波長堆疊的下一代無源光網(wǎng)絡的關鍵技術研究.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，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）的關鍵技術，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)結構的關鍵技術研究
　　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)技術的發(fā)展還存在以下挑戰(zhàn)：
　　1）波長可調的、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、高調制速率、波長可調諧的分布反饋式（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，介質訪問控制（MAC）層資源調度算法也是PON系統(tǒng)實際應用的關鍵研究點。

7、本論文理論分析了波長堆疊的OFDM-PON系統(tǒng)的噪聲性能，并以此為基礎提出以下幾種新穎的算法：
　　1）基于相關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。構建了OFDM-PON系統(tǒng)的資源調度數(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)結構的關鍵技術研究
　　與其他PON技術一樣，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)結構簡單，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的基礎上，利用數(shù)字信號處理技術處理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)速率自適應的調節(jié)；此外，基于該方案中的多波長堆疊技術，可在不同波

12、長上調制不同速率，從而實現(xiàn)多速率共存；該方案，結構簡單，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