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,并由此帶動了一系列需求更多帶寬資源的新型網(wǎng)絡應用孕育而生,如智能手機、網(wǎng)絡游戲、視頻會議及智能電網(wǎng)等。在電力系統(tǒng)中,作為智能電網(wǎng)建設的主要內容之一,配網(wǎng)自動化也對電力通信接入網(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的可靠性的同時,還能夠擴展網(wǎng)絡的接入距離,實現(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(wǎng)絡的接入規(guī)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)架構,這種架構不僅可以實現(xiàn)長距離傳輸與瑞麗后向散射噪聲抑制,更能夠實現(xiàn)廣播業(yè)務的傳輸以及上行光源的共享,且可以根據(jù)網(wǎng)絡長距離傳輸?shù)奶攸c采用共享保護的方案。

 1 網(wǎng)絡架構與運行原理

1.1 網(wǎng)絡架構

長距離傳輸光接入網(wǎng)架構如圖1所示。該網(wǎng)絡包括有一個中心端局（Central Office,CO）、一個遠端節(jié)點（Remote Node,RN）、M×N個光網(wǎng)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(wǎng)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(tǒng)的點對點上下行業(yè)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(chǎn)生沖突。剩余的一根饋線光纖為共享光纖,并且分配有一個特定的波長（λ_B）用以傳輸CO與RN之間的廣播業(yè)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(jié)點的內部結構如圖2所示,包含有一個光信號發(fā)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(fā)射機分配以一個特定波長（λ_B）用來傳輸廣播業(yè)務。在每個OLT中包括有一個光環(huán)形器、一個光功率監(jiān)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(fā)機。這N對光信號收發(fā)機用以發(fā)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(jié)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(huán)形器、一個1×2光開關、一個AWG以及一個光功率監(jiān)測儀組成。這M個OSACM模塊不僅可以實現(xiàn)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(wǎng)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(wǎng)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?shù)墓β蕮p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(jié)點的內部結構Fig.2 The internal structure of CO node

圖3 RN節(jié)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(jīng)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(jīng)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(chǎn)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(jié)詳細分析。

1.3 信號光纖故障保護模式

當網(wǎng)絡中任意一根信號光纖中發(fā)生故障,例如信號光纖2,則網(wǎng)絡需要切換至保護模式。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(tài)。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(jiān)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(tài)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(chǎn)生任何影響。當網(wǎng)絡中任意一根信號光纖發(fā)生故障時,皆可以采用上述方式實現(xiàn)故障保護。

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

 2 網(wǎng)絡傳輸規(guī)模及性能

2.1 網(wǎng)絡傳輸規(guī)模

網(wǎng)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(wǎng)絡傳輸距離造成影響。為了有效評估網(wǎng)絡的功率預算,以最惡劣的情況,即網(wǎng)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(wǎng)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(shù)Tab.1 Insertion loss parameter of optical devices

式中,P_M為網(wǎng)絡功率富裕度,為5 dB;P_TX為發(fā)射機的輸出功率,為0 dBm;R_SEN為光信號接收機靈敏度。網(wǎng)絡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)絡規(guī)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(jù)公式（8）,可以得到放大器增益、最大傳輸距離與信號光纖數(shù)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(wǎng)絡的規(guī)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(wǎng)絡的最大傳輸距離分別為68.01 km、170.10 km和261.70 km。

而當網(wǎng)絡使用上行2.5 Gbps和下行10 Gbps非對稱傳輸方案時,網(wǎng)絡必須使用色散補償技術才能實現(xiàn)長距離傳輸。將網(wǎng)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(guī)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(wǎng)絡規(guī)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(wǎng)絡的傳輸性能,建立了如圖7的網(wǎng)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(wǎng)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(jīng)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(jīng)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。