基于正交頻分復(fù)用的寬帶光-電混合接入系統(tǒng)研究.pdf

1、近年來,隨著互聯(lián)網(wǎng)和多媒體業(yè)務(wù)的快速發(fā)展,人們對于接入帶寬的需求持續(xù)快速增長。世界各國紛紛制定了自己的國家寬帶計劃以應(yīng)對這一巨大挑戰(zhàn)。相干光通信技術(shù)的發(fā)展使得核心網(wǎng)中Tb/s的單通道傳輸速率已經(jīng)不是夢想,而接入網(wǎng)的帶寬往往成為了限制用戶網(wǎng)速的瓶頸,所以如何用較低成本實現(xiàn)較高接入帶寬是接入網(wǎng)技術(shù)研究中一個亟待解決的問題。寬帶光/電混合接入系統(tǒng),由于其結(jié)合了光通信和電通信兩者的優(yōu)點,更容易用低成本實現(xiàn)高速寬帶接入,成為了下一代寬帶接入技術(shù)的

2、有效解決方案之一。該系統(tǒng)有兩個典型代表,一個是光載無線接入(Radio over Fiber,RoF)系統(tǒng),另一個是光纖同軸混合接入系統(tǒng),即“無源光網(wǎng)絡(luò)(Passive Optical Network,PON)+以太網(wǎng)同軸接入(Ethernet over Coax, EoC)”架構(gòu)的接入系統(tǒng)。在RoF系統(tǒng)支持的所有頻段中,60 GHz毫米波通信由于其可用帶寬大且支持微蜂窩設(shè)計而得到了廣泛關(guān)注,所以基于60 GHz毫米波的RoF系統(tǒng)成為了

3、這兩年的研究熱點。光纖同軸混合接入系統(tǒng)則是在PON光纖到樓的基礎(chǔ)上,利用樓內(nèi)同軸電纜實現(xiàn)最后一百米的接入;由于光纖和同軸之間在樓頭可采用標準以太網(wǎng)協(xié)議進行連接,所以這兩種技術(shù)可以各自獨立發(fā)展。無論是RoF系統(tǒng),還是光纖同軸混合接入系統(tǒng),寬帶接入系統(tǒng)的核心訴求都是“高速率”、“多用戶”和“低成本”。正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技術(shù),由于其具有頻譜效率高、正交

4、子載波支持多址接入、快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)等通用模塊便于大規(guī)模集成等優(yōu)點,與寬帶接入系統(tǒng)的核心訴求匹配,非常適用于寬帶接入系統(tǒng)。本文主要研究了基于OFDM的寬帶光/電混合接入系統(tǒng),并著重在60 GHz RoF接入系統(tǒng),PON接入系統(tǒng)和高性能同軸電纜接入系統(tǒng)(High Performance Network over Coax, HINOC)三個方面進行深入探討。主要的研究工作如下:

5、　　(1)基于OFDM的60 GHz毫米波光載無線接入系統(tǒng)
　　在原有基于注入鎖模激光器實現(xiàn)單邊帶調(diào)制的60 GHz毫米波光載無線系統(tǒng)實驗基礎(chǔ)上,本論文將OFDM調(diào)制與之相結(jié)合,利用OFDM頻譜效率高、能傳輸多進制調(diào)制格式的特點,提升系統(tǒng)傳輸速率,完成了下行4.3 Gb/s16QAM或者3.2 Gb/s64QAM OFDM調(diào)制、上行2.5 Gb/s非歸零碼(NRZ)調(diào)制的雙向60 GHz RoF系統(tǒng)實驗。針對原有系統(tǒng)較難支持多址接

6、入的問題,本論文借鑒無線通信體制,在毫米波RoF領(lǐng)域引入下行正交分頻多址(OFDMA)和上行單載波頻分多址(SC-FDMA)的概念來支持多用戶業(yè)務(wù)。同時本論文還完成了下行9.65 Gb/s16QAM OFDMA、上行5 Gb/s QPSK SC-FDMA的雙向60 GHz RoF系統(tǒng)實驗,驗證了該方案的可行性;并指出利用單邊帶調(diào)制光外差信號中調(diào)制度較弱的縱模完全可以作為模擬信號調(diào)制的上行光源,其鏈路的上下行串擾可以忽略。針對注入鎖模結(jié)構(gòu)

7、的成本問題,本論文將原有結(jié)構(gòu)中的環(huán)行器替換成耦合器,并通過實驗驗證其可行性,從而為未來實用化打下基礎(chǔ)。
　　(2)基于OFDM的無源光網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)
　　針對原有正交頻分多址無源光網(wǎng)絡(luò)(OFDMA-PON)中由于OFDM信號峰均比大而導(dǎo)致對系統(tǒng)線性度要求高的問題,本論文提出并實驗驗證了基于單載波頻分多址(SC-FDMA)技術(shù)的PON接入系統(tǒng),即 SCFDMA-PON,從而在降低對系統(tǒng)線性度要求的同時,保持了資源分配的靈活性。針

8、對原有時分復(fù)用 PON( TDM-PON)中所面臨的時延抖動敏感問題,本文提出并實驗驗證OFDM/SC-FDMA技術(shù)中的循環(huán)前綴可以提升PON系統(tǒng)對時延抖動的容忍性;在循環(huán)前綴的保護下,SCFDMA-PON可以允許的最大時延抖動恰好為循環(huán)前綴的時間長度。針對強度調(diào)制-直接檢測 OFDMA-PON上行難以實現(xiàn)無色性的問題,本論文提出了采用低成本、波長可控、1550 nm的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)作為上行光源的設(shè)想,并通過30 Gb

9、/s OFDM強度調(diào)制實驗進行了初步驗證。
　　(3)基于OFDM的高性能同軸電纜接入(HINOC)技術(shù)
　　為了推動具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的HINOC標準化和產(chǎn)業(yè)化進程,本論文在HINOC系統(tǒng)樣機硬件體系結(jié)構(gòu)、物理層硬件實現(xiàn)、FPGA原型樣機和基帶芯片等方面上進行了研究。根據(jù)HINOC的應(yīng)用場景,本論文對HINOC系統(tǒng)樣機的硬件體系結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計,并確定以“低成本CPU+MAC層硬件協(xié)處理器+物理層信號處理”作為主功能模塊的