波長堆疊的下一代無源光網(wǎng)絡的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著社會信息化程度的不斷提高，各種新興業(yè)務，如交互式網(wǎng)絡電視（IPTV）、高清晰度電視（HDTV）、大文件共享、云存儲/云計算、社交網(wǎng)絡、無線數(shù)據(jù)回傳等不斷涌現(xiàn)，網(wǎng)絡終端用戶對接入帶寬的需求越來越高，現(xiàn)已部署的接入網(wǎng)系統(tǒng)已不能滿足未來用戶的需求。因此，國內(nèi)外研究機構(gòu)紛紛投入力量來研發(fā)低成本、高容量、長傳輸距離的下一代接入網(wǎng)系統(tǒng)，其中低成本的無源光網(wǎng)絡（PON）被認為是最具發(fā)展前景的解決方案之一。在眾多的下一代PON候選技術(shù)中，基于波長堆

2、疊的 PON系統(tǒng)因其具有多方面的優(yōu)勢而得到業(yè)界的廣泛關(guān)注：
　　1）后向兼容性好，可最大限度沿用現(xiàn)有系統(tǒng)的光纖分布式網(wǎng)絡；
　　2）充分利用現(xiàn)有PON系統(tǒng)中的成熟技術(shù)，可利用成熟的時分復用(TDM)、正交頻分復用（OFDM）和波分復用(WDM)技術(shù)的優(yōu)點，一定程度上降低系統(tǒng)升級成本；3）易于擴展，可簡單通過增加波長通道的方法實現(xiàn)系統(tǒng)的升級和擴展；
　　4）易于實現(xiàn)多粒度業(yè)務的接入以滿足下一代接入網(wǎng)對全業(yè)務接入技術(shù)的要求

3、。本論文針對波長堆疊的PON系統(tǒng)，主要研究波長堆疊的正交頻分復用PON（SWDM-OFDM-PON）和波長堆疊的時分波分復用PON（即Time and Wavelength Division Multiplexing PON,TWDM-PON）的關(guān)鍵技術(shù)，具體完成了以下幾個方面的工作：
　　1.波長堆疊的TDM-PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)研究
　　作為 NG-PON2標準的 TWDM-PON系統(tǒng)雖然已被廣泛研究，但實際系統(tǒng)中，

4、TWDM-PON系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展還存在以下挑戰(zhàn)：
　　1）波長可調(diào)的、低成本高速率發(fā)射機問題，以及隨著上下行速率、傳輸距離的增加而引入的色散問題；
　　2）長距離傳輸?shù)南到y(tǒng)功率預算問題。針對上述兩個問題，本論文主要開展了以下兩個方面的研究工作：
　　1）提出了采用低成本、高調(diào)制速率、波長可調(diào)諧的分布反饋式（DFB）激光器作為上行無色發(fā)射機。對于DFB激光器與色散引起的信號畸變問題，本論文提出基于光纖延遲干涉儀的譜整形方案

5、，并實驗演示了基于光纖延遲干涉儀同時管理上行信號啁啾和解調(diào)下行信號差分相移鍵控（DPSK）信號的對稱40 Gb/s的TWDM-PON傳輸系統(tǒng)。此外，基于光纖延遲干涉儀的譜整形方案，在中興通訊公司的測試機上得到了驗證，并取得較好的效果；
　　2）提出了基于溫度可調(diào)諧DFB激光器作為雙向發(fā)射機的對稱40 Gb/s的TWDM-PON系統(tǒng)技術(shù)方案，并針對發(fā)射機啁啾在PON系統(tǒng)傳輸問題進行了深入研究，通過在光線路終端部署一個光纖延遲干涉儀用

6、于同時處理上下行信號啁啾與光纖色散相互作用產(chǎn)生的畸變問題。該方案降低了系統(tǒng)成本，提升了系統(tǒng)性能，在實現(xiàn)了長距離傳輸?shù)耐瑫r獲得了較高的功率預算。
　　2.波長堆疊的OFDM-PON的關(guān)鍵算法研究
　　在波長堆疊的OFDM-PON系統(tǒng)中，信號同步以及信道估計算法必不可少。但由于受系統(tǒng)噪聲的影響，這兩類算法往往很難實現(xiàn)精確的信號同步和準確的系統(tǒng)信道估計。同時，介質(zhì)訪問控制（MAC）層資源調(diào)度算法也是PON系統(tǒng)實際應用的關(guān)鍵研究點。

7、本論文理論分析了波長堆疊的OFDM-PON系統(tǒng)的噪聲性能，并以此為基礎(chǔ)提出以下幾種新穎的算法：
　　1）基于相關(guān)原理的符號定時同步算法：利用特別設計的訓練序列及其IFFT運算后強的序列相關(guān)特性，通過同步峰值來精確定位符號的初始位置。該算法易于實現(xiàn)，且能夠較好地克服OFDM系統(tǒng)中普通同步算法的定位模糊的缺點。
　　2）基于M序列的符號定時同步算法：針對波長堆疊的OFDM-PON系統(tǒng)噪聲對符號定時同步的影響，提出利用M序列的強自

8、相關(guān)特性及其對系統(tǒng)高斯噪聲魯棒性的特點，實現(xiàn)了精確的符號定時同步。與現(xiàn)有的光OFDM系統(tǒng)的符號定時同步算法相比，該算法具有較高的定時精度，適用于基于OFDM的PON系統(tǒng)。
　　3）抗噪聲的信道估計算法：針對OFDM-PON系統(tǒng)中信道估計算法的性能受制于高斯噪聲的問題，提出了一種基于最小二乘法改進的信道估計算法。該算法采用平均操作的方式可以有效消除系統(tǒng)高斯噪聲的影響，較好的估計出系統(tǒng)信道特性，從而補償系統(tǒng)信號的畸變。此外，該算法實現(xiàn)

9、簡單，易于操作，性能優(yōu)越。
　　4）基于OFDM的PON的MAC層資源分配：提出應用于OFDM-PON系統(tǒng)的聯(lián)合子載波和時隙的資源分配方法。構(gòu)建了OFDM-PON系統(tǒng)的資源調(diào)度數(shù)學模型，并針對該模型提出了兩種有效的資源分配算法。通過仿真驗證，本論文提出的算法在取得較好性能的同時有效地降低了計算復雜度。
　　3.波長堆疊的OFDM-PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)研究
　　與其他PON技術(shù)一樣，要獲得波長堆疊的OFDM-PON的

10、實用化，如何在維持系統(tǒng)高性能的同時獲得成本收益最大化是該PON系統(tǒng)發(fā)展的一個重要目標。為了實現(xiàn)該目標，波長堆疊的OFDM-PON還在高的功率預算、長的傳輸距離以及多速率傳輸?shù)确矫婷媾R著挑戰(zhàn)。本論文針對這幾大挑戰(zhàn)，在以下幾個方面開展了研究工作：
　　1）提出并實驗驗證了傳輸距離為100km的、對稱40 Gb/s的波長堆疊的OFDM-PON系統(tǒng)方案。該方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于擴展，后向兼容性好，可以充分利用現(xiàn)有接入網(wǎng)光分布式網(wǎng)絡，具有較

11、高的可行性。同時，該方案充分利用 OFDM技術(shù)的優(yōu)點，可采用低帶寬的光電器件實現(xiàn)高速率的系統(tǒng)傳輸，一定程度上節(jié)約了成本。
　　2）在波長堆疊的OFDM-PON的基礎(chǔ)上，利用數(shù)字信號處理技術(shù)處理OFDM信號的優(yōu)點，提出了多速率共存、速率自適應的下行系統(tǒng)傳輸方案。該方案在不改變原有系統(tǒng)的硬件配置的基礎(chǔ)上，通過改變OFDM信號的數(shù)據(jù)子載波數(shù)量或者傅里葉逆變換運算點數(shù)，可實現(xiàn)速率自適應的調(diào)節(jié)；此外，基于該方案中的多波長堆疊技術(shù)，可在不同波

12、長上調(diào)制不同速率，從而實現(xiàn)多速率共存；該方案，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。
　　3）提出并實驗驗證了基于交錯正交幅度調(diào)制的(OQAM)的OFDM的波長堆疊的OFDM-PON下行系統(tǒng)傳輸方案。該方案充分利用OQAM-OFDM較強的抗符號間以及載波間干擾的能力，降低了對PON系統(tǒng)光電器件線性度的要求，從而節(jié)約接入網(wǎng)成本。此外，相比傳統(tǒng)的OFDM和離散傅里葉變換擴展的正交頻分復用（DFT-SOFDM）信號，該方案可以不用添加保護間隔，實現(xiàn)零開支