0 引言

互聯網數據流量在過去幾年中一直呈指數型增長,并由此帶動了一系列需求更多帶寬資源的新型網絡應用孕育而生,如智能手機、網絡游戲、視頻會議及智能電網等。在電力系統中,作為智能電網建設的主要內容之一,配網自動化也對電力通信接入網提出了新的要求。這就要求下一代光接入網能夠在提供更大的傳輸容量和更強的可靠性的同時,還能夠擴展網絡的接入距離,實現大規模接入。為了滿足這些要求,需要在現有網絡中加入基于光放大器或者光電轉換中繼器的擴展模塊,以此增加網絡的接入規模^[1-7]。于此同時,由上下行信號傳輸引起的瑞麗后向散射噪聲會影響網絡的傳輸性能^[8],因此,多種技術被提出用以對瑞麗后向散射噪聲進行抑制,如采用新型的網絡架構^[9-10]、波長轉換技
術^[11-12]、改進的調制格式^[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用光接入網架構,這種架構不僅可以實現長距離傳輸與瑞麗后向散射噪聲抑制,更能夠實現廣播業務的傳輸以及上行光源的共享,且可以根據網絡長距離傳輸的特點采用共享保護的方案。

 1 網絡架構與運行原理

1.1 網絡架構

長距離傳輸光接入網架構如圖1所示。該網絡包括有一個中心端局（Central Office,CO）、一個遠端節點（Remote Node,RN）、M×N個光網絡單元（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ONU中包含有2個光信號接收機、一個反射型半導體光放大器（Reflective Semiconductor Optical Amplifier,RSOA）、一個粗波分復用器（Coarse Wavelength-Division Multiplexer,CWDM）和一個光分路器。網絡中,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根信號光纖用以傳輸傳統的點對點上下行業務信號,且每根信號光纖之間相互獨立,因此可以采用相同的波段傳輸信號而不會產生沖突。剩余的一根饋線光纖為共享光纖,并且分配有一個特定的波長（λ_B）用以傳輸CO與RN之間的廣播業務信號。在RN與ONU之間,則是通過一根分布光纖用以連接。

CO節點的內部結構如圖2所示,包含有一個光信號發射機、一個兩邊各有M+1個端口的光開關、一個摻鉺光纖放大器EDFA和M個光線路終端OLT。這一個單獨的光信號發射機分配以一個特定波長（λ_B）用來傳輸廣播業務。在每個OLT中包括有一個光環形器、一個光功率監測儀（Monitor,M）、2個陣列波導光柵（Arrayed Waveguide Grating,AWG）以及N對光信號收發機。這N對光信號收發機用以發射位于波段1的下行光信號,并接收位于波段2的上行光信號。

RN節點的內部結構如圖3所示,包含有一個光信號接收機、N個分布式反饋（Distributed Feedback,DFB）激光器、M個光信號放大與組合模塊（Optical Signal Amplifier and Combination Module,OSACM）、一個相位調制器（Phase Modulator,PM）、一個AWG、一個CWDM和2個1×M光分路器。每個OSACM模塊由2個CWDM、2個EDFA、一個光環形器、一個1×2光開關、一個AWG以及一個光功率監測儀組成。這M個OSACM模塊不僅可以實現對上下行光信號的放大,同時還能將廣播信號與下行信號相組合送入目標ONU。

圖1 長距離傳輸光接入網架構Fig.1 Long haul optical access network architecture

波段1與波段2相差一個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 網絡工作原理

正常工作模式下,各個OLT內的下行信號首先被送入（M+1）×（M+1）光開關,隨后通過一根信號光纖送至RN。在RN處,下行信號被傳輸至各自對應的OSACM模塊。在OSACM模塊中,EDFA₁用以補償下行信號在信號光纖中傳輸的功率損耗。隨后下行信號在AWG處進行波長解復用,并通過分布光纖傳輸至相應的ONU。在ONU端,下行信號通過CWDM后被光接收機（RX₁）所接收。

圖2 CO節點的內部結構Fig.2 The internal structure of CO node

圖3 RN節點的內部結構Fig.3 The internal structure of RN node

與此同時,調制在特定波長（λ_B）上的廣播信號通過（M+1）×（M+1）光開關后傳輸至EDFA中,隨后被放大的廣播信號通過共享光纖送至RN。在RN中,廣播信號首先會被一光信號接收機所接收。隨后,所接收的廣播電信號通過PM調制在由N個DFB激光器提供的位于波段2的N個光載波上。由此,廣播信號在RN中經歷了一個光電光的轉換過程,且在這個轉換過程中,廣播信號由單一的特定波長信道（λ_B）轉移到了位于波段2的N根波長信道上。廣播信號隨后通過1×M光分路器送至M個OSACM模塊中。在各個OSACM模塊中,廣播信號通過CWDM₂與下行信號波長復用,然后在AWG處進行解復用。在經過分布光纖傳輸之后,廣播信號在ONU中通過CWDM與下行信號相分離,隨后通過一個光分路器分為2部分。一部分通過一個光信號接收機（RX₂）所接收,而另一部分被送至RSOA并為上行信號提供光源。對于上行信號而言,在通過了RSOA重調制之后,沿著與下行信號相類似的路徑傳輸至CO中相應的OLT內。值得注意的是,RN處的EDFA₃為一個可選光放大器。當M的值很大時,則有必要配置該放大器補償由于1×M光分路器所產生的光功率損耗。關于M與可選光放大器增益之間的關系將在之后章節詳細分析。

1.3 信號光纖故障保護模式

當網絡中任意一根信號光纖中發生故障,例如信號光纖2,則網絡需要切換至保護模式。故障發生后,CO中的光功率監測儀首先檢測到相應鏈路中光信號的丟失,隨后控制單元將切換光開關的連接狀態。通過光開關的切換,受影響的下行信號被送入共享光纖,并且與廣播信號一起從CO傳輸至RN。當傳輸至RN后,下行信號首先通過CWDM₃與廣播信號相分離,隨后通過一個1×M光分路器分為M份分別送入M個OSACM模塊。與此同時,通過光功率監測儀的檢測,故障信號光纖所對應OSACM模塊中的光開關切換至另一狀態以保障下行信號得以通過并被送入CWDM₁（見圖4）。值得注意的是,其余M-1個OSACM模塊中的光開關無需任何切換,所以該下行信號對這些OSACM模塊中原本的下行信號不會產生任何影響。當網絡中任意一根信號光纖發生故障時,皆可以采用上述方式實現故障保護。

圖4 故障保護模式下的RN節點Fig.4 RN node in fault protection mode

 2 網絡傳輸規模及性能

2.1 網絡傳輸規模

網絡的傳輸距離不僅受到光纖色散的制約,同時光信號的功率預算也會對網絡傳輸距離造成影響。為了有效評估網絡的功率預算,以最惡劣的情況,即網絡處于保護模式下的下行信號進行分析。CO、RN和ONU處的功率損耗的計算公式分別表示如下：

 （2）

 （4）

因此,網絡中總功率損耗P_T可以表示為：

 （6）

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

式中,P_M為網絡功率富裕度,為5 dB;P_TX為發射機的輸出功率,為0 dBm;R_SEN為光信號接收機靈敏度。網絡中各光器件的插入損耗參數如表1所示。

將表1的插入損耗參數代入公式（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速率下網絡規模與放大器增益的關系Fig.5 Relationships among L, M, and G of the network under the case of 2.5Gbps data rate

根據公式（8）,可以得到放大器增益、最大傳輸距離與信號光纖數量三者之間的關系（見圖5）。當L一定時,M隨G增大而增大。類似的,當M一定時,L隨G線性增大。顯然,網絡的規模與最大傳輸距離對于放大器增益有著很強的依賴性。當M為20.12時,G為8.469 dB、21.23 dB和32.68 dB時,網絡的最大傳輸距離分別為68.01 km、170.10 km和261.70 km。

而當網絡使用上行2.5 Gbps和下行10 Gbps非對稱傳輸方案時,網絡必須使用色散補償技術才能實現長距離傳輸。將網絡中的色散值補償為零,并且將色散補償光纖的每公里長衰耗值等效至常規光纖中,同時10 Gbps接收機靈敏度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速率下網絡規模與放大器增益的關系Fig.6 Relationships among L, M, and G of the network at 10Gbps data rate

2.2 信號傳輸性能分析

為了論證網絡的傳輸性能,建立了如圖7的網絡仿真方案進行測試。仿真方案采用了2種不同的傳輸速率,分別為：上下行信號和廣播信號皆為
2.5 Gbps;上行信號為2.5 Gbps,下行和廣播信號為10 Gbps。其中僅在10 Gbps傳輸速率的仿真方案中,需要使用色散補償光纖進行色散補償。

圖7 網絡仿真方案Fig.7 Network simulation scheme

在CO端,2個DFB激光器的中心波長分別為1 552 nm和1 550 nm,這2個波長分別用以加載下行和廣播信號。每個激光器的輸出光功率為0 dBm,且這2個波長通過電吸收調制器（Electro Absorption Modulator,EAM）進行調整。而EAM采用2.5 Gbps或10 Gbps的不歸零碼（Non-Return to Zero,NRZ）。對于下行信號,通過2×2光開關和信號光纖傳輸至RN,隨后,經過EDFA₁放大后,通過分布光纖傳輸至ONU。對于廣播信號,通過2×2光開關后,經過EDFA₄進行放大,隨后通過共享光纖傳輸至RN。在RN處,中心波長位于1 550 nm的廣播信號先被接收機所接收,隨后通過PM在
1 554 nm波長載波上進行相位調制。此處2個光衰減器（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偽隨機序列調制上行信號。EDFA的增益設置為30 dB。通過AWG、EDFA₂和信號光纖后,上行信號在CO端被接收。