CN103402147B - 兼容ovpn通信的ofdma城域接入融合网络及通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种兼容OVPN通信的OFDMA城域接入融合网络及通信方法，OVPN通信包括了外部OVPN通信和内部OVPN通信；在中心局中，通过M×M光开关实现OVPN光源的控制和分配；在远端节点中，采用OVPN？OFDM发射机与接收机分别实现OVPN信号的生成与接收；中心节点根据网络OVPN通信情况动态接收来自光纤环中的外部OVPN信号，并将需要的OVPN信号广播给下属的所有远端节点，并根据远端节点上传的OVPN信号类型判断是在光纤树内部广播还是通过光纤环发往其他中心节点。根据提出的网络带宽资源分配和OVPN通信建立拆除方案，采用本发明的网络结构，可在OFDMA城域接入融合网络中实现多OVPN同时通信，满足用户的OVPN需求。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种兼容OVPN通信的OFDMA城域接入融合网络及通信方法。
背景技术
近几年，随着用户接入业务的不断丰富，业务流量的不断增加，大容量和高宽带已经成为网络发展的主要方向。当今的网络，骨干网容量随着高密度WDM（Wavelength-divisionmultiplexing，波分复用）技术的发展已经扩大了几个量级，用户端局域网速率也因为低成本吉比特以太网的出现和发展上了一个大台阶，然而对于城域接入网来说，它的传输速率成为了扩展全网带宽的瓶颈。与此同时，在2012年OFC（OpticalFiberCommunicationConference，国际光通信会议）会议上，国外学者公布的研究结果表明，核心网、城域网和接入网能耗分别占通信网络总能耗的19%、14%和67%。因此，新型接入网的课题已经成为现阶段网络研究的重点之一。与此同时，在新型接入网中实现光虚拟专用网络OVPN通信也成为了研究的重点。
目前，光虚拟专用网络OVPN的主要研究方向包括基于无源光网络PON（PassiveOpticalNetwork，无源光纤网络）的OVPN（OpticalVirtualPrivateNetwork，光虚拟专用网）研究和基于城域接入融合网络的OVPN网络研究等。对于不同的接入方式来说，基于PON网络的OVPN研究主要又分为基于时分复用的OVPN的研究，基于波分复用的OVPN的研究及基于正交频分复用OFDMA的OVPN的研究；基于城域接入融合网络的OVPN网络研究主要包括基于波分复用的OVPN的研究。
在已有的OVPN通信的方案中，例如在文献13.Y.Tian,Q.Chang,andY.Su,“Atwo-stagemetro-accessintegratednetworkenablingall-opticalvirtualprivatenetwork,”IEEEOECC,1-2(2008).中，作者提出了基于TDM（Time-DivisionMultiplexing，时分复用）/WDM的城域接入网的OVPN的实现方法。但是，由于此融合网络采用DPSK和ASK调制技术，使得网络数据传输速率受限。为了进一步提高OVPN通信速率，国内外许多学者将目光集中到OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，即正交频分复用技术）调制上，利用OFDM多载波调制特性和其对光纤信道色散的鲁棒性，以较小的代价实现10Gbps以上的光信号传输。例如，在文献D.Lei,Z.Ying,P.Xiaodan,Y.Xianbin,L.Deming,andT.M.Idelfonso,“Intraandinter-PONONUtoONUvirtualprivatenetworkingusingOFDMAinaringtopology,”inProc.IEEEMWP(2011).中，作者利用虚拟树形PON结构，在PON***当中传递OFDM信号进行OVPN通信；在文献15.C.F.Zhang,J.Huang,C.Chen,andK.Qiu,“All-opticalvirtualprivatenetworkandONUscommunicationinopticalOFDM-basedPONsystem,”Opt.Express19(24),24816-24821(2011).中，作者利用OFDMA（OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess，正交频分多址接入）的子载波分配技术在PON***中进行OVPN通信。
然而，在目前OVPN网络研究当中，基于OFDMA的城域接入融合网OVPN通信的研究还处于盲点。为了满足下一代城域接入融合网用户对OVPN通信的需求，需要提出可支持OVPN通信的OFDMA城域接入融合网络构架。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种兼容OVPN通信的OFDMA城域接入融合网络及通信方法，基于OFDMA城域接入融合网络实现OVPN，使OVPN具有更高的可扩展性、灵活性，同时保证整个城域接入融合网络的低成本特性。
为实现上述发明目的，本发明OFDMA城域接入融合网络的OVPN***，其特征在于包括：
所述中心局包括下行光源发生器、下行OFDM信号发射机、OVPN光源发生器、第一M×M光开关、第二阵列波导光栅、中心局光纤放大器、第一光滤波器，光梳状滤波器、第一耦合器、第三阵列波导光栅、上行OFDM信号接收机，其中：
下行光源发生器，用于产生多路下行光源，发送给下行OFDM信号发射机；
下行OFDM信号发射机，用于利用下行光源进行下行信号的光OFDM调制，将调制得到的多路下行信号发送给第二阵列波导光栅；
OVPN光源发生器，用于产生n个OVPN光源，发送给第一M×M光开关，其中n小于等于第一M×M光开关中光开关的数量；
第一M×M光开关，光开关数量为M1，用于控制OVPN光源的通断，通过的OVPN光源发送给第二阵列波导光栅；
第二阵列波导光栅，用于将所有下行信号和通过第一M×M光开关的OVPN光源合并，发送给第一耦合器；
中心局光纤放大器，用于将中心局从光纤环上接收得到的接收信号进行放大，发送给第一光滤波器；
第一光滤波器，用于将接收信号中的外部OVPN信号和上行信号分离，将外部OPVN信号发送给光梳状滤波器，将上行信号发送给第三阵列波导光栅；
光梳状滤波器，用于将所有外部OVPN信道传递的单边带OFDM信号中的光载波滤除，得到滤波后的外部OVPN信号，发送给第一耦合器；
第一耦合器，用于将第二阵列波导光栅合并的下行信号和OVPN光源，以及通过光梳状滤波器滤波后的外部OVPN信号进行合并，发送至光纤环；
第三阵列波导光栅，用于将上行信号解复用，发送给上行OFDM信号接收机；
上行OFDM信号接收机，用于接收上行信号并进行处理；
所述中心节点包括第一光纤放大器、分束器、a路滤波器、b路阵列波导光栅、第二M×M光开关、上行光源发生器、第二光纤放大器、第二光滤波器、第二耦合器、第三耦合器，其中：
第一光纤放大器，用于将从光纤环接收的接收信号放大并发送给分束器，接收信号包括上行信号、下行信号、外部OVPN信号和OVPN光源；
分束器，用于将经第一光纤放大器放大的接收信号分成两路相同的信号：a路信号和b路信号，分别发送给a路滤波器和b路阵列波导光栅；
a路滤波器，参数根据所在光纤树分配到的所有可用外部OVPN信道占用的总带宽进行设置，用于滤除本光纤树上一次产生的外部OVPN信号，滤波后得到上行信号、下行信号、OVPN光源和来自其他光纤树的外部OVPN信号，并将滤波后的a路信号发送给第三耦合器；
b路阵列波导光栅，用于将b路信号进行解复用，得到下行信号、上行信号、外部OPVN信号与OVPN光源，其中上行信号直接丢弃，下行信号发送给第二耦合器，外部OVPN信号与OVPN光源发送给第二M×M光开关；
第二M×M光开关，光开关数量为M2，并且M2≥M1，用于通过闭合和断开光开关控制对应的外部OVPN信号和OVPN光源通过，通过的外部OVPN信号和OVPN光源被发送给第二耦合器；
上行光源发生器，用于产生上行信号调制所需的上行光源，发送给第二耦合器；
第二光纤放大器，用于对来自本光纤树中所有远端节点的信号进行放大并发送给第二光滤波器，来自所有远端节点的信号包括内部OVPN信号、外部OVPN信号和上行信号；
第二光滤波器，参数根据***内部OVPN信道所占用的带宽进行设置，用于将远端节点发送的信号分为内部OVPN信号和其他信号，分别发送给第二耦合器和第三耦合器，其他信号包括本光纤树中所有远端节点生成的外部OVPN信号和上行信号；
第二耦合器，用于将从b路阵列波导光栅得到的下行信号、外部OPVN信号和OVPN光源，上行光源发生器产生的上行光源以及第二光滤波器得到的内部OVPN信号合并，然后发送给本光纤树的所有远端用户；
第三耦合器，用于将a路信号经过a路滤波器后得到的上行信号、下行信号与来自其他光纤树的外部OVPN信号，以及经过第二光滤波器得到的本光纤树生成的上行信号和外部OVPN信号合并，发送至光纤环；
所述远端节点包括下行OFDM信号接收机、上行OFDM信号发射机、OVPNOFDM信号接收机、OVPNOFDM信号发射机、第三光滤波器、远端节点光纤放大器，其中：
远端节点光纤放大器，用于将远端节点从对应的的中心节点接收的所有信号放大后发送给第三光滤波器，远端节点的接收信号包括下行信号、外部OPVN信号、OVPN光源、上行光源与内部OVPN信号；
第三光滤波器，用于将下行信号、外部OPVN信号、OVPN光源、上行光源与内部OVPN信号分离，将OVPN光源发送给OVPNOFDM信号发射机，将外部OVPN信号与内部OVPN信号发送给OVPNOFDM信号接收机，将上行光源发送给上行OFDM信号发射机，将下行信号发送给下行OFDM信号接收机；将OVPNOFDM信号发射机产生的OVPN信号和上行OFDM信号发射机产生的上行信号合并，然后发送给对应的中心节点；
OVPNOFDM信号发射机，用于利用远端节点所属OVPN对应的OVPN光源进行OVPN信号调制，将OVPN信号发送给第三光滤波器；
OVPNOFDM信号接收机，用于将接收的外部OVPN信号或内部OVPN信号进行数据解调和处理；
上行OFDM信号发射机，用于利用上行光源进行上行信号调制，将上行信号发送给第三光滤波器；
下行OFDM信号接收机，用于对下行信号进行数据解调和处理。
本发明还提供一种基于兼容OVPN通信的OFDMA城域接入融合网络的OFDMA城域接入融合网络通信方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：网络带宽资源分配与***配置：将可用带宽划分为四部分：上行带宽、下行带宽、外部OVPN带宽和内部OVPN带宽，这四部分带宽所占用的频带又各自被划分为互不交叠的多个子带，分别作为上行信道、下行信道、外部OVPN信道和内部OVPN信道，用于上行通信、下行通信、外部OVPN通信和内部OVPN通信；所有内部OVPN信道被分配给每个光纤树作为其可用内部OVPN信道；所有外部OVPN信道被划分为m个部分，每个部分包含多个连续的信道，m为***中光纤树的个数，将这m个部分的信道分别分配给m个光纤树作为其可用外部OVPN信道；
中心局设置有光开关来控制OVPN光源发送，每个中心节点分别设置有光开关来控制OVPN光源与外部OVPN信号的接收，并且中心节点中光开关数量大于等于中心局中光开关数量；
S2：当若干个远端节点需要建立一个OVPN进行通信时，所有远端节点利用上行通信向中心局发送OVPN建立申请报文，中心局接收OVPN建立申请报文，为属于此OVPN的光纤树分配OVPN光源和对应的可用带宽范围内的OVPN信道，不同OVPN分配不同的OVPN光源与信道：对于光纤树内部OVPN，中心局为光纤树分配一个可用的内部OVPN光源和对应的内部OVPN信道；对于外部OVPN，中心局为外部OVPN中每个光纤树分配一个可用的外部OVPN光源和对应的OVPN信道；
S3：中心局将OVPN光源信息和OVPN信道信息通过下行通信发送给对应OVPN下属的中心节点和远端节点，中心局和相应的中心节点闭合其相应的OVPN开关，中心局将OVPN光源发送到光纤环中，由对应OVPN下属的光纤树中的中心节点接收并转发到远端节点，每个OVPN下，属于同一个光纤树中的多个远端节点共享此分配到的OVPN光源和对应的OVPN信道；
S4：远端节点利用从中心局分配到的OVPN光源和OVPN信道，进行光OFDM调制得到OVPN信号，并利用中心节点发送的上行光源进行光OFDM调制得到上行信号，将OVPN信号和上行信号一起发送给对应的中心节点；
S5：中心节点接收来自所有远端节点的OVPN信号和上行信号，利用滤波器将内部OVPN信号分离出来发送回远端节点，而剩余的远端节点上行信号和外部OVPN信号则发送到光纤环中传输；
中心节点同时接收来自光纤环中的上行信号、下行信号、外部OVPN信号和OVPN光源的混合信号，其中接收到的外部OVPN信号包括网络中所有光纤树发送的外部OVPN信号；中心节点首先将混合信号分为两路，一路信号利用滤波器滤除外部OVPN信号中之前由本光纤树发送的外部OVPN信号，然后将滤波后得到的上行信号、下行信号、其他光纤树的外部OVPN信号与本光纤树生成的上行信号、外部OVPN信号一起发送至光纤环；
另一路信号被发送给解复用器，经过解复用后得到分离的上行信号，下行信号、外部OVPN信号和OVPN光源，其中，上行信号被直接丢弃，外部OVPN信号和OVPN光源被发送给光开关，通过光开关选择出本光纤树中远端节点所需的外部OVPN信号和光源；同时，中心节点生成上行光源，连同下行信号、远端节点所需的外部OVPN信号、OVPN光源、内部OVPN信号一起广播给本光纤树中的所有远端节点；
S6：OVPN通信结束后，此OVPN下的远端节点向中心局发送OVPN解除信息，中心局收到OVPN解除信息后对此OVPN资源进行收回，并断开对应的OVPN光源开关，同时向所有中心节点和远端节点发送OVPN停止使用信息，中心节点收到此信息后断开相应的光开关，OVPN用户收到此信息，停止OVPN通信，OVPN通信解除中心节点。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明兼容OVPN通信的OFDMA城域接入融合网络及通信方法，OVPN通信包括了外部OVPN通信和内部OVPN通信；在中心局中，通过M×M光开关实现OVPN光源的控制和分配；在远端节点中，采用OVPNOFDM发射机与接收机分别实现OVPN信号的生成与接收；中心节点根据网络OVPN通信情况动态接收来自光纤环中的外部OVPN信号，并将需要的OVPN信号广播给下属的所有远端节点，并根据远端节点上传的OVPN信号类型判断是在光纤树内部广播还是通过光纤环发往其他中心节点。采用本发明，可在OFDMA城域接入融合网络实现OVPN通信，满足用户的OVPN需求。
本发明兼容OVPN通信的OFDMA城域接入融合网络及通信方法具有以下有益效果：
①、在中心局，通过采用M×M光开关来控制OVPN网络的光源的发送，可以动态地进行光源的分配，并可以和动态带宽资源分配有机的结合起来，实现带宽资源的灵活调度；
②、在中心局，可以通过采用可调光梳发生器来产生下行信号和OVPN信号光源，可以提高网络的可扩展性，并且不需要复杂的温度控制***，降低整个网络的成本；
③、整个网络采用OVPN申请和解除机制，可以在中心局实现整个网络中所有OVPN通信的集中式管理及其监控，降低了整个网络的监控和管理的复杂度；
④、整个网络采用OVPN申请和解除机制，可以和动态信道分配有机的结合起来，实现OVPN资源的循环利用，提高了资源的利用率；
⑤、整个网络采用提出的带宽资源分配方案，不需要额外增加网络设备，就可以同时支持大规模的内部OVPN通信和外部OVPN通信；
⑥、整个网络实现了低成本的OVPN通信，虽然OVPN通信采用广播式发送给光纤树光纤树中的所有远端节点，但是在实际网络当中，网络上层结构会对通信数据进行加密/解密处理，因此不影响整个OVPN通信的保密性；
⑦、整个网络可以通过网络资源分配为用户提供速率不同的下行、上行和OVPN通信服务，而不需要增加任何网络成本。
附图说明
图1是本发明兼容OVPN通信的OFDMA城域接入融合网络的OVPN通信的示意图；
图2是本发明兼容OVPN通信的OFDMA城域接入融合网络一种具体实施方式架构图；
图3是本发明中网络带宽资源分配示意图。
附图中英文缩写表示：CO：中心局；CN：中心节点；RN：远端节点；OF：光滤波器；EDFA：掺铒光纤放大器；C：耦合器；TBSF：可调带阻滤波器；AWG：阵列波导光栅；TBPF：可调带通滤波器；S：分束器；USCW：上行连续光光源；US：上行信号；a：a路信号；b：b路信号；DS：下行信号；Inter-OVPN：外部OVPN信号；Intra-OVPN：内部OVPN信号。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施方式
为了方便描述，先对具体实施方式中出现的相关专业术语进行说明：
OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)：正交频分复用；
OFDMA(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess)：正交频分多址接入；
CO(CentralOffice)：中心局；
CN(CentralNode)：中心节点；
RN(RemoteNode)：远端节点；
PD(Photodiode)：光电二极管；
OF(OpticalFilter)：光滤波器；
EDFA(Erbium-dopedOpticalFiberAmplifier)：掺铒光纤放大器；
TBPF(TunableBandPassFilter)：可调带通滤波器；
TBSF(TunableBandStopFilter)：可调带阻滤波器；
PC(PolarizationController)：偏振控制器;
MZM(MachZehnderModulator)：马赫曾德尔调制器;
AWG(ArrayedWaveguideGrating)：阵列波导光栅
C(Coupler)：耦合器；
S(Splitter)：分束器；
USCW(UpStreamContinuousWavelength)：上行连续光光源。
图1是本发明兼容OVPN通信的OFDMA城域接入融合网络的OVPN通信的示意图。在本实施方式中，如图1所示，本发明OFDMA城域接入融合网络的OVPN***包括连接核心网和用户终端的一个OFDMA光纤环和若干个OFDMA光纤树，其中OFDMA光纤环包括中心局CO和若干个中心节点CN，OFDMA光纤树包括中心节点CN和与其相连的若干个远端节点RN。本实施方式中OFDMA城域接入融合网络的光纤环和光纤树均采用单根单模光纤，其详细结构与工作方式可参见“电子科技大学，一种基于OFDMA的融合接入网***，中国发明专利，CN102638434A，20120815”。为便于描述，图1中只绘制了两个光纤树，即与中心节点CN-i、CN-j相连的光纤树。
本发明中，OVPN通信分成内部OVPN通信intra-OVPN和外部OVPN通信inter-OVPN。intra-VPN通信是指在一个光纤树中的OVPN通信，如图1中α数据流所示，intra-OVPN网络产生的OVPN信号不通过中心局CO和中心节点CN组成的光纤环型结构，只在本光纤树中进行信号传输，称为内部OVPN信号。inter-OVPN通信是指跨越至少两个光纤树的OVPN通信，如图1中β数据流所示，inter-OVPN网络产生的OVPN信号要通过光纤环传递到其他光纤树来完成OVPN信号的传递。图2是本发明兼容OVPN通信的OFDMA城域接入融合网络一种具体实施方式架构图。在本实施方式中，如图2所示，本发明兼容OVPN通信的OFDMA城域接入融合网络中，中心局CO1用于产生下行信号和OVPN光源发送至光纤环，接收上行信号，并作为外部OVPN信号的中转站。中心局CO1包括：
可调光梳发生器101，用于产生梳状光信号，发送给第一阵列波导光栅102。
第一阵列波导光栅102，用于将可调光梳发生器101产生的光源进行解复用，得到多路光信号，一部分作为下行光源，另一部分作为OVPN光源，下行光源发送给下行OFDM信号发射机103用于下行通信，OVPN光源发送给第一M×M光开关104用于OVPN通信。OVPN光源的数量n小于等于第一M×M光开关中光开关的数量。
在本实施方式中，采用可调光梳发生器101和第一阵列波导光栅102联合作为下行光源发生器和OVPN光源发生器。在实际应用中，也可以采用其他方式，如分别采用两个光源发生器，一个作为下行光源发生器产生多路下行光源发送给下行OFDM信号发射机103，另一个作为OVPN光源发生器产生OVPN光源发送给第一M×M光开关104。
下行OFDM信号发射机103，用于利用下行光源进行下行信号的光OFDM调制，将调制得到的多路下行信号发送给第二阵列波导光栅105。
第一M×M光开关104，光开关数量为M1，根据实际情况设置。用于控制OVPN光源的通断，通过的OVPN光源发送给第二阵列波导光栅105。当中心局CO接收到申请OVPN建立信息的时候，会给此OVPN分配相应OVPN光源和信道，同时闭合相应的光开关，将此光源通过光纤环和光纤树传输到OVPN下属的远端节点RN作为OVPN通信的光源。
第二阵列波导光栅105，用于将所有下行信号和通过第一M×M光开关的OVPN光源合并，发送给第一耦合器106。
中心局光纤放大器107，用于将中心局CO1从光纤环上得到的接收信号进行放大，发送给第一光滤波器108。本实施方式中采用的光纤放大器为掺铒光纤放大器EDFA。
第一光滤波器108，用于从接收信号中滤出外部OVPN信号和上行信号，将外部OPVN信号发送给光梳状滤波器109，将上行信号发送给第三阵列波导光栅110。
光梳状滤波器109，用于将所有外部OVPN信道传递的单边带OFDM信号中的所有光载波滤除，得到滤波后的外部OVPN信号，发送给第一耦合器106。
第一耦合器106，用于将第二阵列波导光栅105合并的下行信号和OVPN光源，以及第一光滤波器108滤出的OVPN信号进行合并，发送至光纤环。
第三阵列波导光栅110，用于将上行信号解复用，发送给上行OFDM信号接收机111。
上行OFDM信号接收机111，用于接收上行信号并进行处理。
中心节点CN-i用于接收和转发下行信号、上行信号、OVPN信号和OVPN光源，其中OVPN信号包括从光纤环得到的外部OVPN信号和从远端节点RN-i得到的外部OVPN信号和内部OVPN信号，进行相应的处理与发送，包括：
第一光纤放大器201，用于将从光纤环接收的接收信号放大并发送给分束器202，接收信号包括上行信号、下行信号、外部OVPN信号和OVPN光源。本实施方式中，第一光纤放大器采用掺铒光纤放大器EDFA。
分束器202，用于将经第一光纤放大器放大的接收信号分成两路相同的信号：a路信号和b路信号，分别发送给a路滤波器203和b路阵列波导光栅204；
a路滤波器203，参数根据所在光纤树分配到的所有可用外部OVPN信道占用的总带宽进行设置，用于滤除本光纤树上一次产生的外部OVPN信号，滤波后得到上行信号、下行信号、OVPN光源和来自其他光纤树的外部OVPN信号，并将滤波后的a路信号发送给第三耦合器213。本实施方式中，a路滤波器203采用可调带阻滤波器TBSF。
b路阵列波导光栅204，用于将b路接收信号进行解复用，得到下行信号、上行信号、外部OPVN信号与OVPN光源，其中上行信号直接丢弃，下行信号发送给第二耦合器207，外部OVPN信号与OVPN光源发送给第二M×M光开关205。
第二M×M光开关205，光开关数量为M2，并且M2≥M1，用于通过闭合和断开光开关控制对应的外部OVPN信号和OVPN光源通过，即如果要将其发送到本光纤树的远端节点，则对应的光开关处于闭合状态，如果不是则处于断开状态。通过的外部OVPN信号和OVPN光源发送给第二耦合器207。
上行光源发生器206，用于产生上行信号调制所需的上行光源，发送给第二耦合器207。本实施方式中，采用的上行光源发生器206为上行连续光光源。
第二光纤放大器209，用于对来自本光纤树中所有远端节点的信号进行放大并发送给第二光滤波器210，来自所有远端节点的信号包括内部OVPN信号、外部OVPN信号和上行信号。本实施方式中，光纤放大器209采用掺铒光纤放大器EDFA。
第二光滤波器210，参数根据***内部OVPN信道所占用的带宽进行设置，用于将远端节点RN发送的信号分为内部OVPN信号和其他信号，分别发送给第二耦合器207和第三耦合器211，其他信号包括本光纤树中所有远端节点RN生成的外部OVPN信号和上行信号。
第二耦合器207，用于将从b路阵列波导光栅204得到的下行信号、外部OPVN信号和OVPN光源，上行光源发生器206产生的上行光源以及第二光滤波器210得到的内部OVPN信号合并，一起通过分束器/耦合器4广播给所有远端用户RN。
本实施方式中，采用环形器208将第二耦合器207得到的下行信号、外部OPVN信号、OVPN光源、上行光源与内部OVPN信号的合并信号发送给中心节点CN-i下属的所有远端节点RN，并接收来自本光纤树中所有远端节点RN的发送信号，包括外部OVPN信号、内部OVPN信号、上行信号，发送给第二光纤放大器209。
第三耦合器211，用于将a路信号经过a路滤波器203后得到的上行信号、下行信号与来自其他光纤树的外部OVPN信号，以及经过第二光滤波器210得到的本光纤树生成的上行信号和外部OVPN信号合并，发送至光纤环。
远端节点RNi即为用户端，从中心节点CN-i接收下行信号、外部OPVN信号、OVPN光源、上行光源与内部OVPN信号，然后进行相应的调制和解调处理，并向中心节点CN-i发送调制后的上行信号和OVPN信号。本实施方式中，分束器/耦合器4将所有远端节点RN发送的信号合并，然后发送给中心节点CN-i。
远端节点RNi包括：
远端节点光纤放大器301，用于将远端节点从对应的中心节点CN-i接收的所有信号放大后发送给第三光滤波器302，远端节点的接收信号包括下行信号、外部OPVN信号、OVPN光源、上行光源与内部OVPN信号。本实施方式中，采用的远端节点光纤放大器为掺铒光纤放大器EDFA。
第三光滤波器302，用于将下行信号、接收外部OPVN信号、OVPN光源、上行光源与内部OVPN信号分离，将OVPN光源发送给OVPNOFDM信号发射机305用于OVPN信号的调制，将外部OVPN信号与内部OVPN信号发送给OVPNOFDM信号接收机306进行OVPN信号的接收，将上行光源发送给上行OFDM信号发射机307用于上行信号的调制，将下行信号发送给下行OFDM信号接收机308进行下行信号的接收；并且将OVPNOFDM信号发射机305产生的OVPN信号和上行OFDM信号发射机307产生的上行信号，合并发送给对应的中心节点CN-i。
OVPNOFDM信号发射机305，用于利用远端节点RN所属OVPN对应的OVPN光源进行OVPN信号调制，然后将调制后的OVPN信号发送给第三光滤波器302。本实施方式中通过环形器303来实现第三光滤波器302与OVPNOFDM信号发射机305间的双向传输。
OVPNOFDM信号接收机306，用于将接收的外部OVPN信号与内部OVPN信号进行数据解调和处理。当该远端节点属于多个OVPN时，由于OVPN接收机要对多个OVPN信号进行解调，因此采用MIMO-OVPNOFDM接收机，用于接收多路OVPN信号，完成对所有外部OVPN信号或内部OVPN信号的接受和解调。
上行OFDM信号发射机307，用于利用来自中心节点CN-i的上行光源进行上行信号调制，并将调制后的上行信号发送给第三光滤波器302。本实施方式中通过环形器304来实现第三光滤波器302与上行OFDM信号发射机307间的双向传输。
下行OFDM信号接收机308，用于对下行信号进行数据解调和处理。
本发明OFDMA城域接入融合网络的OVPN通信方法将所有信道分为四个部分：上行信道、下行信道、外部OVPN信道和内部OVPN信道，且四种信道所占用的带宽无交叉，分别进行上、下行、外部OVPN通信和内部OVPN通信，具体信道分配及其复用技术原则如下所述：
Ⅰ、下行通信
本实施方式中，下行通信的资源分配原则是：以光纤树为单位按需分配下行光源及其对应的信道，当传输数据量较小时，一个下行光源及其对应的信道可以被一个或多个光纤树下的远端节点以正交频分复用共享。设定传输数据量阈值，当传输数据量较大时，一个光纤树下的所有远端节点划分为多个远端节点群，这种划分可以根据远端节点的类型或地域等情况进行划分，每个远端节点群包含一个或多个远端节点，在中心局p个下行光源及其对应的信道被分配给此光纤树，p等于远端节点群的数量，每个远端节点群中的所有远端节点以正交频分复用方式共享此下行光源及其对应的信道。如此通过下行光源和带宽的分配以及正交频分复用方式中的子载波分配算法可以为用户提供速率不同的下行通信服务。
Ⅱ、上行通信
上行通信目前有两种信道分配方案：基于TDMA的分配方案和基于OFDMA的分配方案。基于TDMA的分配方案中，每一个光纤树中的所有远端节点RN共同使用一个上行信道，这些远端节点RN通过TDMA技术中的时隙分配来进行信道共享；基于OFDMA的分配方案中，每一个光纤树中的所有远端节点RN共同使用一个上行信道，这些远端节点RN通过OFDMA技术中的子载波分配来进行信道共享。
Ⅲ、OVPN通信信道分配
OVPN通信基本信道分配原则：每个OVPN下，一个光纤树分配一个OVPN光源和对应的信道，此光纤树下所有OVPN远端节点共享此OVPN光源和对应的信道
内部OVPN通信基本信道分配：一对一的分配方案，每个光纤树均可使用所有的内部OVPN信道，在一个光纤树中当有OVPN需要建立通信时，就分配一个可用内部OVPN信道及其光源给此光纤树中的需要内部OVPN通信的所有远端节点RN使用，这些远端节点RN通过TDMA技术中的时隙分配技术，或通过OFDMA技术中的子载波分配技术共享此信道。
外部OVPN通信基本信道分配：多对一的分配方案，即需要建立的外部OVPN通信的多个光纤树中的每个光纤树都被分配一个可用外部OVPN信道，给本光纤树下的远端节点RN使用，而属于一个光纤树的RN通过TDMA技术中的时隙分配技术，或通过OFDMA技术中的子载波分配技术共享此信道，因此在此多对一分配方案中，外部OVPN占用的所有OVPN信道数目等于此外部OVPN下光纤树的个数。
为了保证OVPN通信服务质量，确保每个OVPN用户拥有较高的通信速率，OVPN通信基本信道分配只适用于OVPN下每个光纤树拥有数量不多的OVPN远端节点的情况。当一个光纤树拥有大量的OVPN远端节点时，可以采用OVPN通信优化信道分配方案。
OVPN通信优化信道分配：当一个光纤树拥有大量的OVPN远端节点时，这些远端节点划分为多个远端节点群，每个远端节点群包含一个或多个远端节点，在中心局q个OVPN光源及其对应的信道被分配给此光纤树，q等于远端节点群的数量，每个远端节点群中的远端节点以时分复用或正交频分复用方式共享此OVPN光源及其对应的信道，通过此方法可以为OVPN用户提供速率不同的OVPN通信服务。
图3是本发明中网络资源分配示意图。如图3所示，整个城域接入网融合络的可用带宽被分成多个互补交叠的子带，子带与子带之间的间隔作为保护频带，在通信中每个子带作为一个通信信道；所有子带被划分为四个部分：上行信道、下行信道、外部OVPN信道和内部OVPN信道，分别进行上行、下行、外部OVPN通信和内部OVPN通信。
整个外部OVPN信道又被划分给不同的光纤树。其中每个光纤树分配到的外部OVPN信道是连续的，并作为本光纤树的可用外部OVPN信道，如图3所示整个外部OVPN信道有Total个，其中a个连续的信道划分给了光纤树-1、b个给了光纤树-2、c个给光纤树-3、d个给光纤树-i。当有外部OVPN通信需要建立，中心局在分配光纤树的外部OVPN信道时，只能分配本光纤树预先设置的OVPN信道，即只能分配本光纤树的可用外部OVPN信道；例如光纤树-1不能分配光纤树-2的可用外部OVPN信道。如此一个外部OVPN中，一个光纤树中的所有OVPN用户，即远端用户RN通过时分复用TDMA或OFDMA共享一个外部OVPN信道，并且由于一个光纤树的外部OVPN可用信道连续，因此可以用一个滤波器滤除传输沿光纤环一圈后的由本光纤树产生的无用外部OVPN信息。
内部OVPN的通信只在本光纤树中进行，内部OVPN的信息不会发送到光纤环中传输，因此所有内部OVPN信道可以全部分配给每个光纤树使用，而且不同的光纤树可以使用同一个内部OVPN信道。
本发明OFDMA城域接入融合网络的OVPN通信方法的具体通信步骤包括：
S1：网络带宽资源分配与***配置：将可用带宽划分为四部分：上行带宽、下行带宽、外部OVPN带宽和内部OVPN带宽，这四部分带宽所占用的频带又各自被划分为互不交叠的多个子带，分别作为上行信道、下行信道、外部OVPN信道和内部OVPN信道，用于上行通信、下行通信、外部OVPN通信和内部OVPN通信；所有的内部OVPN信道被分配给每个光纤树作为其可用内部OVPN信道；所有外部OVPN信道被划分为m个部分，每个部分包含多个连续的信道，m为***中光纤树的个数，将这m个部分的信道分别分配给m个光纤树作为其可用外部OVPN信道；
中心局设置有光开关来控制OVPN光源发送，每个中心节点分别设置有光开关来控制OVPN光源与外部OVPN信号的接收，并且中心节点中光开关数量大于等于中心局中光开关数量；
S2：当若干个远端节点需要建立一个OVPN进行通信时，所有远端节点利用上行通信向中心局发送OVPN建立申请报文，中心局接收OVPN建立申请报文，为属于此OVPN的光纤树分配OVPN光源和其对应的可用带宽范围内的OVPN信道，不同OVPN分配不同的OVPN光源与信道：对于光纤树内部OVPN，中心局为光纤树分配一个可用的内部OVPN光源及内部OVPN信道；对于外部OVPN，中心局为外部OVPN中每个光纤树分配一个可用的外部OVPN光源和对应的OVPN信道；
S3：中心局将OVPN光源信息和OVPN信道信息通过下行通信发送给对应OVPN下属的中心节点和远端节点，中心局和相应的中心节点闭合其相应的OVPN开关，中心局将OVPN光源发送到光纤环中，由对应OVPN下属的光纤树中的中心节点接收并转发到远端节点，每个OVPN下，属于同一个光纤树中的多个远端节点共享此分配到的OVPN光源和对应的OVPN信道；
S4：远端节点利用从中心局分配到的OVPN光源和OVPN信道，进行光OFDM调制得到OVPN信号，并利用中心节点发送的上行光源进行光OFDM调制得到上行信号，将OVPN信号和上行信号一起发送给对应的中心节点；
S5：中心节点接收来自所有远端节点的OVPN信号和上行信号，利用滤波器将内部OVPN信号分离出来发送回远端节点，而剩余的远端节点上行信号和外部OVPN信号则发送到光纤环中传输；
中心节点同时接收来自光纤环中的上行信号、下行信号、外部OVPN信号和OVPN光源的混合信号，其中接收到的外部OVPN信号包括网络中所有光纤树发送的外部OVPN信号；中心节点CO首先将混合信号分为两路，一路信号利用滤波器滤除外部OVPN信号中之前由本光纤树发送的外部OVPN信号，然后将滤波后得到的的上行信号、下行信号、其他光纤树的外部OVPN信号与本光纤树生成的上行信号、外部OVPN信号一起发送至光纤环；
另一路信号被发送给解复用器，经过解复用后得到分离的上行信号，下行信号、外部OVPN信号和OVPN光源，其中，上行信号被直接丢弃，外部OVPN信号和OVPN光源被发送给光开关，通过光开关选择出本光纤树中远端节点所需的外部OVPN信号和光源；同时，中心节点生成上行光源，连同下行信号、远端节点所需的外部OVPN信号、OVPN光源、内部OVPN信号一起广播给本光纤树中的所有远端节点；
S6：OVPN通信结束后，此OVPN下的远端节点向中心局发送OVPN解除信息，中心局收到OVPN解除信息后对此OVPN资源进行收回，并断开对应的OVPN光源开关，同时向所有中心节点CO和远端节点RN发送OVPN停止使用信息，中心节点收到此信息后断开相应的光开关，OVPN用户收到此信息，停止OVPN通信，OVPN通信解除中心节点。
可见，采用本发明，可以在OFDMA城域接入融合网络中实现OVPN通信，并可支持多个OVPN同时通信。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (8)
1.一种兼容OVPN通信的OFDMA城域接入融合网络，包括连接核心网和用户终端的一个OFDMA光纤环和若干个OFDMA光纤树，其中OFDMA光纤环包括一个中心局和若干个中心节点，OFDMA光纤树包括一个OFDMA光纤环上的中心节点和与其相连的若干个远端节点，其特征在于：
所述中心局包括下行光源发生器、下行OFDM信号发射机、OVPN光源发生器、第一M×M光开关、第二阵列波导光栅、中心局光纤放大器、第一光滤波器，光梳状滤波器、第一耦合器、第三阵列波导光栅、上行OFDM信号接收机，其中：
下行光源发生器，用于产生多路下行光源，发送给下行OFDM信号发射机；
下行OFDM信号发射机，用于利用下行光源进行下行信号的光OFDM调制，将调制得到的多路下行信号发送给第二阵列波导光栅；
OVPN光源发生器，用于产生n个OVPN光源，发送给第一M×M光开关，其中n小于等于第一M×M光开关中光开关的数量；
第一M×M光开关，光开关数量为M1，用于控制OVPN光源的通断，通过的OVPN光源发送给第二阵列波导光栅；
第二阵列波导光栅，用于将所有下行信号和通过第一M×M光开关的OVPN光源合并，发送给第一耦合器；
中心局光纤放大器，用于将中心局从光纤环上接收得到的接收信号进行放大，发送给第一光滤波器；
第一光滤波器，用于将接收信号中的外部OVPN信号和上行信号分离，将外部OPVN信号发送给光梳状滤波器，将上行信号发送给第三阵列波导光栅；
光梳状滤波器，用于将所有外部OVPN信道传递的单边带OFDM信号中的光载波滤除，得到滤波后的外部OVPN信号，发送给第一耦合器；
第一耦合器，用于将第二阵列波导光栅合并的下行信号和OVPN光源，以及通过光梳状滤波器滤波后的外部OVPN信号进行合并，发送至光纤环；
第三阵列波导光栅，用于将上行信号解复用，发送给上行OFDM信号接收机；
上行OFDM信号接收机，用于接收上行信号并进行处理；
所述中心节点包括第一光纤放大器、分束器、a路滤波器、b路阵列波导光栅、第二M×M光开关、上行光源发生器、第二光纤放大器、第二光滤波器、第二耦合器、第三耦合器，其中：
第一光纤放大器，用于将从光纤环接收的接收信号放大并发送给分束器，接收信号包括上行信号、下行信号、外部OVPN信号和OVPN光源；
分束器，用于将经第一光纤放大器放大的接收信号分成两路相同的信号：a路信号和b路信号，分别发送给a路滤波器和b路阵列波导光栅；
a路滤波器，参数根据所在光纤树分配到的所有可用外部OVPN信道占用的总带宽进行设置，用于滤除本光纤树上一次产生的外部OVPN信号，滤波后得到上行信号、下行信号、OVPN光源和来自其他光纤树的外部OVPN信号，并将滤波后的a路信号发送给第三耦合器；
b路阵列波导光栅，用于将b路信号进行解复用，得到下行信号、上行信号、外部OPVN信号与OVPN光源，其中上行信号直接丢弃，下行信号发送给第二耦合器，外部OVPN信号与OVPN光源发送给第二M×M光开关；
第二M×M光开关，光开关数量为M2，并且M2≥M1，用于通过闭合和断开光开关控制对应的外部OVPN信号和OVPN光源通过，通过的外部OVPN信号和OVPN光源被发送给第二耦合器；
上行光源发生器，用于产生上行信号调制所需的上行光源，发送给第二耦合器；
第二光纤放大器，用于对来自本光纤树中所有远端节点的信号进行放大并发送给第二光滤波器，来自所有远端节点的信号包括内部OVPN信号、外部OVPN信号和上行信号；
第二光滤波器，参数根据***内部OVPN信道所占用的带宽进行设置，用于将远端节点发送的信号分为内部OVPN信号和其他信号，分别发送给第二耦合器和第三耦合器，其他信号包括本光纤树中所有远端节点生成的外部OVPN信号和上行信号；
第二耦合器，用于将从b路阵列波导光栅得到的下行信号、外部OPVN信号和OVPN光源，上行光源发生器产生的上行光源以及第二光滤波器得到的内部OVPN信号合并，然后发送给本光纤树的所有远端用户；
第三耦合器，用于将a路信号经过a路滤波器后得到的上行信号、下行信号与来自其他光纤树的外部OVPN信号，以及经过第二光滤波器得到的本光纤树生成的上行信号和外部OVPN信号合并，发送至光纤环；
所述远端节点包括下行OFDM信号接收机、上行OFDM信号发射机、OVPNOFDM信号接收机、OVPNOFDM信号发射机、第三光滤波器、远端节点光纤放大器，其中：
远端节点光纤放大器，用于将远端节点从对应的中心节点接收的所有信号放大后发送给第三光滤波器，远端节点的接收信号包括下行信号、外部OPVN信号、OVPN光源、上行光源与内部OVPN信号；
第三光滤波器，用于将下行信号、外部OPVN信号、OVPN光源、上行光源与内部OVPN信号分离，将OVPN光源发送给OVPNOFDM信号发射机，将外部OVPN信号与内部OVPN信号发送给OVPNOFDM信号接收机，将上行光源发送给上行OFDM信号发射机，将下行信号发送给下行OFDM信号接收机；将OVPNOFDM信号发射机产生的OVPN信号和上行OFDM信号发射机产生的上行信号合并，然后发送给对应的中心节点；
OVPNOFDM信号发射机，用于利用远端节点所属OVPN对应的OVPN光源进行OVPN信号调制，将OVPN信号发送给第三光滤波器；
OVPNOFDM信号接收机，用于将接收的外部OVPN信号或内部OVPN信号进行数据解调和处理；
上行OFDM信号发射机，用于利用上行光源进行上行信号调制，将上行信号发送给第三光滤波器；
下行OFDM信号接收机，用于对下行信号进行数据解调和处理。
2.根据权利要求1所述的OFDMA城域接入融合网络，其特征在于，所述下行光源发生器和OVPN光源发生器联合采用可调光梳发生器和第一阵列波导光栅，其中：
可调光梳发生器，用于产生梳状光信号，发送给第一阵列波导光栅；
第一阵列波导光栅，用于将可调光梳发生器产生的梳状光信号进行解复用，得到多路光信号，一部分作为下行光源，另一部分作为OVPN光源，下行光源发送给下行OFDM信号发射机，OVPN光源发送给第一M×M光开关。
3.根据权利要求1所述的OFDMA城域接入融合网络，其特征在于，所述OVPNOFDM信号接收机为MIMO-OVPNOFDM信号接收机，用于接收多路OVPN信号。
4.一种基于权利要求1所述的OFDMA城域接入融合网络的OFDMA城域接入融合网络通信方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：网络带宽资源分配与***配置：将可用带宽划分为四部分：上行带宽、下行带宽、外部OVPN带宽和内部OVPN带宽，这四部分带宽所占用的频带又各自被划分为互不交叠的多个子带，分别作为上行信道、下行信道、外部OVPN信道和内部OVPN信道，用于上行通信、下行通信、外部OVPN通信和内部OVPN通信；所有内部OVPN信道被分配给每个光纤树作为其可用内部OVPN信道；所有外部OVPN信道被划分为m个部分，每个部分包含多个连续的信道，m为***中光纤树的个数，将这m个部分的信道分别分配给m个光纤树作为其可用外部OVPN信道；
中心局设置有光开关来控制OVPN光源发送，每个中心节点分别设置有光开关来控制OVPN光源与外部OVPN信号的接收，并且中心节点中光开关数量大于等于中心局中光开关数量；
S2：当若干个远端节点需要建立一个OVPN进行通信时，所有远端节点利用上行通信向中心局发送OVPN建立申请报文，中心局接收OVPN建立申请报文，为属于此OVPN的光纤树分配OVPN光源和其对应的可用带宽范围内的OVPN信道，不同OVPN分配不同的OVPN光源与信道：对于光纤树内部OVPN，中心局为光纤树分配一个可用的内部OVPN光源和对应的内部OVPN信道；对于外部OVPN，中心局为外部OVPN中每个光纤树分配一个可用的外部OVPN光源和对应的OVPN信道；
S3：中心局将OVPN光源信息和OVPN信道信息通过下行通信发送给对应OVPN下属的中心节点和远端节点，中心局和相应的中心节点闭合其相应的OVPN开关，中心局将OVPN光源发送到光纤环中，由对应OVPN下属的光纤树中的中心节点接收并转发到远端节点，每个OVPN下，属于同一个光纤树中的多个远端节点共享此分配到的OVPN光源和对应的OVPN信道；
S4：远端节点利用从中心局分配到的OVPN光源和OVPN信道，进行光OFDM调制得到OVPN信号，并利用中心节点发送的上行光源进行光OFDM调制得到上行信号，将OVPN信号和上行信号一起发送给对应的中心节点；
S5：中心节点接收来自所有远端节点的OVPN信号和上行信号，利用滤波器将内部OVPN信号分离出来发送回远端节点，而剩余的远端节点上行信号和外部OVPN信号则发送到光纤环中传输；
中心节点同时接收来自光纤环中的上行信号、下行信号、外部OVPN信号和OVPN光源的混合信号，其中接收到的外部OVPN信号包括网络中所有光纤树发送的外部OVPN信号；中心节点首先将混合信号分为两路，一路信号利用滤波器滤除外部OVPN信号中之前由本光纤树发送的外部OVPN信号，然后将滤波后得到的上行信号、下行信号、其他光纤树的外部OVPN信号与本光纤树生成的上行信号、外部OVPN信号一起发送至光纤环；
另一路信号被发送给解复用器，经过解复用后得到分离的上行信号，下行信号、外部OVPN信号和OVPN光源，其中，上行信号被直接丢弃，外部OVPN信号和OVPN光源被发送给光开关，通过光开关选择出本光纤树中远端节点所需的外部OVPN信号和光源；同时，中心节点生成上行光源，连同下行信号、远端节点所需的外部OVPN信号、OVPN光源、内部OVPN信号一起广播给本光纤树中的所有远端节点；
S6：OVPN通信结束后，此OVPN下的远端节点向中心局发送OVPN解除信息，中心局收到OVPN解除信息后对此OVPN资源进行收回，并断开对应的OVPN光源开关，同时向所有中心节点和远端节点发送OVPN停止使用信息，中心节点收到此信息后断开相应的光开关，OVPN用户收到此信息，停止OVPN通信，OVPN通信解除中心节点。
5.根据权利要求4所述的OFDMA城域接入融合网络通信方法，其特征在于，所述步骤S3中属于同一个光纤树中的多个远端节点共享分配到的OVPN光源和对应的OVPN信道时通过时分复用或正交频分复用实现共享。
6.根据权利要求4所述的OFDMA城域接入融合网络通信方法，其特征在于，所述上行通信中，不同光纤树中的上行光源的波长不同，所使用的上行信道亦不同，每个光纤树中的上行光源与对应的上行信道被光纤树中所有远端节点以时分复用或正交频分复用方式共享。
7.根据权利要求4所述的OFDMA城域接入融合网络通信方法，其特征在于，所述下行通信中，在中心局以光纤树为单位按需分配下行光源及其对应的信道，设定传输数据量阈值，当传输数据量小于等于传输数据量阈值时，一个下行光源及其对应的信道可以被一个或多个光纤树下的远端节点以正交频分复用共享；当传输数据量大于传输数据量阈值时，一个光纤树下的所有远端节点划分为多个远端节点群，每个远端节点群包含一个或多个远端节点，在中心局p个下行光源及其对应的信道被分配给此光纤树，p等于远端节点群的数量，每个远端节点群中的所有远端节点以正交频分复用方式共享一个下行光源及其对应的信道。
8.根据权利要求4至7任一所述的OFDMA城域接入融合网络通信方法，其特征在于，所述OVPN通信中，当一个光纤树拥有大量的OVPN远端节点时，这些远端节点划分为多个远端节点群，每个远端节点群包含一个或多个远端节点，在中心局q个OVPN光源及其对应的信道被分配给此光纤树，q等于所有远端节点群的数量，每个远端节点群中的远端节点以时分复用或正交频分复用方式共享此OVPN光源及其对应的信道。
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