光正交频分复用技术及其应用(2)

正交频分复用(OFDM)是一种多载波调制技术，用来解决各种无线和有线通信系统中因信道色散引起的符号间干扰问题。近年来的研究表明OFDM在光纤通信方面也极有前途，可以用于超大容量的长距离光纤传输、可变带宽光交换和100 Gbit/s高速光接入。本讲座将分3期对该技术进行介绍：第1期讲述光正交频分复用的发展历史、基本原理和在光传输方面的应用；第2期讲述基于光正交频分复用的高速光接入；第3期将讲述利用光正交频分复用实现的可变带宽光交换。

5 OFDM-PON
    随着各种新业务的出现及人们日益增长的带宽需求，最后一公里的接入已经成为整个网络的“瓶颈”，而无源光网络(PON)技术以带宽高、成本低、结构简单、可靠性好等优点，被广泛认为是解决宽带光接入需求的最佳方法，并且已在全球相当多的地区有了一定规模的实施。现阶段10 Gbit/s EPON和GPON技术标准已相继出台，各大电信设备制造商积极地推出了相应产品，而各运营商也在积极部署。10 Gbit/s PON产品将很快进入大规模商业应用阶段，而40 Gbit/s GPON乃至100 Gbit/s EPON技术逐渐被研究领域和工业界广泛关注。

    未来的超高速光接入将着眼于给每个用户提供更高数据速率、支持更多的用户数和更长的传输距离。在面向40 Gbit/s及其以上速率的PON研究中，现有的EPON和GPON产品所采用的时分多址(TDM)技术，进一步提高速率面临着一系列的挑战，包括随速率增加的光电器件成本、调度算法复杂度和延时敏感性等等，而且40 Gbit/s以上突发模式TDM接收机也是一个难题。为了解决这一问题，全业务接入网论坛(FSAN)在NGPON2计划中提出，未来的GPON技术可以不受限于现有的GPON技术。目前一些新型的PON技术被提出，主要包括波分复用-无源光网络(WDM-PON)、正交频分复用-无源光网络(OFDM-PON)、码分多址-无源光网络(CDMA-PON)、混合PON等不同技术方案。在各种方案中，WDM-PON是一种可提供巨大带宽的接入技术，但成本较高，也难以提供比波长粒度更细的带宽；OFDM-PON技术不仅可以引入发射端和接收端电信号处理以消除各种损伤，还可以引入高阶调制降低各种光电器件的带宽要求，此外该技术还具有高效灵活的多址接入和资源分配方法等优点，因此得到了业界广泛的关注。

5.1 OFDM-PON基本原理
    2007年欧洲光通讯展(ECOC)上，NEC美国实验室首次提出了OFDMA-PON的系统架构。图1是一个典型的OFDM-PON网络结构。OFDM-PON可沿用现有基于TDM的PON的基础设施与配件，只需要对发射机与接收机的结构进行调整，从而实现经济有效的升级与转换。图2给出了用于OFDM-PON的典型发射机和接收机结构。为了实现更低的成本和更简单的结构，OFDM-PON中在发射机端先通过数字或模拟方式对基带OFDM进行上变频，变频后的电信号经合适的放大后，驱动一个直接调制激光器或通过光强度调制器外调制光信号实现电光转换。由于发射端发出的信号中既有载波信号又有边带信号，因此在接收端不再需要外接本振激光器进行相干检测，而只需要一个光电检测器实现光电转换，然后利用载波信号和边带信号拍频完成外差相干检测，再通过数字或模拟方式对信号进行下变频，即可得到基带OFDM信号，并通过强大的DSP技术实现下变频与基带OFDM信号的解调。可以看出，这种调制和解调的方法与100G高速光OFDM系统中的应用是不同的。由于节省了本振激光器和混频器，OFDM-PON的直接检测方案可以大大降低实现的成本。从这一过程也可以看出，OFDM-PON严重依赖于数模转化器(DAC)、模数转化器(ADC)以及数字信号处理(DSP)技术。

5.2 OFDM-PON中的数字信号处理
    OFDM-PON中，OFDM数字信号处理方法与无线中应用类似，都是电域完成基带信号的处理。发射端的基带信号产生如图3(a)所示，主要步骤包括串并转换、QAM信号映射、帧结构处理、快速傅里叶反变换(IFFT)、添加循环前缀、并串转换等若干步骤。OFDM-PON可根据传输需求，在各个子载波上调制不同调制格式的信号，亦可根据信道的传输特性与用户的需求合理分配子载波的使用。这种强大的动态分配子载波资源的功能主要由QAM信号映射、帧结构处理两个模块实现。IFFT模块实现OFDM信号的正交调制，由于频域调制的内在特性，OFDM信号较单载波信号有着较高的峰均值比(PAPR)。高的峰均值比使得OFDM-PON对光、电器件有着较高的线性要求。根据OFDM-PON的传输距离与拓扑结构，需在发射端添加适当的循环前缀。OFDM接收端的基带信号接收如图3(b)所示，主要步骤包括同步(包括帧同步、频率同步、定时同步)、串并转换、去循环前缀、快速傅里叶变换(FFT)、频域均衡、帧结构处理、并串转换和QAM解映射。OFDM对载波频率偏差十分敏感，因此，同步是 OFDM-PON系统中非常重要的技术。当前主流的同步方法主要可以分为: 插入导频符号的同步和基于循环前缀的同步。FFT模块实现OFDM信号的正交解调，频域均衡模块可有效消除信道干扰。最后，帧结构处理与QAM解映射实现OFDM信号的准确解调。由图3所示，我们可以看出数字信号处理技术大大降低了OFDM信号产生与接收的复杂度。随着大规模集成技术的大量发展，OFDM-PON已经可以实现经济、简单的接入。
OFDM技术是一种多载波调制技术，在无线通信系统中，可以采用自适应调制、交织、迭代译码等方法，解决无线信道面临的频率选择性衰落的问题。但光纤信道与无线信道不同，主要的损伤机制包括色度色散、偏振模色散、光纤非线性效应等，不存在频率选择性衰落问题，因此在光接入网络中应当考虑OFDM技术一些单载波改进方案。

5.3 OFDM-PON的资源分配和ONU无色性
    OFDM-PON可非常灵活地分配系统的时域与频域资源，如图4所示。利用OFDM多子载波调制的特点，OFDM-PON可以进行正交频分多址接入。同时，这种正交频分多址接入还可以与时分多址(TDMA)混合使用，OFDM的子载波被动态地分配给不同时隙内的服务，通过合理设计子载波的分配，OFDM带宽能独立传送不同的服务。

5.4 OFDM-PON对光电器件的要求
    相比其他几种PON来说，OFDM-PON对于电器件，包括高速DAC、ADC、高速DSP电路等要求很高。但近几年来集成电路技术发展迅速，目前已经可以实现转换速率80 GSPS的ADC和DAC，随着技术的进一步成熟，量产后价格有望迅速下降。引入高阶调制后，OFDM信号能大大降低对光电器件的带宽需求，因此低成本激光器用于高速PON系统成为可能。

    但OFDM信号也出现了新的问题，如信号的放大不能沿用原有的数字放大器，而需要有成本较高的模拟放大器，调制器非线性等损伤也对发射或接收端算法提出了很高的要求。总体而言，OFDM-PON相关光电器件发展很快，有望在几年内出现成熟解决方案。

5.5 OFDM-PON技术的优缺点
    OFDM技术与PON的结合，使得OFDM-PON较现有的TDM-PON有着诸多技术上的优势。首先， OFDM-PON可把高速的数据流通过串并转换分配到速率相对较低的若干个频率子信道中进行传输，容易实现40 Gbit/s及其以上高速数据流的传输。OFDM-PON除了本身可以利用OFDM多子载波调制的特点进行正交频分多址接入外，还可以与传统的TDMA混合使用，既可在频域与时域范围内对系统带宽进行动态的分配，因此OFDM-PON较EPON、GPON等TDM-PON具有更强大的动态带宽分配(DBA)能力。

    循环前缀的添加，使得OFDM-PON能够很好地抵抗光纤色散、偏振模色散、符号间串扰，同时也可以降低系统对包延迟的敏感性。更为重要的是，OFDM信号的产生与解调可由强大的DSP技术来实现。随着DSP芯片不断地批量生产，可以很好地减少接入成本。

    尽管OFDM-PON有如此多的优势，但也存在不少问题。其中光节点(ONU)的无色性与DSP技术是制约OFDM-PON发展的两大因素。与WDM-PON类似，OFDM-PON也遇到了ONU波长管理问题。目前，ONU无色性解决方案大都参照WDM-PON中的方案，技术不太成熟。由于OFDM信号的产生与接收严重依赖于DSP技术，以当前电器件的技术水平，实现高速率OFDM信号的传输较为困难。

5.6 OFDM-PON研究现状和展望  
    OFDM在PON中应用的研究工作虽然始于近几年，却得到了全世界范围内著名研究机构与高校的高度重视与广泛研究。美国NEC实验室在OFDM-PON的工作走在世界最前沿。以Dayou Qian，Neda Cvijetic，Ting Wang等为主的NEC研究组在2007年最早提出并研究OFDMA-PON[1]， 近几年仍然对该问题进行了广泛深入研究，主要的研究包括OFDMA-PON的高速率大容量传输以及如何实现ONU无色性两个主要的关键问题。NEC实验室用偏振复用技术与复杂的多输入多输出(MIMO)均衡算法成功实现了单波长40 Gbit/s[2],100 Gbit/s OFDM-PON的离线传输[3]，采用现场可编程门阵列(FPGA)成功实现了40 Gbit/s OFDM-PON实时接收机[4]。在PON中，无色性问题一直是一个阻碍其发展的技术难题。对上行信号而言，每个ONU需要不同的波长来避免拍频噪声，因此上行的OFDMA-PON需要联合WDM技术，这必然会大大增加开销，降低可行性。NEC组提出了3种无源OFDMA-PON结构来解决该问题，分别为：通过下行数据采用相位调制，上行数据再利用同一个波长进行强度调制来实现无色性；上行和下行数据都采用强度调制，利用二进制启闭键控(OOK)信号归零的波形将下行接收到的一部分信号重新进行强度调制；OLT端设置两个激光源，产生两个波长，其中一个作为下行的OFDMA传输，另一个作为上行传输。这些方案都借鉴了WDM-PON现有的一些技术，可行性不强。NEC还研究了OFDMA-PON的媒体接入控制(MAC)设计问题，讨论了两种MAC方案：一种是动态的链路传输，一种是固定的突发传输。这两种MAC层设计方案，相比现有的EPON和GPON来说，改动较大，因此在此基础上的PON体系设计也会相对复杂。更好的MAC设计方法是继承原有的EPON或GPON的MAC设计，并同时把OFDM作为传输的一种调制方式。
台湾也有些研究机构，包括台湾国立交通大学、元智大学、台湾工业技术研究院等。这些机构的研究工作都是从光载无线通信(ROF)系统或WDM-PON转向OFDM-PON的研究，主要围绕着基于OFDM的WDM-ER-PON展开。ER-PON具有四大特征：采用WDM技术、分路比大于100、接入距离大于100 km、上行与下行的传输速率高。台湾的研究小组将OFDM技术引入到ER-PON中，于2010年成功实现了40 Gbit/s ER-PON的上、下行传输。从节约成本出发，该组还研究了如何实现无色性的问题，不同于NEC组的重调制方式，该组研究并比较了基于电吸收调制器、反射半导体光放大器和注入锁模激光器3种无色ONU的实现[5]，这些方法都是从WDM-PON的研究中引入的。

    法国Orange Laboratories、法国电信和法国阿尔卡特-朗讯研究了自适应调制光正交频分复用（AMOOFDM）调制方式与低带宽的反射式半导体放大器(RSOA)在PON中的应用。传统的OFDM中子载波是使用固定的位置分配，这样会带来较大的误码。解决方案是执行自适应的功率和比特分配，并且可以改变每个子载波的调制格式和功率。AMOOFDM能根据信道状态信息(CSI)来采用不同的调制阶数、比特数、功率等。CSI包含每个载波的信噪比（可以在接收机端使用探测信号测量，高SNR的子载波可以被分配更多的比特数传输）。该组在2011年OFC会议上，展示了40 Gbit/s AMOOFDM-PON的传输[6]。

    英国班戈大学J. L. Wei等人研究了AMOOFDM调制格式，并在没有光放大和色散补偿的强度调制直接检测标准单模光纤(IMDD SSMF)系统中使用半导体光放大器(SOA)作为强度调制器。该组建立了一个描述光增益饱和和增益谱的SOA模型，基于这个模型研究了波长在1 510 nm和1 590 nm之间变化时SOA的最佳操作条件。结果显示，SOA强度调制器在最佳条件下操作时能在上文提到的波长窗口实现无色AMOOFDM发射机，这种发射机能支持60 km SSMF大于30 Gbit/s的信号传输[7]。

    OFDM-PON作为一种新型的且有较大发展潜力的PON技术，受到了广泛的关注，很多国家都有研究结构在展开相关研究，进展也是非常迅速。特别是NEC美国实验室，离线实验已经可以实现100 Gbit/s，实时的基于FPGA的系统也已经完成，这方面远远走在了其他研究机构前面。但是也需要看到，OFDM-PON的研究工作还远远不能达到成熟阶段，即使是NEC,目前在OFDM-PON的物理实现上，都没有给出一个接近实用的系统方案，尤其是ONU无色技术。目前提到的所有ONU无色技术，在WDM-PON方案中都已经提出，但实用性都不强，需要进一步研究。NGPON2的计划中提出，下一代PON可不受TDM-PON方案的限制，但从工业界来看，完全脱离以前的TDM-PON的技术，会带来极大的研发工作量。因此更好的方法是尽可能利用TDM-PON中已经掌握的技术，这方面还需要做大量的研究工作。(待续)

6 参考文献
[1] QIAN Dayou, HU Junqiang,YU Jianjun .Experimental Demonstration of A Novel OFDM-Based 10Gb/s PON Architecture[C] //Proceedings of the 33rd European Conference on Optical Communication
(ECOC’07), Sep 16-20,2007, Berlin, Germany. Piscataway, NJ,USA:IEEE, 2007: P5.4.1.
[2] QIAN Dayou,CVIJETIC N,HU Junqiang,et al. 40-Gb/s MIMO-OFDM-PON Using Polarization Multiplexing and Direct-Detection[C]// Proceedings of the Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC’09),Mar 24-26, 2009,San Diego,CA, USA. Piscataway,NJ,USA:IEEE,2009: OMV3.
[3] QIAN Dayou, CVIJETIC N,HU Junqiang,et al. 108 Gb/s OFDMA-PON with Polarization Multiplexing and Direct-Detection[C]// Proceedings of the Optical Fiber Communication/ National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC’09),Mar 24-26, 2009,San Diego,CA, USA. Piscataway,NJ,USA:IEEE,2009: PDPD5.
[4] QIAN Dayou, Kwok T T O, Cvijetic N, et al. 41.25 Gb/s Real-Time OFDM Receiver for Variable Rate WDM-OFDMA-PON Transmission[C] // Proceedings of the Optical Fiber Communication/ National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC’10),Mar 23-24, 2010,San Diego,CA, USA. Piscataway,NJ,USA:IEEE,2010:PDPD9.
[5] CHOW C W, YEH C H, WANG C H, et al.Signal Remodulation of OFDM-QAM for Long Reach Carrier Distributed Passive Optical Networks[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2009, 21(11): 715-717.
[6] NETO L A,CHANCLOU P,CHARBONNIER B,et al. Up to 40Gb/s Optically Amplified AMOOFDM for Next Generation PON Networks[C]// Proceedings of the Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC’11), Mar 6-11, 2011, Los Angeles, CA, USA. Piscataway,NJ,USA:IEEE,2011: OTuK7.
[7] WEI J L, HAMIE A,TANG J M.Optimization and Comparison of the Transmission Performance of RSOA/SOA Intensity-Modulated Optical OFDM Signals for WDM-PONs[C]// Proceedings of the Optical Fiber Communication/ National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC’10), Mar 23-24, 2010,San Diego,CA, USA. Piscataway,NJ,USA:IEEE,2010: JThA53.

收稿日期：2011-07-26