光接入网高灵敏度低成本相干通信技术

光接入网高灵敏度低成本相干通信技术

禹福春

中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司 河南 郑州 450052

摘要：采用低成本器件可有效降低相干通信技术的成本，但受限于低成本器件的带宽，在高传输速率下势必会出现严重的码间串扰（ISI）。有效地利用有限的带宽资源，采用具有高频谱效率的高阶调制格式十分必要。本文基于光接入网高灵敏度低成本相干通信技术展开论述。

关键词：光接入网；高灵敏度；低成本相干通信技术

引言

受未来移动互联网高容量、低时延、大联接的应用场景的驱动，第5代移动通信系统（5G）以及后5G（B5G）技术正蓬勃发展。以低成本网络提供高质量通信业务将是影响5G未来发展的关键因素。其中，定义为终端到边缘数据中心或核心网边缘网关的移动接入网（RAN）对于5G的性能与成本有重大影响，也是5G众多新型网络、传输技术的目标领域。以云化无线接入网（C-RAN）和下一代前传接口（NGFI）[3]为代表的集中化无线接入网架构是低成本实现接入网的重要技术之一。

1PON技术原理

PON是指光配线网中不含有任何电子器件及电子电源的网络。一个无源光网络包括一个安装于中心控制站的OLT，以及一批配套的安装于用户场所的ONU,还有在OLT与ONU之间的ODN，它包含了光纤以及无源分光器或者耦合器。PON网络组网灵活多变，可以采用树型、星型、总线型等拓扑结构，也可以组成分级的星形网络，目前设备比较常用的典型结构为树形拓扑结构。OLT设备即可放置在中心机房也可以放在汇聚机房，完成网络管理，信令分配。ONU通常放置在用户驻地即可放置在弱电间，也可放置在用户房间，OLT与ONU之间通过物理媒介连接，为了扩展用户数量，最大限度的利用资源，承载媒介使用了无源光合／分路器复用。光分配元件可安装在机房，也可安装在室外节点，光缆交接箱等处，由于无需外加电源，安装位置比较灵活。如图1所示：

PON网络中为了节省资源，在网络中使用了波分复用（WDM）技术，在同一物理媒介中，同时处理双向传输的信号，双向信号之间分别采用不同的波长进行传送，这样避免了光信号在传输之间的串扰，有效的保证了信号传送的质量。在光纤传送的信号上我们习惯上称OLT到ONU/ONT的方向为下行方向，采用1490nm波长光波传送信号，ONU至OLT的方向为上行方向，采用1310nm波长光波传送信号，如图2所示。

EPON是基于以太网的无源光网络，在物理层采用PON技术，在链路层采用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入。EPON具备低成本、高带宽（上下行带宽可达到1.25Gbps）、扩展性强、与以太网兼容等优点。GPON（Gigabit-capablePON）传输码流用的是ATM帧格式，支持上下行带宽可达到1.244Gbps/2.488Gbps。

2基于自零差相干探测（SHCD）的波分空分混合复用（WSDM）-OAN架构

自零差相干探测（SHCD）技术通过将发射端激光器出射的激光分出一部分光，作为本振光以用作接收端的相干探测，可利用发射端激光器的同源相干性消除经典的相干探测所带来的频率偏移和相位噪声，提高对激光器线宽的容忍度。这不仅可以简化接收机DSP中的频偏补偿和相噪恢复模块，同时使得在发射端采用低成本的非制冷激光器成为可能，能够有效地降低系统的复杂度与成本。SHCD可通过偏振复用（PDM）、空分复用（SDM）等方式实现，PDM的方式即通过两正交偏振态分别传输信号光和本振光，该方式牺牲了信号光场的PDM维度，降低了一半的频谱效率，在高速传输的情形下并不适用。

SDM的方式则是通过多路空间信道分别传输信号光和本振光，多芯光纤（MCF）则凭借着空分信道串扰小、数目多、一致性好等特点尤其适合高速、大容量的传输场景。另一方面，TDM-PON采用用户分占不同时隙共享带宽的方式实现低成本的多用户接入，其ONU中的接收机需要工作在高于所分配的比特速率下，在高传输速率的需求下会极大地增加ONU的成本，同时其基于功率分配的广播属性也带来了额外的功率损耗，单一的TDM-PON技术难以应对高速率、广覆盖的OAN的发展趋势。基于波长分配的WDM-PON在功率代价上更具优势，而用户分占波分复用信道独享带宽的特性也使得其能够支持更大的传输速率。

3下一代高速光接入网的发展

近年来，在“三网融合”和“光进铜退”政策的大力推动下，中国光接入网的接入用户数量和产品覆盖率得到了飞速发展。截至2018年，中国大部分中心城市都已经基本实现光纤到户（FTTH）或者光纤到楼（FTTB）。据统计，中国已经成为了全球光接入用户数量最多的国家。由于市场规模效应的驱动，近些年来中国的光接入网产业以及光接入网技术都进入了快速发展的轨道。光接入网的技术标准是从最早的宽带无源光网络（BPON）开始，2003年国际电信联盟（ITU）制定了吉比特无源光纤网络（GPON）标准。随后，电气和电子工程师协会（IEEE）于2004制定了以太网无源光网络（EPON）标准。

4光接入技术的探索

目前，光纤是数据传输行业最热的技术，在一定程度上以数据传输行业的高级工作效率来表示。目前光接入技术的主要重点是pon技术的选择。pon是一种被动式光纤网络，光纤布线网络不包含活动电子设备和电子电源，能够支持点对点，因此现有技术的点对点技术使设备端口资源和光纤核心资源的使用发生了重大变化。pon技术要求在通信网络中引入手动拆分器，从而显着降低设备和线路成本。与手动设备相比，它更易于维护和维护，对环境的要求也更低。

从成本角度来看，与传统的SONET/SDH技术相比，pon技术的网络链路节点之间只有一对光纤，每隔120公里的两个节点只需要一个光纤信号放大设备，从而显着降低了成本。在pon技术群集中，当前的主要力量是以太网被动光学网络(EPON)，即以太网被动光学网络(GPON)和千兆位被动光学网络(gigabit-capable passive optical network，GPON)。EPON和GPON都具有远距离、高带宽和电磁抗干扰功能的优点，并且具有允许类似网络拓扑的较长生命周期。相比之下，EPON在技术实施中比GPON简单，当前核心芯片的价格也低于后者。但是，这种价格上的优点不是技术进步，而是制造商的规模效应。GPON在应用程序中看起来更加灵活。例如，GPON可以支持155 mbit/s到2 . 5 gbit/s的多个速度，但EPON只能支持1 . 25 gbit/s的单个速度。因此，GPON提供了更多的设备选择，降低成本将不会成为未来的大问题。GPON在下行速度下也优于EPON。

结束语

高速移动前传网络将是未来光接入网增长的重要驱动之一。随着芯片工艺进步与成本下降，通过先进的数字信号处理手段提升单波长传输容量与性能将是未来光接入网的发展趋势，也是业界研究工作的主要发力点。同时针对前传数据的特征使用新型编解码、调制格式也能够显著提升链路性能。

参考文献

[1]田园.试论广电光纤通信接入技术[J].有线电视技术,2016(01):27-29.

[2]曹洪岩.光纤通信接入技术应用发展分析[J].信息与电脑(理论版),2015(20):130-131.

[3]戴晓婧.光纤通信接入技术的研究与应用[D].北京化工大学,2013.

[4]靳贵敏.光纤通信接入技术发展分析[J].科技传播,2011(10):203.

[5]潘远翠.浅析光纤通信接入技术[J].硅谷,2010(21):20+27.