支持無線前傳無源光網(wǎng)絡(luò)的光纖非線性損傷研究.pdf

1、伴隨著超高清視頻電視、智能手持終端設(shè)備、大數(shù)據(jù)存儲、云計算等新型業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，固網(wǎng)和移動接入的數(shù)據(jù)流量正分別以復合年均增長率（CAGR，Compound Annual Growth Rate)50％和57%的速度持續(xù)增長中。據(jù)Cisco公司預測，到2019年全球每月總移動數(shù)據(jù)流量將達到24.3艾字節(jié)（EB，Exabyte)，幾乎相當于2014年每月總移動數(shù)據(jù)流量的十倍。為了解決這一數(shù)據(jù)流量的急劇增長，國際電信聯(lián)盟和IE E E標準化組織都

2、開始了基于波分復用技術(shù)的下一代40-Gb/s和100-Gb/s無源光網(wǎng)絡(luò)的標準化工作。與此同時，以1-Gb/s用戶體驗速率、毫秒級端到端時延以及超高連接數(shù)和流量密度為目標的第五代移動通信（5G)也開始受到越來越多的關(guān)注。然而，隨著無線接入速率的不斷提升，基站數(shù)量、數(shù)據(jù)回傳容量、及基站維護和運營成本都將急劇增大；另一方面，基于射頻傳輸?shù)臒o線信號隨著速率的增加其傳輸距離也受到一定的限制。因此，借助于大容量的光纖通信，將靈活的移動接入和光纖進

3、行結(jié)合，實現(xiàn)寬帶靈活的信息接入，降低基站維護和運營成本，是未來光接入網(wǎng)的發(fā)展方向，即將固網(wǎng)和移動網(wǎng)絡(luò)進行融合，實現(xiàn)“最后一公里”單纖雙向的全業(yè)務(wù)接入。在此背景上，中國移動提出的云化無線接入網(wǎng)絡(luò)（C-RAN，Cloud Radio Access Network)正受到國內(nèi)外研究機構(gòu)的廣泛關(guān)注，它旨在通過新型的無線前傳技術(shù)來傳輸遠端射頻單元（RRU，Remote Radio Unit)和基帶處理單元（BBU，Baseband Unit)之間

4、的數(shù)據(jù)。當前，支持無線前傳無源光網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被國內(nèi)外主要研究機構(gòu)進行了大量研究，但其系統(tǒng)中仍存在許多亟待解決的問題：1)在未來固網(wǎng)和移動網(wǎng)絡(luò)融合過程中，“最后一公里”的接入將采用單纖雙向來承載各種業(yè)務(wù)，包括固網(wǎng)接入的業(yè)務(wù)和移動接入的業(yè)務(wù)。因此，在“最后一公里”接入光纖中，不同業(yè)務(wù)、不同波段的波長將共存在同一根光纖中進行傳輸。特別是隨著業(yè)務(wù)的不斷增多，以及速率的不斷提高，光纖中的波長數(shù)量會急劇增加。因此，大量不同業(yè)務(wù)、不同波段波長之間很容易由

5、于光纖的非線性效應而相互作用，進而影響信號的傳輸性能；2)在未來5G移動通信中，無線基站的數(shù)量將會急劇增加，同時基站天線的數(shù)量也會越來越多。若采用數(shù)字信號的方式進行無線前傳（fronthaul)，即對接收到的無線射頻信號直接進行采樣量化編碼之后再進行傳輸，將會導致基站數(shù)據(jù)前傳容量的急劇增大。此外，采用模擬技術(shù)進行無線前傳也會受到光纖色散等不利因素的影響，特別是對于未來5G移動通信的高頻傳輸，其影響更為嚴重。因此，如何采用低成本、大容量的

6、、可靠的傳輸方式來保證基站數(shù)據(jù)的前傳也是一個需要解決的重要問題；3)未來5G移動通信中的多點協(xié)作、大規(guī)模天線等新技術(shù)要求多天線間能夠快速的協(xié)同通信，因而對傳輸鏈路的時延、抖動、同步等提出了很高的要求。如何在高速無線前傳網(wǎng)絡(luò)中保證鏈路的時延、抖動以及同步等也是急需解決的問題之一。針對未來固網(wǎng)接入和移動網(wǎng)絡(luò)融合的光接入網(wǎng)，本論文主要在光纖非線性損傷上進行了詳細的研究，并提出了相應的解決方案。本論文完成的具體工作如下：
　　1.無源光網(wǎng)

7、絡(luò)與無線前傳之間的受激拉曼非線性損傷
　　針對未來固網(wǎng)和移動網(wǎng)絡(luò)融合的光接入網(wǎng)，首先闡述了新型高速的固網(wǎng)接入方式，即時分波分復用無源光網(wǎng)絡(luò)（TWDM-PON，Time and wavelength division multiplexed passive optical network)，以及目前存在的兩種無線前傳方式：即分別基于模擬信號和數(shù)字信號的無線前傳，并指出基于數(shù)字無線前傳的研究熱點和難點。其次，對下一代40-Gb/s速率

8、的時分波分復用無源光網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字無線前傳共存系統(tǒng)中由受激拉曼引起的非線性損傷進行了詳細的理論分析和實驗驗證。開展的主要工作包括：
　　1)對時分波分復用無源光網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字無線前傳混合傳輸光接入網(wǎng)系統(tǒng)中的受激拉曼非線性損傷進行了理論與仿真研究，指出受激拉曼非線性損傷對數(shù)字無線前傳信號造成影響的兩種方式：額外的功率損耗和信號失真。并通過仿真定量分析了不同時分波分復用無源光網(wǎng)絡(luò)波長數(shù)情況下對無線前傳信號帶來的功率損耗情況。
　　2)通

9、過實驗對受激拉曼引起的功率損耗和信號失真進行了測量。由于低頻非線性拉曼串擾噪聲的影響，無線前傳信號眼圖會發(fā)生惡化，即上眼皮噪聲會增大，最終導致無線前傳信號接收靈敏度的惡化。
　　2.雙向多波長傳輸下的功率損耗和串擾噪聲
　　在未來5G移動通信中，由于大規(guī)模天線等新技術(shù)的使用，導致無線前傳容量的急劇增大，從而使得無線前傳波長數(shù)變得越來越多。此外，“最后一公里”光纖將承載各種業(yè)務(wù)的信息傳輸，包括傳統(tǒng)光接入網(wǎng)業(yè)務(wù)RF-video、

10、GPON、XG-PON以及無線前傳業(yè)務(wù)。因此，對不同業(yè)務(wù)、不同波段多波長之間由受激拉曼引起的功率損耗和串擾噪聲進行了實驗和仿真研究。開展的主要工作包括：
　　1)對不同業(yè)務(wù)、不同波段多波長之間由受激拉曼引起的功率損耗和串擾噪聲進行了詳細的分析和實驗測試。并從理論和實驗上分析了受激拉曼散射的方向性對上下行無線前傳信號帶來的不同影響，為系統(tǒng)運營商在實際設(shè)計和研究固網(wǎng)與移動接入融合的光接入網(wǎng)系統(tǒng)時提供了一定的依據(jù)。
　　2)仿真分

11、析和驗證了在大量無線前傳波長存在時由受激拉曼帶來的功率消耗情況，并對不同光纖長度下的功率消耗進行了仿真。為將來固網(wǎng)和移動網(wǎng)絡(luò)融合光接入網(wǎng)中的波長數(shù)極限提供了一定的參考。
　　3.非線性拉曼串擾噪聲抑制方法
　　針對下一代固網(wǎng)接入和移動網(wǎng)絡(luò)融合的光接入網(wǎng)系統(tǒng)，處于不同波段的業(yè)務(wù)波長會存在拉曼串擾噪聲的影響。本節(jié)首先介紹了拉曼串擾噪聲對傳統(tǒng)CATV視頻業(yè)務(wù)及數(shù)字業(yè)務(wù)等帶來的影響，并總結(jié)和分析了傳統(tǒng)的非線性拉曼串擾噪聲的抑制方法；

12、接著，提出了一種新穎的基于Dicode碼的拉曼串擾噪聲抑制方案；最后，通過實驗驗證了在支持無線前傳無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中拉曼串擾噪聲對傳統(tǒng)CATV視頻信號帶來的影響，并對Dicode碼抑制拉曼串擾噪聲方案進行了實驗驗證，獲得了良好的抑制效果。開展的主要工作包括：
　　1)詳細分析了不同非線性拉曼串擾噪聲的抑制方法（例如8B10B、延遲編碼和新型的Dicode編碼方案等），并對各種編碼方案的非線性拉曼串擾噪聲抑制效果進行了實驗驗證。