照图1，本实施例提供一种基于pam4补码升级无源光网络的系统，包括拥有光线路终端的中心局、单模光纤与光网络系统。
55.其中，中心局包括新光线路终端olt、旧光线路终端olt、波分复用器wdm。新、旧光线路终端的下行数据发射模块(对应图2的下行nrz数据发射模块、图3下行pam4补码数据发射模块)与波分复用器wdm相连，波分复用器wdm与20km单模光纤相连。
56.光网络系统包括远程节点rn、光纤和光网络单元onu；其中，远程节点rn为分光器，分光器端口取决于光网络单元的数量，其端口连接数个旧光网络单元onu、新光网络单元onu或下一层(一个或多个)分光器。当在结构中新增光网络单元onu时，既能直接与分光器相连，也可通过增加分光器数量以进一步增加光网络单元onu数量。在下行方向，不同波长的olt信号经过波分复用传输至分光器，并分成若干份，其中部分传输至旧onu进行解调，另一部分传输至新onu中解调。
57.光线路终端olt分为旧光线路终端olt与新光线路终端olt，其中，旧光线路终端包括下行nrz数据发射模块，如图2所示，下行nrz数据发射模块包括光源、马赫-曾德尔调制器、nrz数据端，光源、nrz数据端分别与马赫-曾德尔调制器连接，马赫-曾德尔调制器与波分复用器连接。其中下行信号采用目前主流的nrz信号，并采用ook调制。实施例中，下行速率为1.25gb/s。新光线路终端包括下行pam4补码数据发射模块，其中下行信号采用四电平的pam4补码调制。
58.新光线路终端发射模块如图3所示，采用的是pam4补码编码，并且发射速率有所提升，达到10gb/s。如图3所示，新光线路终端olt包括nrz数据端、pam4补码编码器、光源、马赫-曾德尔调制器，nrz数据端通过pam4补码编码器与马赫-曾德尔调制器连接，光源与马赫-曾德尔调制器连接。下行发射信号处理的过程：nrz数据端由pam4补码编码器编码为pam4补码信号，然后该信号被马赫-曾德尔调制器调制到光载波上进行信息传输。数据产生模块中，旧光线路终端模块产生nrz信号，新光线路终端模块产生pam4补码信号。
59.光网络单元onu分为旧光网络单元与新光网络单元，两者的区别在于新光网络单元中有能够滤除波长的光学滤波器，实现波长选择功能，并且其接收速率与发射速率都有所提升。如图4所示，新光网络单元onu包括光学滤波器、光电探测器、低通滤波器、信号接收端。下行信号接收处理过程：经过光纤传输后的信号通过光学滤波器滤除下行旧pon波长，从而让新pon的onu能够滤掉旧pon信号。光学滤波器主要作用是滤除不需要的旧波长信号，接收目标新波长信号。
60.pon链路增加部署与升级设备时，采用pam4补码调制方式的新olt与能够接收pam4补码格式新信号的新onu速率提升以升级用户下行带宽。
61.在下行方向，旧olt发射的下行信号与新olt发射的下行信号经波分复用器wdm复用共同在单模光纤中传输，经分光器等分后传输至各个光网络单元，旧光网络单元由于其滤波器的带宽有限，只能接收到低速的nrz信号，而高速高频的pam4补码信号则被自动滤
除，由此实现旧光网络单元中的新旧信号分离操作。而在新光网络单元，由于其接收端拥有光学滤波器，能将旧波长的光信号直接滤除，因此其接收到的只有新波长信号。经过仿真验证了该网络体系结构的可行性，
62.如图9-图16所示，图9-图12、图13-图16分别为不同编码格式的新pon信号比特率为10gb/s、旧pon信号的比特率为1.25gb/s，旧pon信号和新pon信号接收的眼图。图18和图19分别为不同编码格式的新pon信号比特率为10gb/s、旧pon信号的比特率为1.25gb/s，旧pon信号和新pon信号接收误码率曲线图。从图9-图12可以看出，相同编码效率时pam4补码的新pon信号对旧pon的串扰比6b8b编码信号的串扰小。从图18可以看出，与manchester编码信号、pam4补码信号和6b8b码信号共存的旧pon信号的接收灵敏度(误码率为10e-3时的接收光功率)分别为-33dbm、-32.8dbm和-31.4dbm。与manchester编码信号共存时相比，与pam4补码信号共存时两者的灵敏度差很小。新旧pon信号都可以实现无误码(误码率为10e-3)。通过仿真验证了本发明网络体系结构的可行性。
63.本实施例采用基于pam4补码将旧无源光网络升级到下一代无源光网络的网络体系系统，具有以下优点：
64.(1)pam4补码的频率较高，对旧信号的影响较小。
65.(2)pam4补码可由软件进行编码，不需要额外的设备。
66.(3)该网络体系结构在中心局升级设备，在线路中增加新onu而未大规模改动旧onu，因此成本低，可行性高。
67.本发明公开了一种基于pam4补码的将旧无源光网络升级到下一代无源光网络的网络体系系统属于网络升级领域。其中旧无源光网络包括具有旧光线路终端(olt)的中心局(co)；具有分光器的远程节点(rn)以及通过分光器相连的多个旧光网络单元(onu)。通过单模光纤(smf)将所有设备相连。网络体系中还包括下一代pon的新光线路终端(olt)，用于将新旧波长信号复用的波分复用器(wdm)以及通过分光器相连的多个新光网络单元(onu)，同时共用单模光纤。其中，新olt下行信号的调制方式采用pam4补码格式，抑制了低频分量，降低了共存时的串扰，同时保持了75％的编码效率。本发明保证了升级过程中新旧链路的正常通信，最终能够实现新pon的平滑升级，成本低，易操作，适合在pon的升级中使用。
68.有益效果为：
69.采用pam4补码信号作为新pon链路的信号格式，该格式有效的降低了低频分量，因此对旧pon链路造成的串扰较小。
70.采用的pam4补码可以通过软件程序进行，不需要设备。调制和解调都是传统的ask调制和解调，因此pam4补码调制不需要额外的设备，也不需要复杂的操作，从而降低了升级的成本。
71.相较于其他拥有低频抑制能力格式的信号，如manchester编码信号和6b8b编码信号，pam4补码信号的编码效率为75％高于编码效率为50％的manchester编码信号，相同编码效率的6b8b编码信号的低频压制效果不如pam4补码，不同编码信号的频谱图，如图5-8所示。
72.实施例二：
73.参照图20，本实施例提供一种基于pam4补码升级无源光网络的方法，基于实施例一所述的一种基于pam4补码升级无源光网络的系统，包括步骤：
74.s1、新光线路终端发送经过软件上线路编码之后转换成pam4补码数据格式的新信号，旧光线路终端发送数据格式为nrz的旧信号；
75.s2、新信号、旧信号经过电脉冲产生器后作为光载荷的电输入信号，经过光幅度调制器调制到光载波上以形成两路光载波信号；
76.s3、两路光载波信号通过波分复用器合路，以形成合路信号，合路信号通过远程节点分光器等分成若干部分传输至新光网络单元、旧光网络单元；
77.s4、新光网络单元解调得到新信号，旧光网络单元解调得到旧信号。
78.步骤s1中还包括，判断旧光网络单元是否升级完成，若完成，则将数据到pam4补码调制格式的映射关系解除。从图17可以看出，当存在映射关系时，需要4个比特表示3个比特的信息。
79.步骤s1中，pam4补码数据格式的产生：此为通过映射产生的数据。如图17所示，pam4补码保持每四个比特为一组，其中前三个比特为二进制码“0”或“1”，第四个比特为四进制码，同时保持每组四个比特的总和为3。
80.步骤s1中，不同的olt发射信号波长互不相同，利用波分复用器实现在线路中的共存。
81.步骤s2中，光幅度调制器为马赫-曾德尔调制器，消光比为常见的14db。
82.步骤s3中，两种信号得益于处在不同的频段，可以不相互干扰同时共存传输。
83.步骤s4中，旧onu中由于没有光滤波器，得到的信号为新旧信号，但是新信号为高频信号，而旧onu的低通滤波器带宽有限，因此能够自动滤除新信号；新onu中由于存在光滤波器，因此首先将旧波长滤除，再接收新波长信号。
84.需要说明的是，本实施例提供的一种基于pam4补码升级无源光网络的方法，与实施例一类似，在此不多做赘述。
85.以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。