一种无源光网络设备以及用于无源光网络设备的方法与流程

本公开内容的实施例一般性地涉及光接入网络，并且更特别地涉及一种无源光网路设备以及一种用于无源光网络设备的方法。

背景技术：

随着下一代以太网无源光网络(ng-epon)标准化的时间临近，基于四阶电平脉冲幅度调制(pam4)的4波长×25gb/s(12.5g波特率)方式是最有希望的候选之一。如果现有的10ghz传输带宽的诸如光收发机之类的组件能够以某种方式适合用于ng-epon的“超载的”12.5g波特率的pam4数据，那么这种技术将非常有希望和竞争力。

近些年人们一直在考虑这样的通信方案，但是迄今在实现上仍然存在一些技术困难，这些技术困难可以总结在下面的表1中。

表1

目前已经存在一些仅使用10g传输带宽的光收发机等组件来实现用于ng-epon的25gb/spam4信号传输的提议和方案，但是这些方案仍然存在着一些局限性和挑战。

首先，这些方案在用户端使用了高成本和高复杂性的数字化后处 理。为了节省成本，这些方案使用了10g传输带宽的收发机等组件。但是由于传输带宽的限制引起了非线性失真，在用户端的光网络单元onu中需要高成本的adc以及基于dsp的数字化后补偿/后处理，这显著地增加了用户端的成本和复杂性。

另外，这些方案还存在一些不令人满意的性能，比如有限的光纤传输距离(小于30km)。通常，25gb/s的pam4数据不宜通过40km单模光纤传输并且无法在不使用色散补偿光纤(dcf)的情况下被接收。否则，就需要基于adc和dsp的数字化后处理。

技术实现要素：

鉴于现有技术中存在的上述技术问题，本公开内容的实施例的目的之一在于提供一种无源光网络设备以及用于无源光网络设备的方法，以解决现有技术中存在的上述至少一个技术问题。

根据本公开内容的第一方面，提供了一种无源光网络设备，其可以被配置为通过较窄传输带宽的组件来进行较高速率的通信。在一些实施例中，较窄传输带宽可以是10ghz，并且较高速率可以是12.5gbaud/s。在一些实施例中，组件可以包括以下各项中的至少一项：发射机、接收机、驱动器、调制器、检测器、以及放大器。

该无源光网络设备包括：预处理单元，被配置为对通信信号进行预处理以减少通信信号在通信过程中将会遭受到的失真，其中失真至少部分地将由组件的较窄传输带宽导致；以及电光转换单元，被配置为将经预处理的通信信号转换为光信号以通过光纤进行传输。

在一些实施例中，预处理单元可以包括：第一预补偿单元，被配置为进行第一预补偿以减少将由组件的较窄传输带宽导致的通信信号失真。在一些实施例中，预处理单元可以进一步包括：第二预补偿单元，被配置为进行第二预补偿以减少将由光纤的色散导致的通信信号失真。在一些实施例中，预处理单元可以进一步包括：信号整形单元，被配置为进行信号整形以减少将由电光转换单元的非线性导致的通信信号失真。

在一些实施例中，第一预补偿单元可以包括第一横向滤波器。在这些实施例中，组件可以包括作为发射方的无源光网络设备中的组件以及将接收光信号的接收方设备中的组件，并且第一预补偿单元可以进一步被配置为：在通信的初始化过程中获得接收方设备中的组件的传输信道信息；以及基于作为发射方的无源光网络设备中的组件的传输信道信息和所获得的接收方设备中的组件的传输信道信息，来确定第一横向滤波器的抽头数目和抽头系数。在一些实施例中，第一预补偿单元可以进一步被配置为：使用两阶电平脉冲幅度调制pam2信号来进行初始化过程。

在一些实施例中，第二预补偿单元可以包括第二横向滤波器。在这些实施例中，第二预补偿单元可以进一步被配置为：基于光纤的长度来确定第二横向滤波器的抽头数目和抽头系数。在一些实施例中，光纤可以包括标准单模光纤并且长度可以大于40千米。在一些实施例中，第二预补偿单元可以进一步被配置为：通过查表来进行确定。

在一些实施例中，第一横向滤波器或第二横向滤波器的抽头数目可以为八个。

在一些实施例中，通信信号可以包括四阶电平脉冲幅度调制pam4信号，并且信号整形单元可以进一步被配置为：向pam4信号的最低有效位和最高有效位分配适当的幅度权重，以使得在经过电光转换单元和光纤传输之后，pam4信号的四个电平均匀分布。

在一些实施例中，无源光网络设备可以是光线路终端并且可以进一步被配置成为接收方以从光网络单元接收上行链路光信号。在这些实施例中，无源光网络设备可以进一步包括：后处理单元，被配置为对从光网络单元接收的信号进行后处理，以减少所接收的信号在通信过程中所遭受的失真。

在一些实施例中，后处理单元可以包括：自适应均衡器，被配置为针对每个光网络单元的上行链路信道进行自学习。在一些实施例中，自学习可以包括：基于最小均方误差算法学习每个上行链路信道响应并且反馈给每个光网络单元以用于其预处理单元的更新。在一些 实施例中，预处理单元的更新可以包括：更新光网络单元中的用于预补偿的横向滤波器的抽头数目和抽头系数。

在一些实施例中，无源光网络设备可以是光网络单元并且可以进一步被配置成为接收方以从光线路终端接收上行链路光信号。在这些实施例中，光网络单元可以被配置为：直接检测从光线路终端接收的信号而无需进行数字化后处理。

根据本公开内容的第二方面，提供了一种用于无源光网络设备的方法。无源光网络设备可以被配置为通过较窄传输带宽的组件来进行较高速率的通信。该方法包括：对通信信号进行预处理以减少通信信号在通信过程中将会遭受到的失真，其中失真至少部分地将由组件的较窄传输带宽导致；以及将经预处理的通信信号转换为光信号以通过光纤进行传输。

根据本公开内容的实施例的技术方案相对于现有技术至少可以提供以下有益的技术效果或优势。首先，在用户端的光网络单元onu中无需进行基于高成本的adc和dsp的数字化后处理或后均衡。其次，在一些特定的实施例中，还可以支持40km以上的标准单模光纤传输而无需使用色散补偿光纤。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开内容的实施例的上述以及其他目的、特征和优点将变得容易理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开内容的若干实施例，其中：

图1示意性地示出了现有技术中的基于数字化后处理的光接入网络传输方案。

图2示意性地示出了现有技术中的使用色散补偿光纤的光接入网络传输方案。

图3示意性地示出了根据本公开内容的实施例的无源光网络设备的框图。

图4示意性地示出了根据本公开内容的实施例的无源光网络设备 作为光线路终端olt的通信概念图。

图5示意性地示出了根据本公开内容的实施例的用于下行链路的通信架构示图。

图5a-5d示意性地示出了图5的通信过程中从不同单元输出的信号波形图。

图6示意性地示出了根据本公开内容的实施例的横向滤波器的结构示图。

图7示意性地示出了根据本公开内容的实施例的不同抽头数目的横向滤波器的误比特率比较示图。

图8示意性地示出了根据本公开内容的实施例的电光调制响应与现有技术的对比示图。

图9示意性地示出了根据本公开内容的实施例的用于上行链路的通信架构示图。

图9a-9c示意性地示出了图9的通信过程中从不同单元输出的信号波形图。

图10a-10c示意性地示出了根据本公开内容的一些实施例的频谱响应。

图11a-11b示意性地示出了根据本公开内容的实施例的信号波形与现有技术的比较示图。

图12a-12b示意性地示出了根据本公开内容的实施例的误比特率与现有技术的比较示图。

图13示意性地示出了根据本公开内容的实施例的用于无源光网络设备的方法的流程图。

具体实施方式

下面将参考附图中所示出的若干示例性实施例来描述本公开内容的原理和精神。应当理解，描述这些具体的实施例仅是为了使本领域的技术人员能够更好地理解并实现本公开内容，而并非以任何方式限制本公开内容的范围。

图1示意性地示出了现有技术中的基于数字化后处理的光接入网络传输方案。如图1中所示出的，在这种方案中，25g的pam4信号110可以首先传入光线路终端olt120进行处理，并且经由10g传输带宽的发射机121转换为光信号进行光纤传输。在光纤传输的过程中，信号可以经过光分发网络odn130以及例如20km长度的光纤。然后，信号可以传入光网络单元onu140。如图1中所示出的，onu140可以包括10g传输带宽的接收机141、以及adc单元142和数字化后处理单元143。数字化后处理单元143主要用于通过对模数变换后的接收信号进行数字化处理来减少所接收的信号在通信过程中所遭受的失真，以恢复出发射方所发射的信号。

在上述通信过程中，对于20km及以下的光纤传输距离，主要是由于传输带宽上的限制导致了非线性失真，进而导致了在使用旧式10ghz组件处理以及20km光纤传输后，对25gb/s的pam4信号不能进行直接检测。数字化后处理是当前使用在接收方用于误差抑制的最通常方式。但是，这种基于dsp的数字化后处理至少在两个方面仍然是不合意的，一个方面是来自技术方面的噪声增强，另一方面是由众多onu中用于量化的adc所增加的成本。

图2示意性地示出了现有技术中的使用色散补偿光纤的光接入网络传输方案。如图2中所示出的，与图1相类似，25g的pam4信号210可以首先传入光线路终端olt220进行处理，并且经由10g传输带宽的发射机221转换为光信号进行光纤传输。在光纤传输的过程中，信号可以经过光分发网络odn230以及40km以上长度的光纤。然后，信号可以传入光网络单元onu240。如图2中所示出的，onu240可以包括dcf单元241、10g传输带宽的接收机242、以及adc单元243和后处理单元244。

这种方案与图1中所描述的方案的不同之处在于，对于40km以上的光纤传输距离，使用了高成本的色散补偿光纤(dcf)以及基于adc和dsp的数字化后处理或其他算法，否则就不能通过40km光纤并且利用直接检测来传送25gpam4数据信号。

如前文所阐述的，本公开的实施例的目的之一在于解决现有技术中存在的至少一个上述技术问题。

图3示意性地示出了根据本公开内容的实施例的无源光网络设备300的框图。在图3所示出的框图中，使用虚线框来表示可选的单元或组件。本领域的技术人员可以理解，图3中仅示出了无源光网络设备300中的与本公开内容紧密相关的单元或组件，在具体的实践中，无源光网络设备300可以包括使其能够正常操作的其他功能单元或组件。此外，图3中所示出的各个单元或组件之间可以存在必要的连接关系，但是出于简洁的考虑，图3中并没有描绘出这些连接关系。

在一些实施例中，无源光网络设备300可以被配置为通过较窄传输带宽的组件来进行较高速率的通信。在一些实施例中，较窄传输带宽可以是10ghz，并且较高速率可以是12.5gbaud/s。在一些实施例中，组件可以包括以下各项中的至少一项：发射机、接收机、驱动器、调制器、检测器、以及放大器，等等。

如图3中所示出的，无源光网络设备300可以包括预处理单元310和电光转换单元320。在一些实施例中，预处理单元310可以被配置为对通信信号进行预处理以减少通信信号在通信过程中将会遭受到的失真，其中失真至少部分地将由所述组件的较窄传输带宽导致。电光转换单元320可以被配置为将经预处理的通信信号转换为光信号以通过光纤进行传输。

通过与图1和图2中描述的现有技术方案相比较，根据本公开内容的实施例的无源光网络设备300的基本思想可以概括为，通过引入新的功能模块预处理单元310来减少通信信号在通信过程中将会遭受到的失真。这种在发射方进行预处理的方案相对于在接收方进行后处理的方案的技术优势是明显的。

首先，注意到预处理单元310位于发射端，从而减少了接收端需要进行数字化后处理的复杂度和成本。进一步注意到，在下行链路方向中，由于通常采用点到多点的传输方案，接收端是数目众多的位于用户端的onu。所以，相对于在众多用户端的onu中使用高成本的 数字化后处理的方案，在发射端的olt中进行预处理是有利的。因此，根据本公开内容的实施例的无源光网络设备300可以减少用户端的复杂度和成本。

其次，通信信号在经过必要的通信处理和光纤传输之后，接收方接收到的信号将会包括信号失真和噪声，在接收方进行数字化后处理并不能消除噪声的干扰。但是，在发射方根据通信处理和光纤传输将会产生的失真进行针对性的预处理可以排除噪声的干扰。

继续参考图3，在一些实施例中，预处理单元310可以包括第一预补偿单元311、第二预补偿单元312、以及信号整形单元313。第一预补偿单元311可以被配置为进行第一预补偿以减少将由组件的较窄传输带宽导致的通信信号失真。第二预补偿单元312可以被配置为进行第二预补偿以减少将由光纤的色散导致的通信信号失真。信号整形单元313可以被配置为进行信号整形以减少将由电光转换单元320的非线性导致的通信信号失真。

在一些实施例中，第一预补偿单元311可以包括第一横向滤波器。本领域的技术人员应当理解，使用横向滤波器仅是实现第一预补偿单元311的一种示例方式，第一预补偿单元311也可以用其他的适当形式来实施。

在第一预补偿单元311包括第一横向滤波器的实施例中，组件可以包括作为发射方的无源光网络设备300中的组件以及将接收光信号的接收方设备中的组件，并且第一预补偿单元311可以进一步被配置为：在通信的初始化过程中获得接收方设备中的组件的传输信道信息；以及基于作为发射方的无源光网络设备300中的组件的传输信道信息和所获得的接收方设备中的组件的传输信道信息，来确定第一横向滤波器的抽头数目和抽头系数。如此，第一横向滤波器可以预先补偿发送和接收双方的传输带宽不足所导致的非线性失真。

在进一步的实施例中，第一预补偿单元311可以进一步被配置为：使用两阶电平脉冲幅度调制pam2信号来进行初始化过程。因为在进行初始化时，尚未对信号进行预处理，相比于使用pam4信号而言， 使用pam2信号将更加有利用接收方对信号的接收。

在一些实施例中，第二预补偿单元312可以包括第二横向滤波器。本领域的技术人员应当理解，使用横向滤波器仅是实现第二预补偿单元312的一种示例方式，第二预补偿单元312也可以用其他的适当形式来实施。

在第二预补偿单元312包括第二横向滤波器的实施例中，第二预补偿单元312可以进一步被配置为：基于光纤的长度来确定第二横向滤波器的抽头数目和抽头系数。如此，第二横向滤波器可以预先补偿光纤的传输所导致的色散失真。在一些实施例中，第二预补偿单元312可以进一步被配置为：通过查表来进行确定。本领域的技术人员可以理解，进行上述确定可以不限于查表方式，也可以计算得到与光纤长度相对应的第二横向滤波器的抽头数目和抽头系数。在一些实施例中，光纤可以包括标准单模光纤并且长度可以大于40千米。

在一些实施例中，通信信号可以包括四阶电平脉冲幅度调制pam4信号，并且信号整形单元313可以进一步被配置为：向pam4信号的最低有效位和最高有效位分配适当的幅度权重，以使得在经过电光转换单元和光纤传输之后，pam4信号的四个电平均匀分布。

本领域的技术人员应当理解，向pam4信号的最低有效位和最高有效位分配幅度权重的方式仅是实现信号整形单元313的一种示例方式，信号整形单元313也可以采用其他适当的方式来实施。此外，在通信信号采用其他形式时，信号整形单元313也可以相应地采用适合于信号形式的整形方式。

图4示意性地示出了根据本公开内容的实施例的无源光网络设备作为光线路终端olt的通信概念图。应当注意，根据本公开内容的实施例的无源光网络设备作为光线路终端olt仅是一种示例实施方式。如稍后将会描述的，根据本公开内容的实施例的无源光网络设备也可以作为例如光网络单元onu。

如图4中所示出的用于下行链路的架构图包括三个部分，olt420、onu440和odn430。olt420中可以包括根据本公开内容的 实施例的三个模块。odn430可以基于点到多点(p2mp)架构，而光纤传输距离可以被设计为支持40km以上。如前文所阐述的，onu440是紧凑且简单的并且可以进行pam4的直接四阶电平检测。

如图4中所示出的，25g的pam4信号410可以首先传入光线路终端olt420进行处理，并且经由10g传输带宽的发射机424转换为光信号进行光纤传输。在光纤传输的过程中，信号可以经过光分发网络odn430以及40km以上长度的光纤。然后，信号可以传入光网络单元onu440。如图4中所示出的，onu440可以包括10g传输带宽的接收机441。

进一步如图4中所示出的，olt420可以包括根据本公开内容的实施例的新功能模块，它们分别是第一预补偿单元421、第二预补偿单元422、以及信号整形单元423。在一些具体的实施例中，它们也可以被称为带宽预补偿单元、长距离预补偿单元、以及分层级的(hierarchical)pam4整形单元。

第一预补偿单元421，即带宽预补偿单元，能够用以减少带宽限制所引发的选择性衰落(通常称为isi)的频谱响应，准确地增强高端的频率分量。通过带宽预补偿，光/电组件的带宽限制所导致的失真被预补偿，减少了由带宽限制引发的符号间干扰isi。

第二预补偿单元422，即长距离预补偿单元，能够补偿由长距离(40km+)ssmf传输所引发的额外isi。通过长距离光纤传输的预补偿，不采用色散补偿光纤dcf的光纤传输距离能够被延长至40km以上，并且仍然在作为接收端的onu中保证直接pam4检测。

分层级的pam4整形单元可以用来补偿实际调制器的非线性调制响应。通过分层级的pam4整形，光/电组件(例如，电驱动器和调制器)中的非线性响应被校正，并且保证了具有理想均匀的四阶电平分布的良好pam4波形。

通过将第一预补偿单元421、第二预补偿单元422、以及信号整形单元423放置在olt420中，一方面实现了onu440保持简单和紧凑并且可以进行直接pam4检测，并且另一方面这样的预补偿处理 是实际的和易于实施的。这里所谓的直接pam4检测意指用于符号检测的简单四阶电平识别而无需使用额外的基于adc/dsp的数字化后处理。

下文参考图5-9来分别介绍使用本公开内容的实施例的无源光网络设备来进行下行链路通信和上行链路通信的架构和过程。

图5示意性地示出了根据本公开内容的实施例的用于下行链路的通信架构示图。在图5中，nrz表示不归零格式数据，e/o表示电光转换(调制)，odn表示光分发网络，o/e表示光电转换(光检测)，tia表示跨阻放大器，cdr表示时钟和数据恢复，fec表示前向纠错，nl表示非线性效应。灰色的虚线框中表示了非线性效应的来源。a、b、c、d分别表示从相应单元输出的信号波形图，它们分别被绘制在图5a-5d中。

如图5中所示出的，下行链路通信架构可以包括三个部分，即olt510、onu520、以及odn530。根据本公开内容的实施例的无源光网络设备可以是olt510，其主要包括三个新的关键单元，即信号整形单元511、第一预补偿单元512、以及第二预补偿单元513。但是在作为接收方的onu520中并没有引入新的单元，由此实现了紧凑且简单的结构并且可以针对pam4信号的直接四阶电平电压检测。odn530可以基于点到多点(p2mp)架构，而光纤链路距离可以被设计为支持40km以上。

在图5中所示出的通信过程中，25g-b/s的输入信号可以视为两路12.5g-b/s的信号，它们首先可以分别进行变换nrz_1和nrz_2。接着，两路信号可以分别通过信号整形单元511、第一预补偿单元512、第二预补偿单元513进行预处理。然后，两路信号可以经过驱动器514和10g-e/o单元515转换为光信号。接着，光信号可以通过odn530和40km的光纤进行传输。接收端onu520可以通过10g-o/e单元521和tia522对光信号进行接收。然后，onu520通过cdr523、直接检测单元524、以及fec525得到最终的25g-b/s的通信信号。

图5a-5d示意性地示出了图5的通信过程中从不同单元输出的信 号波形图。具体地，图5a示出了从信号整形单元511输出的信号波形，图5b示出了从第一预补偿单元512输出的信号波形，图5c示出了从第二预补偿单元513输出的信号波形，图5d示出了从tia522输出的信号波形。从这些信号波形可以看出，根据本公开内容的实施例的预处理单元和方法显著地改善了通信信号的质量，使得在接收方onu520处对接收信号的直接检测成为可能。

下文结合图6-8来分别介绍第一预补偿单元512、第二预补偿单元513、以及信号整形单元511的具体结构。

如上所述，10ghz光收发机或者其他组件相比于12.5g波特率而言具有不足的带宽。通常，在e/o转换、o/e转换和其他模块中，如链路中的电驱动器中，更高的频率分量经历更高的衰减，因而产生非线性失真。可以使用第一预补偿单元512对该失真进行预补偿。另一方面，第二预补偿单元513可以用于对长距离光纤传输引发的色散效应进行预补偿。

在具体的实施方式中，第一预补偿单元512和第二预补偿单元513可以基于线性的具有若干抽头的横向滤波器。为了补偿上述两种失真，具有若干抽头的简单横向滤波器已经能够满足需要，同时横向滤波器在实践中易于设计和实施。此外，横向滤波器不仅是实用的，而且还容易自动地重新配置或者软件定义。

图6示意性地示出了根据本公开内容的实施例的横向滤波器600的结构示图。如图6中所示出的，横向滤波器600可以包括：输入端口610、1符号的延迟单元621-62n、分别具有抽头系数c0-cn(631-634)的抽头0-抽头n、输出端口640、以及反馈650。在图6中，标示为σ的框表示求和，抽头系数框631-634上的虚线箭头表示这些抽头系数可以是自适应的，反馈650的虚线箭头表示反馈650也可以是自适应的。横向滤波器600易于以dsp或者电路形式来实施。第一预补偿单元512和第二预补偿单元513都可以基于横向滤波器600，并且通过确定抽头数目和抽头系数来实现。

基于横向滤波器600的预补偿的数学表达可以写为：

其中out(n)和in(n)分别是预补偿模块的输出和输入，l是横向滤波器的抽头数目，并且c(n)是抽头系数。图6中具体地示出了延迟和求和架构，表示出针对带宽预补偿模块和长距离光纤传输预补偿模块的卷积函数。n抽头横向滤波器600的总体性能通过向每个抽头指配幅度权重而能够是可调谐的。所谓的指配，意指它能够被指配默认或者工厂设置，并且能够自动地被优化、被更新、和/或软件定义。

值得注意的是，针对带宽不足的预补偿抽头系数可以仅由组件的参数确定，并且因此可以在加电时被初始化。针对长距离光纤传输的预补偿抽头系数可以仅由光纤的距离确定，因而可以稍后在距离测量完成之后被学习和指配。因此，可以独立地和准确地确定用于每个滤波器的抽头系数集合。

通常所知的预加重补偿，如上升余弦(rc)，在此处在某种程度上也是实用的，但是可以发现rc无法满足准确性和有效性。针对带宽不足来学习预补偿滤波器系数的一种理想方式是通过测试发射机和接收机的脉冲响应，然后相应地计算逆向的抽头序列。因此，所实现的预补偿可以是非常可靠且有效的。对于长距离光纤传输的预补偿的系数确定也是类似的。

在实践中，pon中的每个onu的信道条件可能是非常稳定的，并且所学习的信道能够最终被记录和更新。在一些实施例中，一旦onu进行注册就开始进行信道学习，并且信道条件被记录和更新。

图7示意性地示出了根据本公开内容的实施例的不同抽头数目的横向滤波器的误比特率比较示图。通过具体的测试，可以了解不同长度的横向滤波器的效果，测试结果示出在图7中。通过将横向滤波器的抽头数目针对第一预补偿或第二预补偿从4调节到16，可以发现一旦抽头数目足够长，比如8，额外的抽头得不到额外的性能增益。因此，在一些实施例中，第一横向滤波器或第二横向滤波器的抽头数目可以为八个。本领域的技术人员可以理解，第一横向滤波器或第二横向滤波器的抽头数目也可以是任何其他适当的数目。

图8示意性地示出了根据本公开内容的实施例的电光调制响应与现有技术的对比示图。通过图8来描述图5中的信号整形单元511中所采用的分层级pam4整形的机制。图8的左边描绘了pam4映射幅度权重为[2,1]的常规均匀的pam4的电光调制响应，右边描绘了pam4映射幅度权重为[1.6,1]的分层级的pam4的电光调制响应。

已经发现了电到光转换并是不完美的，换句话说是非线性的，所以均匀的pam4符号输入将会失真成为不均匀的pam4输出。这种非线性调制效应，等同地也会出现在nrz信号中，但是它通常不影响常规pon中的nrz数据传输的性能，因为onu无论如何能够选取中间电压电平作为用于0/1检测的阈值。但是在pam4的情况中，即使onu能够自适应地针对pam4来调节它的三阈值的位置，但是某个(些)电平的错误率将变成比其他因素更为严重的瓶颈，从而牺牲了总体ber性能。

根据本公开的实施例的信号整形单元511可以使用分层级pam4调制格式，在电到光调制之前，可以优化指配给最高有效位(msb)和最低有效位(lsb)的幅度权重，例如，在图8的右侧用于msb和lsb的幅度权重被指配为[1.6,1]。在e/o调制之后，输出的光pam4信号具有均匀的4级分布，这对于直接检测是最佳的。

图9示意性地示出了根据本公开内容的实施例的用于上行链路的通信架构示图。在图9中，e/o表示电光转换(调制)，odn表示光分发网络，o/e表示光电转换(光检测)，tia表示跨阻放大器，adc表示模数转换，lms表示基于最小均方算法的自适应滤波器，fec表示前向纠错，nl表示非线性效应。灰色的虚线框中表示了非线性效应的来源。a、b、c分别表示从相应单元输出的信号波形图，它们分别被绘制在图9a-9c中。

如图9中示出的，上行链路的通信架构可以包括三个部分，olt910、onu920和odn930。onu920中包括与上文所描述的olt用于下行链路相同的三个模块。odn930可以与上文所描述的下行链路相同，并且olt910中另外地包括模数转换器(adc)913和lms 914。

在olt910中另外包括adc913和lms914是为了上行链路性能增强，其原因在于以下的事实：在onu920中针对上行链路使用的激光器并不与用于下行链路的olt910一样具有高质量。在具体的实施方式中，可以基于最小均方的自适应后均衡来实现在长距离光纤传输之后针对每个onu和增强信号质量进行信道条件自学习。尽管这相比于直接检测引入了额外的成本和复杂性，但是它被集中化在olt中并且在众多onu之间被共享。

在一些实施例中，adc913被用来量化上行链路信号并且之后可以使用dsp进行进一步的信号处理。基于dsp的后均衡可以是基于lms的，其使得对上行链路信道条件的自学习成为可能。

在一些实施例中，lms914可以包括基于lms的自适应均衡器。在具体的通信过程中，olt910需要预先知道的训练序列来学习针对每个个体onu的上行链路信道，并且olt基于后均衡来学习信道响应并且反馈给具有逆向信道响应的onu以用于更新对色散的预补偿。关于lms算法的均衡准确性和收敛速度、抽头长度和学习步骤都是灵活的和软件可定义的。

在图9中所示出的通信过程中，25g-b/s的输入信号分别通过信号整形单元921、第一预补偿单元922、第二预补偿单元923进行预处理。然后，信号可以经过驱动器924和10g-e/o单元925转换为光信号。接着，光信号可以通过odn930和40km的光纤进行传输。接收端olt910可以通过10g-o/e单元911和tia9122对光信号进行接收。接着，所接收的信号经过adc913和lms914进行后处理。然后，olt910通过pam4解映射单元915和fec916得到最终的25g-b/s的通信信号。

图9a-9c示意性地示出了图9的通信过程中从不同单元输出的信号波形图。具体地，图9a示出了从第二预补偿单元923输出的信号波形，图9b示出了从tia912输出的信号波形，图9c示出了从lms914输出的信号波形。从这些信号波形可以看出，根据本公开内容的 实施例的预处理单元和方法显著地改善了通信信号的质量。

从以上的描述可知，根据本公开内容的实施例的无源光网络设备可以是光线路终端，在这种情况下，无源光网络设备进行接收时可以具有后处理单元。另一方面，无源光网络设备也可以是光网络单元，在这种情况中，无源光网络设备进行接收时可以对信号直接检测。

因此，在一些实施例中，无源光网络设备可以是光线路终端并且进一步被配置成为接收方以从光网络单元接收上行链路光信号。在这些实施例中，无源光网络设备可以进一步包括：后处理单元，被配置为对从光网络单元接收的信号进行后处理，以减少所接收的信号在通信过程中所遭受的失真。

在一些实施例中，后处理单元可以包括自适应均衡器。自适应均衡器可以被配置为针对每个光网络单元的上行链路信道进行自学习。通过自学习，作为接收方的olt可以自适应地根据发射方的预处理参数来调整自己的后处理的参数。然后，可以将自学习的信道响应反馈给作为发射方onu以进一步调整预处理参数，如此反复。

在一些实施例中，自学习可以包括：基于最小均方误差算法学习每个上行链路信道响应并且反馈给每个光网络单元以用于其预处理单元的更新。本领域的技术人员可以理解，最小均方误差算法仅是自学习可以采用的算法的一种示例。在其他实施例中也可以采用其他适合的算法来进行自学习过程。

在一些实施例中，光网络单元对预处理单元的更新可以包括：更新光网络单元中的用于预补偿的横向滤波器的抽头数目和抽头系数。

在一些实施例中，无源光网络设备可以是光网络单元并且可以进一步被配置成为接收方以从光线路终端接收下行链路光信号。在这些实施例中，光网络单元可以直接检测从光线路终端接收的信号而无需进行数字化后处理。

下文简要地描述使用根据本公开内容的实施例的无源光网络设备进行通信时的可能的具体操作步骤一至四。

在步骤一中，可以进行初始化。如上文所提到的，olt/onu首 先可以根据调制器的特性来初始化分层级pam4权重。其次，olt可以获取请求注册并接入的onu的信息，该信息可以至少包括调制器传输带宽和传输距离这些基本参数。同时，olt还可以向onu通知诸如光/电检测器的传输带宽等。

值得注意的是，在完全得知组件/信道信息之前，对于olt和onu两者，在这个步骤中可以使用0-1nrz格式(即两阶电平脉冲幅度调制pam2)用于更简单的0-1识别。在具体的实施方式中，用于pam4映射的msb和lsb的幅度权重集合[w1,w2]可以被改变为[0,w1+w2]用于nrz数据整形。由于pam4在这个步骤中退化为nrz，所以链路中的10ghz传输带宽的组件可以更好地支持40km的光纤传输。

在步骤二中，可以在olt和onu两者中设置带宽预补偿参数。该设置可以包括针对olt进行下行链路的预补偿参数以及onu针对上行链路的预补偿参数。不考虑来自传输光纤的效应，在该步骤中可以仅关注包括发射机和接收机的级联响应(由调制器、pd、驱动器和放大器的级联效应)。注意，olt/onu它们自身完全知晓参数。根据所有电/光组件的级联滤波效应，可以通过计算或者直接通过查表来得知时域信道响应。基于所获得的信道响应，可以计算出用于补偿的抽头序列的参数配置。

在步骤三中，可以在olt和onu两者中设置针对长距离光纤传输的预补偿参数。该设置可以包括针对olt进行的下行链路传输以及onu进行的上行链路传输。对于这个参数的设置，存在几种选择可以供olt/onu选取，诸如20km、40km、60km和/或其他距离选择。使用查表法的方式在初始化阶段可以比脉冲响应测试更加高效。

值得注意的是，通过测试可以发现，由光纤色散引发的失真不如带宽限制引发的失真显著。此外，还发现了色散预补偿系数对于40km和60km的差异并不明显，因此这意味着在准确地知道光纤长度之前，可以使用40km作为默认的预补偿设置并且进行后续更新。

在步骤四中，对于下行链路，因为onu是基于直接检测(dd)的，所以可以无需进一步的数字化后处理步骤。对于上行链路，考虑 到上行链路激光器的质量问题，可以使用基于adc和dsp的lms自适应后均衡。olt应当在收敛之后训练和优化lms抽头。经优化的系数的逆然后可以被馈送给onu用于它在发射机中的预补偿设置的更新。值得注意的是，任何优化和更新的数据可以被恢复并且对用于查找的表格进行更新。

如此，随着上述初始化和设置过程被完成，通信链路可以正确地被建立。对于下行链路方向和上行链路方向两者，包括精确的分层级pam4幅度权重、针对传输带宽不足和长距离光纤的精确的预补偿(利用横向滤波器的抽头长度和系数)的预补偿设置已经正确地被配置和更新。因此，实现了针对pam4的简单且易于实施的四阶电平直接识别，使得onu无需高成本的dcf、基于宽带adc和dsp的后均衡算法。在以下的表2中总结了上述步骤。

表2

下文基于图10-12来给出根据本公开内容的实施例的一个具体示例的仿真测试结果。

图10a-10c示意性地示出了根据本公开内容的一些实施例的频谱响应。根据上述的示例性操作步骤，可以首先将分层级pam4幅度权重优化为[1.7,1]。

接着，可以直接将光发射机和接收机与0-km光纤连接，并且因此可以得出链路中所有组件的级联响应，这在图10a中以量级和脉冲响应示出。在这个具体的仿真测试中，抽头长度可以被选取为16。在图10a中能够发现，如所期望的，带宽预补偿具有高通滤波器效应。

然后，基于第二步骤的结果，可以对分层级映射的pam4信号进行针对带宽不足的预补偿。然后，可以插入一段40km的光纤来测试纯粹由光纤引起的色散失真。图10b中示出了具有16比特抽头的针对长距离光纤传输的预补偿滤波器的量值和脉冲响应，它也具有像高通滤波器那样的响应。另外，还比较了对于40km和60km光纤的针对长距离光纤传输的预补偿响应。图10c中的结果示出了区别在于，对于后一种情况，对于较高频率分量需要额外的预加重。在图10c中，标记为1001的曲线表示针对40kmssmf的色散预补偿的幅值响应，标记为1002的曲线表示针对60kmssmf的色散预补偿的幅值响应。

值得注意的是，在该测试示例中，带宽的限制另外还源自所使用 的任意波形生成器(awg)，其1-db和3-db模拟带宽分别是3.5ghz和5.6ghz。此外，概念验证测试中的pam4波特率采用了12g波特率而不是12.5g波特率，这是因为awg的输出上限为12g，所以实际的比特速率是24gbps。

图11a-11b示意性地示出了根据本公开内容的实施例的信号波形与现有技术的比较示图。为了更好地反映根据本公开内容的实施例的预处理的必要性，在图11a-11b中呈现了未经补偿的原始pam4和经预补偿的pam4两者的在40km和60kmssmf传输之后的信号波形。基于波形与原始标准符号位置的比较，可以发现不正确的检测如何发生以及预补偿在减少ber中的效果。在图11a-11b中，具有圆圈的虚线表示标准的符号，标记为1101的曲线表示原始pam4信号经过长距离光纤传输之后的信号波形，标记为1102的曲线表示经预补偿的pam4的信号经过相同的光纤传输之后的信号波形。图11a-11b中的左边示出了放大的视图，其显示了原始的pam4信号如何发生不正确的识别。

图12a-12b示意性地示出了根据本公开内容的实施例的误比特率与现有技术的比较示图。在12a-12b中，经过测试并且呈现了利用直接检测方法针对通过ssmf的40km和60km传输的原始pam4和经预补偿的pam4的ber性能和眼图。在光纤传输之后的原始pam4与经预补偿的pam4之间的眼图比较作为插图示出。结果清楚地示出了根据本公开内容的实施例的无源光网络设备及其方法的显著性。

作为一个具体的设计示例，用于分层级pam4的幅度权重参数、带宽预补偿、长距离光纤传输预补偿的抽头系数可以分别被设置为：分层级pam4幅度权重：[1.7,1]；针对级联发射机和接收机的带宽预补偿系数矩阵可以是[0.7688,-0.0691,0.0194,0.0028,-0.0322,0.0017,-0.0128,-0.0375,0.0013,0.0085,-0.0087,0.0104,-0.0031,-0.0082,0.0098,-0.0058]；针对40kmssmf的长距离光纤传输预补偿系数矩阵可以是[0.8643,-0.0465,-0.0104,-0.0052,0.0096,-0.0023,-0.0052,-0.0046,0.0111,-0.0072,-0.0095,0.0071,-0.0064,-0.0008,0.0053, 0.0045]；针对60kmssmf的长距离光纤传输预补偿系数矩阵可以是[0.7312,-0.1209,0.0205,-0.0071,0.0117,-0.0120,0.0085,-0.0136,0.0090,-0.0160,-0.0071,0.0057,-0.0108,0.0043,0.0037,0.0034]。

图13示意性地示出了根据本公开内容的实施例的用于无源光网络设备的方法1300的流程图。方法1300所针对的无源光网络设备可以被配置为通过较窄传输带宽的组件来进行较高速率的通信。在一些实施例中，较窄传输带宽可以是10ghz，并且较高速率可以是12.5gbaud/s。在一些实施例中，组件可以包括以下各项中的至少一项：发射机、接收机、驱动器、调制器、检测器、以及放大器，等等。

如图13中所示出的，方法1300在开始时候可以进入步骤1301。在步骤1301中，可以对通信信号进行预处理以减少通信信号在通信过程中将会遭受到的失真，其中失真至少部分地将由组件的较窄传输带宽导致。接着，方法1300可以进入步骤1302。在步骤1302中，可以将经预处理的通信信号转换为光信号以通过光纤进行传输。

在一些实施例中，进行预处理可以包括：进行第一预补偿以减少将由所述组件的较窄传输带宽导致的通信信号失真。在一些实施例中，进行预处理可以进一步包括：进行第二预补偿以减少将由所述光纤的色散导致的通信信号失真。在一些实施例中，进行预处理可以进一步包括：进行信号整形以减少将由所述电光转换单元的非线性导致的通信信号失真。

在一些实施例中，进行第一预补偿可以包括：使用第一横向滤波器来进行所述第一预补偿。在这些实施例中，较窄传输带宽的组件可以包括作为发射方的无源光网络设备中的组件以及将接收光信号的接收方设备中的组件，并且进行第一预补偿可以进一步包括：在通信的初始化过程中获得接收方设备中的组件的传输信道信息；以及基于作为发射方的无源光网络设备中的组件的传输信道信息和所获得的接收方设备中的组件的传输信道信息，来确定第一横向滤波器的抽头数目和抽头系数。在一些实施例中，进行第一预补偿可以进一步包括：使用两阶电平脉冲幅度调制pam2信号来进行初始化过程。

在一些实施例中，进行第二预补偿可以包括：使用第二横向滤波器来进行第二预补偿。在一些实施例中，进行第二预补偿可以进一步包括：基于光纤的长度来确定第二横向滤波器的抽头数目和抽头系数。在一些实施例中，进行第二预补偿可以进一步包括：通过查表来进行该确定。在一些实施例中，光纤可以包括标准单模光纤并且长度可以大于40千米。在一些实施例中，第一横向滤波器或第二横向滤波器的抽头数目可以为八个。

在一些实施例中，通信信号可以包括四阶电平脉冲幅度调制pam4信号，并且进行信号整形可以进一步包括：向pam4信号的最低有效位和最高有效位分配适当的幅度权重，以使得在经过电光转换单元和光纤传输之后，pam4信号的四个电平均匀分布。

在一些实施例中，无源光网络设备可以是光线路终端并且可以被配置成为接收方以从光网络单元接收上行链路光信号。在这些实施例中，该方法可以进一步包括：对从光网络单元接收的信号进行后处理，以减少所接收的信号在通信过程中所遭受的失真。在一些实施例中，后处理可以包括：针对每个光网络单元的上行链路信道进行自学习。在一些实施例中，自学习可以包括：基于最小均方误差算法学习每个上行链路信道响应并且反馈给每个光网络单元以用于其预处理单元的更新。在一些实施例中，预处理单元的更新可以包括：更新光网络单元中的用于预补偿的横向滤波器的抽头数目和抽头系数。

在一些实施例中，无源光网络设备可以是光网络单元并且可以被配置成为接收方以从光线路终端接收下行链路光信号。在这些实施例中，该方法可以进一步包括：直接检测从光线路终端接收的信号而无需进行数字化后处理。

本公开内容的实施例主要针对了在onu中使用旧有10ghz收发机等组件和四阶电平直接检测方法的针对40km以上光纤传输距离的25gb/spam4格式的ng-epon。为了应对三个关键的挑战，即pam4的不均匀的四阶电平调制特性、不足的光模拟带宽、以及长距离光纤传输引发的色散，本公开内容的实施例中提出了引入简单且成本高效 的预处理单元以及随后的易于实施的解决方案流程。这种方法促进了对直接检测pam4信号的经济且可靠的实现，而不取决于onu侧的高成本adc和dsp。因为预补偿可以基于若干抽头的横向滤波器，所以它保证了可靠的ber性能，而无需使用常规高成本的dcf、基于宽带adc和dsp的后均衡。由此，可以实现在onu中无需adc和dsp(以及dcf)的无需数字化后处理的用于在通过40km以上ssmf传输之后的pam4信号的直接检测。

下面的表3总结了本公开内容的实施例的目标和相关技术问题。

表3

本公开内容的实施例至少具有以下的技术价值和/或益处。

第一，实现了在onu中用于pam4信号检测的简单且可靠的直接检测(dd)，并且无需使用基于adc和dsp的后均衡化。此处，dd意指四阶电平(三阈值)的电压识别。因此，在onu中无需高成本的宽带adc并且无需基于dsp的数字化后处理/后补偿，利用四阶电平pam4直接检测保持了onu是经济的。

第二，实现了长距离pon，例如40km以上的单模光纤传输，但是不以使用高成本的色散补偿光纤为代价。因此，可以支持40km以上的光纤传输，而无需高成本的色散补偿(dcf)。

第三，可以仅使用10ghz(或者甚至更少)传输带宽的收发机(trx)进行可靠的25gb/s传输。因此，10ghz传输带宽的旧有光/电组件(驱动器、收发机、放大器，等等)可以用于针对ng-epon的25gbpspam4信号传输。作为结果，减少了带宽不足将引起的符 号间干扰(isi)，并且减少了导致水平维度和垂直维度两者中的闭眼(eye-closing)效应。此处的收发机不仅包括旧有的光组件(如调制器、光检测器pd等)，而且还包括电驱动器和放大器等组件。

第四，实现了一种能够使得通信系统自动学习信道条件(包括来自发射机、接收机和光纤的效应)的实用方法/过程，并且还实现了自适应地优化其性能。

在对本公开内容的实施例的描述中，术语“包括”及其类似用语应当理解为开放性包含，即“包括但不限于”。术语“基于”应当理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”或“该实施例”应当理解为“至少一个实施例”。

应当注意，本公开内容的实施例可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。

此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开内容的方法的操作，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操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，流程图中描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤组合为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。还应当注意，根据本公开内容的两个或更多装置的特征和功能可以在一个装置中具体化。反之，上文描述的一个装置的特征和功能可以进一步划分为由多个装置来具体化。

虽然已经参考若干具体实施例描述了本公开内容，但是应当理解，本公开内容不限于所公开的具体实施例。本公开内容旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等效布置。