一种跳频周期光编解码方法及光编解码器

摘要

本发明公开了一种跳频周期光编解码方法，用于无源光网络光纤链路监控。该跳频周期光编解码方法同时在时域和频域进行编解码，光码字在时域进行周期编解码，在频域进行跳频编解码。本发明还公开了一种实现本发明编解码方法的光编解码器以及一种无源光网络光纤链路监控方法。该光编解码器由多个光纤布拉格光栅通过光纤延时线串联组成，光栅之间的光纤延时线具有相同的长度，该长度取决于跳频周期光码字的周期值和检测光脉冲的时域宽度；每个光栅的中心反射波长由频域上的跳频序列决定。所述光纤链路监控方法采用了本发明的跳频周期光编解码方法。本发明能够增加光码字的码字容量，降低光码字的相关距离，有效抑制多用户干扰和差拍噪声，提高系统监控性能。

权利要求

1.一种跳频周期光编解码方法，用于无源光网络的光纤链路监控，其特征在于，跳频周期光码字表示为(q, w, P)，q 表示跳频周期光码字在频域上可使用波长片的数量，w 表示跳频周期光码字的码重，P表示跳频周期光码字在时域上的周期值，q、w、P 均为正整数；

跳频周期光码字在时域进行周期编码，其周期值选取方法如下：首先确定光码字的码重w，将第一个周期光码字的周期值P1定为1，此后，假设第i个光码字的周期值Pi=Pi-1+1，i 为大于等于2的正整数；如果这个光码字与之前任意的第m个光码字的最大互相关值不大于1，m=1,…,i-1，则将此周期值定为第i个光码字的周期值；如果最大互相关值大于1，则将周期值再加1并重新判决码字之间的互相关值，直到符合条件要求为止； 跳频周期光码字在频域进行跳频编码，其跳频序列的构造方法如下：用一个L维数组 来表示跳频序列，其中 ， ，选自于可使用波长片集合（0,1,2,…, q）；跳频序列的长度L 不超过q，任何两个序列之间的互相关值被限制在0或

1，并让任何序列中的任意相邻频率之间的距离大于一个固定整数d，d≥0；

当q 为 奇 数 时，取 ；当q 为 偶 数 时，取 ，其 中

；设 ，k为正整数，由 这 个数生成一组

排列数 ，设 ，其中 进行模q 运算，下标进行

模2k 运算；如果某排列数满足

和 ，

则称该排列数为生成序列 ，通过下式产生q 个跳频序列：

，

其中 ， 中的各数组元素进行模q 运算。

2.一种无源光网络光纤链路监控方法，包括以下步骤：

步骤A、中心局向各用户发送宽带检测光脉冲信号；

步骤B、各用户对接收到的宽带检测光脉冲信号进行光编码，产生光编码信号并发送回中心局，不同用户所产生的光编码信号各自不同且相互正交；

步骤C、中心局对用户发送的光编码信号进行光解码，得到各用户的光解码信号，并根据以下准则判断光纤链路的状态：如果所有用户的光解码信号中都没有自相关峰，则判断主干光纤链路出现故障；如果某个用户的光解码信号中没有自相关峰，则判断该用户所处支路的光纤链路出现故障；当所有用户的光解码信号中都存在自相关峰，而业务出现中断，则判断无源光网络的光纤链路正常，ONU的设备出现故障；

其特征在于，所述光编码和光解码采用权利要求1所述跳频周期光编解码方法。

3.一种实现权利要求1所述跳频周期光编解码方法的光编解码器，由w 个光纤布拉格光栅通过光纤延时线串联组成，w 为所述跳频周期光码字的码重，其特征在于，光栅之间的光纤延时线具有相同的长度，光纤延时线的长度为 ，其中 为光在光纤中的传播速度，P 为光码字的周期值， 为检测光脉冲的时域宽度；光栅的中心波长由跳频周期光码字中的频域跳频序列决定。

说明书

一种跳频周期光编解码方法及光编解码器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种光编解码方法及光编解码器，尤其涉及一种用于无源光网络（PON）光纤链路监控的跳频周期光编解码方法及光编解码器，属于光纤通信技术领域。

背景技术

[0002] 随着无源光网络PON被广泛的应用在光接入网中，对光网络中的光纤链路状态的监控受到越来越多的关注。目前，对于光网络的性能监控多存在于ONU的管理系统，ONU的管理控制界面通过OLT和ONU之间的通信，可以提供很多的系统状态信息，但是当PON网络的物理层出现故障时，OLT无法与ONU进行任何的数据交换。因此，运营商很难判断问题出自于光纤链路还是ONU端的有源设备。为了尽可能地缩短物理层故障造成的业务中断时间，运营商需要一个具有预防性，能够直接监测无源光网络中的光纤链路状态的系统。

[0003] 为了解决PON的光纤链路监控问题，研究者先后提出了反射峰参考法，参考反射波长法，布里渊频移法等监控方法，但以上方法在网络拓扑结构，支路长度相等和网络容量等问题上均存在不足。最近有人提出使用光编码方法应用于PON监控，采用周期编解码方法，能够支持大容量网络的光纤链路监控，该编码器具有构造简单，编码器成本低，可产生大量的码字等优点。但是周期编码在产生大量光码字的同时，造成了周期间隔的增大，从而导致相关距离变大，使得码字之间的干扰变大。同时周期编码带来更了较大的功率损失，不利于判别。多个编码光信号脉冲及干扰光脉冲在接收电信号上产生较大的差拍噪声。一份中国发明专利申请（申请号为201110164336.8，申请日为2011年6月17日，公开号为CN102223176A，公开日为2011年10月19日）公开了“一种基于二维光正交码的无源光网络光层监控方法及装置”。该监控方法首先由无源光网络的中心局向各用户发送宽带检测光脉冲信号；然后各用户对接收到的宽带检测光脉冲信号进行二维正交光编码，产生光编码信号并发送回中心局，不同用户所产生的光编码信号各自不同且相互正交；中心局对用户发送的光编码信号进行光解码，得到各用户的光解码信号，并根据各用户光解码信号中自相关峰的情况判断光纤链路的状态。该方法具有不受网络拓扑结构限制的优点，可适用于多级联及复杂拓扑结构的无源光网络，且其所采用的二维光正交码具有码字容量大，码字之间干扰小，可监控大用户容量的无源光网络的优势。但二维光正交码的码长一般较大，这在PON光纤链路监控应用时，会导致较大的相关距离，从而影响监控系统的性能。而且二维光正交码在频域上占用的波长资源较多，频谱利用率较低。在无源光网络光纤链路监控的应用中，希望使用一种码字容量大，相关距离小，频谱利用率高的光编解码方法。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术采用二维光正交编码所存在的相关距离较大、频谱利用率较低的不足，提供一种跳频周期光编解码方法及光编解码器。

[0005] 本发明具体采用以下技术方案：

[0006] 一种跳频周期光编解码方法，用于无源光网络的光纤链路监控，跳频周期光码字表示为(q, w, P)，q 表示跳频周期光码字在频域上可使用波长片的数量，w 表示跳频周期光码字的码重，P表示跳频周期光码字在时域上的周期值，q、w、P 均为正整数；

[0007] 跳频周期光码字在时域进行周期编码，其周期值选取方法如下：首先确定光码字的码重w，将第一个周期光码字的周期值P1定为1，此后，假设第i (i≥2, i为正整数)个光码字的周期值Pi=Pi-1+1，如果这个光码字与之前任意的第m(m=1,…,i-1)个光码字的最大互相关值不大于1，则将此周期值定为第i个光码字的周期值；如果最大互相关值大于1，则将周期值再加1并重新判决码字之间的互相关值，直到符合条件要求为止； [0008] 跳频周期光码字在频域进行跳频编码，其跳频序列的构造方法如下：用一个L 维数组 来表示跳频序列，其中 ， ，选自于可使用波长片集合（0,1,2,…, q）；跳频序列的长度L 不超过q，任何两个序列之间的互相关值被限制在
0或1，并让任何序列中的任意相邻频率之间的距离大于一个固定整数d（d ≥0）；

[0009] 当q 为奇数时，取 ；当q 为偶数时，取 ，其中；设 ，由 这 个数生成一组排列
数 ，设 ，其中 进行模q 运算，下标进行模2k
运算；如果某排列数满足

[0010] 和 ，

[0011] 则称该排列数为生成序列 ，通过下式产生q 个跳频序列：，

[0012] 其中 ， 中的各数组元素进行模q 运算。

[0013] 一种实现上述跳频周期光编解码方法的光编解码器，由w 个光纤布拉格光栅通过光纤延时线串联组成，其特征在于，光栅之间的光纤延时线具有相同的长度，光纤延时线的长度为 ，其中 为光在光纤中的传播速度，P 为光码字的周期值， 为检测光脉冲的时域宽度；光栅的中心波长由跳频周期光码字中的频域跳频序列决定。

[0014] 根据本发明的跳频周期光编解码方法，还可得到如下的无源光网络光纤链路监控方法：

[0015] 一种无源光网络光纤链路监控方法，包括以下步骤：

[0016] 步骤A、中心局向各用户发送宽带检测光脉冲信号；

[0017] 步骤B、各用户对接收到的宽带检测光脉冲信号进行光编码，产生光编码信号并发送回中心局，不同用户所产生的光编码信号各自不同且相互正交；

[0018] 步骤C、中心局对用户发送的光编码信号进行光解码，得到各用户的光解码信号，并根据以下准则判断光纤链路的状态：如果所有用户的光解码信号中都没有自相关峰，则判断主干光纤链路出现故障；如果某个用户的光解码信号中没有自相关峰，则判断该用户所处支路的光纤链路出现故障；当所有用户的光解码信号中都存在自相关峰，而业务出现中断，则判断无源光网络的光纤链路正常，ONU的设备出现故障；

[0019] 所述光编码和光解码采用上述跳频周期光编解码方法。

[0020] 相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

[0021] 1、本发明中的跳频周期光码字在时域上采用周期编码，而在频域上采用跳频编码，比传统的二维光正交码具有更大的码字容量，可监控大用户容量的网络。

[0022] 2、本发明中的跳频周期光码字在保持码字容量大的同时，具有更小的相关距离，能够有效抑制多用户干扰和差拍噪声，提高系统监控性能。

[0023] 3、在码字容量一定时，本发明中的跳频周期光码字具有更小的码重，则编解码器中的光栅数量更小，使得编解码器具有低成本优势。

附图说明

[0024] 图1为本发明的无源光网络光纤链路监控方法的流程图；

[0025] 图2为跳频周期光码字(9, 4, 5)的光编码信号示意图；

[0026] 图3为跳频周期光编码器的结构示意图；

[0027] 图4为几种光编码方法的码字容量对比图；

[0028] 图5为几种光码字相关距离示意图；

[0029] 图6为验证试验中所使用的监控系统的结构框图；

[0030] 图7为验证试验得到的监控测试结果。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

[0032] 本发明的无源光网络光纤链路监控方法，如图1所示，包括以下步骤：

[0033] 步骤A、中心局向各用户发送宽带检测光脉冲信号；

[0034] 无源光网络中心局侧的光线路终端，向无源光网络用户侧的光网络单元，发送宽带检测光脉冲信号。

[0035] 步骤B、各用户对接收到的宽带检测光脉冲信号进行跳频周期光编码，产生跳频周期光编码信号并发送回中心局，不同用户所产生的跳频周期光编码信号各自不同且相互正交；

[0036] 跳频周期光编码对宽带检测光脉冲同时在时域和频域进行二维光编码，产生w 个在时域上具有相同时间间隔的子光脉冲，时间间隔的大小取决于所用跳频周期光码字的周期值P 和检测光脉冲的时域宽度，w 个子光脉冲的中心波长各不相同，波长取值由跳频序列决定。

[0037] 具体而言，进行跳频周期光编码时，跳频周期光码字表示为(q, w, P)，q表示跳频周期光码字在频域上可使用波长片的数量，w表示跳频周期光码字的码重，P 表示跳频周期光码字在时域上的周期值，q、w、P均为正整数；

[0038] 跳频周期光码字在时域进行周期编码，其周期值选取方法如下：首先确定光码字的码重w，将第一个周期光码字的周期值P1定为1，此后，假设第i (i≥2, i为正整数)个光码字的周期值Pi=Pi-1+1，如果这个光码字与之前任意的第m(m=1,…,i-1)个光码字的最大互相关值不大于1，则将此周期值定为第i个光码字的周期值；如果最大互相关值大于1，则将周期值再加1并重新判决码字之间的互相关值，直到符合条件要求为止； [0039] 跳频周期光码字在频域进行跳频编码，其跳频序列的构造方法如下：用一个L 维数组 来表示跳频序列，其中 ， ，选自于可使用波长片集合（0,1,2,…, q）；跳频序列的长度L 不超过q，任何两个序列之间的互相关值被限制在
0或1，并让任何序列中的任意相邻频率之间的距离大于一个固定整数d（d ≥0）；

[0040] 当q 为奇数时，取 ；当q 为偶数时，取 ，其中；设 ，由 这 个数生成一组排列
数 ，设 ，其中 进行模q 运算，下标进行模2k
运算；如果某排列数满足

[0041] 和 ，

[0042] 则称该排列数为生成序列 ，通过下式产生q 个跳频序列：，

[0043] 其中 ， 中的各数组元素进行模q 运算。

[0044] 以跳频周期光码字(9, 4, 5)的编码为例，该码字的可用波长片数为9，即光码字将在这9个波长上进行跳频编码。光码重为4，表示为编码后的子脉冲数量。该码字的时域周期值为5，即编码后的每个子脉冲之间的时间间隔为5个时间片。图2为一个宽带检测光脉冲按光码字(9, 4, 5)进行跳频周期光编码后，得到的光编码信号，4个编码子脉冲光信号依次处在时间片1，时间片6，时间片11，时间片16上，周期为5，即实现时域上的周期编码。而在频域上依次占据波长片4，波长片8，波长片5，波长片0，完成频域上的跳频编码，对应频域的跳频序列为(4,8,5,0)。

[0045] 上述跳频周期光编码可利用图3所示的跳频周期光编码器实现，如图所示，该编码器由w 个光纤布拉格光栅通过光纤延时线串联组成，光栅之间的光纤延时线具有相同的长度，光纤延时线的长度为 ，其中 为光在光纤中的传播速度，P 为光码字的周期值， 为检测光脉冲的时域宽度；光栅的中心波长由跳频周期光码字中的频域跳频序列决定。

[0046] 步骤C、中心局对用户发送的跳频周期光编码信号进行光解码，得到各用户的跳频周期光解码信号，并根据以下准则判断光纤链路的状态：如果所有用户的跳频周期光解码信号中都没有自相关峰，则判断主干光纤链路出现故障；如果某个用户的跳频周期光解码信号中没有自相关峰，则判断该用户所处支路的光纤链路出现故障；当所有用户的跳频周期光解码信号中都存在自相关峰，而业务出现中断，则判断无源光网络的光纤链路正常，ONU的设备出现故障；

[0047] 同一跳频周期光码字的光解码器与光编码器结构相同，方向相反。

[0048] 图4显示了几种光编码方法的码字容量，几种光编码方法分别为现有的一维光正交编码、二维光正交编码以及本发明的跳频周期光编码。跳频周期光码字参数为q=9, w=4,Tc=1ns, 其中Tc为宽带检测光脉冲的时域宽度。将周期P定义跳频周期光码字的码字长度。从图中可以看到，当码长为40，一维光正交码的码字容量为4，二维光正交码的码字容量为70。而跳频周期码的码字容量为189，约为二维光正交码数量的2.5倍和一维光正交码数量的47倍。可见在三种光码字中，跳频周期码的码字容量最大，可以监控大用户容量的无源光网络光纤链路状态。

[0049] 由于宽带检测光脉冲的重复频率一般在kHz级别，速率较低，而且PON网络的用户呈分散，随机的分布。所以在光编码监控中，只有当两个ONU所在支路的长度相差小于光码字的相关距离时， 两个ONU产生的光编码信号才会相互重叠并产生多用户干扰。所以相关距离可以看做两个ONU产生的光编码信号不发生互相干扰的最小距离。相关距离的大小取决于所选用光码字的结构和检测光脉冲的时域宽度。图5显示了在检测光脉冲的时域宽度一定时，几种光码字的相关距离，这几种光码字分别为现有的周期编码、二维光正交编码以及本发明的跳频周期光编码。当网络用户数量为32时，需要有32个相互正交的光码字用于监控光网络，即要求码字容量不低于32。此时，如图所示，跳频周期码的相关距离为4.8m，而周期码的相关距离为38m，二维光正交码的相关距离为77m，分别相当于跳频周期码的相关距离的8倍和16倍。由此可见，跳频周期光码字在保持大码字容量的同时，具有更小的相关距离，从而大大降低了多用户干扰发生的概率，使得监控性能得到了提高。

[0050] 为了进一步验证本发明监控方法的效果，构建了如图6所示的无源光网络链路监控系统，并利用该系统进行了以下试验：

[0051] 在OLT侧，调制数据加载在光调制器上，将宽带光源调制产生脉冲宽度为1ns，重复频率为1kHz的宽带检测光脉冲序列。宽带检测光脉冲的波长与数据传输的波长不相同，从而不影响数据通道的传输。宽带检测光脉冲序列依次通过EDFA光放大器和光环形器进入20km光纤进行传输，通过1:4分光器到达每个ONU。在每个ONU的前端，通过波分复用器将宽带检测光脉冲序列送进光编码器进行跳频周期光编码，并且由光编码器将编码光信号反射，依次通过波分复用器，1:4分光器，20km光纤和光环型器送回OLT侧。在接收端，所有ONU的光编码信号分别通过色散补偿光纤和EDFA光放大器进行色散补偿和功率补偿，再经过光解码器得到光解码信号，最后送入采用示波器得到监控测试结果。示波器的信号平均次数为256，用于消除噪声。在本实验中，共有四个ONU用户，在接收端，只进行ONU1所在支路的解码处理和监控测试，光解码器1和光编码器1使用相同的码字，从而得到正确的解码光信号。其它ONU支路的监控方法相同，不再重复。

[0052] 在本实验中，跳频周期光码字参数选取为q=7, w=2, 七个可用波长片的中心波长选 择为λ1=1548.8 nm，λ2=1549.2 nm，λ3=1549.6 nm，λ4=1550nm，λ5=1550.4 nm，λ6=1550.8 nm，λ7=1551.2 nm。四个ONU所用的跳频周期光码字分别为{(4,1),5},{(7,4), 5},{(2,6), 5},{(4,1), 9}，其中(4,1)，(7,4)，(2,6)表示频域所选用的跳频序列，5和9表示时域编码的周期值。光编码器由两个中心波长不同，相距一定长度光纤延时线的光纤布拉格光栅FBG串联构成，其中FBG的3dB反射谱宽约为0.2nm，反射率约为
95%，光纤延时线的长度为50cm和90cm对应于周期值5和9。

[0053] 实验结果如图7所示，图7(a) 是从OLT侧发出的宽带检测光脉冲时域图。图7(b)是在只有ONU1支路进行编码的情况下，接收端得到的解码自相关峰，正确恢复出了检测光脉冲。图7(c) 是在4个ONU都进行光编码的情况下，接收端得到的光解码信号。可以发现，干扰信号并没对ONU1的解码自相关峰产生干扰，只是在附近产生了一些干扰信号。当ONU1支路发生故障损耗时，解码自相关峰信号减弱，但干扰信号保持不变，如图7(d) 所示。如果ONU1支路断开，则解码自相关峰完全消失，而干扰信号未变化，如图7(e) 所示。当主干光纤发生断开故障时，可以发现解码自相关峰壑干扰信号都消失了，在接收端得不到任何信号，如图7(f) 所示。