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随着数据流量需求的迅猛增加，业务传输需要的带宽也随之增长，对接入网络的容量和速率提出了更高的要求，以往基于铜线的接入网络已经不能满足需要。20世纪90年代，无源光网络(passive optical network, PON)技术应运而生，这种基于光技术的大容量高速率网络接入体系一经提出便得到大量推广，在近几十年的发展过程中该项技术也在不断完善和创新，在完成标准化的同时得到了大规模应用。在PON的体系结构中出现了多种复用方式，其中时分波分混合复用无源光网络(time and wavelength division multiplexed passive optical network, TWDM-PON)综合了时分复用无源光网络中功率分割和波分复用无源光网络中波长路由的优点，兼顾了用户成本和用户数量，带来可扩展性的同时仍然保持较高的用户带宽[1]。国际电信联盟也将TWDM-PON确定为下一代无源光网络的主流技术方案。
针对TWDM-PON系统灵活性的问题，目前普遍采取的方法是在收发两端部署可调谐的激光器[2]来发射不同的传输波长[3-4]，但是该方法只能在单个网络内体现灵活性，各个网络之间仍然是独立运行的。进一步扩展到多个TWDM-PON之间的灵活性问题，CHENG等人[5]提出的结构中, 可调谐激光器发射的波长通过N×N的阵列波导光栅(arrayed waveguide grating, AWG)可以路由到多个网络中，能够显著降低系统的能耗，但这要求发射端全部配备可调谐激光器，使系统成本大幅度增加；YANG等人[6]将AWG、功率分配器、交织器3种器件组合实现波长在多个光分配网络(optical distribution network, ODN)之间共享，但所用器件过多造成系统结构复杂、插入损耗增大；WU等人[7]基于波长选择开关将不同类型的业务信号选择性地分配给功分器和波长解复用器，该结构可以扩展到多个PON的同时能提高带宽利用率，但ODN中使用波长选择开关这类有源器件使无源光分配网变成有源光分配网，会极大增加维护的困难；LIU[8]提出了一种将发射固定波长的激光器和波长可调谐激光器组合的TWDM-PON结构，不同ODN之间通过N×N的AWG实现波长的灵活路由选择，但由于AWG的路由规则是相对固定的，该结构的灵活性受到一定的限制。
本文中提出了一种在单个及多个TWDM-PON中实现波长灵活调度的新结构，该结构中下行信号的发射全部采用固定波长激光器，在光线路终端(optical line terminal, OLT)侧部署光开关阵列连接多个无源光网络并完成波长资源的灵活调度，保持了ODN的无源特性。由于发射固定波长的激光器及光开关的成本低于波长可调谐激光器，所以在提高系统灵活性的同时降低了整体成本。
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在提出的结构中，上行信号仍然采用标准TWDM-PON的传输方式，由直接调制激光器提供上行波长[9]。不同的是，每一个下行波长不再单纯地服务于某一个ODN，而是将16个发射固定波长的激光器在局端集中化处理，共同组成下行信号发射端服务4个不同的ODN。如图 1所示，局端的信号收发单元(transmission receiver unit, TRU)包括下行信号发射单元(transmission unit, TU)和上行信号接收单元(recei-ver unit, RU)，TRU中16个发射固定波长、单波长速率为10 Gbit/s的激光器又分为两部分，其中TU1中发射相同波长的4个激光器分别连接到4个不同的ODN以满足基本的流量需求；TU2~TU13中发射12个不同波长的激光器经过波分复用(wavelength division multiplexing, WDM)组合成5个波长复用模块M1~M5，5个复用模块的下行传输速率分别为10 Gbit/s、20 Gbit/s、30 Gbit/s、30 Gbit/s、30 Gbit/s，它们通过光开关阵列和耦合器分配到各个ODN中(如图 2所示)，分配表达式如下：
Figure 1. Flexible TWDM-PON system structure
Figure 2. Optical switch array structure
式中: ODNk指系统中的第k个ODN; BODNk为第k个ODN分配到的带宽，由光开关阵列中j(j∈{1, 2, 3, 4, 5})个光开关的状态Sk, j和各复用模块Mj的带宽决定; Sk, j=1表示波长复用模块Mj的带宽分配给ODNk; BMj是不同波长复用模块的带宽，分别是10 Gbit/s~30 Gbit/s。由式(1)可知，BODNk∈{0, 10, 20, 30, …, 120}。加上固定激光器TU1的带宽，每个ODN的下行传输速率可以是10 Gbit/s ~130 Gbit/s范围内10 Gbit/s的任意倍数值，比3个激光器组合复用[6-8]提供了更多下行速率组合。
在标准的TWDM-PON中，一般每个ODN中有4个下行波长来提供40 Gbit/s的下行信号传输速率[10]。类似地，在图 1的结构中，除了激光器TU1发射的相同波长外，还为每个ODN提供其它3个下行波长(例如波长复用模块M1和M2接入ODN1，M3接入ODN2，M4接入ODN3，M5接入ODN4)，这样在一般情况下每个ODN中总是保持着标准的传输速率。承载着数据信息的下行波长通过光开关阵列的4个输出端口连接到原本互相独立的ODN1~ODN4中，根据每个网络中实际的流量需求将波长资源分配到不同的ODN中。数据信息经过单模光纤(single mode fiber, SMF)传输至用户侧的光网络单元(optical network unit, ONU)，在接收端通过可调滤波器(tunable optical filter, TOF)进行波长选择，最后由雪崩光电二极管(avalanche photo diode, APD)探测放大后完成信息的接收。在OLT侧同样放置TOF和APD接收上行信号，选用接收灵敏度更高的APD作为光电转换器件就可以降低上行信号的发射功率，防止因合路后光功率过高引起的非线性效应，从而获得更好的接收性能。
结构的光开关阵列由多个相互独立的微电子机械系统(micro-electro mechanical systems, MEMS)光开关组成，具体结构如图 2所示。下行波长复用模块M1~M5分别连接一个1×4的MEMS光开关，光开关的4个输出端口分别与不同的ODN相连，路由到同一个网络的波长进行耦合输出。如图 3所示，对于每个1×4的MEMS光开关而言，光束在4个受静电控制的微反射镜组成的2维平面内传输，当微镜水平时，可使光束从该微镜上面通过，当微镜旋转到与基底垂直时，它将入射至表面的光束反射到该微镜对应的输出端口输出。利用光开关的这项性质，就可以根据每个网络中实际的流量需求将不同数量的波长分配到各个ODN中。
Figure 3. Schematic diagram of optical switch principle
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网络中总是存在着“潮汐效应”，即网络流量在某些区域之间按时间反复迁移呈现出的周期性变化[11]，比如办公区和住宅区、学校的教学区和宿舍区等，如果能够对这两种区域进行结合，使它们的处理资源充分共享，就可以在考虑经济效益的同时提升资源利用率。以一天24 h为研究周期、1 h为单位时间，办公区和住宅区的长期流量变化是具有规律性的，办公区和住宅区的流量分别用Ui和Ei表示，i∈{0, 1, 2, …, 23}，代表一天中不同的单位时间段；同时网络流量还具有随机性，即流量在总体趋于稳定的基础上会出现小幅度的上下浮动，某个单位时间段内流量浮动的大小可以近似用高斯变量Gi~N(0, σi2)中的值表征，其中高斯分布的期望为0, 标准差σi正比于Ui和Ei，N(·)为高斯正态分布，则办公区和住宅区在不同单位时间段的网络流量大小可以分别表示为：
根据中国移动发布的网络流量数据[12]进行统计，发现白天各时间段2Ri≤Bi≤4Ri，到了晚上住宅区网络流量上升后Ri≈4Bi，并且晚上Bi(i∈{19, 20, …, 23})急剧下降到白天Bi(i∈{9, 10, …, 18})的1/6左右，这说明两个区域之间的波长资源是能够进行互补利用的。假设ODN1连接的是办公区、ODN2~ODN4连接的是住宅区，则网络流量在一天当中的变化情况是：(a)白天9:00~19:00的工作时间，办公区网络负载量非常大，ODN1中4个下行波长已经不能满足需要。经过以上分析，如果将办公区网络流量的警示值设置为Ei(i∈{9, 10, …, 18})，则9:00以后的各单位时间段中每当ODN1的网络流量采集工具探测出Bi增加了一个警示值的大小，就通过光开关阵列将一个波长复用模块路由到ODN1中，因为波长复用模块M3、M4、M5共包含9个不同的下行波长，所以ODN1的信息传输速率最大可以达到130 Gbit/s；(b)晚上19:00~23:00人们结束工作返回家中，办公区就成了低需求区域，仅需要一个下行波长满足基本需求即可。而住宅区网络流量上升，除激光器TU1发射的波长以外，将白天工作在办公区的波长转移到住宅区，通过静电力控制光开光switch 3将波长复用模块M3接入ODN2、M4接入ODN3、M5接入ODN4，住宅区ODN2~ODN4的传输速率就都达到了40 Gbit/s, 而激光器TU2、TU3、TU4此时是空闲的，如果某个ODN的负载量再次增加，还可以启用波长复用模块M1和M2提供服务；(c)深夜之后的休息时间，两个区域的网络流量都非常小，只需要4个相同的激光器TU1工作保证基本通信，每个网络中传输速率也能保持在10 Gbit/s，所有的下行波长发射模块全部进入休眠状态。
除了能解决网络流量“潮汐效应”的问题，更普遍的情况是满足不同网络间的负载平衡。假设某时间段ODN2的负载量较小，仅用一个下行波长即可满足网络需求，而ODN3的负载量较大，正常情况下的4个下行波长已经不能满足网络需求，这时就通过控制光开关阵列使switch 3打开输出端口3，将原本接入ODN2的波长复用模块M3接入到ODN3中，这样，原来服务于ODN2的空闲波长被再次利用起来，在不影响ODN2正常工作的同时，也解决了ODN3中流量需求突然增大的问题。从带宽合理分配的角度来看，用户侧的多个ONU共用同一个上行波长传输信息，并遵循自适应循环周期的交织轮询算法。因为局端收发模块中的上下行波长是成对存在的，接入到ODNk的下行波长数量越多，局端用于接收上行信号的接收机也就越多，从而使用同一个上行波长的ONU数量就会减少、负载量较大的ONU可以调谐至其它相对空闲的波长来发射上行信号。假设ODN1中有3个ONU使用相同的上行波长，在第2个带宽分配周期中ONU1的业务量突然增大，若OLT继续为其分配带宽，则剩余的带宽就不足以再分配给其它ONU，ODN1中如果没有其它的空闲波长，ONU2和ONU3就只能等到下个周期才能被分配带宽；不同ODN之间进行波长共享以后，其它ODN中的空闲波长就会被路由到ODN1，ODN1中所有ONU的带宽请求都能被及时处理，减少了用户的等待时间。图 4对比说明了波长共享前后带宽分配的时序图。图中G代表授权帧; R表示报告帧; D则是数据帧; TU′为每个ONU的第2个上行波长发射端。
Figure 4. Bandwidth allocation timing diagram before and after wavelength sharing[13]
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在提出的结构中，OLT侧全部采用发射固定波长的激光器来提供下行波长，这种激光器的成本仅为波长可调谐激光器的一半，虽然额外增加了光开关阵列，但以能够完成此功能的MEMS光开关的价格为参考，发现激光器所节省的开支大于光开关阵列的成本，所以就整体而言，该方案降低了无源光网络系统的成本。前面提到，参考文献[6]和参考文献[8]中分别提出了两种典型的实现TWDM-PON系统灵活性的方法，表 1中列出了3种方案所用主要元器件的单价和使用数量，计算得出本文中提出的这种基于光开关阵列实现TWDM-PON系统灵活性的方案是成本最优的，与前两种方案相比总体建设成本分别降低了约40%和30%。同时，此方案能够服务512个用户，相比于参考文献[6]中服务64个用户、参考文献[8]中服务512个用户，此方案的用户平均成本也进一步降低。
reference[6] reference[8] in this paper tunable laser(40000 Yuan/piece) 16 12 — fixed laser (20000 Yuan/piece) — 4 16 1×4 optical switch (15000 Yuan/piece) — — 5 cyclic AWG (8000 Yuan/piece) 1 1 — coupler (4000 Yuan/piece) — 4 4 interleaver (5000 Yuan/piece) 8 — — total cost/Yuan 688000 584000 411000 average cost to users/Yuan 10750 1141 803 Table 1. Cost comparison of three schemes for realizing flexible TWDM-PON system
在信息化时代，网络部分耗能占通信技术产业的1/3左右，这其中70%的能耗来自于接入网，节能减排已经成为全球共识[14]。本文中提出的结构遵循了这个理念，在OLT侧，因为4个用来满足网络基本通信需求的激光器TU1分别只服务于一个无源光网络，它们发射的波长不需要在不同的ODN之间共享，使得在发射端可以使用4个型号完全相同的激光器，这给网络运营和维护带来了很大的方便。另外，依据网络流量需求的状态激活需使用的激光器数量，如在ODN网络处于流量需求较低的状态时，可以减少OLT端激活的激光器数量，能有效降低能源消耗。
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对网络的升级和改造并不是短时间能够完成的，在一段时间内传统网络与新型网络是共同存在的。在这个过渡期，一方面如果对传统网络结构做出大规模改动，需要进行巨大的投入；另一方面，如果升级时间较长，会使网络整体利用率降低，短时间内网络负载量增大。本文中所提出的TWDM-PON结构与标准结构相比，只在OLT侧增加了光开关阵列，而没有改变光分配网络以及系统本身。同时，TWDM-PON是在吉比特无源光网络的基础上发展而来的，因此本文中提出的结构与传统的无源光网络是相兼容的，这也为无源光网络系统的平滑升级提供了便利。
1.1. 波长共享
1.2. OLT侧的成本分析及节能
1.3. 与传统网络相兼容
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由于实验条件和时间所限，尤其是缺乏搭建长距离无源光网络的设备和仪器，故本文中采用仿真实验的方法验证结构的可行性。用光通信系统仿真软件搭建灵活的TWDM-PON系统，从结构的原理上进行仿真分析，通过观察下行信号接收端的眼图、误比特率(bit error rate, BER)等参数验证系统的可行性。在设计该PON系统时，系统整体比特率设置为10 Gbit/s、序列长度为1024 bit、每比特样本数为32、样本总数为32768，所用各主要器件的参数设置在表 2中进行说明。
device laser optical fiber WDM mux switch tunable filter parameters power: 0 dBm, linewidth: 10 MHz attenuation: 0.2 dB/km, dispersion: 16.75 ps·nm-1·km-1 insertion loss: 2 dB crosstalk: 50 dB, additional loss: 1 dB bandwidth: 30 GHz, insertion loss: 2 dB Table 2. Parameter setting of the main devices in simulation system
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如图 5所示，下行信号发射端使用了发射固定波长的激光器，因为下行波长规划在L波段[15]，故4个相同的TU1激光器波长设置为1590 nm，激光器TU2~TU13的波长依次增加0.8 nm，如TU13的发射波长为1599.6 nm。各激光器的下行发射功率均为0 dBm，并结合马赫-曾德尔调制器(Mach-Zehnder modulator, MZM)进行外调制，每个MZM上加载速率为10 Gbit/s的非归零码伪随机序列；光开关阵列将下行波长分配到不同的ODN中，由于仿真软件没有多输入端口的耦合器，所以在不影响系统整体性能的基础上用波分复用器来代替；信号经过放大后在SMF中传输20 km，按照1∶128的分路比传输到各个用户，各器件的插入损耗等参数已设置在初始值当中；最后在信号接收部分，使用光可调滤波器选择出特定的波长信号，至此每个ONU接收到光载波中所携带的信息。对于上行信号，波长传输原理与传统TWDM-PON系统一致，这里用直接调制激光器来模拟上行信号传输，提供工作在C波段的上行波长[14]，通过两个动态Y选择器组成时间延迟模块来模拟上行时分多址，通过不同ONU发射不同的上行波长来模拟上行信号的波分复用。
Figure 5. System simulation experiment diagram
经过光开关阵列的有效控制，局端的下行波长根据用户需要为不同的ODN提供带宽容量，实现对波长资源的共享。图 6是ODN1带宽容量最大时的光谱图。所有的下行波长发射模块都路由到ODN1中，加上激光器TU1发射的1590 nm波长，在ODN1中共有13个间隔为0.8 nm的下行波长同时传输信息。可调滤波器将ONU要接收的信号选择出来。假设办公区的ONU1要接收复用模块M5发射的1598 nm波长，图 7是在ONU1的下行信号接收端观测到的眼图形状。可以看出，ONU1的误比特率仅为10-64数量级，误比特率的大小表明信息在该无源光网络中是能够可靠传输的，大而张开的眼图也说明该系统能够高质量地接收信息。
Figure 6. Spectrum of downstream wavelengths in ODN1
Figure 7. Eye diagram of the downstream signals receiving end
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TWDM-PON是一种点到多点的光纤接入方法，提高分路器的扇出数目就可以覆盖到更广的接入范围，增加主干光纤的长度则可以方便多个无源光网络的局端集中部署。在系统的可行性验证中发现, 信号分路比为1∶128并传输20 km时, 下行信号误比特率较小，这说明系统的分路比和传输距离仍然有可扩展的空间。于是在原来实验的基础上进一步增大这两个参数，继续对波长1598 nm信号的误比特率进行测量，每组数据进行3次迭代后计算平均值。表 3中记录了9种不同分路比和不同传输距离情况下的下行信号误比特率均值，并且各种情况下测得的上行信号误比特率均低于下行信号误比特率。结果表明，在能够可靠传输信息的误比特率范围内[17], 该系统最大可以扩展到30 km的传输距离，同时服务于512个用户。
split ratio distance/km BER 1∶128 20 7.36×10-64 1∶256 20 5.19×10-41 1∶512 20 1.31×10-19 1∶128 25 5.19×10-41 1∶256 25 2.62×10-26 1∶512 25 2.97×10-13 1∶128 30 5.67×10-27 1∶256 30 3.72×10-18 1∶512 30 1.06×10-10 Table 3. Downstream signal BER at different splitting ratio and transmission distance
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在通信系统中，接收灵敏度是指接收机能在一定误比特率下正确接收有用信号的最小信号接收功率，灵敏度单位一般采用dBm，数值为负，负值越小则代表接收灵敏度越高[18]。该系统中，在光信号进入接收机之前, 放置光功率计测量光功率的大小，通过调节光衰减器不断降低下行信号接收端的光功率，除激光器TU1发射的波长1590.0 nm之外，分别从每个PON网络中选取一个下行波长1591.6 nm、1594.0 nm、1596.4 nm、1598.8 nm，进行多组不同的仿真实验，对测得的误比特率取材数值后得到的曲线如图 8所示。从图中可以看出，以前向纠错的误比特率标准(1×10-3)为参考[19]，下行信号的灵敏度在-29 dBm左右，如果每个下行通道的发射端激光器发射功率为10 dBm，则整个下行传输系统功率预算约为39 dB。用同样的方法测量上行信号接收机灵敏度，多个ONU的上行发射波长都设置为1530 nm，通过时分多址在不同的时间段内传输信息，同样以使用前向纠错的误比特率标准为参考，在图 9中对测得的上行信号误比特率取对数值，得出上行信号的灵敏度为-33 dBm，如果每个上行通道的发射端激光器发射功率为5 dBm，则整个上行传输系统功率预算约为38 dB。
Figure 8. Downstream signal BER
Figure 9. Upstream signal BER
2.1. 可行性验证
2.2. 系统扩展性分析
2.3. 灵敏度测量
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TWDM-PON技术从提出以来便得到了非常多的关注，多波长高速率的优势使它在短时间内快速发展。本文中提出了一种基于光开关阵列能在较大范围内灵活调控PON带宽的TWDM-PON结构，它与传统无源光网络相兼容，易于从现有网络升级改造；最重要的一点是它具有合理分配波长的功能，通过光开关阵列的控制使所有的波长资源进行最大限度的共享，OLT侧任意一个激光器发射的波长可以分配到所有的PON中，这大大提高了系统的灵活性，能很好应对一天不同时段住宅区和办公区业务互补变化的“潮汐效应”；在成本方面，本文中提出的方案由于在下行信号发射端不需使用波长可调谐激光器，从而相对已有方案需要较少的建设投资，激光器在部分时间段的合理关闭同样也能降低能耗；最后，通过仿真实验验证了系统的可行性，单波长传输速率为10 Gbit/s时，系统最大可以扩展到30 km的传输距离，并服务最多可达512个用户。
近年来，基于全光网络的超高速光开关[20]、微流控光开关[21]、有机物光开关[22]等新型光开关越来越多地应用到光纤通信系统中，这些新型光开关优化了消光比、响应时间等性能，可以更好地应用到PON系统中。另外，如果要想进一步提高灵活性，可以使用更大的光开关阵列进行波长灵活调度，亦可以将光开关阵列升级为波长选择开关[23]以进一步提升波长分配能力，但这样会使成本大幅度增加，因此需要在灵活性和成本之间做出取舍，根据不同的情况选择不同的方案。
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