WDM/TDM混合无源光网络的分析与应用

Emine KOMAN , N. Ouml;zlem Uuml;NVERDİ

摘要：

时分复用（TDM）和波分复用（WDM）是当前最常用的复用方法。这两种复用方法各有其优点和缺点。在这项研究中，研究了无源光网络的结构和类型，并解释了无源光网络中最常用的多路访问方法，例如TDMA，时分多址和WDMA，波分多址。分析了混合波分复用/时分复用无源光网络（WDM / TDM PON）系统的性能。在OptiSystem 16.0仿真软件上以193.1 THz的频率比较了TDM PON和混合WDM / TDM PON光通信系统的模型。通过仿真确定不同复用方法在不同距离下10 Gbps传输的增益性能。

关键字：通信技术，光通信，无源光网络，光纤，复用。

1.引言

自从1880年代发现可以使用光的形式传输信息以来，光纤通信技术已在当今的通信技术中占有重要地位。自然界中硅的来源丰富，光纤的批量生产成本低，高带宽下的高数据传输速度以及低传输损耗使这种技术处于现代通信的最先进水平。

由于引入了新服务，例如三维高清电视，云计算以及越来越多的基于网络的应用程序，导致用户所需的带宽一直在增加，每年大约增加50％。 由于对更大带宽的需求不断增长，光网络带宽服务也一直在迅速增长，并且人们已经做出巨大的努力来开发基于光技术的更加经济和可靠的用户网络。

由于公众呼吁以更高的码率和速度进行可靠的数据传输，未来电信技术的前景日益扩大。光网络在满足这些需求方面发挥着至关重要的作用。因此，无源光网络在高带宽和长距离传输的基础上满足可靠的、高码率的传输。

2.光网络

如今，光网络可以分类为：

2.1 点对点光网络（PPON）：

此类网络基于从运营商到每个客户的单独专属光纤线路。这种类型的分配网络中不包含有源电子设备。这种系统设计的初始投资相当高，但是它提供最大的容量。 此外，PPON保证了系统的未来扩展项目服务的可靠性和灵活性。

2.2 有源光网络（AON）：

在这种网络类型中，单个反馈光纤将整个光网络信号从位于中心局的核心交换机传输到称为聚合交换机的有源设备，例如以太网交换机，路由器或多路复用器，此后，独立分配的光纤线连接到多个场所网关，即用户附近的光网络终端，例如机柜，公寓或办公室。电子有源元件可使AON分解后在用户和中央单元之间传输数据。数据传输通过中心局与每个客户房屋之间的专用光纤来保证，从而仅允许在每个光纤的端点之间进行不间断的数据交换。与第一种模型相比，由于铺设了较短长度的单根光纤，所以访问最终用户的花费更低。但是，有源元件会导致额外的功耗和维护成本。

2.3 无源光网络（PON）：

使用无源光学设备（例如分光器或阵列波导光栅）替换AON的电子有源元件来构建此类网络。 借该设备，数据被分解，然后传输到接收站点。PON的优点是节省了系统实施成本，因为它允许多用户共享光纤，并且消除了中间有源元件的功耗和维护成本。时移和每个用户流量的个人加密可确保隐私。无源光学系统由于减少了初期投资以及运营和维护成本，因此在光纤接入网络中变得非常流行。通常被称为无源光网络（PON）。

如图1所示，无源光网络PON由中央局的光线路终端OLT和最终用户附近的多个光网络单元ONU组成，该光托架，用于分隔和组合OLT和ONU之间的信息流，以及连接这些设备的光纤电缆。

OLT是位于中心局的一个单元，可通过光分配网络提供双向数据传输。 OLT将来自本地网络的音频，数据和视频流量分发到所有下游ONU设备。在上游方向，与下游传输相反，它负责从最终用户导入各种内容和数据。 ONU单元直接放置在用户的家中或工作场所中。 ONU设备提供必要的电光转换，以形成光网络中的连接点。ONU可以基于提供的支持提供不同的通信服务。

图1. 有源光网络（AON）和无源光网络（PON）

3.系统架构

复用技术允许多个用户使用相同的传输频带而不会产生干扰，从而降低了运营成本。 通过复用技术，可以将来自多个源的数据有效地传输到多个用户。 光接入网中最常用的复用方法是：

TDMA（时分多址），FDMA（频分多址），CDMA（码分多址），WDMA（波分多址），OCDMA（光码分多址系统）。 如今，标准化的PON体系结构使用TDMA复用方法。

3.1 TDM PON 架构

图2显示了TDM PON的物理树拓扑。 在CO的中央办公室，OLT的光线路终端将数据传输到下游流量。 来自OLT的信号被传输到光复用器/解复用器，该光复用器/解复用器是无源组件，用于通过反馈光纤将OLT和ONU之间的信号聚集在一起并进行分路，然后将分离的信号分配到ONU之间，即位于用户端附近的光电组件。

图2. TDM PON架构

3.2 混合WDM/TDM PON架构

虽然时分复用可以以合理的速率为少量参与者提供服务，但价格低廉，而波分复用可以为大量参与者提供服务，但是价格要高得多。 现有的无源光网络（GPON，EPON，新一代NG-PON等）均基于低灵活性，低带宽时分复用架构。 WDM组件相对昂贵，限制了WDM-PON的广泛使用（如图3所示）。 如图4所示，引入了一种称为混合WDM / TDM-PON的新网络，以消除TDM-PON和WDM-PON的缺点。 它结合了WDM和TDM技术的优势。 因此，现有的TDM-PON升级为未来的WDM-PON。

图3. WDM系统

在这项研究中，分析了混合WDM / TDM PON架构的性能，并将其与TDM-PON架构的性能进行了比较。 混合WDM / TDM具有更高的可伸缩性，因此具有灵活性。WDM / TDM混合PON架构可提供对更高带宽和更远区域的访问，即与TDM-PON相比，其覆盖范围更广。 混合WDM / TDM无源光网络体系结构可根据流量需求灵活分配带宽资源。该架构不仅在各个光网络单元中采用相似的组件，而且还允许所有ONU共享波长资源。

图4. 混合WDM / TDM PON架构

4.性能评估

通过在Opti-Wave Corporation的OptiSystem 16.0仿真工具中对该系统进行测试，可以评估性能。例如，图5标示出了TDM PON系统架构和各种测量仪器。为了比较网络的性能，计算了不同光纤长度的BER指标。模拟的PON网络支持两个用户，目的是确定在不同光纤长度下可达到的Q因子和最小BER。该系统输入为功率为10dbm的连续激光器，输出通过光纤。1：2功率分配器用于将信号馈送到两个单独的通道。 为了可视化光谱，波形，眼图等，使用了各种测量仪器，例如光谱分析仪，光功率计，BER分析仪和眼图分析仪。 BER，Q因子和眼高是最常用的性能参数.

1) Q因子

Q因子是测量信号质量的参数，这对于确定误码率BER是必需的。 通常Q因子表现品质因数。Q因子定义为

其中，m1和m0是采样时刻接收信号的平均值，sigma;1和sigma;0是标准差。

2）误码率，BER

误码率BER定义为有误码的位相对于传输期间接收到的总位数的百分比。 它通常表示为十的负幂。 BER指示由于错误而必须重新发送数据包或其他数据单元的频率。 知道Q因子，可以通过以下公式计算BER：

3）眼图高度

采样接收波形的最佳时间被认为是眼图高度最大的时刻。 随着信号幅度失真的增加，眼图高度会降低。失真程度由眼图顶部和最大信号电平之间的垂直距离定义。当眼睛睁得越大时，更难区分信号中的零和零。眼高由下式给出：

在这项研究中，TDM PON系统考虑了10 km，30 km和50 km的光纤长度。 图6给出了模拟输入信号的光谱。图7分别给出了接收器侧光纤长度分别为10 km，30 km和50 km的输出信号的光谱。

图5. TDM PON 系统

图6. 输入信号的光谱

图7. 10 km，30 km和50 km接收器侧光纤的输出信号的光谱

图8. 10km光纤长度的输入和输出信号的光功率

图9. 50km光纤长度的输入和输出信号的光功率

光纤长度为10 km和50 km时输入和输出信号的光功率分别如图8和9所示。

(a) 10 km

(b) 30 km

(c) 50 km

图10.在中心局与客户之间的距离为10 km，30 km和50 km的情况下，相同数据速率的TDM PON系统的眼图

图11. TDM PON 系统

然后，通过OptiSystem软件分析图11所示的建议的WDM / TDM混合PON系统。 在这种架构中，两个信号以不同的波长传输。功率分别为10 dBm的连续波（CW）激光束被馈送到两个发射器，它们的输出由Mach-Zehnder调制器使用NRZ格式的伪随机比特序列进行调制。然后，两个信号由WDM多路复用器组合并通过光纤发射。然后，信号由WDM多路分解器进行多路分解。最后，使用1：2功率分配器将信号馈送到两个单独的通道。具有各种长度的10 km，50 km和70 km的光纤被应用于混合WDM / TDM PON系统。输入和WDM多路复用器信号的光谱如图12所示。

图12. 输入信号和WDM多路复用器信号的光谱

图13给出了混合WDM / TDM PON的接收器端信号的光谱。

图13. WDM多路复用器出口处信号接收端的信号光谱

图14、15和16分别给出了混合WDM / TDM PON系统的10 km，50 km和70 km光纤长度的输入和输出信号的光功率，单位为瓦和dBm。

图14. 10km光纤的输入和输出信号的光功率

图15. 50km光纤的输入和输出信号的光功率

图16. 70km光纤的输入和输出信号的光功率

图17中给出了中心局与客户之间的（a）10 km，（b）30 km和（c）50 km距离时，相同数据速率的混合WDM / TDM PON系统的眼图。

图17.在相同数据速率下，中心局与客户之间的距离为（a）10 km，b）30 km和（c）50km，混合WDM / TDM PON系统的眼图

5.结论

通过Opti-Wave Corporation的OptiSystem 16.0仿真工具对本研究中提出的TDM PON和混合WDM / TDM PON进行了分析，并比较了它们的各种性能参数。在混合PON中，WDM和TDM技术在光纤中组合在一起以优化带宽。可以通过同一根光纤传输不同波长的数据。比较各个位置的信号的光谱和光功率。比较了使用不同光纤长度运行的两个系统的最小BER，最大Q因子和眼图。可以看出，对于OLT上的两个发送器，并且对于相同的数据速率，当中心局与客户之间的距离增加时，品质因数和眼高降低，而BER则增加。仿真结果证实了所提出的混合WDM / TDM PON的性能优于当前的TDM PON网络。因此，WDM / TDM混合PON为下一代光网络提供更高的接入和更高的宽带。

基于OCDMA标签的光分组交换网中多速率传输的多码技术

Kai-Sheng Chen

摘要

在当前的光分组交换OPS网络中，支持多速率传输是至关重要的因素。本文中，作者研究了一种能够转发数据包（基于标签交换具有不同信号速率）的多速率方案。采用多码（MC）技术将数据包的有效载荷比特传送到多个光码，从而对数据包进行标记，引入了光码分多址（OCDMA）标签：频谱幅度编码（SAC）代表了OCDMA代码中作为一组波长的码片，以消除标签之间重叠的多址干扰（MAI）。作者通过进行数值分析，以公式化误码率（BEP）和频谱效率（SE）来测试系统的有效性，仿真结果表明，该网络在切换多个数据速率的分组流时具有稳定的BEP性能。

关键词：光分组交换（OPS）；光码分多址（OCDMA）；频谱幅度编码（SAC）；多速率传输

1.引言

在光骨干网中，由于减少了开销并简化了网络层的结构，光分组交换（OPS）得到了广泛的应用。随着对互联网协议（IP）流量的需求不断增长，服务运营商不仅通过点对点链路传输数据包，而且还分配给广泛的网络用户。 OPS为边缘用户提供各种服务，并允许用户随机访问其他成员，已被视为城域网（MAN）和局域网（LAN）的实用解决方案。而且，为了尽可能正确地传输数据，信道编码的纠错方案有可能在这些网络中实现。这样的编码技术，包括插入奇偶校验位和采用迭代解码来恢复比特交织的信号，可提高网络质量，以在给定的物理约束下满足所需的峰均功率比和可接受的信息丢失。但是，光缓冲在OPS中有局限性，这是由于将随机存取存储器（RAM）的电存储方案转换为光域所存在的技术不成熟。通过采用支持无光网络的光突发交换（OBS）或使用光纤延迟线（FDL）作为存储单元，可以部分避免此缺

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