下一代光纤接入网络用正交频分复用实现高比特率

作者：Naveena Genay、Benoit Charbonnier，Orange实验室；Emmanuel Grard、Pierre Wolkowicz，3S PHOTONICS

正交频分复用（OFDM）作为为10Gbps城域网开发的、富有影响力的技术，也为在下一代光接入网中实现高比特率和更长传输距离提供了可能。

宽带连接技术在全球范围内的应用迅猛增长。尽管如此，新服务的出现——诸如超高清（HD）电视、本地和全球存储局域网、文件共享、高清视频点播、视频会议、在线互动游戏、用于室内数字影院的家庭网络等——构成了产生带宽瓶颈的威胁。因此，所有的主要运营商纷纷表示，FTTH时代已经来临。

然而，FTTH必须继续满足未来带宽需求的变化，这种演变更可能是诸如TDM或者WDM-PON的新网络架构的产生。

从另一个角度来讲，目前在主要的光通信业内会议例如OFC/NFOEC和ECOC上可以看出，大量的研究工作高度关注高频谱利用率的新的调制格式，尤其是基于正交频分复用（OFDM）的调制技术。有了这些调制技术，新型设备有望在高比特率应用需求大量出现时，突破带宽瓶颈。

FTTH技术方案ESf光波通信
如图1的预测所示，在被研究的10个国家里，基于光纤的宽带服务占据了23％的宽带连接。随着无线宽带（如3G、WiMAX等）的大量增长，固网带宽由于更多的可利用带宽，将保持它的技术领先性。


图1：2012年各种宽带技术的市场份额预测。

目前通用的技术方案中，GPON是基于TDM的；同时基于WDM的技术方案逐渐显现。WDM-PON将提供到家庭和公司的100Mbps专用光纤连接。在这种架构下，法布里－珀罗激光器作为光源，通过宽带光源（如被泵浦的掺铒光纤）提供的被滤波的放大自发辐射将注入光锁定。

尽管这种系统成本较低，它可以实现20公里内1Gbps的传输。但目前，全球唯有韩国在发展WDM-PON。这种技术尚未列入ITU标准。

CWDM-PON也是一种低成本的技术方案，和DWDM不同，CDWM的波长间隔为20nm。其它新产生的技术都是基于码分复用的（CDM）。目前，每用户比特率仍限制在100Mbps。

尽管如此，由于可以实现更多的带宽分享，从TDM-PON到混合WDM/TDM-PON的演进更有可能。

IEEE和全业务接入网络（FSAN）组织正积极地致力于下一代接入网标准的制定和10Gbps系统的标准化。IEEE在2007年11月通过IEEE 802.3av工作组发布了10G PON细则的第一个草案。

由于网络总成本和用户数量密切有关，发送机和接收机的成本是接入网的主要问题。10Gbps光收发器目前主要用于长距离网络中，苛刻的性能要求使得它的成本对于接入网来说显得较高。

OFDM技术——它从射频传输领域直接引申过来，应用在xDSL传输中——由于以下两个原因，提供了另一种低成本的方案。首先，应用在射频传输中的线性分布反馈激光器（DFB）可以直接应用在接入网中，从而节省了成本。由10Gbps数字城域网市场支持的激光器和接收机模块已经产业化，其较低的成本已经到了接入网可承受的范围。其次，OFDM技术非常成熟，它的配套软件开发不成问题。

光源和滤波器元件近期的进展使得基于WDM的PON可以共享元器件。而且随着数字通信网的进展，接入网的比特率增长也成为可能。

有不少可以提升比特率的方法。长距离系统中应用的外调制器和高性能接收机对于接入网来说显得成本过高。最好的方法是应用其它调制格式以增加传输信号的谱效率。OFDM调制格式是实现高谱效率的有效方法。而且这种调制格式的传输距离可以提高至100km，可以满足光接入网未来的需求。

OFDM及其优势ESf光波通信
OFDM是一种多载波技术，如图2所示，高速数据流被分成多个平行的低速数据流，然后调制在不同频率的子载波上传输。通常情况下，每一个子载波依据m-ary正交幅度调制（m-QAM）星座映射到复平面（complex values）。在实践中，快速傅立叶转换（FFT）算法被用来产生和解调OFDM信号。


图2：OFDM信号在时域和频域的表征。

OFDM增加了高比特率信号抵抗产生码间串扰的色散等的负面影响的能力。事实上，将信号分成子载波的低速率信号和使用循环前缀抵消了光纤产生的衰减。

OFDM由于可提高传输距离和比特率，是建设未来光纤接入网新系统的较好方案。它很好地消除了通过长距离PON融合城域网和接入网的障碍。

事实上，著名而经典的NRZ码在10Gbps甚至更高速率时存在缺点。在线色散补偿可能非常昂贵，复杂的操作规程可能增加光接入发展的成本。OFDM的另一个优势是可以应用OFDMA，以动态地向用户分配载波或服务。

OFDM的实施可采用不同的网络架构（如图3）。包括应用白光ONU再调制架构的TDM-PON和WDM-PON。这些架构的创新在于通过低带宽激光器直调和光探测器直接探测实现OFDM调制格式。另外大家也都知道OFDM码型不需要色散补偿。而且不同调制码型例如NRZ和OFDM等可以在同一个架构中共存。


图3：PON结构中的OFDM方案。

截至目前，还没有供应商提供应用OFDM技术的接入系统。尽管如此，很多研究不仅包括接入网，还包括长距离传输，已经基于OFDM广泛展开。

最新动态ESf光波通信
全球范围内已经开展OFDM码型调制应用的研究，以开发新的光网络架构。

例如，法国ANR项目“应用OFDM调制码型的增强型PON”（EPOD）和欧盟项目“灵活光子家庭和接入网络架构”(ALPHA)目前已经开始研发基于OFDM的、可提高传输距离和比特率的、满足未来光接入网络需求的新系统（如图4）。NEC实验室和澳大利亚国家ICT已经发表成功传输10Gbps OFDM信号的案例。


图4：ALPHA项目中64-QAM OFDM信号传输50km后的星座图。

为了达到目标系统性能，尤其是满足OFDM 40Gbps需求，已有一些新的模拟发送机和接收机处于研发阶段。这些模块拥有高线性度、高输出功率（>10dBm）和宽带宽（>10GHz）。

最近，Orange实验室首次实验演示了应用7GHz带宽直调DFB激光器，实现19Gbps、25km的下一代PON（NG-PON）传输系统。而且，应用相同技术无色散补偿也可以实现10Gbps传输100km。

它应用的激光器是3S PHOTONICS在EPOD项目中研制的激光器样品，用DMT信号和自适应功率-比特加载算法进行调制。

该技术被应用在xDSL传输中，它通过测量每个子载波通道状态信息，由频带的函数自适应每个子载波的比特和功率水平，可实现高比特率。在我们的案例中，CSI是接收机检测到的信噪比（SNR），然后高信噪比的子载波将会比低信噪比的子载波分配更多的比特。

这些初步结果为未来从容应对带宽容量的爆发式增长提供了可能，通过直调宽带模拟激光器，在接入网中能够传输大于10Gbps的信号。而且考虑在WDM-PON或TDM-PON架构中应用OFDM，可能仅仅更换终端设备后，就可在已安装的诸如GPON等光纤接入网络上叠加下一代设备。

在光接入网络的演变中，为10Gbps城域网开发的激光器和接收机模块的工业成熟性和成本将不再是个大问题。随着这些网络提高了比特率、延长了传输距离，10Gbps城域激光器和接收机通过满足接入网，至少是光线路终端（OLT）的需求，将会延长生命周期，在未来几年内仍有较大的发展机会。