基于网络融合的光通信技术研究

曾庆珠

(南京信息职业技术学院，江苏 南京210023)

基于网络融合的光通信技术研究

曾庆珠

(南京信息职业技术学院，江苏 南京210023)

摘要:分析了网络融合背景，探索新型光纤技术和无源光网络技术，提出了PON技术在5G中的应用方案，设计了一种光载射频技术和无源光网络融合链路系统,通过实验结果的分析验证出系统传输性能良好，最后,展望了光通信技术发展前景。

关键词:网络融合；无源光网络；光载射频技术

到2014年12月底，国内光纤接入FTTH/O用户比上年末净增约2 749.3万户，达到6 831.6万户(2015年7月达9 400.6万户)，为全球第一。光纤接入FTTH/O端口比上年净增4 763.9万个，达到1.63亿个(2015年6月达到2.1亿个)。三家基础电信企业固定宽带接入用户净增1 157.5万户，总数超过2亿户(2015年7月达到2.08亿户)[1]，同样是全球第一。FTTH用户占宽带用户总数的比重在2015年7月达到45.2%。8Mbit/s和20MMbit/s以上宽带接入用户占比分别达到55.9%和21.1%。宽带接入端口“光进铜退”趋势更加明显，2015年7月底，xDSL用户仅为6 964.3万个。数量庞大的端口和用户带来网络变革与融合。

1网络融合的背景和方向

电信网络发展受运营商和基于开放互联网的视频服务(OTT)的影响，网络规模急速膨胀，网络全局流量模型向业务云端化和终端虚拟化转变，特有网络、设备及业务创新推动网络智能化转型。网络融合带来了光通信技术新发展。其中，光通信芯片集成工艺、通信网络层间融合、复用方式、传输速率、光电材料集成、智能控制、调试方式、业务得到飞速发展，元器件发展如图1所示。

网络融合中业务环境和服务对象发生了变化。业务环境变化，云计算大量应用，服务模式云端化；4K、8K视频业务的大量应用，数字内容宽带化；终端接入的开放，应用类型多样化，业务亮点层出不穷。服务对象变化，个人业务以语音、带宽、视频为主，集团客户以企业接入、专线接入和行业专网为主，互联网客户OTT以IDC租用，DC互联和后向保障为主，运营商网络从“专注前段”到“面向云端”，服务实现“双向化”。同时，互联网高速发展，网络融合渐成趋势。移动网络和固定互联网流量高速增长，对业务的接入和传送提出严峻挑战。电信网络业务百花齐放，网络业务界限逐

图1　光器件发展

渐模糊，高连接密度、网络接入界限逐渐模糊。传送网和接入网的发展需审视业务的划分和融合承载。网络融合的大背景下，光通信技术在光纤、PON和传输等技术开展新的研究。

2新型光纤技术

光纤技术得到飞速发展，第一阶段100G低损耗光纤，主要特点是提高传输距离，无需增加成本；第二阶段400G有效面积低损耗光纤，主要特点是突破非线性效应瓶颈，提升可入纤功率；第三阶段1Tb-Pb，主要特点是少模多芯光纤，光子轨道角动量(OAM)光纤，光子晶体技术，空分复用和模分复用，突破香农极限。

光传输承载“宽带中国战略”，预测2020年固定宽带接入网用户4亿户，3G、LTE用户12亿户，固定宽带家庭普及率70%，3G、LTE用户普及率85%，城市宽带接入能力50Mbit/s，农村宽带接入能力12Mbit/s[2]。Mobile，BigDate，OTT和Cloud的应用，期待更大的容量、更低的成本，超100Gbit/s成为必然，400Gbit/s将成为主流。对光纤要求放宽了对色散和PMD的需求。但是需要改善更低损耗光纤，进一步提升有效面积，允许注入更高入纤功率，提升OSNR。

2.1新型光纤工艺

为了更好地降低光缆的衰减，对光纤生产工艺进行创新，通过实验验证提升光纤有效面积和抗弯性能，降低了光缆衰减，提升系统OSNR，为400Gbit/s系统提供优质传输介质。“VAD+PCVD+OVD”三步法实现内包层折射率下凹型波导结构来增强抗弯的领先技术。三步法可调节光纤中某一特定模式的泄露光纤信号，能进一步控制光纤的弯曲衰减(损耗)。“三步法”生产出光纤，VAD芯棒超低损耗，PCVD超强抗弯，OVD包层高效且低成本。试验验证光纤波长为1 550nm时，光纤有效面积比G.652D增大60%，损耗小于0.185dB/km。“三步法”制造光纤预制棒，突破传统“两步法”，制造工艺抢占国际技术高点。

2.2光子轨道角动量(OAM)的新型光纤

电磁波也是光子，遵循粒二象性原理。1992年，科学家通过实验证实光子具有轨道角动量(OAM)。

如图2所示为光子轨道角动量(OAM)的新型光纤，由空间等相位面、横截面强度分布和横截面相位分布可以看出，OAM与现有通信电磁波维度完全正交，可大幅度提高通信系统容量。根据研究成果建立超长距离和超大容量OAM模式传输光纤研究。设计生产出HE模式和EH模式的微结构OAM空心光纤和多芯OAM模式传输光纤。光纤实现了50km超长距离OAM信号高保真传输[3]。如图3为OAM模式的光纤测试画面。

光纤技术在融合中发展，追随着应用的脚步不断更新。

3PON技术

3.1PON架构

2015年开始，FTTH端口数比例进一步提升至60%和ONU数比例进一步提升至95%以上。GPON互通缓解成本压力，规模部署元年，满足FTTH发展新形势下的迫切需求。中国移动1GPON经10GPON到NG-PON2的发展，PON技术从面向固定宽带接入，向固定网络和移动网络等融合的统一业务承载平台演进。形成了基于光分路器的TWDM-PON和基于AWG的WDM-PON的技术架构(见图4、图5)。

波长规划，TWDM-PON下行已规划，上行规定多套可选方案，需要进一步明确上行波长方案的选用，TWDM-PONPtPWDMch选项多；WDM-PON未细化。NG-PON2在波长规划和无色ONU技术方案等方面有待进一步统一和完善，TWDM-PON业内已有演示系统，WDM-PON正开展试点应用(江苏移动)，NG-PON2预计2018年以后技术成熟可商用，具体应用时间点和业务需求紧密相关。

图2　光子轨道角动量(OAM)的新型光纤

图3　正负一阶、二阶光纤OAM测试图片

图4　基于光分路器(含TDM、PtP WDM通道)的PON技术架构

图5　基于AWG的PON技术架构

3.2PON在5G应用

PON作为5G回传和前传技术，高频率载波、高阶调制的引入使5G的小站覆盖范围进一步缩小，高带宽、高密度的需求使小基站覆盖场景在5G时代更为重要，宜采用低成本方案构建小基站的回/前传网络。以PON技术为主接入一体化皮站/飞站，是考量网络投入/产出因素的优选方案(见图6)。

以PON为主接入，PON成本更低、更靠近用户，可满足4G深度覆盖需要。PTN主要用于已覆盖区域。CMNet承载通过启用QoS满足时延、PDV等技术指标要求，不拥塞时单跳10～30μs，拥塞时高优先级业务单跳40～80μs。网络安全措施，小基站位于用户侧，存在安全隐患，主要措施是部署防火墙、安全网关，基站到安全网关采用IPSec。L3PTN与EPC对接，基站流量经L3PTN疏导后进入EPC。

图6　PON在5G中应用方案

4光载射频技术和无源光网络融合

对终端用户提供宽带更大的服务是未来信息系统的发展趋势。FTTX/H可以实现用户端大带宽的有线接入，然而无线系统可以为终端用户提供方便、自由和灵活的接入方式。有线和无线的融合可以减少双重基础设施的建设，减低建设资金和运营成本。光载射频技术和无源光网络的网络结构有较高的兼容性，传输介质为光纤，解决无线接入和光纤接入带宽不匹配的问题。

4.1混合接入系统

根据麦克斯韦理论得知，电磁波的光波是横波，光的传播方向和振动方向是互相垂直的。偏振方向相互正交的光波可以相互地携带数据信息，实现沿传输方向互不影响地传输，从而扩大系统的传输容量[3]。

利用Optisystem仿真平台搭建了混合系统的仿真链路。如图7和表1为混合网络可选择性接入系统结构及功能描述。激光器输出光载波信(f0)送入一个双电极马赫曾德尔调制器中进行光载波抑制调制,驱动波形为相位相差180°正弦波(fm)，输出两个频率间隔2fm的一阶边带成分的光毫米波信号(f1=f0-fm，f2=f0+fm)。光毫米波信号通过一个光纤光栅滤波器使下边带光信号和上边带光信号分离。经过滤波器反射后的上边带信号(f2)的X偏振态光信号被下行信号通过一个单电极马赫曾德尔调制器进行强度调制[4-5]，通过光纤光栅滤波器后的光毫米波f1下边带光信号经偏振控制器作用生成Y偏振态，与X偏振态正交。偏振合束器将Y偏振态光信号和X偏振态光信号合并为偏振态相互正交的下行光毫米波信号。混合光网络单元中，通过偏振控制器改变信号的偏振态，经过偏振分束器实现Y偏振态光信号和X偏振态光信号的分离，Y偏振态光信号经过带通滤波器成为无线上行链路的光载波信号，X偏振态光信号由光检测器恢复电信号。

图7　可选择性接入系统结构

序号名称功能1无线/有线用户端无线/有线下行信号的接收和上行信号的加载工作2混合光网络单元下行光信号转换为用于有线接入的基带信号或用于无线接入的毫米波信号,并完成上行有用或无线接入信号加载到由下行信号提取出的光载波上3中心站下行毫米波信号的产生以及上行信号的接收

4.1.1上行链路

有线接入上行链路中,基带有线信号直接调制到Y偏振态光信号经过带通滤波器成为上行链路的光载波信号上，通过单模光纤传输到线路终端后通过光电探测器转换为电信号，由低通滤波后经过解调恢复原来有线接入上行基带信号。

无线接入上行链路中,无线用户端的无线射频毫米波信号被混合光网络单元的天线接收,先经过功率探测转换为基带信号,然后通过光调制器强度调制到预留的上行光载波上，经过光纤传输到光线路终端后由光电探测器转换为无线接入上行基带信号。

4.1.2下行链路

有线接入下行链路中,混合光网络将X偏振态的光毫米波信号由光电检测器产生光电流，经过低通滤波器输出基带电信号。

无线接入下行链路中，混合光网络将X偏振态的光毫米波信号由光电检测器产生光电流，经过带通滤波器输出2fm的射频毫米波，信号放大通过无线天线发送给用户终端，无线用户终端利用射频本振对信号进行相干解调，经过低通滤波器后恢复下行无线数据。

4.2仿真结果

仿真参数设置及测试数据如表2、表3所示。图8、图9为上下行链路误码率曲线，可以看出系统中有线接入上下行链路要求比无线接入上下链路好一些。主要因为有线信号比无线信号引入了较少的带内噪声，信号载波相位差也会减低无线链路传输性能。

表2无线链路光功率损耗(衰减)表

方向BTB/dBmL=30km损耗量/dBL=60km损耗量/dB下行-36.55-36.40dBm0.15-36.25dBm0.3上行-42.65-42.60dBm0.05-42.05dBm0.6

注：本表的测试参数为带通滤波器BW=10GHz，f0=195.1THz(线宽1MHz)，f1=195.06THz，f2=195.14THz，fm=40GHz，V偏压=4V，NRZ速率为5Gbit/s，NRZ码位为211-1，误码率为10-9。

表3有线链路光功率损耗(衰减)表

方向BTB/dBmL=30km损耗量/dBL=60km损耗量/dB下行-42.48-42.22dBm0.26-42.08dBm0.4上行-42.75-42.50dBm0.25-42.35dBm0.4

注：本表的测试参数为带通滤波器BW=10GHz，f0=195.1THz(线宽1MHz)，f1=195.06THz，f2=195.14THz，fm=40GHz，V偏压=4V，NRZ速率为5Gbit/s，NRZ码位为211-1，误码率为10-9。

图8　上行链路的误码率曲线及眼图

图9　下行链路的误码率曲线及眼图

如图8a和图9b所示为无线链路的误码率曲线仿真结果，图中可以看出随着接收光功率的减小,误码率呈不断增加的趋势。在对数坐标系中,误码率曲线大体呈线性。

从图8a、图9b和表2中看出下行传输眼图的睁开程度逐渐减小,但是传输60km后依然比较清晰。上行传输的眼图也有类似的趋势,传输30km至60km损耗量相对较大，随着传输距离的增加眼图有一定程度的闭合,但是经过60km传输后眼图依然清晰。由误码率曲线表明无线链路传输性能良好。

如图8b和图9a所示为有线链路信号的BER曲线和眼图。具体参数及数据如表3所示。

由表3、图8b和图9a可以看出上下行有线传输的性能基本相差不大。可见，随着光纤传输距离的增加，眼图睁开度逐渐减小,主要因为传输距离的增加使信号性能劣化以及光域的相位噪声在接收端转化为强度噪声，使信号性能下降。对接收端的电平判决和信号接收影响较少。从眼图的形态判断出上行链路传输性能良好。

混合光网络中分光器的分路可以获得适应有线传输和无线传输的信号，有线信号送给光网络单元中实现有线接入，无线信号送入基站实现射频无线接入，用户在有线和无线服务二选一，该融合网络可以通过在接收端的开关实现可选择的有线和无线接入方式，实现了共享接收端和发送端的设备资源，并大大节约信道资源。网络融合解决了基站结构复杂且成本高的问题，解决了有线信道和无线信道占有造成的信道资源的浪费。仿真实验验证该方案的可行性,通过对BER曲线及眼图等仿真结果的分析表明,此系统传输性能优越。

5光通信技术展望

机载雷达向总装智能雷达(作为飞机的一部分组装)发展趋势，进一步提高隐形效果和性能指标，对光纤通信技术及传输介质提出更高要求。通信普通单模光纤产能相对过剩，光纤超低损耗、大有效面积单模光纤商用化，学术领域聚焦多芯少模光纤。400Gbit/s和1Tbit/s速率成为未来高速传输新的标准化焦点。光传送网绿色成为发展趋势，降低每比特传输能耗，实现提速，减少设备种类和网络层叠，实现网络融合，多层多域应用时网络效能提升，实现协同。

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Opticalcommunicationtechnologyresearchaboutnetworkintegration

ZENGQingzhu

(Nanjing Vocational College of Information Technology,Nanjing 210023，China)

Abstract:The background of network integration is analyzed, new fiber technology and PON technology are explored, and an innovative ROF and PON link system are designed. Through the analysis of experimental results, the performance of systematic transmission has been verified to be satisfactory. Also, the author looks to the perspective of optical communication technology.

Key words:network integration; passive optical network; radio over fiber

中图分类号:TN915

文献标志码:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.04.016

基金项目：2015年江苏省通信技术品牌专业项目(PPZY2015A092)；江苏省工程研发中心开放基金项目(KF20140501)；2013年江苏省“青蓝工程”骨干教师培养对象基金项目

作者简介：

曾庆珠(1978— )，副教授，高工，硕士，主要研究方向为通信技术和通信工程。

责任编辑：许盈

收稿日期：2015-11-05

文献引用格式：曾庆珠. 基于网络融合的光通信技术研究[J].电视技术，2016，40(4)：74-79.

ZENGQZ.Opticalcommunicationtechnologyresearchaboutnetworkintegration[J].Videoengineering，2016，40(4)：74-79.