CN114070735B - 基于Manchester码与PAM4的组合码升级无源光网络的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于Manchester码与PAM4的组合码升级无源光网络的系统，其中心局包括新光线路终端、旧光线路终端；远程节点具有分光器；光网络系统包括新光网络单元、旧光网络单元；新光线路终端连接第一波分复用器、第二波分复用器；旧光线路终端连接第一波分复用器、第二波分复用器；连接第一波分复用器、第二波分复用器都连接第一光环形器；第一光环形器通过光纤连接第一分光器；第一分光器连接旧光网络单元、新光网络单元，或，第一分光器连接旧光网络单元、第一新光网络单元、第二分光器，第二分光器连接第二新光网络单元，或，第一分光器连接旧光网络单元、第二分光器，第二分光器连接新光网络单元。本发明保证了升级过程中新旧链路的正常通信，实现新PON的平滑升级。

Description

基于Manchester码与PAM4的组合码升级无源光网络的系统

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及将旧无源光网络(PON)升级到下一代无源光网络(PON)的网络体系结构，更具体的说，本发明涉及一种网络体系结构，该网络体系结构能够通过Manchester码与PAM4的组合码将原本已经存在的旧PON系统升级到下一代PON系统，以此提升系统带宽速率，同时能够保持旧PON的通信服务。

背景技术

目前PON已经得到了广泛的应用。根据共用光纤的方法，PON技术主要分为TDM-PON和WDM-PON。在TDM-PON中主要利用时分多址(TDMA)来共用光纤。然而在TDM-PON中，上下行速率都是固定的，当有多个用户共用一个PON网络时，提供给每个用户的带宽会降低，用户增多这种变化更大。然而，由于互联网的发展，大量的图像与视频服务使得人们对带宽需求快速增加，TDM-PON技术十分成熟，人们需要更高速率的TDM-PON。具有更高比特率和更好性能的TDM-PON正在研究中。

科技的高速发展导致过去已经部署的PON并不能满足人们的需求，人们需要更高速的PON网络来满足生产生活。但PON对成本比较敏感，其投资主要来自光分布网(ODN)的安装。重新部署新PON链路成本高昂，已部署的光网络单元部分改造困难而中心局改造简单。因此，平滑升级要求新PON重用已部署的ODN以避免重新部署高成本的基础设施，这要求两代PON在升级阶段能够共存，且不会中断旧PON的服务。

新PON和旧PON通常占据不同的波长范围，因此它们可以被新的光网络单元(ONU)中的滤波器或光线路终端(OLT)中的波分复用器(WDM)隔开。滤波器和WDM的作用使得旧下行信号与新下行信号以及上行信号之间的串扰非常低。但是，旧ONU并未配备针对新PON波长的滤波器，其滤波器通常仅用于下行/上行信号分离。旧ONU的数量众多且分布广泛，因此向旧ONU添加新滤波器的改造成本太高。所以，升级方法的主要目的是在不改变ODN和旧ONU的情况下，减少或消除升级过程中新PON下行信号与旧PON下行信号之间的串扰。

现有PON升级的方法包括副载波调制、同步脉冲间插和频谱整形编码(SSLC)等。

在上述现有这些方法中，有的实现复杂，有的成本高昂，其中SSLC被认为是一种经济有效的方法，这种编码抑制了新PON信号中能够对旧PON信号产生串扰的低频成分，并且这种升级方法可以仅通过软件操作，而不需要额外的设备，因此既经济又灵活。在SSLC中，曼彻斯特编码生成和检测简单，表现出了最好的低频抑制效果。但其缺点是编码效率仅为50％，导致新PON信号的有效比特率较低。

发明内容

针对以上现有技术存在的复杂、成本高、信号有效比特率较低、PON带宽限制较大等问题，本发明提出了一种基于Manchester码与PAM4的组合码将旧无源光网络(PON)升级到下一代无源光网络的网络体系结构，本发明利用波分复用器实现新旧上行信号分离，新旧下行信号共存，利用Manchester-PAM4频率高、编码效率维持在100％、生成简单的特点，提升了TDM-PON的带宽，有效解决了以现有技术存在的问题。该体系结构可以在不改变现有PON网络的情况下，保持旧信号的正常传输，同时也能实现高速新信号的传输。

本发明采取技术方案如下：

基于Manchester码与PAM4的组合码升级无源光网络的系统，其包括：

中心局：包括新光线路终端、旧光线路终端；

远程节点：具有分光器；

光网络系统：包括新光网络单元、旧光网络单元；

新光线路终端连接第一波分复用器、第二波分复用器；旧光线路终端连接第一波分复用器、第二波分复用器；连接第一波分复用器、第二波分复用器都连接第一光环形器；第一光环形器通过光纤连接第一分光器；第一分光器连接旧光网络单元、新光网络单元，或者，第一分光器连接旧光网络单元、第一新光网络单元、第二分光器，第二分光器连接第二新光网络单元，或者，第一分光器连接旧光网络单元、第二分光器，第二分光器连接新光网络单元。

优选的，网络体系结构中，旧光线路终端OLT包括下行NRZ数据发射模块、上行NRZ数据接收模块，下行信号采用普通的OOK调制。其中下行NRZ数据发射模块包括光源、马赫曾德尔调制器、NRZ数据产生模块。上行NRZ数据接收模块包括光电探测器、低通滤波器、信号处理模块。

优选的，新光线路终端OLT包括下行Manchester-PAM4数据发射模块、上行NRZ数据接收模块，下行信号采用四电平的Manchester-PAM4调制。其中，下行Manchester-PAM4数据发射模块包括光源、四电平马赫曾德尔调制器、Manchester-PAM4编码器、NRZ数据序列，上行NRZ数据接收模块包括光电探测器、低通滤波器、信号处理模块。

新光线路终端包括NRZ数据序列、Manchester-PAM4编码器、光源、四电平马赫曾德尔调制器、信号处理模块、低通滤波器、光电探测器，NRZ数据序列通过Manchester-PAM4编码器与四电平马赫曾德尔调制器连接，光源与马赫曾德尔调制器连接，四电平马赫曾德尔调制器与第一波分复用器相连；第二波分复用器与光电探测器相连，光电探测器通过低通滤波器与信号处理模块连接。

优选的，单模光纤SMF用于对上下行信号进行传输。

优选的，旧光网络单元ONU包括下行NRZ数据接收模块、上行NRZ数据发送模块，光环形器，上行信号采用普通的OOK调制。

优选的，新光网络单元ONU包括下行Manchester-PAM4数据接收模块、上行NRZ数据发送模块、光环形器，其中，环形器的第1端口与发射端相连，第2端口与光滤波器相连，第3端口与接收端相连，上行信号采用普通的OOK调制。其中，下行Manchester-PAM4数据接收模块包括光滤波器、光电探测器、低通滤波器和信号处理模块，上行NRZ数据发送模块包括光源、马赫曾德尔调制器、上行NRZ数据产生模块。

新光网络单元包括光滤波器、光电探测器、低通滤波器、信号处理模块、光源、上行NRZ数据产生模块、马赫曾德尔调制器，光源、上行NRZ数据产生模块都与马赫曾德尔调制器相连，马赫曾德尔调制器与第二光环行器的第1端口连接；信号处理模块依次通过光电探测器、低通滤波器后与第二光环行器的第3端口连接；第二光环行器的第2端口与光滤波器连接。

其中，新旧OLT的光源波长不同。

本发明网络体系结构在升级时不改变旧ONU链路，且新旧PON信号波长不同。

本发明还提供一种基于Manchester码与PAM4的组合码调制的新旧PON升级系统的升级方法，方法包括以下步骤：

在下行方向：

步骤1：在系统中加入新OLT，在新OLT中，数字信号经过软件上线路编码之后转换成Manchester-PAM4数据格式，并将该数据比特速率设置为12.5Gb/s；

步骤2：系统中已有的旧OLT数据格式为NRZ，数据比特率设置为1.25Gb/s；

步骤3：步骤1,2中的数字信号经过电脉冲产生器后作为光载荷的电输入信号，经过光幅度调制器调制到光载波上形成光载波信号；

步骤4：新OLT信号与旧OLT信号通过波分复用器合路后在25km单模光纤中传输，合路信号通过分光器等分成若干部分传输至每一个ONU中。

步骤5：在旧ONU中，光信号经过光电探测器，低通滤波器后解调出旧信号；新ONU中，光经过光滤波器将旧波长滤除后，通过光电探测器，低通滤波器解调出新信号。

步骤6：当网络中旧ONU全部升级为新ONU时，通过软件操作，将数据到Manchester-PAM4调制格式的映射关系解除。从图10可以看出，当存在映射关系时，需要四个比特表示两个比特的信息，而当映射关系取消，四个比特能够表示四个比特信息，由此进一步提升传输速率。

优选地，步骤1中，Manchester-PAM4数据格式的产生：此为通过映射产生的数据。映射表格如图10所示。结合四电平马赫曾德尔调制器，将Manchester-PAM4数据格式调制为Manchester-PAM4波形。

优选地，步骤1，2中，不同的OLT发射信号波长互不相同，利用波分复用实现在线路中的共存。

优选地，步骤3中，光幅度调制器为马赫曾德尔调制器，消光比为常见的14dB。

优选地，步骤4中，两种信号得益于处在不同的频段，可以不相互干扰同时共存传输。

优选地，步骤5中，旧ONU中由于没有光滤波器，得到的信号为新旧信号，但是新信号为高频信号，而旧ONU的低通滤波器带宽有限，因此能够自动滤除新信号；新ONU中由于存在光滤波器，因此首先将旧波长滤除，再接收新波长信号。

在上行方向：

步骤1：新旧ONU通过调制器发射不同波长的上行信号并共同在SMF中传输。其中，新旧ONU波长不同，所有新ONU同为一个波长。

步骤2：当合路信号传输到CO中，通过WDM2将不同波长的上行信号分离分别传输至新旧OLT中接收处理。

优选地，新旧ONU中调制器为二阶马赫曾德尔调制器。

本发明提出的一种基于Manchester码与PAM4的组合码将旧PON升级到下一代PON的方法与网络体系结构，其有益效果是：

1)采用Manchester-PAM4信号作为新PON链路的信号格式，该格式有效的降低了低频分量，因此对旧PON链路造成的串扰较小。

2)相较于其他拥有低频抑制能力格式的信号，如Manchester编码信号，Manchester-PAM4信号的编码效率为100％，能够有效的提升信号传输能力。

3)得益于Manchester-PAM4为四电平信号，其能够在不更改硬件设备仅通过软件操作的情况下实现向PAM4格式信号的转变。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细的描述。

图1为基于Manchester码与PAM4的组合码将旧PON升级到下一代PON的网络体系结构示意图。

图2为旧OLT内部结构示意图。

图3为新OLT内部结构示意图。

图4为新ONU内部示意图。

图5为新ONU下行Manchester-PAM4数据接收模块。

图6为新ONU上行NRZ数据发送模块。

图7为新/旧下行信号共存时的眼图，(a)：旧下行NRZ格式信号眼图，(b)：新Manchester-PAM4格式下行信号眼图。

图8为Manchester-PAM4等编码示意图。

图9为新旧信号共存时的BER曲线图。图中：横轴为接收光功率，纵轴BER表示误码率大小，其中接收端的BER性能对比分别有：经过25km单模光纤传输的1.25Gb/s的NRZ信号和12.5Gb/s的Manchester-PAM4信号。

图10为二进制数据到Manchester-PAM4编码数据的映射关系表。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例基于Manchester码与PAM4的组合码将旧无源光网络升级到下一代无源光网络的网络体系系统包括：拥有光线路终端的中心局CO、单模光纤SMF与光网络系统。

其中，中心局包括新光线路终端OLT、旧光线路终端OLT、波分复用器WDM以及光环形器。新、旧光线路终端的下行数据发射模块(对应图2的下行NRZ数据发射模块、图3下行Manchester-PAM4数据发射模块)与波分复用器WDM1相连，波分复用器WDM1连接到光环形器的第1端口，新、旧光线路终端的上行NRZ数据接收模块(对应图2、3的上行NRZ数据接收模块)与波分复用器WDM2相连，波分复用器WDM2连接到光环形器的第3端口，光环形器的第2端口与25km光纤SMF相连。

光网络系统包括远端节点RN、光纤和光网络单元ONU；其中，远端节点RN为分光器，分光器端口取决于光网络单元的数量，其端口连接数个旧ONU、新光网络单元ONU或下一层(一个或多个)分光器。当在结构中新增光网络单元ONU时，既能直接与分光器相连，也可通过增加分光器数量以进一步增加光网络单元ONU数量。在下行方向，不同波长的OLT信号经过波分复用传输至分光器，并分成若干份，其中部分传输至旧ONU进行解调，另一部分传输至新ONU中解调。在上行方向，不同波长的ONU信号经耦合传输，再通过解复用分别传输至对应的OLT中进行解调。

光线路终端OLT分为旧光线路终端与新光线路终端，其中，旧光线路终端包括下行NRZ数据发射模块、上行NRZ数据接收模块，下行信号采用普通的OOK调制。旧光线路终端上下行模块都是目前主流的发射/接收NRZ信号的模块，实施例中，下行速率为1.25Gb/s。新光线路终端包括下行Manchester-PAM4数据发射模块、上行NRZ数据接收模块(对应图3)，下行信号采用四电平的Manchester-PAM4调制。新光线路终端发射模块如图3所示，采用的是Manchester-PAM4编码，并且发射速率有所提升，达到12.5Gb/s。新旧光网络单元的上行速率皆为1.25Gb/s。如图3所示，新光线路终端OLT包括NRZ数据序列、Manchester-PAM4编码器、光源、四电平马赫曾德尔调制器、信号处理模块、低通滤波器、光电探测器，NRZ数据序列通过Manchester-PAM4编码器与马赫曾德尔调制器连接，光源与马赫增德尔调制器连接，马赫曾德尔调制器与波分复用器WDM1相连。下行发射信号处理的过程：NRZ数据序列由Manchester-PAM编码器编码为Manchester-PAM4信号，然后该信号被马赫曾德尔调制器调制到光载波上进行信息传输。波分复用器WDM2与光电探测器相连，光电探测器通过滤波器与信号处理模块连接。上行信号接收处理过程：从上行传输后的信号通过光电转探测器将光信号转换为电信号后再通过接收带宽有限的低通滤波器过滤掉高速的下行波长信号的干扰，接收到的信号即为上行NRZ数据信号。数据产生模块中，旧光线路终端模块产生NRZ信号，新光线路终端模块产生Manchester-PAM4信号。图1中的下行Mandchester-PAM4信号，对应图3中下行Manchester-PAM4数据发射模块中的NRZ数据序列经Manchester-PAM4编码器编码后的信号。图1的下行Mandchester-PAM4信号输入图4中的信号处理模块；上行NRZ输入图6的上行NRZ数据发送模块。

光网络单元ONU分为旧光网络单元与新光网络单元，两者的区别在于新光网络单元中有能够滤除波长的光滤波器，实现波长选择功能，并且其接收速率与发射速率都有所提升。旧光网络单元包括下行NRZ数据接收模块、上行NRZ数据发送模块，上行信号采用普通的OOK调制。新光网络单元包括下行Manchester-PAM4数据接收模块、上行NRZ数据发送模块(下行Manchester-PAM4数据接收模块对应图5、上行NRZ数据发送模块对应图6)，上行信号采用普通的OOK调制。如图4所示，新光网络单元ONU包括光滤波器、光电探测器、滤波器、信号处理模块、光源、上行NRZ数据产生模块、调制器，光源、上行NRZ数据产生模块都与调制器相连，调制器与光环行器的第1端口连接；信号处理模块依次通过滤波器、光电探测器后与光环行器的第3端口连接；光环行器的第2端口与光滤波器连接。上行信号发射处理过程：上行NRZ数据产生模块通过马赫曾德尔调制器调制到光源发射的光载波上进行信息传输。下行信号接收处理过程：经过光纤传输后的信号通过光滤波器滤除下行旧PON波长，从而让新PON的ONU能够滤掉旧PON信号。光滤波器主要作用是滤除不需要的旧波长信号，接收目标新波长信号。Manchester-PAM4调制信号为四电平信号，每个Manchester-PAM4符号分为两个互补部分。该信号能够抑制低频分量并保持编码效率为100％。

PON链路增加部署与升级设备时，采用Manchester-PAM4调制方式的新OLT与能够接收Manchester-PAM4格式新信号的新ONU速率提升以升级用户下行带宽。当线路中只有新ONU时，将Manchester-PAM4格式更改为PAM4以进一步升级用户下行带宽。

在下行方向，旧OLT发射的下行信号与新OLT发射的下行信号经WDM1复用共同在单模光纤中传输，经分光器等分后传输至光网络单元，旧光网络单元由于其滤波器的带宽有限，只能接收到低速的NRZ信号，而高速高频的Manchester-PAM4信号则被自动滤除，由此实现旧光网络单元中的新旧信号分离操作。而在新光网络单元，由于其接收端拥有光滤波器，能将旧的光网络波长直接滤除，因此其接收到的只有新波长信号。经过仿真验证了该网络体系结构的可行性，如图7、图9所示。图7(a)为旧光网络单元接收的NRZ信号眼图，(b)为新光网络单元接收的Manchester-PAM4信号。从图9可以看出，旧NRZ信号的时的最小接收光功率(误码率为10E-3)为-33dBm，新Manchester-PAM4信号的最小接收光功率为-20dBm。这个接收光功率满足新光网络的功率预算。通过仿真验证了本发明网络体系结构的可行性。

进一步地，在上行方向，新旧ONU发射各自波长的上行信号，经过合路器耦合并在单模光纤中传输，在中心局时，通过WDM2解复用实现不同信号发送至不同的OLT中。由此实现上行信号传输。上行传输采用现有的波分复用技术。

当升级完成，系统中只有新ONU时，可将中心局CO中的旧OLT、波分复用器等用于区分新旧信号的设备删除；并将新OLT中的PAM4到Manchester-PAM4格式信号的映射关系解除，例如：原先需要发射四个比特以代表两比特信息，取消映射关系以后，四个比特就能代表四个比特的信息。至此，新OLT将发射PAM4信号，进一步提升了系统下行带宽。

本实施例采用基于Manchester-PAM4将旧无源光网络升级到下一代无源光网络的网络体系系统，具有以下优点：

1)Manchester-PAM4频率较高，对旧信号的影响较小。

2)Manchester-PAM4可由软件切换成PAM4编码。

3)该网络体系结构在中心局升级设备，在线路中增加新ONU而未大规模改动旧ONU，因此成本低，可行性高。

本发明公开了一种基于Manchester-PAM4的将旧无源光网络(PON)升级到下一代无源光网络的网络体系系统属于网络升级领域。其中旧无源光网络包括具有旧光线路终端(OLT)的中心局(CO)；具有分光器的远程节点(RN)以及通过分光器相连的多个旧光网络单元(ONU)。通过单模光纤(SMF)将所有设备相连。网络体系中还包括下一代PON的新光线路终端(OLT)，用于将新旧波长信号复用与解复用的波分复用器(WDM)以及通过分光器相连的多个新光网络单元(ONU)。同时共用SMF。其中，新OLT下行信号的调制方式采用Manchester-PAM4，其将Manchester与PAM4调制相结合，抑制了低频分量，降低了共存时的串扰，同时保持了100％的编码效率。本发明保证了升级过程中新旧链路的正常通信，最终能够实现新PON的平滑升级，成本低，易操作，适合在PON的升级中使用。

本领域技术人员可显见，本发明上述概述并不意味着阐述了本发明的每一个示例性的实施例或每一种实施方式，容易对本发明进行各种修改和形式替换而不偏离本发明的精神和范围。因此，旨在使本发明覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方法范围内的对本发明的修改、替换及其等同形式。

Claims (4)

1.基于Manchester码与PAM4的组合码升级无源光网络的系统，其特征是包括：

中心局：包括新光线路终端、旧光线路终端；

远程节点：具有分光器；

光网络系统：包括新光网络单元、旧光网络单元；

新光线路终端连接第一波分复用器、第二波分复用器；旧光线路终端连接第一波分复用器、第二波分复用器；第一波分复用器、第二波分复用器都连接第一光环形器；第一光环形器通过光纤连接第一分光器；第一分光器连接旧光网络单元、新光网络单元，或者，第一分光器连接旧光网络单元、第一新光网络单元、第二分光器，第二分光器连接第二新光网络单元，或者，第一分光器连接旧光网络单元、第二分光器，第二分光器连接新光网络单元；

新光线路终端包括PRBS伪随机序列、Manchester-PAM4编码器、光源、马赫曾德尔调制器、信号处理模块、滤波器、光电探测器，PRBS伪随机序列通过Manchester-PAM4编码器与马赫曾德尔调制器连接，光源与马赫曾德尔调制器连接，马赫曾德尔调制器与第一波分复用器相连；第二波分复用器与光电探测器相连，光电探测器通过滤波器与信号处理模块连接；

新光网络单元包括光滤波器、光电探测器、滤波器、信号处理模块、光源、上行NRZ数据产生模块、调制器，光源、上行NRZ数据产生模块都与调制器相连，调制器与第二光环行器的第1端口连接；信号处理模块依次通过滤波器、光电探测器后与第二光环行器的第3端口连接；第二光环行器的第2端口与光滤波器连接。

2.根据权利要求1所述的基于Manchester码与PAM4的组合码升级无源光网络的系统，其特征在于，新光线路终端与旧光线路终端的光源波长不同。

3.根据权利要求1所述的基于Manchester码与PAM4的组合码升级无源光网络的系统，其特征在于，新光线路终端中，数字信号经过软件上线路编码之后转换成Manchester-PAM4数据格式，该数据比特速率设置为12.5 Gb/s。

4.根据权利要求3所述的基于Manchester码与PAM4的组合码升级无源光网络的系统，其特征在于，Manchester-PAM4数据格式通过映射产生，结合四电平马赫曾德尔调制器，将Manchester-PAM4数据格式调制为Manchester-PAM4波形。