0 引言

互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流量在過去幾年中一直呈指數(shù)型增長,并由此帶動(dòng)了一系列需求更多帶寬資源的新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用孕育而生,如智能手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)游戲、視頻會(huì)議及智能電網(wǎng)等。在電力系統(tǒng)中,作為智能電網(wǎng)建設(shè)的主要內(nèi)容之一,配網(wǎng)自動(dòng)化也對(duì)電力通信接入網(wǎng)提出了新的要求。這就要求下一代光接入網(wǎng)能夠在提供更大的傳輸容量和更強(qiáng)的可靠性的同時(shí),還能夠擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的接入距離,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模接入。為了滿足這些要求,需要在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中加入基于光放大器或者光電轉(zhuǎn)換中繼器的擴(kuò)展模塊,以此增加網(wǎng)絡(luò)的接入規(guī)模^[1-7]。于此同時(shí),由上下行信號(hào)傳輸引起的瑞麗后向散射噪聲會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能^[8],因此,多種技術(shù)被提出用以對(duì)瑞麗后向散射噪聲進(jìn)行抑制,如采用新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)^[9-10]、波長轉(zhuǎn)換技
術(shù)^[11-12]、改進(jìn)的調(diào)制格式^[13]等,此外,一種共享光源的方案也被提出用以抑制瑞麗后向散射噪聲^[14-15]。

本文提出了一種波分復(fù)用光接入網(wǎng)架構(gòu),這種架構(gòu)不僅可以實(shí)現(xiàn)長距離傳輸與瑞麗后向散射噪聲抑制,更能夠?qū)崿F(xiàn)廣播業(yè)務(wù)的傳輸以及上行光源的共享,且可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)長距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)采用共享保護(hù)的方案。

 1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與運(yùn)行原理

1.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

長距離傳輸光接入網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。該網(wǎng)絡(luò)包括有一個(gè)中心端局（Central Office,CO）、一個(gè)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)（Remote Node,RN）、M×N個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元（Optical Network Unit,ONU）、M+1根饋線光纖（Feeder Fiber,FF）以及M×N根分布光纖（Distributed Fiber,DF）。每個(gè)ONU中包含有2個(gè)光信號(hào)接收機(jī)、一個(gè)反射型半導(dǎo)體光放大器（Reflective Semiconductor Optical Amplifier,RSOA）、一個(gè)粗波分復(fù)用器（Coarse Wavelength-Division Multiplexer,CWDM）和一個(gè)光分路器。網(wǎng)絡(luò)中,CO通過M+1根饋線光纖與RN相連接,而在這M+1根饋線光纖中,有著M根信號(hào)光纖用以傳輸傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)上下行業(yè)務(wù)信號(hào),且每根信號(hào)光纖之間相互獨(dú)立,因此可以采用相同的波段傳輸信號(hào)而不會(huì)產(chǎn)生沖突。剩余的一根饋線光纖為共享光纖,并且分配有一個(gè)特定的波長（λ_B）用以傳輸CO與RN之間的廣播業(yè)務(wù)信號(hào)。在RN與ONU之間,則是通過一根分布光纖用以連接。

CO節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示,包含有一個(gè)光信號(hào)發(fā)射機(jī)、一個(gè)兩邊各有M+1個(gè)端口的光開關(guān)、一個(gè)摻鉺光纖放大器EDFA和M個(gè)光線路終端OLT。這一個(gè)單獨(dú)的光信號(hào)發(fā)射機(jī)分配以一個(gè)特定波長（λ_B）用來傳輸廣播業(yè)務(wù)。在每個(gè)OLT中包括有一個(gè)光環(huán)形器、一個(gè)光功率監(jiān)測儀（Monitor,M）、2個(gè)陣列波導(dǎo)光柵（Arrayed Waveguide Grating,AWG）以及N對(duì)光信號(hào)收發(fā)機(jī)。這N對(duì)光信號(hào)收發(fā)機(jī)用以發(fā)射位于波段1的下行光信號(hào),并接收位于波段2的上行光信號(hào)。

RN節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示,包含有一個(gè)光信號(hào)接收機(jī)、N個(gè)分布式反饋（Distributed Feedback,DFB）激光器、M個(gè)光信號(hào)放大與組合模塊（Optical Signal Amplifier and Combination Module,OSACM）、一個(gè)相位調(diào)制器（Phase Modulator,PM）、一個(gè)AWG、一個(gè)CWDM和2個(gè)1×M光分路器。每個(gè)OSACM模塊由2個(gè)CWDM、2個(gè)EDFA、一個(gè)光環(huán)形器、一個(gè)1×2光開關(guān)、一個(gè)AWG以及一個(gè)光功率監(jiān)測儀組成。這M個(gè)OSACM模塊不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上下行光信號(hào)的放大,同時(shí)還能將廣播信號(hào)與下行信號(hào)相組合送入目標(biāo)ONU。

圖1 長距離傳輸光接入網(wǎng)架構(gòu)Fig.1 Long haul optical access network architecture

波段1與波段2相差一個(gè)AWG的自由頻譜間隔（Free Spectral Range,FSR）,而特定波長（λ_B）位于波段1和波段2之外。

1.2 網(wǎng)絡(luò)工作原理

正常工作模式下,各個(gè)OLT內(nèi)的下行信號(hào)首先被送入（M+1）×（M+1）光開關(guān),隨后通過一根信號(hào)光纖送至RN。在RN處,下行信號(hào)被傳輸至各自對(duì)應(yīng)的OSACM模塊。在OSACM模塊中,EDFA₁用以補(bǔ)償下行信號(hào)在信號(hào)光纖中傳輸?shù)墓β蕮p耗。隨后下行信號(hào)在AWG處進(jìn)行波長解復(fù)用,并通過分布光纖傳輸至相應(yīng)的ONU。在ONU端,下行信號(hào)通過CWDM后被光接收機(jī)（RX₁）所接收。

圖2 CO節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 The internal structure of CO node

圖3 RN節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 The internal structure of RN node

與此同時(shí),調(diào)制在特定波長（λ_B）上的廣播信號(hào)通過（M+1）×（M+1）光開關(guān)后傳輸至EDFA中,隨后被放大的廣播信號(hào)通過共享光纖送至RN。在RN中,廣播信號(hào)首先會(huì)被一光信號(hào)接收機(jī)所接收。隨后,所接收的廣播電信號(hào)通過PM調(diào)制在由N個(gè)DFB激光器提供的位于波段2的N個(gè)光載波上。由此,廣播信號(hào)在RN中經(jīng)歷了一個(gè)光電光的轉(zhuǎn)換過程,且在這個(gè)轉(zhuǎn)換過程中,廣播信號(hào)由單一的特定波長信道（λ_B）轉(zhuǎn)移到了位于波段2的N根波長信道上。廣播信號(hào)隨后通過1×M光分路器送至M個(gè)OSACM模塊中。在各個(gè)OSACM模塊中,廣播信號(hào)通過CWDM₂與下行信號(hào)波長復(fù)用,然后在AWG處進(jìn)行解復(fù)用。在經(jīng)過分布光纖傳輸之后,廣播信號(hào)在ONU中通過CWDM與下行信號(hào)相分離,隨后通過一個(gè)光分路器分為2部分。一部分通過一個(gè)光信號(hào)接收機(jī)（RX₂）所接收,而另一部分被送至RSOA并為上行信號(hào)提供光源。對(duì)于上行信號(hào)而言,在通過了RSOA重調(diào)制之后,沿著與下行信號(hào)相類似的路徑傳輸至CO中相應(yīng)的OLT內(nèi)。值得注意的是,RN處的EDFA₃為一個(gè)可選光放大器。當(dāng)M的值很大時(shí),則有必要配置該放大器補(bǔ)償由于1×M光分路器所產(chǎn)生的光功率損耗。關(guān)于M與可選光放大器增益之間的關(guān)系將在之后章節(jié)詳細(xì)分析。

1.3 信號(hào)光纖故障保護(hù)模式

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中任意一根信號(hào)光纖中發(fā)生故障,例如信號(hào)光纖2,則網(wǎng)絡(luò)需要切換至保護(hù)模式。故障發(fā)生后,CO中的光功率監(jiān)測儀首先檢測到相應(yīng)鏈路中光信號(hào)的丟失,隨后控制單元將切換光開關(guān)的連接狀態(tài)。通過光開關(guān)的切換,受影響的下行信號(hào)被送入共享光纖,并且與廣播信號(hào)一起從CO傳輸至RN。當(dāng)傳輸至RN后,下行信號(hào)首先通過CWDM₃與廣播信號(hào)相分離,隨后通過一個(gè)1×M光分路器分為M份分別送入M個(gè)OSACM模塊。與此同時(shí),通過光功率監(jiān)測儀的檢測,故障信號(hào)光纖所對(duì)應(yīng)OSACM模塊中的光開關(guān)切換至另一狀態(tài)以保障下行信號(hào)得以通過并被送入CWDM₁（見圖4）。值得注意的是,其余M-1個(gè)OSACM模塊中的光開關(guān)無需任何切換,所以該下行信號(hào)對(duì)這些OSACM模塊中原本的下行信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生任何影響。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中任意一根信號(hào)光纖發(fā)生故障時(shí),皆可以采用上述方式實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。

圖4 故障保護(hù)模式下的RN節(jié)點(diǎn)Fig.4 RN node in fault protection mode

 2 網(wǎng)絡(luò)傳輸規(guī)模及性能

2.1 網(wǎng)絡(luò)傳輸規(guī)模

網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離不僅受到光纖色散的制約,同時(shí)光信號(hào)的功率預(yù)算也會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸距離造成影響。為了有效評(píng)估網(wǎng)絡(luò)的功率預(yù)算,以最惡劣的情況,即網(wǎng)絡(luò)處于保護(hù)模式下的下行信號(hào)進(jìn)行分析。CO、RN和ONU處的功率損耗的計(jì)算公式分別表示如下：

 （2）

 （4）

因此,網(wǎng)絡(luò)中總功率損耗P_T可以表示為：

 （6）

表1 光器件的插入損耗參數(shù)Tab.1 Insertion loss parameter of optical devices

式中,P_M為網(wǎng)絡(luò)功率富裕度,為5 dB;P_TX為發(fā)射機(jī)的輸出功率,為0 dBm;R_SEN為光信號(hào)接收機(jī)靈敏度。網(wǎng)絡(luò)中各光器件的插入損耗參數(shù)如表1所示。

將表1的插入損耗參數(shù)代入公式（1）、（2）、（3）、（5）以及（6）,且分布光纖長度L_DF為2 km,可以得到：

 （8）

圖5 2.5 Gbps速率下網(wǎng)絡(luò)規(guī)模與放大器增益的關(guān)系Fig.5 Relationships among L, M, and G of the network under the case of 2.5Gbps data rate

根據(jù)公式（8）,可以得到放大器增益、最大傳輸距離與信號(hào)光纖數(shù)量三者之間的關(guān)系（見圖5）。當(dāng)L一定時(shí),M隨G增大而增大。類似的,當(dāng)M一定時(shí),L隨G線性增大。顯然,網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模與最大傳輸距離對(duì)于放大器增益有著很強(qiáng)的依賴性。當(dāng)M為20.12時(shí),G為8.469 dB、21.23 dB和32.68 dB時(shí),網(wǎng)絡(luò)的最大傳輸距離分別為68.01 km、170.10 km和261.70 km。

而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)使用上行2.5 Gbps和下行10 Gbps非對(duì)稱傳輸方案時(shí),網(wǎng)絡(luò)必須使用色散補(bǔ)償技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)長距離傳輸。將網(wǎng)絡(luò)中的色散值補(bǔ)償為零,并且將色散補(bǔ)償光纖的每公里長衰耗值等效至常規(guī)光纖中,同時(shí)10 Gbps接收機(jī)靈敏度R_SEN需要
-20 dBm,則可以得到：

Fig.6 Relationships among L, M, and G of the network at 10Gbps data rate " style="box-sizing: border-box; color: rgb(43, 43, 43); text-decoration-line: none;">圖6 10 Gbps速率下網(wǎng)絡(luò)規(guī)模與放大器增益的關(guān)系Fig.6 Relationships among L, M, and G of the network at 10Gbps data rate

2.2 信號(hào)傳輸性能分析

為了論證網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能,建立了如圖7的網(wǎng)絡(luò)仿真方案進(jìn)行測試。仿真方案采用了2種不同的傳輸速率,分別為：上下行信號(hào)和廣播信號(hào)皆為
2.5 Gbps;上行信號(hào)為2.5 Gbps,下行和廣播信號(hào)為10 Gbps。其中僅在10 Gbps傳輸速率的仿真方案中,需要使用色散補(bǔ)償光纖進(jìn)行色散補(bǔ)償。

圖7 網(wǎng)絡(luò)仿真方案Fig.7 Network simulation scheme

在CO端,2個(gè)DFB激光器的中心波長分別為1 552 nm和1 550 nm,這2個(gè)波長分別用以加載下行和廣播信號(hào)。每個(gè)激光器的輸出光功率為0 dBm,且這2個(gè)波長通過電吸收調(diào)制器（Electro Absorption Modulator,EAM）進(jìn)行調(diào)整。而EAM采用2.5 Gbps或10 Gbps的不歸零碼（Non-Return to Zero,NRZ）。對(duì)于下行信號(hào),通過2×2光開關(guān)和信號(hào)光纖傳輸至RN,隨后,經(jīng)過EDFA₁放大后,通過分布光纖傳輸至ONU。對(duì)于廣播信號(hào),通過2×2光開關(guān)后,經(jīng)過EDFA₄進(jìn)行放大,隨后通過共享光纖傳輸至RN。在RN處,中心波長位于1 550 nm的廣播信號(hào)先被接收機(jī)所接收,隨后通過PM在
1 554 nm波長載波上進(jìn)行相位調(diào)制。此處2個(gè)光衰減器（Optical Attenuator,OA）用以模擬光分路器（M=8）的功率損耗。在ONU端,RSOA采用
2.5 Gbps的2⁹-1偽隨機(jī)序列調(diào)制上行信號(hào)。EDFA的增益設(shè)置為30 dB。通過AWG、EDFA₂和信號(hào)光纖后,上行信號(hào)在CO端被接收。