CN118785023A - 基于上/下边带调制的有线/无线混合光接入系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于上/下边带调制的有线/无线混合光接入系统与方法，涉及光通信和毫米波通信技术领域，所述系统包括：光线路终端OLT、下行光纤链路和光网络单元ONU；其中，光线路终端OLT、下行光纤链路和光网络单元ONU依次通讯连接；OLT包括一个下行链路发射模块，所述下行链路发射模块用于将第一二进制数据流D1和第二二进制数据流D2经过正交幅度QAM映射后，加载到两个频率同为fIF的中频载波上产生两个中频QAM信号；本发明能够增加ONU接入方式的灵活性，同时能够为两个ONU提供有线或无线选择性接入，实现2×2MIMO系统功能，提高系统传输容量，降低网络成本。
Description
技术领域
本发明涉及光通信和毫米波通信技术领域，特别是涉及一种基于上/下边带调制的有线/无线混合光接入系统与方法。
背景技术
随着互联网和大数据业务的快速发展，随之而来的带宽、数据速率和灵活性需求刺激了高速、大容量、高灵活性光网络技术的研究和发展，为了满足当前信息产业的无线、宽带和智能化需求，下一代接入网将朝着既能实现高速数据的远距离传输，又能提供泛在网络和灵活接入的方向发展。
光纤有线接入网虽然可以提供大宽带，但网络接入方式的灵活性受限，而无线接入网可以提供灵活方便的接入方式，但传输速率和距离都较低。因此，这两种网络已经无法单独地满足人类社会对接入网带宽、传输速率和接入方式灵活性的需求。但它们两个可以优势互补，相辅相成，融合成一个混合有线/无线接入网来满足人类社会对下一代接入网的需求，为万物提供高速、大宽带的有线和无线双重接入服务。融合有线和无线的混合光接入网能够充分利用网络资源，降低网络构建成本，并且能够利用光纤的大带宽实现高速率数据的长距离传输；在接收端也能提供有线或无线的选择性接入，即可以根据终端用户的需求，提供灵活便捷的网络接入方式。因此，迫切需要提出一种新的光纤有线接入网与无线接入网的融合方法。
光纤射频传输（Radio over Fiber，RoF）技术融合了光纤有线接入网和无线接入网的优点，成为未来大宽带和长距离无线接入网的潜在候选者，促进了有线和无线接入网的融合。在无线接入网中，60GHz频段接入网因其有7GHz无需授权的宽带可用性而备受关注。作为一种有线接入网，无源光网络（Passive Optical Network，PON）具有容量大、覆盖范围广、配置成本低、可升级等优点。
目前，存在有一些基于RoF和PON技术的光纤有线接入网与无线接入网融合的混合光接入网方案；这些方案虽然可以实现有线与无线接入的一体化，但存在网络集成度低、调制格式不透明、频谱利用率和传输速率低、网络接入方式固定化和网络结构复杂的技术问题。
发明内容
本发明提供一种基于上/下边带调制的有线/无线混合光接入系统与方法，以解决现有技术中，融合有线和无线接入网的混合接入网的网络融合度低、网络结构复杂、接入方式固定化和数据调制格式不透明的技术问题
根据本申请的第一方面，提供了一种基于上/下边带调制的有线/无线混合光接入系统，所述系统包括：
光线路终端OLT、下行光纤链路和光网络单元ONU；其中，光线路终端OLT、下行光纤链路和光网络单元ONU依次通讯连接；
OLT包括一个下行链路发射模块，所述下行链路发射模块用于将第一二进制数据流D1和第二二进制数据流D2经过正交幅度QAM映射后，加载到两个频率同为fIF的中频载波上产生两个中频QAM信号；
所述下行链路发射模块包括：第一连续激光器LD1、第二连续激光器LD2、第一线性调制器MZM1、第二线性调制器MZM2和光耦合器OC1；其中，LD1、MZM1和OC1依次通讯连接；LD2、MZM2和OC1依次通讯连接；LD1发出的频率为f1的光波入射至MZM1，LD2发出的频率为f2的光波入射至MZM2；所述MZM1和MZM2均工作在单边带调制的格式下，MZM1产生的单边带USSB-QAM1光信号包含频率为f1的光载波和频率为f1+fIF的携带下行QAM1的+1阶光边带，MZM2产生的DSSB-QAM2光信号包含频率为f2的光载波和频率为f2-fIF的携带下行QAM2的-1阶光边带，通过OC1将MZM1产生的USSB-QAM1光信号和MZM2产生的DSSB-QAM2光信号耦合在一起组成下行融合光信号；经过下行光纤链路传输，下行融合光信号从OLT传输至ONU；
ONU包括：光开关OS1、第一混合光网络单元HONU1和第二混合光网络单元HONU2；其中，HONU1包括光开关OS2，HONU2包括光开关OS3；OS1将接收到的下行融合光信号分别路由到HONU1和HONU2中，利用OS2和OS3将下行融合光信号分别路由到HONU1和HOUN2各自的下行有线接入模块和下行无线信号发射模块；
对于下行有线接入，在下行有线接入模块中，HONU1和HONU2利用一个中心频率可调的光带通滤波器将下行融合光信号分解成包含不同光学成分的两个单边带光信号OSSB1和OSSB2；其中，OSSB1包含未被数据调制的频率为f1的光载波和频率为f1+fIF的携带下行QAM1信号的光边带；OSSB2包含未被数据调制的频率为f2的光载波和频率为f2-fIF的携带下行QAM1信号的光边带；OSSB1或OSSB2经过高速光电探测器，进行外差拍频，产生频率为|(f1+fIF)-f1|=fIF或|(f2-fIF)-f2|=fIF的分别携带下行QAM1和QAM2的中频电信号；所述中频电信号经频率为fIF的中频本振信号相干解调恢复出下行基带电信号，实现下行QAM1或QAM2信号在HONU1和HONU2的有线接入；
对于下行无线接入，在下行无线信号发射模块中，HONU1和HONU2利用两个光纤布拉格光栅FBG1、FBG2和一个光耦合器OC2把下行融合光信号分解成包含不同光学成分的单边带光信号；下行融合光信号经过FBG1和FBG2，把频率为f1+fIF的携带下行QAM1信号的光边带和频率为f2的未被数据调制的光载波透射过去，产生单边带光信号OSSB3；利用一个高速光电探测器进行外差拍频，产生频率为|(f1+fIF)-f2|=6fIF的携带下行QAM1信号的毫米波信号，馈送至天线，并发射至无线用户终端；在无线用户终端，下行无线接入信号由天线接收后被频率为6fIF的毫米波本振信号相干解调恢复出下行基带电信号；而频率为f2-fIF的携带下行QAM2信号的光边带和频率为f1的未被数据调制的光载波被两个FBGs反射回来后，首先经过OC2耦合后产生单边带光信号OSSB4，然后利用一个高速光电探测器进行外差拍频，产生频率为|(f2-fIF)-f2|=6fIF的携带下行QAM2信号的毫米波信号，馈送至天线，并发射至无线用户终端；在无线用户终端，下行无线接入信号由天线接收后被频率为6fIF的毫米波本振信号相干解调恢复出下行基带电信号，实现下行QAM1和QAM2信号在HONU1和HONU2的无线接入。
进一步的，f1-f2=5fIF。
进一步的，在下行链路发射端中，MZM1采用上边带调制格式将下行QAM1信号仅调制到频率为f1+fIF的+1阶光边带上，而频率为f1的中心光载波未携带数据信息；MZM2采用下边带调制格式将下行QAM2信号仅调制到频率为f2-fIF的-1阶光边带上，而频率为f2的中心光载波未被数据信息调制；其中f1-f2=5fIF。
进一步的，在ONU中分别实现下行QAM1和QAM2信号的有线或无线选择性接入，实现2×2MIMO系统。
进一步的，在HONU1和HONU2的下行有线接入模块中：通过调节可调谐光带通滤波器的中心波长将下行融合光信号分解成包含不同光学成分的单边带光信号；
当光带通滤波器的中心频率为f1+1/2fIF时，下行融合光信号被分解成包含携带下行QAM1信号的频率为f1+fIF的+1阶光边带和频率为f1的空白光载波的单边带光信号OSSB1；
当光带通滤波器的中心频率为f2-1/2fIF时，下行融合光信号被分解成包含携带下行QAM2信号的频率为f2-fIF的-1阶光边带和频率为f2的空白光载波的单边带光信号OSSB2，然后OSSB1或OSSB2经过高速光电探测器，进行外差拍频，产生频率为|(f1+fIF)-f1|=fIF或|(f2-fIF)-f2|=fIF的分别携带下行QAM1和QAM2的中频电信号；进而产生的中频电信号，经频率为fIF的中频本振信号相干解调恢复出下行基带电信号，实现下行QAM1或QAM2信号分别在HONU1和HONU2的有线接入。
进一步的，在HONU1和HONU2的下行无线信号发射模块中：首先利用两个布拉格波长分别为f1+fIF和f2的FBG1和FBG2把频率为f1+fIF的携带下行QAM1信号的光边带和未被下行数据调制的频率f2的光载波透射过去，而频率为f2-fIF的携带下行QAM2信号的光边带被FBG1反射回来，而未被数据调制的频率为f1的光载波被FBG2反射回来；从两个FBGs透射出的单边带光信号OSSB3经过一个高速光电探测器外差拍频后产生频率为|(f1+fIF)-f2|=6fIF的携带下行QAM1信号的毫米波信号；而被两个FBGs反射回来的两个光边带经过光耦合器耦合在一起组成单边带光信号OSSB4，之后利用一个高速光电探测器进行外差拍频，产生频率为|f1-(f2-fIF)|=6fIF的携带下行QAM2信号的毫米波信号，产生的分别携带下行QAM1和QAM2信号的毫米波信号馈送至天线，并发射至无线用户终端；在无线用户终端，下行无线接入信号由天线接收后被频率为6fIF的毫米波本振信号相干解调恢复出下行基带电信号，实现下行QAM1和QAM2分别在HONU1和HONU2的无线接入。
进一步的，HONU1和HONU2采用的形式包括：只包含下行QAM1信号的有线接入下行链路；只包含下行QAM1信号无线接入下行链路；同时包含下行QAM1信号的有线和无线接入下行链路；同时包含下行QAM1和QAM2信号的有线和无线接入下行链路。
进一步的，HONU1和HONU2具有相同的网络结构。
根据本申请的另一方面，还提供了一种基于如第一方面所述的基于上/下边带调制的有线/无线混合光接入系统的混合光接入方法，其特征在于，所述方法包括：
将LD1发出的频率为f1的光波入射至MZM1，LD2发出的频率为f2的光波入射至MZM2；所述MZM1和MZM2均工作在单边带调制的格式下，MZM1产生的单边带USSB-QAM1光信号包含频率为f1的光载波和频率为f1+fIF的携带下行QAM1的+1阶光边带，MZM2产生的DSSB-QAM2光信号包含频率为f2的光载波和频率为f2-fIF的携带下行QAM2的-1阶光边带；
通过OC1将MZM1产生的USSB-QAM1光信号和MZM2产生的DSSB-QAM2光信号耦合在一起组成下行融合光信号；经过下行光纤链路传输，下行融合光信号从OLT传输至ONU；设置f1-f2=5fIF；
HONU1和HONU2利用两个光纤布拉格光栅FBG1、FBG2和一个光耦合器OC2把下行融合光信号分解成包含不同光学成分的单边带光信号；下行融合光信号经过FBG1和FBG2，把频率为f1+fIF的携带下行QAM1信号的光边带和频率为f2的未被数据调制的光载波透射过去，产生单边带光信号OSSB3；
利用一个高速光电探测器进行外差拍频，产生频率为|(f1+fIF)-f2|=6fIF的携带下行QAM1信号的毫米波信号，馈送至天线，并发射至无线用户终端；在无线用户终端，下行无线接入信号由天线接收后被频率为6fIF的毫米波本振信号相干解调恢复出下行基带电信号；而频率为f2-fIF的携带下行QAM2信号的光边带和频率为f1的未被数据调制的光载波被两个FBGs反射回来后，首先经过OC2耦合后产生单边带光信号OSSB4，然后利用一个高速光电探测器进行外差拍频，产生频率为|(f2-fIF)-f2|=6fIF的携带下行QAM2信号的毫米波信号，馈送至天线，并发射至无线用户终端；在无线用户终端，下行无线接入信号由天线接收后被频率为6fIF的毫米波本振信号相干解调恢复出下行基带电信号，实现下行QAM1和QAM2信号在HONU1和HONU2的无线接入。
进一步的，在下行链路发射端中，MZM1采用上边带调制格式将下行QAM1信号仅调制到频率为f1+fIF的+1阶光边带上，而频率为f1的中心光载波未携带数据信息；MZM2采用下边带调制格式将下行QAM2信号仅调制到频率为f2-fIF的-1阶光边带上，而频率为f2的中心光载波未被数据信息调制。
本发明至少具有以下有益效果：
本发明的基于上/下边带调制的有线/无线混合光接入系统，能够实现两个光网络单元的有线或无线选择性接入，完成基于马赫增德尔调制器的上/下边带调制格式的下行融合光信号在光线路终端OLT和ONU之间的传输，增加ONU接入方式的灵活性，同时能够为两个ONU提供有线或无线选择性接入，实现2×2MIMO系统功能，提高系统传输容量，降低网络成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为本发明实施例提供的基于上/下边带调制的有线/无线混合光接入系统的链路原理图；
图2所示为本发明实施例提供的连续激光器1发射的频率为193.15THz的光载波的光谱，图1中位置（a）测得的效果图；
图3所示为本发明实施例提供的连续激光器2发射的频率为193.1THz的光载波的光谱，图1中位置（b）测得的效果图；
图4为本发明实施例提供的马赫曾德调制器MZM1在f IF=10GHz的中频QAM1信号驱动下产生的包含频率为193.15THz的光载波和频率为193.16THz的携带下行QAM1信号的+1阶光边带的单边带光毫米波信号的光谱，图1中位置（c）测得的效果图；
图5为本发明实施例提供的马赫曾德调制器MZM2在f IF=10GHz的中频QAM2信号驱动下产生的包含频率为193.1THz的光载波和频率为193.09THz的携带下行QAM2信号的-1阶光边带的单边带光毫米波信号的光谱，图1中位置（d）测得的效果图；
图6为本发明实施例提供的经过光耦合器1后产生的包含四个光边带的下行融合光信号的光谱，图1中（e）位置测得的效果图；
图7为本发明实施例提供的HONU1和HONU2中的可调谐光带通滤波器的中心波长调至为193.155THz时产生的单边带光载毫米波OSSB1的光谱图，图1中（f）位置测得的效果图；
图8为本发明实施例提供的HONU1和HONU2中的可调谐光带通滤波器的中心波长调至为193.095THz时产生的单边带光载毫米波OSSB2的光谱图，图1中（f）位置测得的效果图；
图9为本发明实施例提供的在HONU1和HONU2经外差拍频产生的携带下行QAM1信号的10GHz的中频电信号的频谱图，图1中（g）位置测得的效果图；
图10为本发明实施例提供的在HONU1和HONU2经外差拍频产生的携带下行QAM2信号的10GHz的中频电信号的频谱图，图1中（g）位置测得效果图；
图11为本发明实施例提供的第一种下行链路有线接入相干解调得到的下行4-QAM1信号的星座图和I、Q支路眼图；
图12为本发明实施例提供的第二种下行链路有线接入相干解调得到的下行4-QAM1信号的星座图和I、Q支路眼图；
图13为本发明实施例提供的第一种下行链路有线接入相干解调得到的下行4-QAM2信号的星座图和I、Q支路眼图；
图14为本发明实施例提供的第二种下行链路有线接入相干解调得到的下行4-QAM2信号的星座图和I、Q支路眼图；
图15为本发明实施例提供的在HONU1和HONU2被FBG1反射回来的未被下行数据调制频率为193.15THz的光载波的光谱图，图1中（h）位置测得的效果图；
图16为本发明实施例提供的在HONU1和HONU2被FBG1反射回来的携带下行QAM2信号频率为193.09THz的光边带的光谱图，图1中（i）位置测得的效果图；
图17为本发明实施例提供的在HONU1和HONU2经两个FBGs后产生的单边带光载毫米波信号OSSB3的光谱图，图1中（j）位置测得的效果图；
图18为本发明实施例提供的在HONU1和HONU2经OC2后产生的单边带光载毫米波信号OSSB4的光谱图，图1中（k）位置测得的效果图；
图19为本发明实施例提供的在HONU1和HONU2经外差拍频产生的携带下行QAM1信号、频率为60GHz的毫米波电信号的频谱图，图1中（l）位置测得的效果图；
图20为本发明实施例提供的在HONU1和HONU2经外差拍频产生的携带下行QAM2信号、频率为60GHz的毫米波电信号的频谱图，图1中（m）位置测得的效果图；
图21为本发明实施例提供的下行链路无线接入电毫米波信号在不经无线传输情况下相干解调得到的下行4-QAM1信号的星座图和I、Q支路眼图（背靠背情况，即光纤长度为0km）；
图22为本发明中下行链路无线接入电毫米波信号在不经无线传输情况下相干解调得到的下行4-QAM1信号星座图和I、Q支路眼图（光纤长度为20km）；
图23为本发明中下行链路无线接入电毫米波信号在不经无线传输情况下相干解调得到的下行4-QAM2信号星座图和I、Q支路眼图（背靠背情况，即光纤长度为0km）；
图24为本发明中下行链路无线接入电毫米波信号在不经无线传输情况下相干解调得到的下行4-QAM2信号星座图和I、Q支路眼图（光纤长度为20km）。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其他方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其他结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
下面将对一种基于上/下边带调制的有线/无线混合光接入系统进行介绍。
该基于上/下边带调制的有线/无线混合光接入系统包括：光线路终端OLT、下行光纤链路和光网络单元ONU；其中，光线路终端OLT、下行光纤链路和光网络单元ONU依次通讯连接。
OLT包括一个下行链路发射模块，所述下行链路发射模块用于将第一二进制数据流D1和第二二进制数据流D2经过正交幅度QAM映射后，加载到两个频率同为fIF的中频载波上产生两个中频QAM信号。
所述下行链路发射模块包括：第一连续激光器LD1、第二连续激光器LD2、第一线性调制器MZM1、第二线性调制器MZM2和光耦合器OC1；其中，LD1、MZM1和OC1依次通讯连接；LD2、MZM2和OC1依次通讯连接；LD1发出的频率为f1的光波入射至MZM1，LD2发出的频率为f2的光波入射至MZM2；所述MZM1和MZM2均工作在单边带调制的格式下，MZM1产生的单边带USSB-QAM1光信号包含频率为f1的光载波和频率为f1+fIF的携带下行QAM1的+1阶光边带，MZM2产生的DSSB-QAM2光信号包含频率为f2的光载波和频率为f2-fIF的携带下行QAM2的-1阶光边带，通过OC1将MZM1产生的USSB-QAM1光信号和MZM2产生的DSSB-QAM2光信号耦合在一起组成下行融合光信号；经过下行光纤链路传输，下行融合光信号从OLT传输至ONU。
ONU包括：光开关OS1、第一混合光网络单元HONU1和第二混合光网络单元HONU2；其中，HONU1包括光开关OS2，HONU2包括光开关OS3；OS1将接收到的下行融合光信号分别路由到HONU1和HONU2中，利用OS2和OS3将下行融合光信号分别路由到HONU1和HOUN2各自的下行有线接入模块和下行无线信号发射模块。
对于下行有线接入，在下行有线接入模块中，HONU1和HONU2利用一个中心频率可调的光带通滤波器将下行融合光信号分解成包含不同光学成分的两个单边带光信号OSSB1和OSSB2；其中，OSSB1包含未被数据调制的频率为f1的光载波和频率为f1+fIF的携带下行QAM1信号的光边带；OSSB2包含未被数据调制的频率为f2的光载波和频率为f2-fIF的携带下行QAM1信号的光边带；OSSB1或OSSB2经过高速光电探测器，进行外差拍频，产生频率为|(f1+fIF)-f1|=fIF或|(f2-fIF)-f2|=fIF的分别携带下行QAM1和QAM2的中频电信号；所述中频电信号经频率为fIF的中频本振信号相干解调恢复出下行基带电信号，实现下行QAM1或QAM2信号在HONU1和HONU2的有线接入。
对于下行无线接入，在下行无线信号发射模块中，HONU1和HONU2利用两个光纤布拉格光栅FBG1、FBG2和一个光耦合器OC2把下行融合光信号分解成包含不同光学成分的单边带光信号；下行融合光信号经过FBG1和FBG2，把频率为f1+fIF的携带下行QAM1信号的光边带和频率为f2的未被数据调制的光载波透射过去，产生单边带光信号OSSB3；利用一个高速光电探测器进行外差拍频，产生频率为|(f1+fIF)-f2|=6fIF的携带下行QAM1信号的毫米波信号，馈送至天线，并发射至无线用户终端；在无线用户终端，下行无线接入信号由天线接收后被频率为6fIF的毫米波本振信号相干解调恢复出下行基带电信号；而频率为f2-fIF的携带下行QAM2信号的光边带和频率为f1的未被数据调制的光载波被两个FBGs反射回来后，首先经过OC2耦合后产生单边带光信号OSSB4，然后利用一个高速光电探测器进行外差拍频，产生频率为|(f2-fIF)-f2|=6fIF的携带下行QAM2信号的毫米波信号，馈送至天线，并发射至无线用户终端；在无线用户终端，下行无线接入信号由天线接收后被频率为6fIF的毫米波本振信号相干解调恢复出下行基带电信号，实现下行QAM1和QAM2信号在HONU1和HONU2的无线接入。
进一步的，f1-f2=5fIF。
进一步的，在下行链路发射端中，MZM1采用上边带调制格式将下行QAM1信号仅调制到频率为f1+fIF的+1阶光边带上，而频率为f1的中心光载波未携带数据信息；MZM2采用下边带调制格式将下行QAM2信号仅调制到频率为f2-fIF的-1阶光边带上，而频率为f2的中心光载波未被数据信息调制；其中f1-f2=5fIF。
进一步的，在ONU中分别实现下行QAM1和QAM2信号的有线或无线选择性接入，实现2×2MIMO系统。
进一步的，在HONU1和HONU2的下行有线接入模块中：通过调节可调谐光带通滤波器的中心波长将下行融合光信号分解成包含不同光学成分的单边带光信号。
当光带通滤波器的中心频率为f1+1/2fIF时，下行融合光信号被分解成包含携带下行QAM1信号的频率为f1+fIF的+1阶光边带和频率为f1的空白光载波的单边带光信号OSSB1。
当光带通滤波器的中心频率为f2-1/2fIF时，下行融合光信号被分解成包含携带下行QAM2信号的频率为f2-fIF的-1阶光边带和频率为f2的空白光载波的单边带光信号OSSB2，然后OSSB1或OSSB2经过高速光电探测器，进行外差拍频，产生频率为|(f1+fIF)-f1|=fIF或|(f2-fIF)-f2|=fIF的分别携带下行QAM1和QAM2的中频电信号；进而产生的中频电信号，经频率为fIF的中频本振信号相干解调恢复出下行基带电信号，实现下行QAM1或QAM2信号分别在HONU1和HONU2的有线接入。
进一步的，在HONU1和HONU2的下行无线信号发射模块中：首先利用两个布拉格波长分别为f1+fIF和f2的FBG1和FBG2把频率为f1+fIF的携带下行QAM1信号的光边带和未被下行数据调制的频率f2的光载波透射过去，而频率为f2-fIF的携带下行QAM2信号的光边带被FBG1反射回来，而未被数据调制的频率为f1的光载波被FBG2反射回来；从两个FBGs透射出的单边带光信号OSSB3经过一个高速光电探测器外差拍频后产生频率为|(f1+fIF)-f2|=6fIF的携带下行QAM1信号的毫米波信号；而被两个FBGs反射回来的两个光边带经过光耦合器耦合在一起组成单边带光信号OSSB4，之后利用一个高速光电探测器进行外差拍频，产生频率为|f1-(f2-fIF)|=6fIF的携带下行QAM2信号的毫米波信号，产生的分别携带下行QAM1和QAM2信号的毫米波信号馈送至天线，并发射至无线用户终端；在无线用户终端，下行无线接入信号由天线接收后被频率为6fIF的毫米波本振信号相干解调恢复出下行基带电信号，实现下行QAM1和QAM2分别在HONU1和HONU2的无线接入。
进一步的，HONU1和HONU2采用的形式包括：只包含下行QAM1信号的有线接入下行链路；只包含下行QAM1信号无线接入下行链路；同时包含下行QAM1信号的有线和无线接入下行链路；同时包含下行QAM1和QAM2信号的有线和无线接入下行链路。
进一步的，HONU1和HONU2具有相同的网络结构。
具体如下：
首先，在下行链路发射端中：如图1所示，在光线路终端，由窄线宽激光器1发出的角频率为ω 1=2πf 1的光波，光谱如图2所示，注入到推挽式的双电极铌酸锂马赫增德调制器1（MZM1）中，而由窄线宽激光器2发出的角频率为ω 2=2πf 2的光波，光谱如图3所示，注入到推挽式的双电极铌酸锂马赫增德调制器2（MZM2）中，这里以激光频率f 1=193.15THz、f 2=193.1THz，线宽均为100kHz，输出光功率均为9dBm为例。
其中，两个窄线宽激光器的频率差为（193.15-193.1）THz=50GHz，两个MZMs的驱动信号都是由速率为5Gb/s的二进制数据先经4QAM映射，然后由频率f RF =10GHz的射频本振信号调制后得到的中频QAM信号。两个MZMs都工作在单边带调制格式上，半波电压为4V，上下两臂之间的相位差为90度，MZM1的相对直流偏置电压为2V，而MZM2的相对直流偏置电压为-2V，这样保证了MZM1的单边带调制保留的是频率为193.16THz的+1阶上边带和频率为193.1THz的中心光载波，而MZM2的单边带调制保留的是频率为193.09THz的-1阶下边带和频率为193.1THz的中心光载波。同时，将下行QAM1信号仅调制到+1阶光边带上，下行QAM2信号仅调制到-1阶光边带上，产生的两个单边带光载毫米波信号的光谱分别如图4和5所示。
从图4中可以看中，经MZM1调制后产生的单边带光载毫米波信号主要包含两个光边带，并且只有频率为193.16THz的+1阶光边带展宽了，说明下行QAM1信号只调制到了+1阶光边带上，而频率为193.15THz的中心光载波没有被展宽，即其未被数据信息调制，在接收端作为外差拍频信号，也可作为上行链路的光载波，用于实现全双工传输，同时可以简化接收端的结构、降低接收端网络成本。同理，从图5中可得，经MZM2调制后产生的单边带光载毫米波信号也主要包含两个光边带，并且只有频率为193.09THz的-1阶光边带展宽，说明下行QAM1信号只调制到了-1阶光边带上，而频率为193.1THz的中心光载波未被数据信息调制，其也在接收端作为外差拍频信号和上行链路光载波，用于实现全双工传输，简化接收端的结构、降低接收端网络成本。
之后，利用光耦合器OC1将产生的两个单边带光载毫米波信号耦合在一起产生下行融合光信号，光谱如图6所示。从图6中可以看出，下行融合光信号只包含四个光边带，并且只有频率为193.16THz的光边带携带了下行QAM1信号，频率为193.09THz的光边带携带了下行QAM2信号，而剩余的频率分别为193.1THz和193.15THz的两个光载波是纯净的光载波，频谱结构比较简单且该下行融合光信号对有线接入无线接入具有通用性，这样可以简化光线路终端的结构复杂度。最后，产生的下行融合光信号注入到下行光纤传输链路。
在下行链路传输中，下行链路由常规的单模光纤构成，能够将下行融合光信号传输至光网络单元，光纤色度色散和非线性的影响非常小，可以不予考虑。
在光网络单元中，利用光转换器（OS1）将下行融合光信号分别路由到混合光网络单元1（HONU1）和混合光网络单元2（HONU2）实现下行数据信息的有线或无线选择性接入。在本发明中由于HONU1和HONU2的结构完全一样，我们以HONU1为例进行阐述。
在HONU1中，根据用户接入方式的不同，可以采用有线或无线接入方式接收并对下行融合光信号进行光电转换。对于有线接入方式，下行融合光信号被光转换器（OS2）路由到下行有线信号接收模块中，首先经过中心频率可调谐的光带通滤波器，通过调谐光带通滤波的中心频率将下行融合光信号分解成包含不同光学成分的单边带光载毫米波信号：
1）当光带通滤波器的中心频率调至为193.155THz时，下行融合光信号被分解成包含携带下行QAM1信号的频率为193.16THz的+1阶光边带和频率为193.15THz的空白光载波的单边带光载毫米波信号（OSSB1），光谱如图7所示。从图7中可以看出，OSSB1中的两个光边带，一个携带了下行QAM1信号，一个为空白光载波，两个直接拍频就可以产生一个携带下行QAM1信号的中频电信号，实现下行QAM1信号的有线接入，探测方法比较简单；
2）当光带通滤波器的中心频率为193.095THz时，下行融合光信号被分解成包含携带下行QAM2信号的频率为193.09THz的-1阶光边带和频率为193.1THz的空白光载波的单边带光信号（OSSB2），光谱如图8所示。
从图8中可以看出，OSSB2中的两个光边带，一个携带了下行QAM2信号，一个为空白光载波，两个直接拍频就可以产生一个携带下行QAM2信号的中频电信号，实现下行QAM2信号的有线接入，探测方法比较简单。然后OSSB1和OSSB2分别经过高速光电探测器进行外差拍频，产生频率都为10GHz的分别携带了下行QAM1和QAM2的中频电信号，通过中心频率为10GHz的电带通滤波器将它们滤出，频谱分别如图9和10所示。
从图9和10中可以看出，产生的两个10GHz的中频电信号携带了下行数据信息。经本地10GHz的中频振荡器相干解调后恢复出下行基带电信号传输至有线接入用户，完成有线的下行接入。其中QAM1相干解调后得到的背靠背情况（0千米）和经过20千米光纤传输后的星座图和I、Q支路眼图分别如图11和12所示，QAM2相干解调后得到的背靠背情况（0千米）和经过20千米光纤传输后的星座图和I、Q支路眼图分别如图13和14所示。
从图11、12、13和14可以看出，本发明所提出的基于上/下边带调制的有线或无线选择性方法与系统，能够实现下行两路QAM信号的有线接入且能正确解调，虽然经过20千米传输后，星座点有弥散，眼图张开变小，但是星座图中的点与点之间仍能区分且眼图仍张开。
对于无线接入方式，下行融合光信号被光转换器（OS3）路由到下行无线信号发射模块中，首先经过布拉格波长为193.15THz、反射系数为0.99的FBG1将下行融合光信号中频率为193.15THz的空白光载波反射输出，光谱如图15所示，而下行融合光信号中剩余的三个光边带透射输出，之后经过布拉格波长为193.09THz、反射系统为0.99的FBG2将携带下行QAM2信号、频率为193.09THz的光边带反射输出，光谱如图16所示，而频率为193.16THz、携带下行QAM1信号的光边带和频率为193.1THz的空白光载波透射输出，产生单边带光载毫米波信号（OSSB3），光谱如图17所示。
从图17可以看出，OSSB3仅包含两个光边带且只有一个光边带上携带了下行数据信息，两者之间的频率差为60GHz，所以两者通过外差拍频可以简单地产生携带下行数据QAM1信号的毫米波电信号，实现无线接入的方法比较简单。被FBG1反射输出的频率为193.15THz的光载波和被FBG2反射输出的频率为193.09THz的携带下行QAM2信号的光边带经光耦合器（OC2）耦合成单边带光载毫米波（OSSB4），光谱如图18所示。
从图18可以看出，OSSB4仅包含两个光边带且只有一个光边带上携带了下行数据信息，两者之间的频率差为60GHz，所以两者通过外差拍频可以简单地产生携带下行数据QAM2信号的毫米波电信号，实现无线接入的方法比较简单。产生的OSSB3和OSSB4经光电外差探测后，产生分别携带下行QAM1和QAM2的60GHz的毫米波信号，频谱分别如图19和20所示。
从图19和20可以看出，产生的两个60GHz的毫米波电信号分别携带了下行QAM1和QAM2信号。之后它们馈送至天线，通过天线将它们发射至无线用户终端，为了检验无线接入信号的光纤传输性能，本发明中产生的无线接入信号没有经过无线传输，而是在HONU1采用60GHz的本振信号对它们进行电域的相干解调，在背靠背情况和经过20千米光纤传输后，QAM1解调获得的基带信号的星座图和I、Q支路眼图分别如图21和22所示，QAM2解调获得的基带信号的星座图和I、Q支路眼图分别如图23和24所示。
从图21、22、23和24可以看出，本发明所提出的基于上/下边带调制的有线或无线选择性方法与系统，能够实现下行两路QAM信号的无线接入且能正确解调，虽然经过20千米传输后，星座点有弥散，眼图张开变小，但是星座图中的点与点之间仍能区分且眼图仍张开。
在一示例性的实施例中，提供一种基于如上述实施例中所述的基于上/下边带调制的有线/无线混合光接入系统的混合光接入方法，所述方法包括：
将LD1发出的频率为f1的光波入射至MZM1，LD2发出的频率为f2的光波入射至MZM2；所述MZM1和MZM2均工作在单边带调制的格式下，MZM1产生的单边带USSB-QAM1光信号包含频率为f1的光载波和频率为f1+fIF的携带下行QAM1的+1阶光边带，MZM2产生的DSSB-QAM2光信号包含频率为f2的光载波和频率为f2-fIF的携带下行QAM2的-1阶光边带；
通过OC1将MZM1产生的USSB-QAM1光信号和MZM2产生的DSSB-QAM2光信号耦合在一起组成下行融合光信号；经过下行光纤链路传输，下行融合光信号从OLT传输至ONU；设置f1-f2=5fIF；
HONU1和HONU2利用两个光纤布拉格光栅FBG1、FBG2和一个光耦合器OC2把下行融合光信号分解成包含不同光学成分的单边带光信号；下行融合光信号经过FBG1和FBG2，把频率为f1+fIF的携带下行QAM1信号的光边带和频率为f2的未被数据调制的光载波透射过去，产生单边带光信号OSSB3；
利用一个高速光电探测器进行外差拍频，产生频率为|(f1+fIF)-f2|=6fIF的携带下行QAM1信号的毫米波信号，馈送至天线，并发射至无线用户终端；在无线用户终端，下行无线接入信号由天线接收后被频率为6fIF的毫米波本振信号相干解调恢复出下行基带电信号；而频率为f2-fIF的携带下行QAM2信号的光边带和频率为f1的未被数据调制的光载波被两个FBGs反射回来后，首先经过OC2耦合后产生单边带光信号OSSB4，然后利用一个高速光电探测器进行外差拍频，产生频率为|(f2-fIF)-f2|=6fIF的携带下行QAM2信号的毫米波信号，馈送至天线，并发射至无线用户终端；在无线用户终端，下行无线接入信号由天线接收后被频率为6fIF的毫米波本振信号相干解调恢复出下行基带电信号，实现下行QAM1和QAM2信号在HONU1和HONU2的无线接入。
进一步的，在下行链路发射端中，MZM1采用上边带调制格式将下行QAM1信号仅调制到频率为f1+fIF的+1阶光边带上，而频率为f1的中心光载波未携带数据信息；MZM2采用下边带调制格式将下行QAM2信号仅调制到频率为f2-fIF的-1阶光边带上，而频率为f2的中心光载波未被数据信息调制。
本发明提出的基于马赫增德尔调制器的上/下边带调制的有线/无线混合光接入方法与系统具有以下有效效果：
（1）在光线路终端利用马赫增德尔调制器的上/下单边带调制产生下行融合光信号，该融合光信号对下行链路的有线接入或无线接入是通用的，简化了光谱结构，提高了频率利用率，降低了光线路终端的结构复杂度；
（2）在光网络单元可以利用简单的外差探测方法实现下行融合光信号的有线或无线选择性接入；增加了网络接入方式的灵活性；
（3）下行融合光信号中包含两个空白的光载波可以提供上行链路光载波，实现全双工传输，简化了光网络单元的结构，降低了光网络单元的网络成本；
（4）各自的光网络单元不仅能实现自己信息的有线或无线接入，还能实现其他光网络单元信息的有线或无线接入，简单地实现了MIMO通信和信息的交互传送。
综上所述，本发明提出了基于马赫曾德调制器的上/下边带调制的有线或无线混合光接入系统，该系统降低了光线路终端的复杂度，实现了高速率QAM信号的长距离传输；光网络单元根据用户的不同需求，提供有线或60GHz的毫米波无线选择性接入，增加了光网络单元的灵活性；下行融合光信号中包含两个空白光载波能够提供上行链路光载波，能够很容易地实现全双工传输，同时简化了光网络单元的结构复杂度；同时能够实现相邻光网络单元信息的相互交换，实现MIMO通信。
此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本发明的范围和精神。
Claims (10)
1.一种基于上/下边带调制的有线/无线混合光接入系统，其特征在于，所述系统包括：光线路终端OLT、下行光纤链路和光网络单元ONU；其中，光线路终端OLT、下行光纤链路和光网络单元ONU依次通讯连接；
OLT包括一个下行链路发射模块，所述下行链路发射模块用于将第一二进制数据流D1和第二二进制数据流D2经过正交幅度QAM映射后，加载到两个频率同为fIF的中频载波上产生两个中频QAM信号；
所述下行链路发射模块包括：第一连续激光器LD1、第二连续激光器LD2、第一线性调制器MZM1、第二线性调制器MZM2和光耦合器OC1；其中，LD1、MZM1和OC1依次通讯连接；LD2、MZM2和OC1依次通讯连接；LD1发出的频率为f1的光波入射至MZM1，LD2发出的频率为f2的光波入射至MZM2；所述MZM1和MZM2均工作在单边带调制的格式下，MZM1产生的单边带USSB-QAM1光信号包含频率为f1的光载波和频率为f1+fIF的携带下行QAM1的+1阶光边带，MZM2产生的DSSB-QAM2光信号包含频率为f2的光载波和频率为f2-fIF的携带下行QAM2的-1阶光边带，通过OC1将MZM1产生的USSB-QAM1光信号和MZM2产生的DSSB-QAM2光信号耦合在一起组成下行融合光信号；经过下行光纤链路传输，下行融合光信号从OLT传输至ONU；
ONU包括：光开关OS1、第一混合光网络单元HONU1和第二混合光网络单元HONU2；其中，HONU1包括光开关OS2，HONU2包括光开关OS3；OS1将接收到的下行融合光信号分别路由到HONU1和HONU2中，利用OS2和OS3将下行融合光信号分别路由到HONU1和HOUN2各自的下行有线接入模块和下行无线信号发射模块；
对于下行有线接入，在下行有线接入模块中，HONU1和HONU2利用一个中心频率可调的光带通滤波器将下行融合光信号分解成包含不同光学成分的两个单边带光信号OSSB1和OSSB2；其中，OSSB1包含未被数据调制的频率为f1的光载波和频率为f1+fIF的携带下行QAM1信号的光边带；OSSB2包含未被数据调制的频率为f2的光载波和频率为f2-fIF的携带下行QAM1信号的光边带；OSSB1或OSSB2经过高速光电探测器，进行外差拍频，产生频率为|(f1+fIF)-f1|=fIF或|(f2-fIF)-f2|=fIF的分别携带下行QAM1和QAM2的中频电信号；所述中频电信号经频率为fIF的中频本振信号相干解调恢复出下行基带电信号，实现下行QAM1或QAM2信号在HONU1和HONU2的有线接入；
对于下行无线接入，在下行无线信号发射模块中，HONU1和HONU2利用两个光纤布拉格光栅FBG1、FBG2和一个光耦合器OC2把下行融合光信号分解成包含不同光学成分的单边带光信号；下行融合光信号经过FBG1和FBG2，把频率为f1+fIF的携带下行QAM1信号的光边带和频率为f2的未被数据调制的光载波透射过去，产生单边带光信号OSSB3；利用一个高速光电探测器进行外差拍频，产生频率为|(f1+fIF)-f2|=6fIF的携带下行QAM1信号的毫米波信号，馈送至天线，并发射至无线用户终端；在无线用户终端，下行无线接入信号由天线接收后被频率为6fIF的毫米波本振信号相干解调恢复出下行基带电信号；而频率为f2-fIF的携带下行QAM2信号的光边带和频率为f1的未被数据调制的光载波被两个FBGs反射回来后，首先经过OC2耦合后产生单边带光信号OSSB4，然后利用一个高速光电探测器进行外差拍频，产生频率为|(f2-fIF)-f2|=6fIF的携带下行QAM2信号的毫米波信号，馈送至天线，并发射至无线用户终端；在无线用户终端，下行无线接入信号由天线接收后被频率为6fIF的毫米波本振信号相干解调恢复出下行基带电信号，实现下行QAM1和QAM2信号在HONU1和HONU2的无线接入。
2.根据权利要求1所述的基于上/下边带调制的有线/无线混合光接入系统，其特征在于，f1-f2=5fIF。
3.根据权利要求1所述的基于上/下边带调制的有线/无线混合光接入系统，其特征在于，在下行链路发射端中，MZM1采用上边带调制格式将下行QAM1信号仅调制到频率为f1+fIF的+1阶光边带上，而频率为f1的中心光载波未携带数据信息；MZM2采用下边带调制格式将下行QAM2信号仅调制到频率为f2-fIF的-1阶光边带上，而频率为f2的中心光载波未被数据信息调制；其中f1-f2=5fIF。
4.根据权利要求1所述的基于上/下边带调制的有线/无线混合光接入系统，其特征在于，在ONU中分别实现下行QAM1和QAM2信号的有线或无线选择性接入，实现2×2MIMO系统。
5.根据权利要求1所述的基于上/下边带调制的有线/无线混合光接入系统，其特征在于，在HONU1和HONU2的下行有线接入模块中：通过调节可调谐光带通滤波器的中心波长将下行融合光信号分解成包含不同光学成分的单边带光信号；
当光带通滤波器的中心频率为f1+1/2fIF时，下行融合光信号被分解成包含携带下行QAM1信号的频率为f1+fIF的+1阶光边带和频率为f1的空白光载波的单边带光信号OSSB1；
当光带通滤波器的中心频率为f2-1/2fIF时，下行融合光信号被分解成包含携带下行QAM2信号的频率为f2-fIF的-1阶光边带和频率为f2的空白光载波的单边带光信号OSSB2，然后OSSB1或OSSB2经过高速光电探测器，进行外差拍频，产生频率为|(f1+fIF)-f1|=fIF或|(f2-fIF)-f2|=fIF的分别携带下行QAM1和QAM2的中频电信号；进而产生的中频电信号，经频率为fIF的中频本振信号相干解调恢复出下行基带电信号，实现下行QAM1或QAM2信号分别在HONU1和HONU2的有线接入。
6.根据权利要求1所述的基于上/下边带调制的有线/无线混合光接入系统，其特征在于，在HONU1和HONU2的下行无线信号发射模块中：首先利用两个布拉格波长分别为f1+fIF和f2的FBG1和FBG2把频率为f1+fIF的携带下行QAM1信号的光边带和未被下行数据调制的频率f2的光载波透射过去，而频率为f2-fIF的携带下行QAM2信号的光边带被FBG1反射回来，而未被数据调制的频率为f1的光载波被FBG2反射回来；从两个FBGs透射出的单边带光信号OSSB3经过一个高速光电探测器外差拍频后产生频率为|(f1+fIF)-f2|=6fIF的携带下行QAM1信号的毫米波信号；而被两个FBGs反射回来的两个光边带经过光耦合器耦合在一起组成单边带光信号OSSB4，之后利用一个高速光电探测器进行外差拍频，产生频率为|f1-(f2-fIF)|=6fIF的携带下行QAM2信号的毫米波信号，产生的分别携带下行QAM1和QAM2信号的毫米波信号馈送至天线，并发射至无线用户终端；在无线用户终端，下行无线接入信号由天线接收后被频率为6fIF的毫米波本振信号相干解调恢复出下行基带电信号，实现下行QAM1和QAM2分别在HONU1和HONU2的无线接入。
7.根据权利要求1所述的基于上/下边带调制的有线/无线混合光接入系统，其特征在于，HONU1和HONU2采用的形式包括：只包含下行QAM1信号的有线接入下行链路；只包含下行QAM1信号无线接入下行链路；同时包含下行QAM1信号的有线和无线接入下行链路；同时包含下行QAM1和QAM2信号的有线和无线接入下行链路。
8.根据权利要求1所述的基于上/下边带调制的有线/无线混合光接入系统，其特征在于，HONU1和HONU2具有相同的网络结构。
9.一种基于如权利要求1-8任一项所述的基于上/下边带调制的有线/无线混合光接入系统的混合光接入方法，其特征在于，所述方法包括：
将LD1发出的频率为f1的光波入射至MZM1，LD2发出的频率为f2的光波入射至MZM2；所述MZM1和MZM2均工作在单边带调制的格式下，MZM1产生的单边带USSB-QAM1光信号包含频率为f1的光载波和频率为f1+fIF的携带下行QAM1的+1阶光边带，MZM2产生的DSSB-QAM2光信号包含频率为f2的光载波和频率为f2-fIF的携带下行QAM2的-1阶光边带；
通过OC1将MZM1产生的USSB-QAM1光信号和MZM2产生的DSSB-QAM2光信号耦合在一起组成下行融合光信号；经过下行光纤链路传输，下行融合光信号从OLT传输至ONU；设置f1-f2=5fIF；
HONU1和HONU2利用两个光纤布拉格光栅FBG1、FBG2和一个光耦合器OC2把下行融合光信号分解成包含不同光学成分的单边带光信号；下行融合光信号经过FBG1和FBG2，把频率为f1+fIF的携带下行QAM1信号的光边带和频率为f2的未被数据调制的光载波透射过去，产生单边带光信号OSSB3；
利用一个高速光电探测器进行外差拍频，产生频率为|(f1+fIF)-f2|=6fIF的携带下行QAM1信号的毫米波信号，馈送至天线，并发射至无线用户终端；在无线用户终端，下行无线接入信号由天线接收后被频率为6fIF的毫米波本振信号相干解调恢复出下行基带电信号；而频率为f2-fIF的携带下行QAM2信号的光边带和频率为f1的未被数据调制的光载波被两个FBGs反射回来后，首先经过OC2耦合后产生单边带光信号OSSB4，然后利用一个高速光电探测器进行外差拍频，产生频率为|(f2-fIF)-f2|=6fIF的携带下行QAM2信号的毫米波信号，馈送至天线，并发射至无线用户终端；在无线用户终端，下行无线接入信号由天线接收后被频率为6fIF的毫米波本振信号相干解调恢复出下行基带电信号，实现下行QAM1和QAM2信号在HONU1和HONU2的无线接入。
10.根据权利要求9所述的基于如权利要求1-8任一项所述的基于上/下边带调制的有线/无线混合光接入系统的混合光接入方法，其特征在于，在下行链路发射端中，MZM1采用上边带调制格式将下行QAM1信号仅调制到频率为f1+fIF的+1阶光边带上，而频率为f1的中心光载波未携带数据信息；MZM2采用下边带调制格式将下行QAM2信号仅调制到频率为f2-fIF的-1阶光边带上，而频率为f2的中心光载波未被数据信息调制。
Priority Applications (1)
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| CN202411148675.0A CN118785023A (zh) | 2024-08-21 | 2024-08-21 | 基于上/下边带调制的有线/无线混合光接入系统与方法 |
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