¿Por qué es necesario utilizar OFDM para la transmisión óptica? ¿Cuáles son los beneficios? ¿Qué tecnologías clave deben abordarse?

1.1 OFDM 1.1 Antecedentes de OFDM El concepto de OFDM (multiplexación por división de frecuencia ortogonal) se propuso en las décadas de 1950 y 1960, y en 1970 se publicó la patente OFDM. La idea básica es utilizar multiplexación por división de frecuencia (OFDM) que permite que los subcanales se superpongan pero no se afecten entre sí. Esta tecnología ha atraído una gran atención en todo el mundo debido a su alta eficiencia espectral y resistencia a la interferencia multitrayecto. En 1971, Weinstein y Ebert propusieron el uso de la transformada discreta de Fourier para implementar todas las funciones de modulación y demodulación en el sistema OFDM, lo que simplificó la modulación y demodulación del sistema e hizo preparativos teóricos para la implementación de una solución totalmente digital para OFDM. Después de la década de 1980, la tecnología de modulación OFDM volvió a convertirse en un foco de investigación. Por ejemplo, en la investigación de canales cableados, Hirosaki utilizó la tecnología de modulación OFDM completada por transformada discreta de Fourier (DFT) en 1981 y probó con éxito un módem de línea telefónica de transmisión paralela de 19,2 kbit/s con multiplexación 16QAM a medida que la tecnología maduraba y su costo. reducción, OFDM se ha utilizado ampliamente en la transmisión de audio y video digital terrestre (DAB, DVB-T) y bucles de usuario de datos asimétricos (DSL asimétrico), y en los últimos años, con el sistema de comunicación óptica avanzando hacia la larga distancia, con el desarrollo de gran capacidad, muchas instituciones de investigación científica y universidades han comenzado a centrar su atención en sistemas de comunicación óptica coherentes. Debido a la alta sensibilidad de detección de la tecnología de detección de luz coherente, el sistema tiene una larga distancia de transmisión. Además, en teoría, los sistemas de comunicación óptica coherentes pueden compensar completamente muchas distorsiones lineales. Junto con la alta eficiencia espectral y las características antidispersión de la tecnología OFDM, algunas personas han propuesto aplicar la tecnología de multiplexación por división de frecuencia ortogonal a los sistemas de comunicación óptica de detección coherente. Muchas instituciones de investigación y universidades de todo el mundo han llevado a cabo investigaciones sobre la tecnología óptica OFDM. La multiplexación por división de frecuencia ortogonal óptica se ha convertido en un punto de investigación en comunicaciones ópticas en todo el mundo. Los principales grupos de investigación extranjeros incluyen la Universidad de Arizona en los Estados Unidos, la Universidad de Bangor en el Reino Unido, los Laboratorios Lucent-Bell, el Laboratorio KDDI en Japón y la Universidad de Monas en Australia. Estos grupos de investigación exploraron los sistemas OOFDM, incluidas cuestiones no lineales, evaluación del rendimiento, eficiencia espectral, etc. En China, la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China, la Universidad de Jilin y otras unidades han llevado a cabo investigaciones de simulación sobre la implementación de OOFDM bajo fibra óptica multimodo. 1.1.2 La idea básica de OFDM es en realidad una tecnología especial de transmisión multiportadora, que puede considerarse tanto una tecnología de modulación como una tecnología de multiplexación. El principio básico de OFDM es similar al de la multiplexación por división de frecuencia (FDM) tradicional, es decir, los flujos de datos de alta velocidad se asignan a varios subcanales de frecuencia de velocidad relativamente baja para su transmisión mediante conversión de serie a paralelo. La diferencia es que la tecnología OFDM hace un mejor uso de los métodos de control y mejora la utilización del espectro. La característica más importante de la tecnología OFDM es que las subportadoras son ortogonales entre sí. Ortogonalidad de las portadoras OFDM Esta estructura de OFDM no es completamente diferente de la multiplexación por división de frecuencia mencionada anteriormente. La multiplexación por división de frecuencia utiliza diferentes frecuencias para transmitir señales. El espectro de cada subportadora modulada no puede superponerse y se debe agregar un intervalo de guarda entre subportadoras para que pueda demodularse correctamente en el extremo receptor. En la tecnología OFDM, se utiliza la ortogonalidad entre subportadoras y el espectro de cada subportadora modulada se superpone, por supuesto, sin una banda de guarda de por medio. Al utilizar esta ortogonalidad, la señal original se puede demodular en el extremo receptor a pesar de la superposición de espectros. La ortogonalidad entre subportadoras se puede discutir en el dominio del tiempo y en el dominio de la frecuencia. Desde la perspectiva del dominio del tiempo, cada subportadora contiene un múltiplo entero de períodos en un período de símbolo OFDM, y la diferencia entre subportadoras adyacentes es un período. Desde una perspectiva del dominio de la frecuencia, es decir, en el diagrama de espectro de cada subportadora en la señal OFDM, en la frecuencia máxima de cada subportadora, los valores del espectro de todos los demás subcanales son exactamente 0. Debido a que en el proceso de demodulación de símbolos OFDM, es necesario calcular la frecuencia máxima de cada subportadora correspondiente a estos puntos, los símbolos de cada subcanal se pueden extraer de múltiples símbolos de subcanal superpuestos sin ser interferidos por otros subcanales. 1.1.3 Análisis de ventajas y desventajas del sistema OFDM Ventajas de OFDM (1) La conversión de serie a paralelo de flujos de datos de alta velocidad hace que la duración de los símbolos de datos de las subportadoras aumente relativamente, reduciendo así eficazmente la interferencia entre símbolos y reducir aún más la complejidad de la ecualización; (2) Dado que las subportadoras son ortogonales entre sí, se permite que el espectro de los subcanales se superponga entre sí, por lo que, en comparación con el sistema tradicional de multiplexación por división de frecuencia, la tasa de utilización del espectro es muy alta; (3) La modulación y demodulación ortogonal de cada subcanal se puede implementar usando IDFT y DFT respectivamente, IFFT y FFT se pueden usar en sistemas con una gran cantidad de subportadoras (4) Usando diferentes números de subcanales para lograr diferentes enlaces ascendentes y; velocidades de transmisión de enlace descendente, se puede lograr la transmisión asimétrica de servicios (5) Fácil de combinar con otros métodos de acceso. La desventaja de OFDM (1) es que es susceptible a un desplazamiento de frecuencia (2) una mayor relación de potencia pico a promedio; 1.1.4 Tecnologías clave de los sistemas OFDM (1) Sincronización en el dominio del tiempo y sincronización en el dominio de la frecuencia Los sistemas OFDM son sensibles a la temporización y al desplazamiento de frecuencia, especialmente cuando se combinan con FDMA, TDMA y CDMA en aplicaciones prácticas, la sincronización en el dominio del tiempo y la frecuencia aparece Especialmente importante. (2) Estimación de canal En los sistemas OFDM, hay dos cuestiones principales en el diseño de estimadores de canal: una es la selección de información piloto y la otra es el diseño de un estimador de canal con baja complejidad y buenas capacidades de seguimiento de piloto.

En diseños prácticos, la selección de la información piloto y el diseño del mejor estimador generalmente están relacionados entre sí, porque el desempeño del estimador está relacionado con la forma en que se transmite la información piloto. (3) Codificación y entrelazado de canales Para mejorar el rendimiento de los sistemas de comunicación digital, la codificación y el entrelazado de canales son métodos comúnmente utilizados. Para errores aleatorios en canales con desvanecimiento, se puede usar codificación de canal; para errores de ráfaga en canales con desvanecimiento, se puede usar tecnología de entrelazado. En aplicaciones prácticas, la codificación de canales y el entrelazado se suelen utilizar simultáneamente para mejorar aún más el rendimiento de todo el sistema. (4) Reducir la relación de potencia pico a promedio Dado que la señal OFDM aparece como una superposición de N señales subportadoras ortogonales en el dominio del tiempo, cuando todas estas N señales parecen ser valores pico, la señal OFDM también producirá un máximo. valor máximo y la potencia máxima es N veces la potencia promedio. Aunque la probabilidad de que se produzca un pico de potencia es muy baja, para transmitir estas señales PAPR OFDM altas sin distorsión, el transmisor requiere una alta linealidad de un amplificador de alta potencia, lo que resulta en una eficiencia de transmisión extremadamente baja. El receptor requiere una señal frontal de alta calidad. Amplificadores finales y convertidores A/D. Alta linealidad. Por lo tanto, una PAPR alta reduce en gran medida el rendimiento de los sistemas OFDM e incluso afecta directamente las aplicaciones prácticas. Para resolver este problema, se han propuesto métodos basados ​​en tecnología de distorsión de señal, tecnología de codificación de señal y expansión del espacio de señal para reducir la PAPR de los sistemas OFDM. (5) Ecualización En un entorno de desvanecimiento general, la ecualización en sistemas OFDM no es un método eficaz para mejorar el rendimiento del sistema, porque la esencia de la ecualización es compensar la interferencia entre símbolos causada por canales multitrayecto, y la propia tecnología OFDM ha aprovechado de multitrayecto Características de diversidad del canal, por lo que no se requiere ecualización. En un canal altamente disperso, la longitud de la memoria del canal es muy larga y la longitud del prefijo cíclico CP también debe ser muy larga para evitar ISI tanto como sea posible. Sin embargo, una longitud de CP excesivamente larga conducirá inevitablemente a una gran pérdida de energía, especialmente para sistemas con un número pequeño de subportadoras. En este momento, puede considerar agregar un ecualizador y reducir adecuadamente la longitud del CP, es decir, aumentar la complejidad del sistema a cambio de mejorar la utilización de la banda del sistema. 1.2. Idea básica de OOFDM 1.2.1 o La idea principal de la tecnología de multiplexación por división de frecuencia ortogonal óptica (OOFDM) OFDM es dividir un canal determinado en muchos subcanales ortogonales en el dominio de la frecuencia y utilizar una subportadora. modulada y cada subportadora se transmite en paralelo. Debido a que el cuadrado de la tolerancia de dispersión es inversamente proporcional al ancho de banda de la fibra, cuanto menor sea el ancho de banda del canal, mayor será la tolerancia de dispersión y mayor será la capacidad de tolerar la dispersión. La tecnología OOFDM divide la banda de frecuencia de la fibra óptica en muchas subbandas ortogonales como subcanales para transmitir información, lo que aumenta la tolerancia a la dispersión. La aplicación de la tecnología OOFDM puede lograr una transmisión de fibra óptica de alta velocidad sin compensación de dispersión, al tiempo que reduce los requisitos de amplificadores ópticos, lo que puede ahorrar muchos costos de dispositivos y al mismo tiempo conservar la calidad de la transmisión. En el sistema OOOFDM, el receptor puede utilizar detección coherente o detección directa. La detección directa es una detección relativamente coherente, que es simple de implementar y fácil de implementar la compensación de dispersión. Su estructura simple hace que el sistema OOOFDM sea más fácil de actualizar a 100 Gb/s/s. Por lo tanto, el sistema OOOFDM basado en DD-OOFDM tiene cierto potencial de desarrollo. 1.2.2 Principios básicos de OOFDM Los principios básicos de OOFDM son similares a OFDM. La única diferencia es que la transmisión de la señal cambia del canal inalámbrico en el dominio eléctrico a la transmisión del canal óptico. El diagrama esquemático es el siguiente: los datos del usuario se convierten primero en n canales mediante conversión de serie a paralelo, donde n es el número de subportadoras del sistema OFDM. Estos datos modulan sus respectivas subportadoras y los métodos de modulación pueden ser iguales o diferentes. Luego, las señales multicanal se modulan OFDM a través de IFFT, y las señales multicanal moduladas por OFDM se convierten en señales de corriente moduladas del láser directamente modulado (modulado internamente) mediante conversión de paralelo a serie y de digital a analógico. conversión. En el extremo receptor, la señal óptica OFDM transmitida a través del canal de fibra óptica se convierte primero en una señal eléctrica mediante conversión fotoeléctrica. Después de la conversión de analógico a digital, ingresa a FFT para completar la demodulación OFDM y recupera la señal de modulación de cada subportadora. y luego recupera la señal de salida mediante la demodulación correspondiente. Finalmente, después de la conversión de paralelo a serie, se reanuda el flujo de datos desde el iniciador. PON 2.1 Introducción a PON Dependiendo de si existen dispositivos activos entre el OLT (Terminal de Línea Óptica) y la ONU (Unidad de Red Óptica), la red de acceso óptico se puede dividir en PON (Red Óptica Pasiva) y AON (Red Óptica Activa) . PON (Red óptica pasiva) significa que ODN (Red de distribución óptica) no contiene ningún equipo electrónico. ODN está compuesto enteramente por equipos pasivos, como divisores ópticos, y no tiene equipos electrónicos activos costosos. La ventaja sobresaliente de la red PON es que se elimina el equipo activo exterior y todas las funciones de procesamiento de señales se completan en los interruptores y equipos del hogar del usuario. Además, la inversión inicial en este método de acceso es pequeña y la mayoría de los fondos sólo pueden invertirse cuando el usuario realmente accede. Su distancia de transmisión es más corta que la del sistema de acceso de fibra óptica activa y su cobertura es menor, pero su costo es bajo, no se necesita una sala de equipos separada y es fácil de mantener. Por lo tanto, esta estructura puede servir económicamente a los usuarios domésticos. La complejidad de PON radica en la tecnología de procesamiento de señales. En la dirección descendente, la señal enviada por el conmutador se transmite a todos los usuarios. En sentido ascendente, cada ONU debe adoptar algún tipo de protocolo de acceso múltiple, como el protocolo TDMA (Acceso múltiple por división de tiempo), para completar el acceso a la información del canal de transmisión.

Los componentes básicos de PON incluyen OLT (Terminal de línea óptica), ODN (Red de distribución óptica) y ONU (Unidad de red óptica). La OLT tiene la función de interfaz con el conmutador y completa la conversión de enlace descendente eléctrico a óptico y de flujo ascendente a óptico. eléctricos, y Distribuir y controlar cada uno de ellos. La función de ODN es establecer un canal de transmisión óptica entre el OLT y la ONU para completar la distribución de energía y la multiplexación de longitud de onda de las señales ópticas. , y está completamente compuesto por componentes pasivos de fibra óptica. La ONU proporciona una interfaz óptica con el ODN para implementar la función de interfaz del cliente. El diagrama de estructura básica de PON es el siguiente: Hasta aquí el diagrama de estructura de red de PON, espero adoptarlo.

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