正交頻分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能技術(shù)研究.pdf

1、正交頻分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（OFDM-PON）是下一代光接入網(wǎng)（NG-PON）中非常熱門的研究領(lǐng)域，它具有高頻譜效率、靈活帶寬分配、色散容忍度高等特點(diǎn)，能滿足NG-PON的大容量、長(zhǎng)距離和高分光比的要求。然而，由于OFDM-PON需要大量高速的模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC/DAC）和數(shù)字信號(hào)處理（DSP）芯片，因此它的能耗比其他光接入網(wǎng)要高，而能耗也正是NG-PON中非常重要的衡量因素。本論文研究了OFDM-PON的若干節(jié)能技術(shù)方案，提出并設(shè)計(jì)

2、了新穎的節(jié)能OFDM-PON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要進(jìn)行了如下幾方面的研究：
　　1．基于共享收發(fā)機(jī)的節(jié)能WDM-OFDM-PON系統(tǒng)
　　因?yàn)镺FDM-PON高頻譜效率和靈活帶寬分配的特性，它在近些年來(lái)被世界各地的學(xué)者廣泛研究。結(jié)合波分復(fù)用（WDM）技術(shù)，OFDM-PON能為接入網(wǎng)用戶提供更高的容量。但從能源利用率的角度來(lái)看，結(jié)合WDM技術(shù)的OFDM-PON浪費(fèi)了許多能耗。因?yàn)閷?duì)于每個(gè)ONU用戶來(lái)說(shuō)，都需要一個(gè)OFDM收發(fā)機(jī)來(lái)為其持

3、續(xù)服務(wù)。然而大部分時(shí)候，終端用戶是不需要OFDM收發(fā)機(jī)滿載運(yùn)行的，因?yàn)樗璧牧髁勘容^少。針對(duì)這一點(diǎn)，我們提出了基于共享收發(fā)機(jī)的節(jié)能WDM-OFDM-PON方案。在光線路終端（OLT），我們用一個(gè) N×M的光開(kāi)關(guān)來(lái)控制光路，使得當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量較低時(shí)，多個(gè)ONU能共享一個(gè)OFDM收發(fā)機(jī)，來(lái)進(jìn)行信號(hào)的調(diào)制解調(diào)，從而關(guān)閉其他的收發(fā)機(jī)，達(dá)到節(jié)能的目的。經(jīng)實(shí)驗(yàn)和仿真計(jì)算，我們提出的共享收發(fā)機(jī)方案能減少OFDM-PON系統(tǒng)OLT端約23.6％的能耗。<

4、br>　　2．基于分層調(diào)制碼型的節(jié)能OFDM-PON技術(shù)方案
　　在OFDM-PON系統(tǒng)中，由于距離、分光比和接收機(jī)靈敏度等因素，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)用戶單元端（ONU）接收到的信號(hào)信噪比（SNR）是不同的。在以往的傳輸系統(tǒng)中，常常針對(duì)每個(gè)ONU，為其分配合適階數(shù)的正交幅度調(diào)制（QAM）信號(hào)，來(lái)提升整個(gè)系統(tǒng)的容量。在該論文中，我們從無(wú)線通信中引入分層調(diào)制（Hierarchical Modulation）技術(shù)，將不同ONU的數(shù)據(jù)放在分層調(diào)制信號(hào)

5、的不同層，從而提高單個(gè)OFDM收發(fā)機(jī)的容量。本論文利用分層調(diào)制技術(shù)，針對(duì)節(jié)能OFDM-PON做了以下兩方面的工作：
　　1）基于分層調(diào)制碼型的大容量 OFDM-PON系統(tǒng)：在長(zhǎng)距離 OFDM-PON中，原來(lái)不同距離的ONU會(huì)采用不同階數(shù)的QAM碼型，而本論文利用分層16QAM信號(hào)，將短距離ONU端的數(shù)據(jù)置于分層16QAM的第二層，長(zhǎng)距離ONU端的數(shù)據(jù)置于分層16QAM的第一層，適當(dāng)調(diào)節(jié)兩層信號(hào)之間的參數(shù)，使得兩層中的數(shù)據(jù)都滿足它們

6、的誤碼率（BER）要求。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中演示了75-km的長(zhǎng)距離OFDM-PON，利用分層16QAM調(diào)制技術(shù)，使OFDM收發(fā)機(jī)的容量從7.5 Gb/s提高到10 Gb/s。
　　2）基于分層調(diào)制碼型的節(jié)能 WDM-OFDM-PON系統(tǒng)：利用分層16QAM調(diào)制碼型，將傳輸距離不同的ONU端數(shù)據(jù)置于其中的第一二層，并通過(guò)OLT端的N× M開(kāi)關(guān)控制光路，根據(jù)當(dāng)時(shí)網(wǎng)絡(luò)流量的需求，使多個(gè)ONU共享單個(gè)OFDM收發(fā)機(jī)，從而關(guān)閉其他的OFDM收發(fā)機(jī)

7、，達(dá)到節(jié)能的目的。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和仿真計(jì)算，基于分層16QAM調(diào)制碼型的WDM-OFDM-PON系統(tǒng)能節(jié)省OLT端約43.7%的能耗。
　　3．基于時(shí)域/頻域交織OFDM技術(shù)的節(jié)能OFDM-PON系統(tǒng)
　　1）在OFDM-PON系統(tǒng)中，每個(gè) ONU用戶根據(jù)自己實(shí)時(shí)的流量需求占據(jù)一部分的OFDM子載波。在解調(diào)過(guò)程中，每個(gè)ONU需要將下行OFDM信號(hào)采樣，并進(jìn)行 FFT運(yùn)算，得到所有 ONU用戶的信息，然后從中選出自己所需的數(shù)據(jù)。這

8、樣，每個(gè)ONU端ADC芯片的采樣率和DSP芯片的計(jì)算量都非常大，因此其能耗也比較多。本論文提出一種時(shí)域交織（TI）OFDM的技術(shù)，在OLT端，將所有發(fā)往 ONU的數(shù)據(jù)分為多個(gè)組，分別進(jìn)行IFFT運(yùn)算，得到的多個(gè)子OFDM信號(hào)在時(shí)域上交織，生成TI-OFDM信號(hào)。在ONU用戶端，只需采樣并解調(diào)用戶所在的那個(gè)子OFDM信號(hào)，就可以得到自己所需的數(shù)據(jù)。因此，采用TI-OFDM技術(shù)，每個(gè)ONU端都能夠成倍降低其ADC芯片的采樣率和DSP芯片的運(yùn)

9、算量，從而降低ONU端的功耗。我們實(shí)驗(yàn)演示了將所有ONU數(shù)據(jù)分為2組和4組的TI-OFDM信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸和解調(diào)。經(jīng)仿真計(jì)算，基于TI-OFDM技術(shù)的OFDM-PON系統(tǒng)能減少ONU端25%左右的功耗。
　　2）在OFDM-PON系統(tǒng)中，隨著一天時(shí)間的變化，ONU端用戶的網(wǎng)絡(luò)流量也隨之變化。許多時(shí)候ONU端用戶的流量需求非常低，如果這時(shí)OFDM收發(fā)機(jī)仍以滿功率的運(yùn)行，就會(huì)影響OFDM-PON系統(tǒng)的能源利用效率。本文提出一種頻域交織

10、的OFDM技術(shù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量降低時(shí)，在OFDM子載波上間隔加載數(shù)據(jù)，而在ONU接收端，就可以取時(shí)域數(shù)據(jù)的前1/m，并進(jìn)行 FFT運(yùn)算，即可獲得所需數(shù)據(jù)。利用頻域交織OFDM技術(shù)，能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量變化，有效地降低ONU端DSP芯片的運(yùn)算量，從而減少ONU端的功耗。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和仿真計(jì)算，我們提出的頻域交織OFDM技術(shù)能節(jié)省OFDM-PON中ONU端約14.6%的能耗。
　　4．基于距離自適應(yīng)帶寬分配技術(shù)的長(zhǎng)距離大容量OFDM-PON

11、>　　為了節(jié)省成本，強(qiáng)度調(diào)制和直接檢測(cè)（IM-DD）對(duì)于長(zhǎng)距離OFDM-PON來(lái)說(shuō)是十分需要的。近些年來(lái)，利用直接調(diào)制激光器（DML）或電吸收調(diào)制激光器（EML）來(lái)作為調(diào)制OFDM信號(hào)的發(fā)射機(jī)，被眾多研究小組關(guān)注。然而，由這些調(diào)制激光器產(chǎn)生的信號(hào)是雙邊帶信號(hào)，在光纖傳輸中不可避免地會(huì)受到色散和啁啾帶來(lái)的影響。據(jù)報(bào)道，基于EML的100 km的OFDM系統(tǒng)的可利用帶寬才不到4 GHz。
　　在本章中，我們提出一種距離自適應(yīng)帶寬分配的