专利名称：基于oofdm的无源光网络接入系统的时间同步方法
技术领域：
本发明属于光通信技术领域，具体来说，涉及基于光正交频分复用的无源光网络 (00FDM-P0N)接入与时间同步技术。
背景技术：
同步技术是正交频分复用(OFDM)通信系统的关键技术之一，也是光正交频分复 用(OOFDM)和基于光正交频分复用的无源光网络(00FDM-P0N)接入系统能否实用化的关 键。00FDM-P0N接入分为相干和非相干两种系统，其中相干00FDM-P0N接入系统性能较好， 但实现较难、成本较高；非相干00FDM-P0N接入技术采用直接调制强度检测，实现容易成本 较低，因此，非相干00FDM-P0N接入系统将是未来采用OOFDM实现接入中的优选方案之一。 00FDM-P0N接入系统中的同步方法直接影响到00FDM-P0N系统的设计成本、传输速率、误码 率以及系统的灵活性，高效的同步方法是00FDM-P0N系统实用化的决定因素之一。因此，解 决00FDM-P0N系统中同步问题对于推进该技术实用化尤为重要。00FDM-P0N系统的理论已经被提出多时，但该系统中的同步技术研究较少，目前 研究00FDM-P0N的文献中并没有集中讨论该系统中的同步问题。有部分文献直接就引用 了无线OFDM技术中的一些常用的同步方法，如M. Schmidl和D. Cox, "Robust frequency and timingsynchronization for OFDM," IEEE Trans. Commun. , vol. 45, pp. 1613-1621, Dec. 1997 ;H. Minn，M. Zeng 禾口 V. Bhargava，"On timing offset estimation for OFDM systems,，，IEEE Commun. Lett.，vol. 4, pp. 242-244, July 2000 ；B. Park, H. Cheon, C. Kang, "A Novel Timing EstimationMethod for OFDM Systems,，，IEEE Lett. Commun. , 2003, 7(5) 239-241等算法，但这些无线信道中经典的算法基本都是需要导频信号的，一方面降 低了系统的有效性，并且在接收端还需要进行复杂的数据处理，在高速传输系统中会占用 大量的数据处理资源，成本将会很高。在高速00FDM-P0N系统中，在接收端实现高速的数据 处理显然是不合理的，因为需要占用大量的资源，且成本也较高。因此，克服上述00FDM-P0N接入系统中同步技术的不足，本发明提供一种用于单 模光纤信道的00FDM-P0N接入系统的时间同步新方法，该方法对00FDM-P0N系统走向工程 化非常重要，下面将对本发明进行详细说明。
发明内容
本发明的目的在于克服上述00FDM-P0N系统中现有同步技术的不足，提供一种成 本低廉，容易实现，效率较高的00FDM-P0N系统的同步方法。该方法提高了 00FDM-P0N接入 系统的频谱利用率，降低了该系统接收端的数据处理量，有效地提高了系统资源利用率。为了方便的描述本发明的内容，对一些专业术语进行描述0FDM:正交频分复用；00FDM 光正交频分复用；Ρ0Ν:无源光网络；
00FDM-P0N 基于光正交频分复用的无源光网络；0LT:光线路终端；0NU:光网络终端；ADC:模数转换；FFT 傅立叶变换。为实现上述目的，本发明的时间同步方法的特征在于，抛弃了以往的依靠数据处 理的方式获得同步，而是用基于脉冲调制定时信号，直接探测定时信号和采用波分复用实 现处理光OFDM和定时信号的方式来实现同步，并且不占用任何有用带宽。本发明提出的 00FDM-P0N系统同步的方法基本原理为在基于单模光纤信道的00FDM-P0N系统中，在系统 的发射端产生两个分支的光信号，其中一个分支的光信号调制光OFDM信号，用来传用户的 数据，记为A分支；另一分支的光信号调制同步信息，用来传输00FM-P0N系统中的同步定 时信息，记为B分支。最后，将分别调制了用户数据和同步定时信息的两个分支光信息耦合 到光纤信道中，在本方法中这两个分支的光信息采用不同频率的光载波在同一根光纤中传 输。在发射端，A分支上每个携带循环前缀的光OFDM数据的开始时刻，则B分支上发送一 个标识同步定时的脉冲信号，同步定时脉冲宽度为循环前缀的长度，这两个分支的光信号 在光纤中传输后，假定不考虑群速度的影响，则两个分支的光信号在光纤中的传输时延相 同。在接收端，用光解复用器把这两个分支的光信号分开，其中携带了定时信息的光信号， 通过光电探测器完成光信息的接收，则在电域上的定时信号仍然在一个光OFDM数据信号 的开始时刻出现。因此，可以用一个分支的同步定时脉冲信号来进行时间同步的确定。但 在00FDM-P0N的实际系统中，由于群速度的影响，两个分支A和B在光纤信道中传输后会出 现时延差，导致在接收端B分支发送的定时脉冲不能准确的出现在A分支的光OFDM数据的 起始位置。因此，计算并补偿两分支的时延差是实现该方法在00FDM-P0N系统中应用的重 要因素之一，下面将介绍该系统中两个分支传输时延差的计算过程。在00FDM-P0N系统中，由于光纤信道不同于无线信道的最主要的特点是光纤信道 是静态信道，而无线信道是时变信道。在00FDM-P0N系统中，本发明提出的同步方法关键在 于接收端根据接收到的定时脉冲确定一个光OFDM数据的起始时刻，即选择一个特定阈值， 接收到的定时脉冲上升到这个阈值的时刻作为一个OFDM符号到达的时刻。因此，该问题的 关键在于确定这个阈值。光携带信息的传输速率一般用光群速度
来表示，群速度是频率的函
数。β代表沿光纤轴线的传播常数，是ω的慢变函数，可以在其中心频率Oci附近将其展 开成泰勒级数，则得到 其中 求解光传输单位长度后的时延\， 因此，两束角频率分别为(O1和ω2的光在光纤中传输单位长度后的时延差为忽略四阶以上的色散，则(3)式可写为
(4)角频率分别为O1和ω2的光经过长度为L的光纤后，两束光的时延差为
(5)则通过(5)式可以得到两个分支的光到达接收端的时延差。假定一定宽度的矩形脉冲作为定时脉冲，在接收端，设定一个阈值，矩形脉冲上升 阶段到达阈值时，则判决电路发出一个同步信号，表示一个光OFDM数据的开始。该方法中阈值的确定如下假定光纤信道传播光场的每一个频率分量为平面波，可以写成
(6)式中， 为单位极化矢量；0 (0，ω)为初始振幅；β为传播常数；F(x，y)为模场分 布，通常与频率和非线性有关，但对谱宽Δ ω远远小于光载频Coci的光脉冲和弱非线性下， 其依存关系可以忽略。在△ ω范围内的不同谱分量的光场在光纤中按如下关系传输
(7)对(7)傅里叶逆变换后为 将⑶变换后得到
(9)其中慢变振幅可表示为 式中(0乂《) = 0(0，一是4(0，0的傅里叶变换。为了分析慢包络的变化，对ζ求 导，在光功率较小的情况下，忽略掉非线性的影响，只考虑光纤的衰减，则得到 α表示衰减系数。为了利于分析脉冲在光纤中传输的影响，以群速度移动的新坐 标系中考察光脉冲的演变，定义新坐标为 当I β 21 > 0. IpsVkm时候，通常忽略β 3的影响，于是得至 根据傅里叶变换的性质，得到g的傅里叶变换为(· ω)2 J(^iy)，则有
0049]
(14)解(14)，则得到
(15)2(0，—是初值六(0，10的傅里叶变换，将ω)进行傅里叶反变换，即可得到Α(ζ， Τ) 假定发送的是矩形脉冲，A(0，Τ) = 1，0≤T≤Ttl，则其傅里叶变换为 将(17)代入(16)式，得到接收端的光脉冲Α(ζ，Τ)为 因此，通过公式(18)可以得到接收端判决阈值。
图100FDM-P0N系统中时间同步方法的示意图。图2系统中的发射端和接收端光信号的示意图。图300FDM-P0N系统中接收端的同步处理框图。图4定时脉冲传输后与OFDM信号传输后的时延差计算流程图,图5B分支传输后接收端阈值确定的流程图。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
，对本发明应用于00FDM-P0N接入系统中时间同步的方法 作进一步详细的说明。图1是00FDM-P0N系统中时间同步方法的示意图。00FDM-P0N系统主要由光线路 终端(OLT)和多个光网络终端(ONU)组成。OLT包括了激光器、OFDM信号产生模块、调制器 和光复用器。ONU包括了光解复用器、时延差补偿、光探测器和OFDM接收模块。在OLT端， 由两个激光器组成，其中1号激光器用于调制光OFDM数据信号，表示为A分支，其中OFDM 信号由OFDM信号产生模块产生；另一个2号激光器用于调制定时脉冲信号，表示为B分支， 这两个分支信息通过光复用器复用到基于单模光纤的信道。在接收端，由分支器将传输的信息分为多个分支，每个分支进入到不同的0NU。如在任意一个ONU中，输入的信号通过光 解复用器分为两个分支，其中携带了光OFDM数据信号的一个分支通过ADC后进入到串/并 转换模块；携带了定时信息的另一个分支的信号通过时延补偿模块进入到光探测器提取出 定时信息，转换为电信号，该信号直接输入到FFT模块，用于光OFDM数据信号的定时处理， 最后由数据接收模块完成光OFDM的正确接收。图2是系统中的发射端和接收端光信号的示意图。在ONU接收端先对定时脉冲进 行时延补偿，使得两分支的光信号由于群速度影响导致的时延差相互抵消。在发射端，A分 支光源经过调制后携带了光OFDM信号的波形示意和B分支调制后携带了定时信息的波形 示意分别如图2(a)和(b)所示。在接收端，由于光纤信道的影响传输后的光OFDM信号波形 如图2(c)所示，定时脉冲经过时延补偿后的波形示意如图2(d)所示。携带了定时信息的 B分支经过光纤信道传输后，在接收端要准确地提取出定时信息，则在定时信号提取时设定 一个阈值，当光脉冲上达到阈值Po时，表明光OFDM信号的开始，以实现准确的00FDM-P0N系 统中的定时。图3是00FDM-P0N系统中接收端的同步处理框图。主要由光解复用器、ADC、OFDM 解调、时延补偿和光脉冲检测组成。在00FDM-P0N的接收端，通过光纤信道传输后的光信号 经过光解复用器分为A分支和B分支。携带了光OFDM信号的A分支通过ADC处理后进入 到OFDM解调模块中。为了易于实现系统时延差的补偿，用于传输定时信息的光信号传输时 延不小于用于传输光OFDM信号的光信号的时延，携带了定时信息的B分支通过时延补偿后 由光脉冲探测器将光信号转换为电信号，再输入到OFDM解调模块中，实现OFDM信号的准确 接收。图4是定时脉冲传输后与OFDM信号传输后的时延差计算流程图。给定光纤传输 长度L和中心频率(Oci，当…彡ω彡ω2时，则计算出B分支通过光纤传输为L后与A分 支相差的时延量，由此确定B分支的时延补偿，实现定时信号准确地定时，在接收端恢复出 OFDM信号。图5是B分支传输后接收端阈值确定的流程图。给定光纤传输损耗α和中心频 率Qci，确定光纤传输常数P1, 02和β3，计算出慢变换振幅Α(ζ，Τ)，当O彡T彡Ttl时，则 计算出慢振幅的傅立叶变换量2(0,ω),由2(0,…计算出光脉冲的幅度。因此，可以判断出接
收端的阈值量，最后实现定时信息的准确判断。本发明的有益效果本发明可实现对00FDM-P0N接入系统中的时间同步，本发明的设计原理简单，容 易实现，成本低廉。在设计过程中对该发明的模型进行模拟所需时间较短，优选参数简单快 捷。采用本发明进行00FDM-P0N系统的同步易实现，不占用系统的有效带宽，特别是本发明 不依赖于在接收端进行大量的数据处理，只在模拟信号上进行简单可靠的处理即可实现同 步，获得较好的性能，本发明对00FDM-P0N接入系统的实用化具有很重要的意义。
权利要求
本发明提出一种基于光正交频分复用的无源光网络(OOFDM-PON)接入系统中的时间同步方法。其方案中主要由OOFDM-PON系统中的光线路终端(OLT)和光网络终端(ONU)组成，OLT包括了激光器、正交频分复用(OFDM)信号产生模块、调制器和光复用器，ONU包括了光解复用器、时延差补偿、光探测器和OFDM接收模块。其特征一在于，基于波分复用和脉冲携带定时信息用于直接探测的OOFDM-PON系统的同步技术；其特征二在于，在OOFDM-PON的OLT发射端，分为两个分支的光信号，其中一个分支传输光OFDM信号，另一个分支传输用于定时的同步信号；其特征三在于，两个分支分别采用了不同频率的载波，在OOFDM-PON的ONU接收端，通过解复用器把两个分支的信号分离；其特征四在于，由于光纤信道的影响，光OFDM信号与定时脉冲信号两分支传输后产生了时延差，本发明中采用光纤延迟线或电域延时方法对两分支信号的时延差加以补偿。
2.根据权利要求1所述，其特征在于，为了易于实现系统时延差的补偿，用于传输定时 信息的光信号传输时延不小于用于传输光OFDM信号的光信号的时延。
3.根据权利要求1所述，其特征在于，00FDM-P0N系统中接收端的同步处理模块主要由 解复用器、模数转换(ADC)、OFDM解调、时延补偿和光脉冲检测组成。
4.根据权利要求1所述，其特征在于，给定光纤传输长度L和中心频率Oci，当角频率 满足条件Q1S ω < ω2时，则计算出携带了 OFDM信息和携带了定时信息的光信号通过光 纤传输后的时延差。光携带信息的传输速率一般用光群速度Vg来表示，群速度是频率的函数。求解光传输单位长度后的时延Tg， β代表沿光纤轴线的传播常数，是ω的慢变函数。因此，两束角频率分别为《工和ω2 的光在光纤中传输单位长度后的时延差为，At = (β2 + P1(O)- ω0)) ω角频率分别为O1和(02的光经过长度为L的光纤后，两束光的时延差为，At = LA τ由此确定时延补偿量，实现定时信号准确地定时。
全文摘要
本发明公开了一种基于光正交频分复用的无源光网络(OOFDM-PON)系统中时间同步的方法，该方案包括光线路终端(OLT)和光网络终端(ONU)。OLT由激光器、调制器、OFDM信号产生模块和光复用器组成。ONU由光解复用器、时延补偿、光探测器和OFDM接收模块组成。在OLT发射端，分为调制光OFDM信号和调制定时信息两个分支的光信号组成。通过光纤传输后由光解复用器分为两个分支，其中携带定时信息的分支通过时延补偿后由光探测器提取出定时信号，在ONU接收端完成OFDM信号的准确接收。本发明的设计原理简单、容易实现和成本低廉等特点。
文档编号H04L7/04GK101882968SQ20101021004
公开日2010年11月10日 申请日期2010年6月25日 优先权日2010年6月25日
发明者张崇富, 邱昆, 郝小勇 申请人:电子科技大学