一种ofdm-pon上行链路时间同步方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种OFDM-PON上行链路时间同步方法，实现了上行链路多ONU的时间 同步，为下一代光接入网同步问题提出了一种解决方案。
【背景技术】
[0002] 随着互联网技术的发展，语音、视频和高清电视等多媒体业务不断涌现，人们对网 络带宽容量需求急剧增长，新型带宽接入需求不断涌现，导致了接入网带宽瓶颈的出现。无 源光网络（Passive Optical Network, Ρ0Ν)技术具有低成本、大容量、组网灵活、设备安装 方便和扩容简单等优点，被界内人士广泛关注，并确定为下一代宽带接入技术的核心。PON 作为一种低成本解决光纤到户问题的技术，是当前接入网技术研究的主流方向。
[0003] 图1是典型的PON系统结构图，它主要由三部分构成：一个光线路终端（Optical Line Terminal, 0LT)、多个光网络单元（Optical Network Unit, 0NU)和光分配网络 (Optical Distribution Network, 0DN)。OLT充当接入网的交换机或者路由器的功能，完 成数据包的转发，它位于业务中心（Center Office, CO)端。ONU则位于用户端，用来暂时 存储用户发来的上行数据和OLT发来的下行数据，并且在恰当的时候完成数据的转发。ODN 用于连接ONU和0LT，主要由无源光分配器和无源光耦合器等无源器件组成。
[0004] 正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 0FDM)在无线通 信中是非常成熟的技术，应用于诸如IEEE802. 11G、IEEE802. 16等标准，是当前频谱利用率 最高的一种调制技术。它的基本原理就是在时域内将高速的数据信息流分成若干个并行的 低速数据流进行同时传输，在频域上将系统带宽划分为相互正交的子载波，每个子载波上 采用独立的调制格式进行传输，有效地提高频谱利用率及系统传输容量。
[0005] OFDM技术和PON结合，凸显出接入方式灵活、频谱效率高、支持有线无线融合 接入、系统成本低等优势，0FDM-P0N研究成为面向下一代接入网中最具竞争力和代表性 的方案。0FDM-P0N技术是将正交频分复用多址技术（Orthogonal Frequency Division Multiple Access, 0FDMA)应用在PON上的新型光接入网技术，相较于传统的PON有很多优 势：
[0006] 1)由于OFDM是多载波调制（MCM)系统，系统频谱利用率高。
[0007] 2) OFDM技术有较强的抗色度色散和抗偏振膜色散能力。
[0008] 3)成本效益好，收端和发端的处理实现均比较简单。
[0009] 4) 0FDM-P0N的带宽能够更有效和灵活地分配，具有良好的带宽粒度，支持动态
[0010] 带宽分配。
[0011] 0FDM-P0N的上行链路中，0FDM-P0N采用OFDMA技术作为多址技术，OLT接收到的 信号是不同ONU发送信号的叠加，一个OFDM符号内承载多个ONU的数据信息。同步误差除 了会引起子载波间干扰（Inter Carrier Interference, ICI)和符号间干扰（Inter Symbol Interference, ISI)外，还会引起用户间多址干扰（Multiple Access Interference, MAI)。 因此本发明提出一种0FDM-P0N上行链路时间同步的方法，实现各个ONU的时间同步。
【发明内容】
[0012] 本发明的目的在于解决OFDM-PON上行链路多个ONU信号的时间同步，提出一种 OFDM-PON上行链路时间同步方法，实现各个ONU的信号在OLT端对齐，达到精确的时间同 步。
[0013] 本发明通过以下技术方案实现：
[0014] 本发明通过初始同步的过程，让到达OLT的各个ONU的OFDM符号对齐，保证上行 链路子载波间的正交性，从而实现OFDM-PON上行链路时间同步。
[0015] 本发明上述方法包括如下步骤：
[0016] 步骤一、尚未同步的ONU在需要接入OFDM-PON系统时，首先进行下行帧同步，从下 行帧信息中获取上行传输有关的参数以及可以使用的同步码等信息。
[0017] 步骤二、ONU随机选择一个可用的同步码，并选择一个同步时隙，将同步码调制到 同步子信道上，然后把同步OFDM帧发送给OLT。
[0018] 步骤三、OLT进行同步码的检测，检测接收到的每一个OFDM符号是否包含完整的 同步码。
[0019] 步骤四、OLT检测到同步码以后，计算出时间偏移，然后广播一个同步响应消息，该 消息包括检测到的同步码和时间偏移信息。
[0020] 步骤五、ONU接收到同步响应消息后，与自己发送的同步码进行比较，如果匹配，则 根据同步响应消息里面的时间偏移进行调整，调整以后该ONU发送的OFDM符号在OLT端便 对齐了。如果同步过程不成功，ONU则重新选择一个同步时隙发送同步码。
[0021] 上述步骤一中所述的同步码为恒包络零自相关（Constant Amplitude Zero Autocorrelation, CAZAC)序列，其表达式为：
其中j是虚数单位，是圆周率，L是序列的长度，r是和L互质的常数。CAZAC序列具有 理想的循环自相关特性。
[0022] 上述步骤二所述的同步子信道是专门预留出来进行时间同步的。已经同步 的ONU在数据子信道上传输数据。同步子信道是一组长度为L的相邻子载波，其编 号记为UJn) ;n = 0，1，...L-1}。同步码在频域就是一个长度为L的CAZAC序列， 记为A= [c(0)，c⑴，...，c(L-l)] τ，然后插入N-L个零形成长度为N的信号1 = [Xr ⑹，Xr⑴，·· .Xr (N-I)]τ，即
[0024] 信号&经过N点的离散傅里叶逆变换得到信号X ρ信号&重复两次，再加上循环 前缀，得到同步OFDM帧。同步OFDM帧的长度是2N+Ng，其实N为进行FFT的长度，N g是循环 前缀的长度。这种同步OFDM帧的结构，可以保证在OLT的接收端，只有一个FFT窗口是包 含了完整的同步码。
[0025] 上述步骤三同步码的检测，其具体过程如下：
[0026] 在OLT端得到的OFDM帧，去除循环前缀后得到时域信号y =
[y(0),y(l),......y(N-l)]T，经过离散傅里叶变换以后，得到的频域信号记为Y =
[Y(0),Y(D,......Y(N-1)]T。为了检测该符号是否包含完整的同步码，信号Y和所有可能 的同步码在频域进行互相关运算，即：
[0028] 然后设置一个门限η来判断是否包含完整的同步码，使用的门限η为：
[0030] 如果Eg> η，而且E g是相邻几个符号的最大值，就可以认为该OFDM符号包含了 完整的同步码。
[0031 ] 步骤四中时间偏移计算的具体操作方法如下
[0032] 检测到同步码以后，需要计算时间偏移。使用接收到的时域信号y和信号&进行 循环卷积，循环卷积最大值点可以确定时间偏移量。为了减小计算的时间复杂度，时域的循 环卷积可以通过在频域进行乘积实现。对信号
进行离 散傅里叶逆变换得到Zr= (η) :n = 0, 1，... N-1}。时间偏移为
，
[0033] 与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：
[0034] 本发明利用了 CAZAC序列的零自相关特性，进行同步码的检测和时间偏移的计 算，能够准确实现OFDM-PON的时间同步，而且本发明的方法具有较低的时间复杂度，适合 作为接入网同步的方案。
【附图说明】
[0035] 图1是根据相关技术的PON的系统结构的示意图。
[0036] 图2是本发明的OFDM-PON上行链路时间同步方法的示意图。
[0037] 图3是本发明的OFDM-PON的同步OFDM帧的示意图。
[0038] 图4是本发明的OFDM-PON上行链路时间同步方法在不同信噪比下时间偏移估计 的错误率。
[0039] 图5是本发明的OFDM-PON上行链路时间同步方法在不同数量的ONU同时进行同 步过程的情况下时间偏移估计的错误率。
【具体实施方式】
[0040] 下面将结合附图对本发明的实施例做详细说明。
[0041] OFDM-PON上行链路中，OLT接收到的信号是多个ONU发送信号的叠加。为了在OLT 端正确解调得到所有ONU的发送信号，各个ONU的信号在OLT端需要对齐，实现精确的时间 同步。本发明提供了一种OFDM-PON上行链路时间同步的方法，其具体步骤如下：
[0042] 步