王逸霖，張春蕾

（蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，蘭州 730070）

現(xiàn)在移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入到5G時(shí)代.作為最新一代的移動(dòng)通信技術(shù)［1］，5G通信具有速率高、時(shí)延低、可靠性強(qiáng)的特性［2］.其中，前傳網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，起到了非常關(guān)鍵的作用.前傳網(wǎng)絡(luò)是指AAU（有源天線單元）到DU（分布式單元）相連接的網(wǎng)絡(luò).隨著用戶數(shù)量和基站數(shù)量的爆炸式增長，前傳網(wǎng)絡(luò)中的光纖資源面臨的任務(wù)越來越重.

傳統(tǒng)的前傳網(wǎng)絡(luò)承載方案—光纖直驅(qū)方案消耗的光纖資源巨大，成本很高［3］.和光纖直驅(qū)方案相比，波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（wavelength division multiplexing passive optical network，WDM-PON）可以節(jié)省大量的光纖資源，傳輸容量大，傳輸距離遠(yuǎn)，帶寬大，在5G前傳承載方案中優(yōu)勢明顯［4］.正交頻分復(fù)用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）是將高速的二進(jìn)制比特流轉(zhuǎn)換成低速符號流，再加上循環(huán)前綴，抗色散能力強(qiáng)［5］，頻譜利用率非常高［6］，它的調(diào)制方式是多載波調(diào)制［7］，和單載波調(diào)制方式相比，抗碼間干擾能力強(qiáng).文獻(xiàn)［8］提出了4×10 Gb／s的正交頻分復(fù)用光載射頻無源光網(wǎng)絡(luò)（orthogonal frequency division multiplexing radio over fiber passive optical network，OFDM-RoF-PON）傳輸系統(tǒng)，下行鏈路傳輸OFDM信號，光纖傳輸距離為500 km；在輸入光功率分別為0.1 dBm和0.7 dBm的時(shí)候，品質(zhì)因數(shù)Q值分別為10.89和14.69.文獻(xiàn)［9］在全雙工WDMPON系統(tǒng)中，下行鏈路采用40 Gb／s的差分正交相移鍵控（differential quadrature phase shift keying，DQPSK）調(diào)制，上行鏈路采用20 Gb／s的反向歸零（inverted return-to-zero，IRZ）調(diào)制，系統(tǒng)的上下行鏈路在40 km的光纖傳輸后性能良好.文獻(xiàn)［10］將十六電平正交幅度調(diào)制（sixteen quadrature amplitude modulation，16QAM）、四進(jìn)制脈沖幅度調(diào)制（four pulse amplitude modulation，PAM4）、偏振復(fù)用差分正交相移鍵控（polarization multiplexing differential quadrature phase shift keying，PM-DQPSK）作為40 Gb／s WDMPON系統(tǒng)的上下行碼型，從接收機(jī)的靈敏度、系統(tǒng)的成本、色散容忍度等方面展開研究，證明了基于強(qiáng)度調(diào)制／直接檢測（intensity modulation direct detection，IM-DD）的PAM4和半周期16QAM的系統(tǒng)成本低，適合于短距離傳輸，而采用相干接收技術(shù)的PM-DQPSK有著較高的靈敏度，適合在長距離光纖上傳輸.

本文構(gòu)建了基于OFDM的WDM-PON傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)的上下行鏈路傳輸速率均為10 Gb／s，下行鏈路采用OFDM調(diào)制格式進(jìn)行傳輸，上行鏈路采用非歸零（non-return to zero，NRZ）調(diào)制格式進(jìn)行傳輸，用反射式半導(dǎo)體光放大器作為上行信號的激光源來實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)單元的無色化.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于OFDM的WDM-PON系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖1所示.圖1中的光線路終端（optical line terminal，OLT）側(cè)，連續(xù)波激光器（continuous wave laser，CWL）發(fā)出4路光載波，采用外調(diào)制技術(shù)將OFDM無線信號調(diào)制到光載波上生成OFDM光毫米波信號，陣列波導(dǎo)光柵（arrayed waveguide grating，AWG）對4路OFDM光毫米波信號復(fù)用后送入到光纖中，經(jīng)過另一側(cè)的陣列波導(dǎo)光柵解復(fù)用后，送到各自的光網(wǎng)絡(luò)單元（optical network unit，ONU）中.光網(wǎng)絡(luò)單元側(cè)，傳入的下行光信號由分光器分兩路進(jìn)行傳輸：一路傳入到光電二極管將OFDM光信號轉(zhuǎn)換成OFDM電信號，再進(jìn)入到OFDM解調(diào)器解調(diào)OFDM信號，完成無線傳輸；另一路下行信號由反射式半導(dǎo)體光放大器（reflective semiconductor optical amplifier，RSOA）接收，反射式半導(dǎo)體光放大器刪除下行信號中的數(shù)據(jù)，保留光載波用于上行NRZ信號的調(diào)制，并放大上行NRZ信號，再通過陣列波導(dǎo)光柵復(fù)用／解復(fù)用傳輸?shù)焦饩€路終端中進(jìn)行解調(diào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的上下行傳輸.

圖1 基于OFDM的WDM-PON系統(tǒng)Fig．1 WDM-PON system based on OFDM

2 仿真及其結(jié)果分析

本文利用光通信仿真軟件搭建4路WDM-PON系統(tǒng)，4路光載波的中心頻率為193.1～193.7 THz，圖2為4路信號復(fù)用后的頻譜圖.下面選擇其中的一路信號進(jìn)行詳細(xì)分析，系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖2 4路信號復(fù)用后的頻譜圖Fig．2 Spectrum diagram of four channels signal multiplexed

圖3 WDM-PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．3 WDM-PON system structure diagram

系統(tǒng)下行傳輸速率為10 Gb／s，序列長度為212b，OFDM信號的調(diào)制過程為：偽隨機(jī)序列發(fā)生器（PRBS）發(fā)出的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流經(jīng)過16QAM編碼映射后，傳輸?shù)絆FDM調(diào)制器里，OFDM調(diào)制器對其進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換、快速傅里葉反變換（IFFT）等過程后，產(chǎn)生OFDM電信號.子載波數(shù)為512個(gè)，IFFT點(diǎn)數(shù)為1 024點(diǎn).生成的OFDM電信號傳輸?shù)筋l率30 GHz的正交調(diào)制器，之后由雙臂馬赫曾德爾調(diào)制器（mach-zehnder modulator，MZM）調(diào)制到連續(xù)波激光器發(fā)射出的中心頻率193.1 THz、光功率0 dBm的光載波上生成60 GHz OFDM光毫米波信號.馬赫曾德爾調(diào)制器兩臂的相位相差為π，消光比為20 dB，半波電壓為4 V，生成的OFDM毫米波光信號頻譜如圖4所示.經(jīng)光纖傳輸后，下行信號由分光器分成兩路：一路傳入到反射式半導(dǎo)體光放大器中，光電二極管對另一路下行信號進(jìn)行下變頻，光電二極管的響應(yīng)度為1 A／W，暗電流為10 nA，最后經(jīng)過電放大器放大，正交解調(diào)器、OFDM解調(diào)器解調(diào)后，完成OFDM無線信號的傳輸.圖5為OFDM信號經(jīng)過下變頻后的頻譜圖.

圖4 OFDM毫米波光信號頻譜圖Fig．4 Spectrum diagram of OFDM millimeter wave optical signal

圖5 OFDM信號經(jīng)過下變頻后的頻譜圖Fig．5 Spectrum diagram of OFDM signal after downconversion

為了分析WDM-PON系統(tǒng)下行鏈路的傳輸性能，圖6為經(jīng)不同的傳輸距離傳輸后，采用16QAM映射的OFDM信號星座圖.經(jīng)背靠背傳輸后，OFDM信號傳輸質(zhì)量良好，星座點(diǎn)分布均勻；通過10 km傳輸后，星座圖發(fā)生偏轉(zhuǎn)，接收端解調(diào)時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤判決，這是因?yàn)楣饫w色散引發(fā)的相位偏移所致；當(dāng)光纖傳輸距離達(dá)到20 km時(shí)，光纖色散越來越強(qiáng)，星座圖非常雜亂，混疊現(xiàn)象十分嚴(yán)重，這時(shí)可以使用色散補(bǔ)償和數(shù)字信號處理這兩種技術(shù)來提高系統(tǒng)下行鏈路的傳輸性能.使用色散補(bǔ)償技術(shù)可以節(jié)約系統(tǒng)成本，便于部署［11］.保持光纖傳輸距離不變，單模光纖和色散補(bǔ)償光纖衰減系數(shù)分別為0.2 dB／km和0.5 dB／km，單模光纖的色散系數(shù)為17.5 ps／（nm·km），色散補(bǔ)償光纖的色散系數(shù)為-88 ps／（nm·km）.10 km時(shí)單模光纖長度為8.39 km，色散補(bǔ)償光纖長度為1.61 km；20 km時(shí)單模光纖長度為16.78 km，色散補(bǔ)償光纖長度為3.22 km，并在10，20 km傳輸時(shí)分別進(jìn)行79°和68°的相位補(bǔ)償.采用色散補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償后的星座圖如圖7所示，可以看到：星座點(diǎn)在圖中分布均勻，星座圖端正，沒有出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和混疊現(xiàn)象，系統(tǒng)的傳輸性能得到增強(qiáng).

圖6 OFDM信號經(jīng)過不同傳輸距離后的星座圖Fig．6 Constellation diagrams of OFDM signal after different transmission distances

圖7 OFDM信號經(jīng)過色散補(bǔ)償技術(shù)后的星座圖Fig．7 Constellation diagrams of OFDM signal after dispersion compensation technology

為了對系統(tǒng)的下行接收性能進(jìn)行分析，圖8為下行OFDM信號的誤碼率和接收光功率的關(guān)系曲線.當(dāng)誤碼率（BER）的對數(shù)lg（BER）=-15時(shí)，經(jīng)過背靠背傳輸后OFDM信號的接收光功率為-15.2 dBm，經(jīng)過10，20 km光纖傳輸后，接收光功率分別為-14.7 dBm和-14.1 dBm，功率代價(jià)分別為0.5 dBm和1.1 dBm，達(dá)到系統(tǒng)傳輸性能的要求.

圖8 下行信號誤碼率和接收光功率的關(guān)系曲線圖Fig．8 Relation curve of downstream signal bit error rate and received optical power

上行鏈路采用反射式半導(dǎo)體光放大器作為調(diào)制器和激光源來實(shí)現(xiàn)無色光網(wǎng)絡(luò)單元［12-13］，反射式半導(dǎo)體光放大器通過增益飽和特性刪除下行信號中的數(shù)據(jù)［14-15］，只保存光載波調(diào)制并放大上行NRZ信號.上行鏈路的傳輸速率為10 Gb／s.因?yàn)榉瓷涫桨雽?dǎo)體光放大器具有放大功能，使得上行鏈路的發(fā)射光功率過大，從而引發(fā)光纖的非線性效應(yīng)，因此在光纖之前加入衰減器，衰減6 dBm后在進(jìn)行傳輸.上行NRZ信號眼圖如圖9（a）、（b）所示.從圖9（a）、（b）可以看出：背靠背傳輸情況下，NRZ信號眼圖形狀完整，品質(zhì)因數(shù)Q值為10.1；經(jīng)過20 km光纖傳輸后，由于光纖色散的影響，眼圖一片混亂，傳輸性能很差，對此，采用色散補(bǔ)償技術(shù)來減弱光纖色散，單模光纖的長度為16.78 km，色散補(bǔ)償光纖的長度為3.22 km，NRZ信號經(jīng)過色散補(bǔ)償技術(shù)補(bǔ)償色散后的眼圖如圖9（c）所示.從圖9（c）可以看出：采用色散補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行傳輸后，“眼睛”形狀完整，眼圖張開度變大，品質(zhì)因數(shù)為20.6，說明色散補(bǔ)償技術(shù)可以克服光纖色散產(chǎn)生的消極作用，從而滿足系統(tǒng)通信的需要.

圖9 上行NRZ信號眼圖Fig．9 Upstream NRZ signal eye diagram

3 結(jié)論

本文將基于OFDM的WDM-PON承載方案應(yīng)用于前傳網(wǎng)絡(luò)中，下行鏈路通過外調(diào)制方式產(chǎn)生10 Gb／s的OFDM信號，上行鏈路采用反射式半導(dǎo)體光放大器作為調(diào)制器及激光源調(diào)制并放大NRZ信號，上行鏈路傳輸速率為10 Gb／s，構(gòu)建了對稱雙向傳輸?shù)腤DM-PON系統(tǒng).在光通信仿真平臺上對系統(tǒng)進(jìn)行搭建，并對系統(tǒng)上下行鏈路的傳輸性能進(jìn)行仿真及分析.仿真結(jié)果顯示：下行10 Gb／s的OFDM信號在10，20 km光纖傳輸后，由于光纖色散導(dǎo)致星座點(diǎn)發(fā)生了相位旋轉(zhuǎn)和混疊現(xiàn)象，經(jīng)過色散補(bǔ)償技術(shù)減弱色散后，傳輸質(zhì)量明顯增強(qiáng)，達(dá)到了系統(tǒng)傳輸性能的要求；在采用色散補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行色散補(bǔ)償后，上行10 Gb／s的NRZ信號經(jīng)過20 km光纖傳輸后眼圖張開度很大，傳輸質(zhì)量良好，滿足系統(tǒng)通信的需要，實(shí)現(xiàn)了下行OFDM信號和上行NRZ信號的傳輸.因此，本文提出的基于OFDM的WDM-PON系統(tǒng)的方案可以承載前傳網(wǎng)絡(luò)，滿足前傳網(wǎng)絡(luò)的傳輸需要.