CN105245482A - 一种ofdm-pon上行链路时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种OFDM-PON上行链路时间同步方法。（1）需要接入OFDM-PON***的ONU从下行帧信息中获取上行传输有关的参数以及可用的同步码；（2）ONU随机选择一个同步码调制到同步子信道上发送给OLT；（3）OLT检测接收到的每一个OFDM符号是否包含完整的同步码；（4）OLT检测到同步码后在频域进行时间偏移的计算；（5）ONU接收到OLT发来的同步响应消息后进行时间偏移的调整。该方法能够实现OFDM-PON中多ONU的时间同步，该方法能够快速准确实现时间同步而且时间复杂度低。

Description

一种OFDM-PON上行链路时间同步方法

技术领域

本发明涉及一种OFDM-PON上行链路时间同步方法，实现了上行链路多ONU的时间同步，为下一代光接入网同步问题提出了一种解决方案。

背景技术

随着互联网技术的发展，语音、视频和高清电视等多媒体业务不断涌现，人们对网络带宽容量需求急剧增长，新型带宽接入需求不断涌现，导致了接入网带宽瓶颈的出现。无源光网络(PassiveOpticalNetwork,PON)技术具有低成本、大容量、组网灵活、设备安装方便和扩容简单等优点，被界内人士广泛关注，并确定为下一代宽带接入技术的核心。PON作为一种低成本解决光纤到户问题的技术，是当前接入网技术研究的主流方向。

图1是典型的PON***结构图，它主要由三部分构成：一个光线路终端(OpticalLineTerminal,OLT)、多个光网络单元(OpticalNetworkUnit,ONU)和光分配网络(OpticalDistributionNetwork,ODN)。OLT充当接入网的交换机或者路由器的功能，完成数据包的转发，它位于业务中心(CenterOffice,CO)端。ONU则位于用户端，用来暂时存储用户发来的上行数据和OLT发来的下行数据，并且在恰当的时候完成数据的转发。ODN用于连接ONU和OLT，主要由无源光分配器和无源光耦合器等无源器件组成。

正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)在无线通信中是非常成熟的技术，应用于诸如IEEE802.11G、IEEE802.16等标准，是当前频谱利用率最高的一种调制技术。它的基本原理就是在时域内将高速的数据信息流分成若干个并行的低速数据流进行同时传输，在频域上将***带宽划分为相互正交的子载波，每个子载波上采用独立的调制格式进行传输，有效地提高频谱利用率及***传输容量。

OFDM技术和PON结合，凸显出接入方式灵活、频谱效率高、支持有线无线融合接入、***成本低等优势，OFDM-PON研究成为面向下一代接入网中最具竞争力和代表性的方案。OFDM-PON技术是将正交频分复用多址技术(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess,OFDMA)应用在PON上的新型光接入网技术，相较于传统的PON有很多优势：

1)由于OFDM是多载波调制(MCM)***，***频谱利用率高。

2)OFDM技术有较强的抗色度色散和抗偏振膜色散能力。

3)成本效益好，收端和发端的处理实现均比较简单。

4)OFDM-PON的带宽能够更有效和灵活地分配，具有良好的带宽粒度，支持动态

带宽分配。

OFDM-PON的上行链路中，OFDM-PON采用OFDMA技术作为多址技术，OLT接收到的信号是不同ONU发送信号的叠加，一个OFDM符号内承载多个ONU的数据信息。同步误差除了会引起子载波间干扰(InterCarrierInterference,ICI)和符号间干扰(InterSymbolInterference,ISI)外，还会引起用户间多址干扰(MultipleAccessInterference,MAI)。因此本发明提出一种OFDM-PON上行链路时间同步的方法，实现各个ONU的时间同步。

发明内容

本发明的目的在于解决OFDM-PON上行链路多个ONU信号的时间同步，提出一种OFDM-PON上行链路时间同步方法，实现各个ONU的信号在OLT端对齐，达到精确的时间同步。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明通过初始同步的过程，让到达OLT的各个ONU的OFDM符号对齐，保证上行链路子载波间的正交性，从而实现OFDM-PON上行链路时间同步。

本发明上述方法包括如下步骤：

步骤一、尚未同步的ONU在需要接入OFDM-PON***时，首先进行下行帧同步，从下行帧信息中获取上行传输有关的参数以及可以使用的同步码等信息。

步骤二、ONU随机选择一个可用的同步码，并选择一个同步时隙，将同步码调制到同步子信道上，然后把同步OFDM帧发送给OLT。

步骤三、OLT进行同步码的检测，检测接收到的每一个OFDM符号是否包含完整的同步码。

步骤四、OLT检测到同步码以后，计算出时间偏移，然后广播一个同步响应消息，该消息包括检测到的同步码和时间偏移信息。

步骤五、ONU接收到同步响应消息后，与自己发送的同步码进行比较，如果匹配，则根据同步响应消息里面的时间偏移进行调整，调整以后该ONU发送的OFDM符号在OLT端便对齐了。如果同步过程不成功，ONU则重新选择一个同步时隙发送同步码。

上述步骤一中所述的同步码为恒包络零自相关(ConstantAmplitudeZeroAutocorrelation,CAZAC)序列，其表达式为：其中j是虚数单位，π是圆周率，L是序列的长度，r是和L互质的常数。CAZAC序列具有理想的循环自相关特性。

上述步骤二所述的同步子信道是专门预留出来进行时间同步的。已经同步的ONU在数据子信道上传输数据。同步子信道是一组长度为L的相邻子载波，其编号记为{i_r(n)；n＝0,1,...L-1}。同步码在频域就是一个长度为L的CAZAC序列，记为c_r＝[c(0),c(1),...,c(L-1)]^T，然后***N-L个零形成长度为N的信号X_r＝[X_r(0),X_r(1),...X_r(N-1)]^T，即

$X_r\left(m\right)=\left\{\begin{array}{cc}c\left(n\right)& \begin{array}{cc}if& m=i_r\left(n\right),\end{array}\\ 0& otherwise.\end{array}\right.m=0,1,\mathrm{...}N-1$

信号X_r经过N点的离散傅里叶逆变换得到信号x_r。信号x_r重复两次，再加上循环前缀，得到同步OFDM帧。同步OFDM帧的长度是2N+N_g，其实N为进行FFT的长度，N_g是循环前缀的长度。这种同步OFDM帧的结构，可以保证在OLT的接收端，只有一个FFT窗口是包含了完整的同步码。

上述步骤三同步码的检测，其具体过程如下：

在OLT端得到的OFDM帧，去除循环前缀后得到时域信号y＝[y(0),y(1),......y(N-1)]^T，经过离散傅里叶变换以后，得到的频域信号记为Y＝[Y(0),Y(1),......Y(N-1)]^T。为了检测该符号是否包含完整的同步码，信号Y和所有可能的同步码在频域进行互相关运算，即：

$E_g=\underset{n=0}{\overset{L-1}{\Σ}}Y\left(i_r\right(n\left)\right)Y\left(i_r\right(L-1-n\left)\right){\[c\left(n\right)c(L-1-n)\]}^{*}$

然后设置一个门限η来判断是否包含完整的同步码，使用的门限η为：

$\mathrm{\η}=0.8\sqrt{\left(\underset{n=0}{\overset{L-1}{\Σ}}\right|Y\left(i_r\right(n\left)\right){|}^2\left)\right(\underset{n=0}{\overset{L-1}{\Σ}}\left|c\right(n\left){|}^2\right)}$

如果E_g＞η，而且E_g是相邻几个符号的最大值，就可以认为该OFDM符号包含了完整的同步码。

步骤四中时间偏移计算的具体操作方法如下

检测到同步码以后，需要计算时间偏移。使用接收到的时域信号y和信号x_r进行循环卷积，循环卷积最大值点可以确定时间偏移量。为了减小计算的时间复杂度，时域的循环卷积可以通过在频域进行乘积实现。对信号进行离散傅里叶逆变换得到z_r＝{z_r(n):n＝0,1,...N-1}。时间偏移为

与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：

本发明利用了CAZAC序列的零自相关特性，进行同步码的检测和时间偏移的计算，能够准确实现OFDM-PON的时间同步，而且本发明的方法具有较低的时间复杂度，适合作为接入网同步的方案。

附图说明

图1是根据相关技术的PON的***结构的示意图。

图2是本发明的OFDM-PON上行链路时间同步方法的示意图。

图3是本发明的OFDM-PON的同步OFDM帧的示意图。

图4是本发明的OFDM-PON上行链路时间同步方法在不同信噪比下时间偏移估计的错误率。

图5是本发明的OFDM-PON上行链路时间同步方法在不同数量的ONU同时进行同步过程的情况下时间偏移估计的错误率。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例做详细说明。

OFDM-PON上行链路中，OLT接收到的信号是多个ONU发送信号的叠加。为了在OLT端正确解调得到所有ONU的发送信号，各个ONU的信号在OLT端需要对齐，实现精确的时间同步。本发明提供了一种OFDM-PON上行链路时间同步的方法，其具体步骤如下：

步骤一、尚未同步的ONU在需要接入OFDM-PON***时，首先进行下行帧同步，从下行帧信息中获取上行传输有关的参数以及可以使用的同步码等信息。

所述的同步码为恒包络零自相关(CAZAC)序列，其表达式为： $c\left(k\right)=\exp \left(\frac{{\mathrm{j\πrk}}^2}{L}\right)k=0,1,\mathrm{...},L-1^{,}$ 其中j是虚数单位，L是序列的长度，r是和L互质的常数。CAZAC序列具有理想的循环自相关特性。

步骤二、ONU随机选择一个可用同步码，并选择一个同步时隙，将同步码调制到同步子信道上，然后把同步OFDM帧发送给OLT。

所述的同步子信道是专门预留出来进行同步的。已经同步的ONU在数据子信道上传输数据。如图2所示，在OFDM-PON上行链路中，已经同步的ONU在数据子信道上传输数据，尚未同步的ONU需要接入***时，在同步子信道发送同步OFDM帧。

同步子信道是一组长度为L的相邻子载波，其编号记为{i_r(n)；n＝0,1,...L-1}。同步码在频域就是一个长度为L的CAZAC序列，记为c_r＝[c(0),c(1),...,c(L-1)]^T，然后***N-L个零形成长度为N的信号X_r＝[X_r(0),X_r(1),...X_r(N-1)]^T，即

$X_r\left(m\right)=\left\{\begin{array}{cc}c\left(n\right)& \begin{array}{cc}if& m=i_r\left(n\right),\end{array}\\ 0& otherwise.\end{array}\right.m=0,1,\mathrm{...}N-1$

信号X_r经过N点的离散傅里叶逆变换得到信号x_r。信号x_r重复两次，再加上循环前缀，得到同步OFDM帧。同步OFDM帧的长度是2N+N_g，其实N进行FFT的长度，N_g是循环前缀的长度。同步OFDM帧的结构如图3所示。这种同步OFDM帧的结构，可以保证在OLT的接收端，只有一个FFT窗口是包含了完整的同步码。

步骤三、OLT进行同步码的检测，检测接收到的每一个OFDM符号是否包含完整的同步码。

所述的同步检测的具体过程如下：

在OLT端得到的OFDM帧，去除循环前缀后得到时域信号y＝[y(0),y(1),......y(N-1)]^T，经过离散傅里叶变换以后，得到的频域信号记为Y＝[Y(0),Y(1),......Y(N-1)]^T。为了检测该符号是否包含完整的同步码，信号Y和所有可能的同步码在频域进行互相关运算，即：

$E_g=\underset{n=0}{\overset{L-1}{\Σ}}Y\left(i_r\right(n\left)\right)Y\left(i_r\right(L-1-n\left)\right){\[c\left(n\right)c(L-1-n)\]}^{*}$

然后设置一个门限η来判断是否包含完整的同步码，使用的门限η为：

$\mathrm{\η}=0.8\sqrt{\left(\underset{n=0}{\overset{L-1}{\Σ}}\right|Y\left(i_r\right(n\left)\right){|}^2\left)\right(\underset{n=0}{\overset{L-1}{\Σ}}\left|c\right(n\left){|}^2\right)}$

如果E_g＞η，而且E_g是相邻几个符号的最大值，就可以认为该OFDM符号包含了完整的同步码。

步骤四、OLT检测到同步码以后，计算出时间偏移，然后广播一个同步响应消息，该消息包括检测到的同步码和时间偏移信息。

所述的同步码的检测和时间偏移的计算，其具体过程如下：

检测到同步码以后，需要计算时间偏移。使用接收到的时域信号y和信号x_r进行循环卷积，循环卷积最大值点可以确定时间偏移量。为了减小计算的时间复杂度，时域的循环卷积可以通过在频域进行乘积实现。对信号 $Z_r=\{Y\left(k\right)X_r^{*}\left(k\right):k=0,1,\mathrm{...}N-1\}$ 进行离散傅里叶逆变换得到z_r＝{z_r(n):n＝0,1,...N-1}。时间偏移为 $\hat{d}=\arg \underset{n}{max}\left|z_r\left(n\right)\right|.$

步骤五、ONU接收到同步响应消息以后，与自己发送的同步码进行比较，如果匹配，则根据同步响应消息里面的时间偏移进行调整，调整以后该ONU发送的OFDM符号在OLT端便对齐了。如果同步过程不成功，ONU则重新选择一个同步时隙发送同步码。

图4的仿真过程中，设计一个具有1个OLT，4个ONU的OFDM-PON应用场景。其中3个ONU是已经同步的，1个ONU进行同步过程。上行信道由N＝512个子载波构成，循环前缀长度为N_g＝32，同步子信道包含的子载波数为L＝50。在数据子载波上，数据的调制格式为16QAM。图4是本发明的OFDM-PON上行链路时间同步方法在不同信噪比下时间偏移估计的错误率。本发明可以比较准确估计出时间偏移。

图5是在强度调制直接检测的OFDM-PON平台下进行的离线实验结果。使用Matlab和任意波形发生器(Arbitrarywaveformgenerator,AWG)产生发送信号，信号带宽是900MHz,AWG数模转换的时钟频率是2Gb/s。光纤信道是25km的单模光纤。接收端采用4Gb/s的采用钟，然后进行离线处理。参数设置同图4仿真的参数设置。图5是本发明的OFDM-PON上行链路时间同步方法在不同数量的ONU同时进行同步过程的情况下时间偏移估计的错误率。可以看出在多个ONU同时进行同步过程的时候，本发明方法仍然能够保证比较高的准确率。

Claims (5)

1.一种OFDM-PON上行链路时间同步方法，其特征在于，具体操作步骤如下：

步骤一、尚未同步的ONU在需要接入OFDM-PON***时，首先进行下行帧同步，从下行帧信息中获取上行传输有关的参数以及能够使用的同步码等信息；

步骤二、ONU随机选择一个能用的同步码，并选择一个同步时隙，将同步码调制到同步子信道上，然后把同步OFDM帧发送给OLT；

步骤三、OLT进行同步码的检测，检测接收到的每一个OFDM符号是否包含完整的同步码；

步骤四、OLT检测到同步码以后，计算出时间偏移，然后广播一个同步响应消息，该消息包括检测到的同步码和时间偏移信息；

步骤五、ONU接收到同步响应消息后，与自己发送的同步码进行比较，如果匹配，则根据同步响应消息里面的时间偏移进行调整，调整以后该ONU发送的OFDM符号在OLT端便对齐了，如果同步过程不成功，ONU则重新选择一个同步时隙发送同步码。

2.根据权利要求1所述的一种OFDM-PON上行链路时间同步方法，其特征在于，所述步骤一中的同步码为恒包络零自相关序列，即CAZAC序列，其表达式为：其中j是虚数单位，π是圆周率，L是序列的长度，r是和L互质的常数，CAZAC序列具有理想的循环自相关特性。

3.根据权利要求1所述的一种OFDM-PON上行链路时间同步方法，其特征在于，所述步骤二中的同步OFDM帧的产生方法如下：同步子信道是专门预留出来进行时间同步的，已经同步的ONU在数据子信道上传输数据，同步子信道是一组长度为L的相邻子载波，其编号记为{i_r(n)；n＝0,1,…L-1}；同步码在频域就是一个长度为L的CAZAC序列，记为c_r＝[c(0),c(1),…,c(L-1)]^T _，然后***N-L个零形成长度为N的信号X_r＝[X_r(0),X_r(1),…X_r(N-1)]^T，即

$X_r\left(m\right)=\left\{\begin{array}{cc}c\left(n\right)& \begin{array}{cc}if& m=i_r\left(n\right),\end{array}\\ 0& otherwise.\end{array}\right.m=0,1,\mathrm{...}N-1$

信号X_r经过N点的离散傅里叶逆变换得到信号x_r；信号x_r重复两次，再加上循环前缀，得到同步OFDM帧，同步OFDM帧的长度是2N+N_g，其中N为进行FFT的长度，N_g是循环前缀的长度；这种同步OFDM帧的结构，保证在OLT的接收端，只有一个FFT窗口是包含了完整的同步码。

4.根据权利要求1所述的一种OFDM-PON上行链路时间同步方法，其特征在于，所述步骤三中同步码检测的具体操作方法如下：

在OLT端得到的OFDM帧，去除循环前缀后得到时域信号y＝[y(0),y(1),……y(N-1)]^T，经过离散傅里叶变换以后，得到的频域信号记为Y＝[Y(0),Y(1),……Y(N-1)]^T；为了检测该符号是否包含完整的同步码，信号Y和所有可能的同步码在频域进行互相关运算，即：

$E_g=\underset{n=0}{\overset{L-1}{\Σ}}Y\left(i_r\right(n\left)\right)Y\left(i_r\right(L-1-n\left)\right){\[c\left(n\right)c(L-1-n)\]}^{*}$

然后设置一个门限η来判断是否包含完整的同步码，使用的门限η为：

$\mathrm{\η}=0.8\sqrt{\left(\underset{n=0}{\overset{L-1}{\Σ}}\right|Y\left(i_r\right(n\left)\right){|}^2\left)\right(\underset{n=0}{\overset{L-1}{\Σ}}\left|c\right(n\left){|}^2\right)}$

如果E_g＞η，而且E_g是相邻几个符号的最大值，则认为该OFDM符号包含了完整的同步码。

5.根据权利要求1所述的一种OFDM-PON上行链路时间同步方法，其特征在于，所述步骤四中时间偏移计算的具体操作方法如下：

检测到同步码以后，需要计算时间偏移，使用接收到的时域信号y和信号x_r进行循环卷积，循环卷积最大值点确定时间偏移量；为了减小计算的时间复杂度，时域的循环卷积通过在频域进行乘积实现；对信号进行离散傅里叶逆变换得到z_r＝{z_r(n):n＝0,1,…N-1}；时间偏移为