基于RSOA和高阶QAM调制的OFDMA-PON上行传输系统

张飞翔 任宏亮 章旌红 覃亚丽 温浩

(浙江工业大学信息学院，杭州，310023)

自2007年在欧洲光通信会议上OFDMA- PON（ Orthogonal Frequency Division Multiple Access Passive Optical Network）被提出以来，在系统传输方面，国内外绝大多数的研究集中在下行方向，上行方向传输的数据在不同的 ONU（Optical Network Unit）处产生，调制格式也不尽相同，最后汇聚在OLT（Optical Line Terminal）处，是一个典型的“点对多点”的传输系统，对OFDM-PON上行传输的研究更具有挑战性。目前，国内外OFDM-PON上行传输方案主要有两种：一是Dayou Qian等[1]提出的单波长上行传输方案，但是基于单波长的多个上行光载波之间的拍频噪声对系统性能影响劣化，严重限制了 PON（Passive Optical Network）系统中ONU数量的增加；二是美国 NEC实验室和台湾一些学校提出的基于 WDM的上行 OFDM-PON传输系统[2]，但是其多波长光源问题会引起系统成本上升，且为降低拍频噪声增大频隔严重浪费了带宽资源。国内北京邮电大学乔耀军等对第二种方案给出了一个环回结构来避免差拍噪声，但并没有考虑波长资源的利用问题[3]。本文给出了一个基于 RSOA（Reflective Semiconductor Optical Amplifier） 的 32QAM OFDM-PON上行传输系统，在OLT处注入锁定上行波长实现了 ONU的无色化，相邻 ONU通过OFDM子带复用可以共用一个波长资源，节省了波长资源。通过系统数值仿真，验证了系统的可行性。

1 系统设计

限于 RSOA较小的调制带宽，设计了一种基于32QAM的OFDMA-PON上行传输系统，上行速率可达10 Gb/s，而先前的OFDMA-PON上行系统[4]采用4QAM或16QAM等较低阶调制格式使其上行速率远小于10 Gb/s这个值。该上行传输系统如图1(a)所示。整个系统由OLT端提供种子光源，该光源下行传输到达ONU端，作为上行传输光载波使用，从而实现ONU的无色化。在ONU端，位置相近的ONU (ONU11和ONU12 或者ONU21和 ONU22)共用一个波长，采用 OFDM 子带复用方式进行多址接入。

图1 (b)采用子带方式的光馈线网络上OFDMA多址信号

子带复用方式在光馈线网上信号频谱如图1(b)所示，波长λ1可同时被 ONU11、ONU12共用，同理λ2可以被ONU21和ONU22共用，这样可以实现一个波长为两个ONU用户所使用，节约波长资源。其中d为共用一个波长的两个ONU的频谱间隔，它的大小对系统性能也有较大的影响。不同ONU用户的信息经过OFDM调制后产生的射频信号，经过 RSOA调制后从电域转换到光域。不同波长作为光载波的光信号经波分复用后，通过 45 km的光纤传输到达OLT端，先在光域进行解复用，波长相同的作为光载波光信号分别设计了自零差相干接收，之后转变为电信号，在电域对共用波长的两个ONU的OFDM射频信号按频带进行滤波以分别进行OFDM解调，这种方法避免了OLT中严格的同步，大大降低了接收端的复杂度[5]。

2 仿真结果

用Optisystem 7.0和Matlab7.0软件联合对以上系统设计进行数值仿真，证实系统设计的可行性，系统中OFDM编解码模块用Matlab7.0代码生成，其他器件取自Optisystem7.0软件自带器件库。系统基本的参数设置如表1所示。仿真显示系统光馈线网络上的频谱信号如图2所示，其中（a）为ONU11经光滤波器滤波后的频谱信号，（b）为共用同一波长的ONU11和ONU12耦合后的频谱放大信号，(c)是四个 ONU经耦合的信号，其中ONU11和ONU12使用的光载波的波长λ1，ONU21和ONU22使用的光载波波长为λ2，两者的频谱间隔d均为0.08 GHz。

表1 系统参数设置

参数 激光器线宽/kHz FFT点数数值 50 256参数 光纤长度/km 光纤色散ps/nm·km数值 45 16.75参数 调制方式 激光器功率/dBm数值 32QAM 0参数 偏置电流功率/dBm 频谱间隔 d/GHz数值 15.105 0.08参数 子载波个数 正交调制增益数值 128 0.00042参数 DAC采样率/bit 上变频位置/GHz数值 64 1.95 2.58参数 上行传输速率/Gb/s OFDM符号周期/ μs数值 10 0.1024

图2 (a) ONU11经滤波后的信号

图2 (b) ONU11和ONU12耦合后的信号

图2 (c) 四个ONU耦合后的信号

在发送端OFDM符号中添加导频，导频间隔为8，接收端使用LS信道估计。图3(a)为利用估计结果进行相位均衡后的星座图，可见符号落点聚集，误码率为6.7925×10-5，性能良好。图3(b) 表明了系统误码率随激光器线宽变化的情况。在自零差的上行相干系统中，调制端光源与相干接收的本地光源为同一个激光器，随着激光器线宽的增加，系统的相位噪声在不断增加，可以看到当激光器线宽从10 kHz到100 kHz依次变化时，系统的误码率缓慢增大。RSOA的偏置电流对系统性能有较大的影响，如图 3(c)所示，可以看到系统中 RSOA的最佳偏置电流注入范围为0.18±0.005。共用一个波长的两个ONU的频谱间隔d是影响系统性能的另一个重要因素，如图3(d)所示，伴随着频谱间隔的增大，系统的误码率逐渐减小，当频谱间隔增大到0.08 GHz时，系统的误码率趋于稳定。原因是频谱间隔d太小，可能会在接收端相干接收时产生相互干扰的光拍频噪声，劣化系统性能。

图3 (a) 均衡后的星座图

图3 (b)激光器线宽对误码率的影响

图3 (c) RSOA直流偏置对系统误码率的影响

图3 (d)共用同一波长的两个ONU之间的频率间隔对系统误码率的影响

3 结语

本文给出了基于 RSOA和 32QAM 调制的OFDMA-PON上行传输系统。系统中使用了32QAM调制，而非常见的4QAM和16QAM调制，更高阶数的调制意味着更高的信噪比、误码率。另外对系统的位分辨率、激光器线宽、IQ调制和解调器的不平衡性以及光纤非线性提出更高更严格的要求，本文从理论上解决了高阶调传输所面临的上述问题，从而提高了系统的频谱利用率。在较大激光器线宽的情况下，系统性能将急剧下降，这个问题的解决需要更进一步的探讨。

[1] QIAN DAYOU, NEDA CVIJETIC. 108 Gb/s OFDMA-PON with polarization multiplexing and direct detection[J]. Journal of Lightwave Technology, 2010,28(4):12-16.

[2] JIANJUN Y, H MING-FANG. Centralized lightwave WDM-PON employing 16-QAM intensity modulated OFDM downstream and OOK modulated upstream signals[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2008,20(18):1545-1547.

[3] 乔耀军, 王蕾, 赵远征, 等. 基于光环路正交频分多址无源光网络的光拍频噪声避免方案及性能仿真[J].光子学报, 2014, 43(7): 0706008-1-5.

[4] 陈晨.OFDM-PON中无源ONU的实现方法及实验研究[D]. 电子科技大学,2013:22-24.

[5] JOHANNES VON HOYNINGEN-HUENE. Experimental demonstration of OFDMA-PON uplink-transmission with four individual ONUs[C].USA,OFC/NFOEC, 2013, OTh3A.