基于波长固定和波长可调激光器的TWDM-PON系统及方法与流程

本发明涉及光通信技术领域，具体地，涉及基于波长固定和波长可调激光器的TWDM-PON系统及方法。

背景技术：

随着通信技术的发展和人们需求的多样化，大量的新业务不断涌现，包括超高清图像视频传输、云计算、云存储、数据中心等对于网络带宽的要求越来越高。同时，在现代城市生活中，人们白天在城市CBD工作，晚上回到居民区休息，由此引发了通信数据流量的大规模迁移的“潮汐效应”。从时间上看，在一天24小时的范围内，在同一地点，无论是居民区还是商业区，流量涨落随潮汐分布；从地点来看，不同的地点在同一时间下的流量高低是不同的。具体地，在白天，数据流量集中在城市CBD中，居民区中的数据流量很少，网络带宽资源没有得到充分利用；在晚上，数据流量集中在居民区，城市CBD中的数据流量很少，这种现象引发了带宽资源的大量闲置而得不到利用的问题。因此，一方面，网络面临着资源闲置得不到利用而造成浪费的局面，另一方面，无论在任何地点，都需要保持网络能够满足通信的最基本的带宽需求。综上，需要寻找一种新的网络系统结构在满足用户基本需求的同时还能够对实时的数据流量需求做出响应，动态地分配网络带宽资源，实现网络资源的合理调度，从而最大限度地满足用户的需求。

基于波长固定和波长可调激光器的TWDM-PON系统传输结构，是在传统TWDM-PON网络中配置上采用波长固定与波长可调激光器相组合的方式构成的新的结构。基于时分复用和波分复用堆叠的无源光网络TWDM-PON因其实现成本相对低、可兼容性好(不改变现有ODN网络结构)等优点被认为是NG-PON2的主要技术之一。然而，在普通的TWDM-PON系统中，网络中总是需要先保证最基本的通信需求，这时使用可调发射机的成本高昂，成为一个急需解决的问题。

基于波长固定和波长可调激光器的TWDM-PON系统传输结构，TWDM-PON系统由若干子系统系统构成。包括光线路终端、光放大器、馈线式光纤及与光线路终端相连接的若干子无源光网络。在光线路终端，通过固定收发机模块与可调收发机模块相组合的方法，以固定波长去保证网络的最基本通信需求，再以可调收发机模块将资源灵活的在网络中进行调度去满足用户实时变化的流量需求。

经现有文献检索发现，华为公司Ning Cheng，Jianhe Gao等人在2014年OPTICS EXPRESS期刊上发表“Flexible TWDM PON system with pluggable optical transceiver modules”。该文献中，作者提出了一种基于可插拔光收发模块的灵活的TWDM-PON系统。为了实现网络中的负载均衡，作者提出了一种新的灵活的TWDM-PON结构，这个结构包括了光线路终端(OLT)收发器、混合AWG/Splitter、Interleaver。通过4×4的混合AWG/Splitter和可调收发机模块在同一个ODN或者不同ODN之间进行波长的调配，从而实现网络负载均衡。在该结构中，为了实现波长路由而设计了Cyclic AWG和Power Splitter混合结构，实现了资源调度和负载均衡，但这个结构是为了将资源尽可能地导向某一个子无源光网络而使用了Interleaver,使得系统结构复杂，发射机全部使用可调发射机增加了系统的成本，在网络的建设、维护和升级过程中带来不必要的麻烦。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于波长固定和波长可调激光器的TWDM-PON系统及方法。

根据本发明提供的基于波长固定和波长可调激光器的TWDM-PON系统，其特征在于，包括若干子系统，所述子系统包括：光线路终端、波带分波合波模块、波长路由模块、光放大器、馈线式光纤、子无源光网络；其中，所述光线路终端包括固定收发机模块和可调收发机模块；对于每个子系统，所述可调收发机模块、所述波长路由模块、波带分波合波模块、光放大器、馈线式光纤、子无源光网络依次相连；对于每个子系统，所述固定收发机模块、波带分波合波模块、光放大器、馈线式光纤、子无源光网络依次相连；且所述光线路终端对应若干个子无源光网络；

-所述固定收发机模块，用于通过固定波长发射机发出固定波长信号以满足网络中的基本通信需求；

-所述可调收发机模块，用于通过可调波长发射机调节波长，并利用波长路由模块动态分配波长资源；

-所述波长路由模块，用于根据网络中的需求，动态分配可调收发机模块的波长资源；

-所述波带分波合波模块，第一级波带阵列波导光栅用于对可调发射模块发射的下行波长进行合波，以及对上行波长进行分波，第二级波带阵列波导光栅用于对固定收发机模块和可调收发机模块发送的固定波长信号和可调波长信号进行合波和分波，并与相应的子无源光网络中的虚拟光网络单元ONU集合进行通信；

-所述光放大器，用于对波带分波合波模块输出的光波进行放大；

-所述馈线式光纤，用于连接光放大器和子无源光网络；

优选地，所述波长路由模块，为周期型波导阵列光栅、波长阵列开关、基于半导体光放大器的交换矩阵中任一种模式，用于实现对波长资源的动态分配。

优选地，所述固定收发机模块发送的固定波长信号和可调收发机模块发送的可调波长信号分别位于不同的波带内，且通过波带分波合波模块对固定收发机模块发送的固定波长信号和可调收发机模块发送的可调波长信号进行下行合波和上行分波，其中，所述的波带分波合波模块为波带阵列波导光栅。

优选地，

-当波长路由模块为周期型波导阵列光栅时，所述周期型阵列波导光栅为N×N型，N等于2ⁱ，i为大于等于2的自然数；

-当波带分波合波模块为波带阵列波导光栅时，所述波带阵列波导光栅为2×1型，每个波带能够容纳的波长范围为2ⁱ，i为大于等于2的自然数。

优选地，所述固定收发机模块至少包括一个固定波长发射机，且不同固定收发机模块的固定波长发射机波长能够使用相同的波长；所述可调收发机模块包括至少一个可调波长发射机，所述可调波长发射机能够产生不同的波长信号。

优选地，在所述固定波长模块和波带分波合波模块之间连接有串联的环形器和色散/啁啾管理单元；在所述可调收发机模块和波长路由模块之间连接有串联的环形器和色散/啁啾管理单元。

优选地，位于子无源光网络中的所述虚拟光网络单元ONU集合中的子光网络单元ONU会随着客户端网络流量的变化隶属于不同的虚拟光网络单元ONU集合。

一种基于波长固定和波长可调激光器的TWDM-PON方法，利用上述的基于波长固定和波长可调激光器的TWDM-PON系统，包括如下步骤：

步骤1：根据用户端的网络需求设定固定收发机模块中固定波长发射机的数量；

步骤2：设置可调收发机模块中可调波长发射机的数量为K，其中K的大小取决于网络容量的最大值；N表示每个发射机可调波长范围为N个波长，N同时也是N×N型周期型阵列波导光栅的周期，N等于2ⁱ，i为大于等于2的自然数；

步骤3：当某个子无源光网络流量超过固定波长的承载能力时，通过使用可调收发机模块，并根据网络流量的大小增加相应波长数量以满足相应的子无源网络对波长的需求。

优选地，用户端能够共享所有可调收发机模块提供的波长资源，即某个可调收发机模块中的发射机波长能够在所有子无源光网络构成的虚拟光网络单元ONU集合的波长范围内调节，并能够通过波长路由模块到达所有的子无源光网络中；其中固定波长发射机的使用优先级高于可调发射机；当流量增加超过固定波长发射机的承载力时，通过使用可调发射机，提供相应个数的波长给用户。

优选地，当用户端无需增加网络流量时，经过合理的调度后，能够将用户数据流量通过聚合集中在部分波长上，从而能够关闭剩余闲置波长对应的激光器，仅使用部分激光器。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明中的系统能够很好地与现有TWDM-PON系统兼容，不改变现有ODN网络，利于系统进行平滑升级，进而可在一定程度上降低PON升级成本。

2、本发明中的系统通过波长固定和波长可调激光器相组合的方法，在保证用户最低通信需求的基础上，以可调波长动态满足系统的流量变化，为解决“潮汐效应”提供了一个低成本的方法。

3、本发明中的系统在网络中流量需求较小时，在保证数据流量上下行要求的情况下，通过闲置冗余波长，关掉对应波长的可调激光器，使得系统整体更加节能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的基于波长固定和波长可调激光器的TWDM-PON系统波长资源调度图；

图2为本发明提供的基于波长固定和波长可调激光器的TWDM-PON系统原理图。

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。

针对现有TWDM-PON系统中可调激光器成本高的问题，采用波长固定与波长可调相组合的方法，以固定波长满足各个子无源光网络中的基本通信需求，再以可调波长动态地在整个无源光网络中进行资源的分配，在满足用户基本需求的情况下，灵活应对网络中流量的“潮汐效应”，同时降低网络建设成本，并通过合理合并流量较少波长，降低网络的运行的能源消耗。

根据本发明提供的基于波长固定和波长可调激光器的TWDM-PON系统，包括波长路由模块、若干子系统，所述子系统包括：光线路终端、波带分波合波模块、光放大器、馈线式光纤、子无源光网络；其中，所述光线路终端包括固定收发机模块和可调收发机模块；对于每个子系统，所述可调收发机模块、所述波长路由模块、波带分波合波模块、光放大器、馈线式光纤、子无源光网络依次相连；所述固定收发机模块、波带分波合波模块、光放大器、馈线式光纤、子无源光网络依次相连；且每一个所述光线路终端对应一个子无源光网络；

-所述固定收发机模块，用于通过固定波长发射机发出固定波以满足网络中的通信需求；

-所述可调收发机模块，用于通过可调波长发射机调节波长，并利用波长路由模块动态分配资源；

-所述波长路由模块，用于依据可调收发机模块的指令动态分配资源；

-所述波带分波合波模块，第一级波带阵列波导光栅用于对可调发射模块发射的下行波长进行合波，以及对上行波长进行分波，第二级波带阵列波导光栅用于对固定收发机模块和可调收发机模块发送的固定波长信号和可调波长信号进行合波和分波，并与相应的子无源光网络中的虚拟光网络单元ONU集合进行通信；

-所述光放大器，用于对波带分波合波模块输出的光波进行放大；

-所述馈线式光纤，用于连接光放大器和子无源光网络；

优选地，所述波长路由模块，为周期型波导阵列光栅、波长阵列开关、基于半导体光放大器的交换矩阵中任一种模式，用于实现对波长资源的动态分配。

优选地，所述固定收发机模块发送的固定波和可调收发机模块发送的可调波分别位于不同的波带内，且通过波带分波合波模块对固定收发机模块发送的固定波和可调收发机模块发送的可调波进行下行合波和上行分波，其中，所述的波带分波合波模块为波带阵列波导光栅。

优选地，

-当波长路由模块为周期型波导阵列光栅时，所述周期型阵列波导光栅为N×N型，N等于2ⁱ，i为大于等于2的自然数；

-当波带分波合波模块为波带阵列波导光栅时，所述波带阵列波导光栅为2×1型，每个波带能够容纳的波长范围为2ⁱ，i为大于等于2的自然数。

具体地，由于在不同的子无源光网络之间波长可以重复，因此不同固定收发机模块的固定波长发射机波长可以使用相同的波长。

优选地，所述固定收发机模块至少包括一个固定波长发射机，且不同固定收发机模块的固定波长发射机波长能够使用相同的波长；所述可调收发机模块包括至少一个可调波长发射机，所述可调波长发射机能够产生不同的波长信号。

具体地，如图1所示，固定收发机模块利用数个固定波长发射机产生固定波长信号，满足网络中最基本的通信需求，固定波长发射机数量由网络最低流量决定，至少为一个波长，即Mmin＝1。

优选地，当需要进行啁啾管理或传输距离较长时，能够选择在所述固定波长模块和波带分波合波模块之间连接有串联的环形器和色散/啁啾管理单元；在所述可调收发机模块和波长路由模块之间连接有串联的环形器和色散/啁啾管理单元，色散/啁啾管理单元均为可选单元。

优选地，位于子无源光网络中的所述虚拟光网络单元ONU集合中的子光网络单元ONU会随着客户端网络流量的变化隶属于不同的虚拟光网络单元ONU集合。

根据本发明提供的基于波长固定和波长可调激光器的TWDM-PON方法，利用上述基于波长固定和波长可调激光器的TWDM-PON系统，包括如下步骤：

步骤1：根据用户端的网络需求设定固定收发机模块中固定波长发射机的数量；

步骤2：设置可调收发机模块中可调波长发射机的数量为K，其中K的大小取决于网络容量的最大值，但不超过N的值；N表示每个发射机可调波长范围为N个波长，N等于2ⁱ，i为大于等于2的自然数；

步骤3：当某个子无源光网络流量超过固定波长的承载能力时，通过使用可调收发机模块，并根据网络流量的大小增加相应波长数量以满足相应的子无源网络对波长的需求。

优选地，用户端能够共享所有可调收发机模块提供的波长资源，即某个可调收发机模块中的发射机波长能够在所有子无源光网络构成的虚拟光网络单元ONU集合的波长范围内调节，并能够通过波长路由模块到达所有的子无源光网络中；其中固定波长发射机的优先级高于可调发射机；当流量增加超过固定波长的承载力时，通过使用可调发射机，提供相应个数的波长给用户。

具体地，可调收发机模块利用数个可调谐波长发射机产生不同波长信号，通过周期型阵列波导光栅进行路由，根据子网络需求动态分配带宽资源。当网络维持在基本流量时，优先使用固定波长发射机；当某个子无源光网络流量过大超过固定波长的承载能力时，通过使用可调收发机模块并根据流量大小适当增加相应的波长数量满足相应的子无源网络中的需求。

优选地，当用户端无需增加网络流量时，经过合理的调度后，能够将用户数据流量通过聚合集中在部分波长上，从而能够关闭剩余闲置波长对应的激光器，仅使用部分激光器。

具体地，关闭剩余闲置波长对应的激光器，仅仅使用部分激光器的情况下就能满足用户使用需求，从而使整个系统更加节能。

更进一步地，如图1所示，每一个子无源光网络中下行固定波长与可调波长信号在波带阵列波导光栅处合波发送到光网络单元进行处理，上行信号通过阵列波导光栅不同的波带分波，送到上行处理单元经过阵列波导光栅分波后分别进行处理。下行固定发射机模块发送一组下行信号，其波长分别为其中表示一个固定发射模块能够发射的第M个固定波长，通过所述的阵列波导光栅3进行合波，再经过第二级阵列波导光栅发送到相应的子无源光网络中。固定发射机的数量M由用户端最基本的流量需求决定，其中Mmin＝1。下行可调发射机模块包括一组可调发射机，每个发射机的可调波长包括其中表示可调发射机模块能够发射的第N个可调波长，N的值由用户端需要的最大波长数决定。

当网络流量较低时，使用固定波长信号就可以满足用户需求，这时，下行固定波长收发模块使用波长在对应的子无源光网络中，虚拟光网络单元ONU集合1到虚拟光网络单元ONU集合M分别接收波长当网络中流量增加时，通过从波长可调收发机波长中调相应数量的波长到需要的子无源光网络中，就可以满足用户需求。

当子无源光网路中所能用的波长可调发射机不够用时，使用其他子无源光网络中闲置的可调发射机调节波长，实现子无源光网络之间资源的共享。

当网络中的流量从峰值降低时，每个可调波长上的负载并不是很大，通过合并负载低的可调发射机，减少可调波长数量，在不影响用户通信的情况下，能够减少打开的发射机数量，降低系统能耗。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。