以太無源光網絡中經濟有效地提供上行速率的系統和方法

2023-05-25 01:45:46

專利名稱：以太無源光網絡中經濟有效地提供上行速率的系統和方法
技術領域：
本發明涉及乙太網通訊，更具體地說，涉及乙太網通訊編碼。
背景技術：
目前的無源光纖網絡的實現是由上行數據速率和下行數據速率組合而成，不能經濟有效地適應不斷變化的終端用戶應用所需要的不斷發展和改變的上行和下行帶寬比。所需要的是以經濟有效地方式在10GEP0N(10G以太無源光網絡)系統中提供 IGbps和10(ibpS之間的上行速率的方法和系統。

發明內容
根據本發明的一個方面，本發明提供一種包括光網絡單元(ONU)發射器的系統， 其中所述光網絡單元(ONU)發射器包括使用具有兩個以上電平的調製方案編碼終端用戶數據的脈衝振幅調製(PAM)模塊；與所述脈衝振幅調製模塊的輸出連接的數模轉換器(DAC)；與所述數模轉換器的輸出連接的光發送裝置，其中所述光發送裝置用來發送所述已編碼的終端用戶數據。優選地，該系統還包括光線路終端(OLT)接收器，用於接收所述已編碼的終端用戶數據，其中，所述光線路終端接收器包括模數轉換器(ADC)JP與所述模數轉換器的輸出連接的解調器。優選地，該系統還包括與所述光線路終端接收器連接的無源光網絡(PON)接口，和與所述光線路終端接收器連接的背板，其中所述背板和服務提供商連接。優選地，所述光線路終端接收器包括連接到多個光發射/接收模塊的第二物理層 (PHY)，其中所述光發射/接收模塊和多個光網絡單元(ONU)通訊連接。優選地，所述調製方案的階數決定了所述第二物理層接收到的數據速率。優選地，所述脈衝振幅調製模塊根據所述調製方案的階數支持下列數據傳輸速率IGpbs ；2Gpbs ；5Gpbs ；7. 5Gpbs ；禾口IOGpbs。優選地，所述第二物理層包括
雪崩光電二極體；和與所述雪崩光電二極體連接的放大器。優選地，所述光發送裝置是雷射器。優選地，所述系統還包括訓練序列模塊，用於向脈衝的開始增加一訓練序列以用於所述調製方案使用的電平閥值的校準。優選地，所述調製方案的階數決定了所述光網絡單元發射器的傳輸速率。優選地，所述光發送裝置被配置為每一符號傳送預設數量的比特，其中所述每一符號預設數量的比特是基於所述調製方案的階數確定的。根據另一個方面，本發明提供一種包括光線路終端(OLT)的系統，其中所述光線路終端包括與多個光網絡單元(ONU)連接的物理層，其中所述物理層包括模數轉換器(ADC)JP基於所述光網絡單元確定的調製方案解調終端用戶數據的解調器，其中所述調製方案具有兩個以上的電平。優選地，所述調製方案的階數決定了所述物理層接收的數據速率。優選地，所述解調器是以下的一種脈衝振幅調製(PAM)解調器；脈衝寬度調製(PWM)解調器；頻率數據機；或副載波數據機。優選地，所述系統還包括光網絡單元(ONU)，其中所述光網絡單元包括
物理層，所述物理層包括使用具有兩個以上電平的調製方案編碼終端用戶數據的調製模塊，和用於將所述已編碼數據傳送到所述光線路終端的光發送裝置。優選地，所述調製模塊是下列其中之一脈衝振幅調製(PAM)模塊；脈衝寬度調製(PWM)模塊；頻率調製模塊；或副載波調製模塊。優選地，所述調製方案的階數決定了傳輸到所述光線路終端的傳輸速率。根據本發明的一方面，本發明提供一種方法，包括用具有兩個以上電平的脈衝振幅調製(PAM)方案編碼終端用戶數據；將終端用戶數據轉換成模擬形式；和將已編碼的終端用戶數據發送到光線路終端(OLT)接收器。優選地，所述方法進一步包括將所述已編碼的終端用戶數據轉換成數字形式，和基於所述調製方案解調所述已編碼的終端用戶數據，其中所述調製方案由光網絡單元確定。優選地，所述已編碼的終端用戶數據以每一符號包含預設數量比特的信號發送，其中所述每一符號預設數量的比特是基於所述調製方案的階數確定的。


本說明書中的附圖是說明書的組成部分，和上文的概括描述、下面對實施例的詳細描述一起闡明本發明的實施例，解釋本發明的原理。在所述圖中圖1是中心局和若干用戶通過光纖和無源光分路器連接在一起的無源光網絡的示意圖；圖2是包括單個OLT和多個ONU的無源光網絡的示意圖；圖3是PAM調製方案和相應符號率以及由此能達到的上行速率和上行/下行速率比的表格；圖4是依據本發明實施例的OLT接收器的模塊圖；圖5是依據本發明實施例的ONU發射器的模塊圖；圖6是依據本發明實施例的方法的流程圖。從下文結合附圖的詳盡描述中，本發明的特點和優點將更加清楚，其中相同的附圖標記在全文表示相同的元件。附圖中，相同的附圖標記一般表示相同、功能相似、和/或結構相似的元件。元件第一次出現的附圖用相應附圖標記中最左邊的數字表示。
具體實施例方式1、綜述無源光網絡(PON)是一種給用戶提供寬帶服務的點到多點的網絡結構，這種網絡結構包括服務提供商端的光線路終端(OLT)和用戶端的光網絡單元(ONU)。IEEE 802. 3av IOGEPONdOGigabits per second Ethernet Passive Optical Network) t示if夫 1 胃禾中■ 據速率，即非對稱的10/1數據速率(10(ibpS的下行速率和Kibps的上行速率)和對稱的 10/10數據速率(10(ibpS的下行速率和10(ibpS的上行速率)。10GEP0N中的10/1和10/10數據輸速率組合不能經濟有效地適應終端用戶應用的不斷變化(如IPTV和^uTube)所需要的不斷發展和改變的下行和上行寬帶比。例如，10/10數據傳輸速率需要高成本的光學器件(例如，用於0NU)，但所述應用可能不需要 IOGbps的上行帶寬。另一方面，雖然10/1的數據速率比10/10數據速率更加經濟有效，但是10/1的數據速率沒有足夠的上行帶寬來支持繁重的上行服務，如個人出版和上傳，或者未來的應用，特別是市場份額不斷增長的高分路的光纖到戶(FTTH)的部署。本發明的實施例通過使用現有的Kibps的光纖設備(如，ONU和0LT)和高效的編碼方案以經濟有效的方式提供Kibps至10(ibpS的上行速率。因此，相對於10/10的系統，降低了每個用戶的成本。優選地，依據本發明的系統和方法提供了多種上行速率，包括 2. 5Gbps,5Gbps,7. 5(ibpS。因此本發明的實施例支持變化的和不可預知的下行/上行帶寬比。更進一步說，依據本發明的系統和方法為上行的高分路光纖到戶的部署提供了足夠的帶寬。2、無源光網絡技術以太無源光網絡(EPON)綜合了乙太網技術和廉價的無源光設備。因此，它給簡單的、可擴充的乙太網提供了經濟有效且高容量無源光設備。特別是，由於光纖的高帶寬，EPON能夠同時容納語音、數據和視頻的寬帶傳輸。進一步說，由於以太幀可以直接將本地 IP數據包以不同尺寸封裝，而ATM無源光網絡(APON)使用固定尺寸的ATM信元，因此需要數據包的分割和重組，所以，EPON更適合網際協議(IP)傳輸。通常，EPON在網絡的「第一英裡」中使用，用以連接服務提供商的中心局和商業或居民用戶。理論上，所述「第一英裡」是具有服務若干用戶的中心局的點到多點的網絡。 EPON中可以使用樹形拓撲結構，其中一根光纖將中心局和無源光分路器連接，無源光分路器用以切割和向用戶分發下行光信號，並組合來自用戶的上行光信號(見圖1)。在EPON中的傳輸通常在光線路終端(OLT)和光網絡單元(ONU)之間進行(見圖 2)。所述OLT通常設在中心局，連接光纖接入網到城域主幹網，城域主幹網通常是屬於網際網路服務提供商(ISP)或本地交換運營商的外部網絡。所述光網絡單元(ONU)可以放置在路邊或終端用戶所在地，可以提供語音、數據、視頻寬帶服務。光網絡單元通常連接至一分 N(IxN)無源光耦合器，其中N指的是光網絡單元的數量，而無源光耦合器通常通過一根光纖線路與光線路終端連接。這種配置方式可以顯著節省光纖的使用數量和EPON所需的硬體數量。EPON中的通訊可以分為上行傳輸(從ONU到0LT)和下行傳輸(從OLT到0NU)。 在上行方向，ONU需要共享信道容量和資源，因為只有一條線路連接無源光耦合器和光線路終端。在下行方向，由於IxN無源光耦合器的廣播特點，下行數據幀由OLT向所有ONU廣播，隨後它們的目的地ONU根據它們各自的邏輯鏈路標記(LLID)進行提取。邏輯鏈路標記 (LLID)攜帶有幀的物理地址信息，並確定哪個ONU有權限提取該幀。圖1示出了無源光網絡(PON)，其中中心局和多個用戶通過光纖和無源光分路器連接在一起。如圖1所示，多個用戶通過光纖和無源光分路器102連接至中心局101。無源光分路器102可以放置在終端用戶位置附近，所以初始光纖鋪設成本是最小化的。中心局101可以和外部網絡103連接，比如和網際網路服務提供商(ISP)經營的城域網連接。請注意，雖然圖1描述的是樹形拓撲結構，PON也可以基於其他拓撲結構，如環形結構或總線結構。圖2示出了包括單個OLT和多個ONU的無源光網絡。OLT 201通過光纖和無源光耦合器205連接至ONU 202、203、204。如圖2所示，ONU可以和若干聯網設備例如個人電腦、電話、視頻設備、網絡伺服器等兼容。按照IEEE802. 3標準的規定，屬於同一類的一個或多個聯網設備通常分配到一個邏輯鏈路標記(LLID)。LLID在ONU和OLT之間建立邏輯連接以滿足特定服務層協議(SLA)的要求。在本例中，分配LLID#1給ONU 202進行常規數據服務；分配LLID#2給ONU 203進行語音服務；分配LLID#3給ONU 203進行視頻服務；分配 LLID#4給ONU 204進行關鍵任務數據服務。3、10GEP0N上行物理層(PHY)實施例如上文所討論的，10/10數據傳輸速率需要高成本的光纖設備(例如，用於 0NU202、203、和204以及OLT 201)，而不是所有終端用戶應用都需要10(ibpS的上行速率。 另一方面，儘管10/1的數據傳輸速率比10/10的數據傳輸速率更經濟有效，但它並沒有足夠的帶寬來支持上行繁重的帶寬服務。本發明的實施例提供了一種新的10GEP0N上行物理層(PHY)以實現Kibps光設備的經濟有效的使用，同時在上行方向提供高達10(ibpS的數據傳輸速率。所述物理層結合一個或多個硬體或軟體模塊，實現不同電平的編碼以實現不同的上行數據傳輸速率。實施例中，所述PHY運用比慣用的10GEP0N系統更複雜的編碼方案來實現更快的上行數據傳輸速率。由於ONU通常分配有以脈衝模式上行傳輸數據的時隙(例如，以時分多址的方式給ONU 分配時隙)，本發明的實施例在上行方向特別有用。然而，儘管所述PHY通常用於上行方向， 可以設想本發明的實施例亦可以應用在下行方向。優選地，可以在不改變上層MAC協議、管理層和應用層的情況下實現依照本發明的實施例的PHY。通常的編碼方案使用不歸零(NRZ)編碼。NRZ編碼是一種每個傳輸的符號只傳送一個數據比特的二進位編碼技術(因此僅有兩個電平出現)。通過在編碼方案中引入多個振幅電平，每個符號將使用更多的數據比特，因此可以使用更加經濟有效的光纖設備。實施例中，運用脈衝振幅調製在一系列信號脈衝的振幅中編碼信息。依據本發明的系統和方法運用現有經濟有效的l(ibps光纖設備和高效的編碼方案，通過使用不同電平的PAM調製以提供多種上行速率，包括2. 5Gbps、5Gbps、7. 5Gbps和lOGbps。例如，兩位調製器(PAM-4)有四種可能的信號振幅電平(一種信號振幅電平對應於兩個比特位的每一組合)。因此，在PAM-4調製方案中，用兩個比特位(two bits)將信號的振幅映射到四種可能的電平之一。三位調製器(PAM-8)具有八種可能的電平(一種電平對應於三個比特位的每一組合)。因此，在PAM-8調製方案中，用三個比特位將信號的振幅映射到八種可能的電平之一。根據符號率(符號(脈衝)發送的速率)，通過增加調製的階數，上行速率達到10(ibpS是可能的。比特率等於符號率乘以每秒傳送的比特數。因此，用 PAM-4調製方案(每秒傳送兩個比特)的1. 25Gbps符號率(每秒發送1. 25G脈衝)將產生 2. 5(ibpS上行速率的比特率。同樣，使用PAM-16調製方案(每秒傳送四個比特)的2. 5Gbps 的符號率(每秒發送2. 5G脈衝)將產生10(ibpS的比特率。圖3描述了 PAM調製方案、相應的符號率和由此產生的可以實現的上行傳輸速率和上行/下行速率比的表。本發明優選地給出了不同階數的調製方案，實現不同的相應上行速率和上行/下行速率比。最佳的上行/下行速率比可能取決於終端用戶應用的特點 (或隨著終端用戶應用的特點而改變)。因此，與每個符號只傳輸一個比特的傳統NRZ編碼方案相比，使用調製階數逐漸增加的調製方案，每個符號會傳輸更多的比特。每個符號傳輸更多的比特能夠讓物理層在傳輸同樣信息的同時發射的更慢，這就可以使用更便宜的光纖設備(例如，ONU中的雷射器)。儘管上文討論了 PAM調製方案，但是應當注意(和考慮)本發明的實施例可以使用任何更高階數的調製方案來每秒發送多個比特並由此用更便宜的光纖設備支持更高的上行速率。例如，使用脈衝寬度調製(PWM)、頻率調製(FM)、副載波調製(SCM)的調製方案、模塊、調製器、以及解調器也均在考慮之列。本發明的實施例提供了靈活的傳輸方案，能夠滿足不同價位點(cost point)的不同比率需求。進一步，採用更高階數的調製方案可能產生更高的信噪比或增加能量損失。依照本發明的實施例，在EPON光纖設備中採用支持多種階數調製方案的PHY，優選地提供可供選擇的一系列傳輸比率，並基於變化的環境權衡成本、帶寬、噪聲和功率的影響以提供最優的傳輸方案。3. 1 OLT接收器PHY實施例圖4是依照本發明實施例的OLT 201中OLT接收器402的框圖400。支持多電平編碼的多重速率PHY 401被整合在OLT接收器中。OLT接收器402連接至無源光纖網(PON)接口 404和與服務提供商連接408的背板406。實施例中，依照XAUI標準410的IOGB介質無關接口(XGMII)擴展器用來在介質訪問控制層(MAC)412和PHY 401之間擴展所述XGMII。 PHY 401連接至與ONU 202、203、204通訊連接的多個光發射/接收模塊。如上文所討論的， OLT接收器201配置有IOGbps的下行速率416，用以向ONU 202、203、204傳輸。進一步，如上文討論，依照本發明的實施例可以用更高階數的編碼率418(例如Kibps、2(}bpS、5(}bpS、 7. 5Gbps、10Gbps)配置上行速率。圖4還描述了依照本發明實施例的PHY 401的詳細圖420。實施例中，PHY 401通過與線性阻抗放大器(TIA)4M連接的雪崩光電二極體(APD)422接收下行信息。所述下行信息通過模數轉換器(ADC)轉換成數位訊號，輸入到依照本發明實施例的多電平信號解調器428中，解調發送給ONU 202,203和204的下行信息。多電平信號解調器似8依據ONU 上選擇的PAM調製電平提供多電平PAM解調。所述已解調信號經過解碼和解串行430後送至服務提供商。3. 2 ONU發射器PHY實施例圖5是依照本發明實施例的ONU發射器的框圖500。所述ONU發射器實現在ONU 202、203、204中。圖5展示了一個與EPON網絡504連接的EPON片上系統(soc) 502。SoC 502與EPON猝發收發器506連接，以通過內部集成電路(I2C)總線503和EPON網絡504通訊連接507。實施例中，SoC 502包括EPON CPU 504、管理CPU 506、數據包處理引擎508、 存儲器(隨機動態存儲器(SDRAM)) 510、以及交換機512。實施例中，串行吉比特介質獨立接口(SGMII) 514用於連接EPON介質訪問控制層(MAC) 516和多速率物理層518，依照本發明實施例該物理層支持多電平編碼。圖5還描述了依照本發明實施例的PHY 518的細節圖520。實施例中，並串行轉換器522接收並行數據，並將串行化的數據提供給調製器524。調製器5M用依照本發明實施例的多電平調製方案調製來自並串行轉換器的串行數據，隨後數模轉換器(DAC) 5 將數據轉化成模擬形式。隨後雷射器將所述模擬數據發射。優選地，由於依照本發明實施例採用的多電平調製方案，可以使用更便宜的雷射器來發射數據，因為多電平調製方案提供每個符號多個比特。實施例中，所述數據被發送給雷射器控制模塊(例如，二極體雷射器(LD) 控制器528)，並隨後傳遞給分布式反饋(DFB)雷射器530，最後送至EPON猝發收發器506。可選地，依照本發明的實施例還可整合附加的高編碼增益前向糾錯(例如，使用 FEC模塊)以提供附加的光功率預算，以支持市場份額不斷增長的高分路光纖到戶的鋪設。 進一步，實施例中，在脈衝的起始增加一訓練序列用於所採用的多電平調製方案使用的電平閥值的校準。4、方法下面將參考圖6描述基於本發明一個實施例的方法600。步驟602中，利用具有多於兩個電平的脈衝幅度調製(PAM)方案編碼終端用戶數據。然後可以將該數據轉換為模擬形式。一個實施例中，在光網絡單元(ONU)中編碼終端用戶數據。步驟604中，將編碼的終端用戶數據發送給光線路終端(OLT)接收器。一個實施例中，將編碼的終端用戶數據作為信號發送，該信號中，每符號包含預設數量的比特，其中每符號包含的比特的數量是基於調製方案的階數確定的。一個實施例中，OLT接收器將編碼的終端用戶數據轉換為數字形式。步驟606是可選的。步驟606中，根據ONU確定的調製方案解調編碼的終端用戶數據。儘管圖6描述了基於本發明一個實施例的一種方法，但是應該注意，還可以考慮基於本發明的任意公開實施例的其它方法(例如，基於上述章節1-3. 2中討論的系統和裝置的方法)。5、結論上述系統和方法可以作為機器可執行的電腦程式、電腦程式產品、或有形和/ 或非暫時性有存儲功能的計算機可讀介質實現。例如，本文所描述的功能可以通過可在計算機處理器或上文所列的任何一種硬體設備上執行的程序指令實現。電腦程式指令使得處理器執行本文所描述的信號處理功能。所述電腦程式指令(如軟體)可以存儲在有形非暫時性(易失性)的計算機用介質、 電腦程式介質、或任何可以被計算機或處理器訪問的存儲介質中。此類介質包括存儲設備如RAM或ROM，或其他類型的電腦存儲介質如電腦光碟或CD ROM。因此，任何有讓處理器執行本文所述信號處理功能的電腦程式代碼的有形非暫時性存儲介質都在本發明的範圍和精神內。雖然上文對本發明的各種實施例進行了描述，應該理解為它們是僅作為例子出現，而非限制。對本領域的技術人員來說，在不脫離本發明精神和範圍的情況下對形式或細節的各種改變是顯而易見的。因此，本發明的廣度和範圍不應受上文討論的示例性實施例所限，而應依照權利要求及其等同限定來定義。
權利要求
1.一種包括光網絡單元發射器的系統，其特徵在於，所述光網絡單元發射器包括 使用具有兩個以上電平的調製方案編碼終端用戶數據的脈衝振幅調製模塊；與所述脈衝振幅調製模塊的輸出連接的數模轉換器；與所述數模轉換器的輸出連接的光發送裝置，其中所述光發送裝置用來發送所述已編碼的終端用戶數據。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述系統進一步包括光線路終端接收器，用於接收所述已編碼的終端用戶數據，其中，所述光線路終端接收器包括模數轉換器，和與所述模數轉換器的輸出連接的解調器。
3.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述系統進一步包括 與所述光線路終端接收器連接的無源光網絡接口，和與所述光線路終端接收器連接的背板，其中所述背板和服務提供商連接。
4.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述光線路終端接收器包括連接到多個光發射/接收模塊的第二物理層，其中所述光發射/接收模塊和多個光網絡單元通訊連接。
5.根據權利要求4所述的系統，其特徵在於，所述調製方案的階數決定了所述第二物理層接收到的數據速率。
6.根據權利要求5所述的系統，其特徵在於，所述脈衝振幅調製模塊根據所述調製方案的階數支持下列數據傳輸速率IGpbs ； 2Gpbs ； 5Gpbs ；7.5Gpbs ；和 IOGpbs0
7.根據權利要求4所述的系統，其特徵在於，所述第二物理層包括 雪崩光電二極體；和與所述雪崩光電二極體連接的放大器。
8.一種包括光線路終端的系統，其特徵在於，所述光線路終端包括 與多個光網絡單元連接的物理層，其中所述物理層包括模數轉換器，和基於所述光網絡單元確定的調製方案解調終端用戶數據的解調器，其中所述調製方案具有兩個以上的電平。
9.根據權利要求8所述的系統，其特徵在於，所述調製方案的階數決定了所述物理層接收的數據速率。
10.一種方法，其特徵在於，包括用具有兩個以上電平的脈衝振幅調製方案編碼終端用戶數據；將終端用戶數據轉換成模擬形式；和將已編碼的終端用戶數據發送到光線路終端接收器。
全文摘要
本發明公開了在10GEPON中以經濟有效地方式提供1Gbps到10Gbps上行傳輸速率的系統和方法。實施例中，光網絡單元(ONU)發射器包括脈衝串收發器和具有高性能數模轉換器(DAC)的物理層、用具有兩個以上電平的調製方案編碼終端用戶數據的脈衝幅度調製(PAM)模塊以及雷射器。所述光網絡單元發射器將已編碼的終端用戶數據發送到光線路終端(OLT)接收器，光線路終端接收器用PAM解調器解調數據並將其傳送到服務提供商。
文檔編號H04B10/24GK102447981SQ201110233169
公開日2012年5月9日 申請日期2011年8月15日 優先權日2010年8月20日
發明者愛德華·維尼·博伊德, 瑞安·埃德加·赫斯 申請人:美國博通公司