基于OFDM调制的双向TWDM-PON系统设计

彭泉生，陈新桥

(中国传媒大学信息工程学院，北京100024)

1 引言

随着交互式网络电视、高清流媒体视频等多种高带宽业务的快速普及，人们对接入网带宽需求大幅提高。传统的TDM-PON由于单一波长传输速率等性能的受限，正逐步向WDM-PON转型。针对目前已经大量部署的TDM-PON，出于使用成本和系统平滑升级等因素的考虑，外界普遍认为在向未来WDM-PON过渡的一段时期，可以引入混合时分波分的TWDM-PON。

与TDM-PON和WDM-PON系统不同，TWDM-PON在网络资源的分配上，同时具有波长和时隙的二维特性。在TWDM-PON中，OLT端通过WDM技术实现多波长的复用和解复用。在接收端，给每个ONU分配特定的波长接收下行数据和发送上行数据。本质上，TWDM-PON系统是由多个使用不同波长的TDM-PON系统通过WDM的方式结合在一起的。目前的研究和应用表明，TWDM-PON 可以很大程度地改善现有网络资源的利用率，使网络具有较低的使用成本。同时，TWDM-PON 吸收了两种已有PON 的技术优点，拥有较高的安全性，并且有利于延长现有系统的生命周期。随着TWDM-PON被FSAN选为NG-PON2的实现方案，对TWDM-PON技术的研究也越来越普及。

正交频分复用(OFDM)做为一种多载波调制技术。由于在传输过程中高速的二进制数据流转换为了低速的符号流，同时加上了循环前缀，因此OFDM具有较强的抗色散能力。为了充分利用OFDM调制技术的优点，本文通过仿真设计并验证了一种OFDM-TWDM-PON系统，将OFDM调制技术应用于TWDM-PON系统，以实现超长距离(60公里)的接入。TWDM-PON的另一个问题在于每个OUN都需配置一个用于上行信号发射的光源。本文通过将ONU“无色化”，把从OLT发送到ONU的光信号分成两部分，一部分用于数据信号的恢复，另一部分则通过一个RSOA，利用RSOA的增益饱和效应，实现对调制在光信号的数据信号进行“擦除”，从而可做上行链路的光源。

2 基于OFDM调制 TWDM-PON系统架构设计

本文设计了一个四波长复用的TWDN-PON系统，下行采用了QAM-OFDM调制技术，上行的NRZ数据经由EAM调制后传回中心局，通过系统仿真和参数优化，系统传输距离和性能都能够得到有效的提升。

2.1 系统设计

基于QAM-OFDM调制的4×25Gb/s的TWDM-PON系统框图如图1所示。该方案中，四路光载波的波长频率间隔为50GHz，频率从1通道的193.05THz到4通道的193.20THz。在OLT端，下行的二进制序列经过4QAM调制后，产生的基带信号经过OFDM的串并转换调制到512路子载波上，其中FFT点数1024。在OFDM调制模块中，OFDM调制器的IQ分量经由功分器被调制到LiNb电光调制器上。经过一个WDM复用器件后，下行光信号被发射到光纤信道中进行下行传输。

图1 基于QAM-OFDM调制的TWDM-PON系统框图

图2 误码率与发射功率关系的曲线图(传输距离为60km)

在ONU端，WDM的解复用信号经由一光分路器分为两路信号，其中一路进入OFDM解调模块完成下行数据的解调，另外一路光信号进入ONU，将上行信号的一部分，经过RSOA后，作为上行信号的光源进行信号的再调制。ONU的发射端应包括伪随机01序列，NRZ信号发生器和一个反射型半导体激光放大器(RSOA)。来自各个ONU的上行光信号经光纤传输后到达OLT端，并在OLT端通过光电转换恢复出上行信号。表1中展示了仿真中的一些关键参数的设置情况。

表1 仿真过程中的关键参数

续表

2.2 仿真结果与分析

2.2.1 下行链路性能研究

下行传输的误码率与OLT的光源发射功率的关系如图2所示，当系统光源的发射功率为5dBm时，系统的误码率(BER)的性能达到最佳，约为10e-12。因此，在该系统仿真中，下行信道的发射端光源的功率为5dBm。

在该系统仿真中，还分析了随着系统的光纤链路从30km增加到70km的情况下，系统的Q值和误码率(BER)性能，结果如图3和图4所示。为了仿真结果的简洁，图4的Q值曲线图取的是1信道中接收端的结果。从4中可以看出，当系统的光纤链路达到60km时，系统的误码率降低至10-12左右。因此，该系统的传输距离最远可到达60km，传输距离有了显著的提高。

图3 系统Q值与系统链路长度关系的曲线图

图4 系统误码率与系统链路长度关系的曲线图

(a)传输距离30km (b)传输距离40km

(c)传输距离50km (d)传输距离60km

(e)传输距离70km图5 信道2中ONU接收端的信号星座图

图6 系统误码率与接受端光功率关系的曲线图

图7 上行信号的光谱图

星座图是调制信号在复平面上的表示，是分析系统性能的另一重要手段。在该系统中，下行的已调信号在不同的传输距离下的接收端星座图如图5所示。可以看到在60km的传输距离下，接收端的星座点仍旧分离，而在70km的传输距离下，星座点已经有相互汇聚的现象。

2.2.2 系统的功率预算分析

功率预算是评价光网络性能的基本参数，是为了保证系统的各传输段达到需要的性能水平，而对从OLT到ONU端总的光功率损耗进行估算。在一个无源光网络中，假定a表示OLT端，而b表示ONU端，若PTmin表示发送端的最低光发射功率，PSmin表示需到达接收端的最低光功率值(也即接收机灵敏度)，则光功率预算的值表示为：

PB(a，b)=Pγmin-PSmin

(1)

如图6所示为系统误码率与接收端光功率关系的曲线图。当系统的误码率在10-12时，接收端的光功率为-16.55dBm，如图8所示。鉴于系统的光发射功率为5dBm，因此，从OLT端到ONU端的光功率预算值为：

5bBm-16.55dBm=21.55dBm

(2)

该值是在系统的传输距离为60km时测得的。

图8 OLT接收端的光功率值

图9 OLT接收端的上行信号Q值与传输距离的关系曲线

2.2.3 上行链路性能研究

经过再调制的NRZ上行信号从ONU端经过光复用器到达OLT接收端，图7所示为该上行信号的光谱图。通过仿真记录在不同传输距离下四路上行信号在OLT接收端的Q值，如图9所示。可以看出，当传输距离在60km时上行信号的Q值在6到7之间，而在传输距离为70km时，信号的Q值发生恶化，降低到了4以下。因此，在保证系统误码率和Q值等性能的基础上，该系统最佳的传输距离为60km。

3 结论

本文介绍了一个基于OFDM-QAM调制的TWDM-PON系统，系统的下行传输速率为25Gbps。在上行传输中对四路NRZ的上行数据进行再调制，传输速率为10Gbps。在系统的误码率和星座图的分析中，当系统的传输距离到达60km时，下行信号的Q值和误码率分别达到了6.38和7.17e-12。系统的OLT端到ONU端的功率预算为21.55dBm。