基于光正交频分复用的接入网若干关键问题研究

论文摘要

接入网是连接用户驻地网和城域网/骨干网的桥梁。社会信息化进程的加快和互联网技术的蓬勃发展,使数据业务激烈增长,接入业务种类不断增多。当前,高速率接入需求的不断增加、接入容量的快速提升和多业务的相互渗透,对接入网提出了空前的挑战。现有的光纤接入网已呈现出固化性,只支持固定的链路数据速率,难以满足新的网络技术和新兴的多媒体宽带等业务的需求,已成为制约网络向宽带化发展的瓶颈。因此,需要一种新型的光接入网,它总体容量大,而资源调度的粒度可以很小,以满足网络运营商提供多种业务的需求。基于光正交频分复用（OFDM）的接入技术能够灵活的进行时域和频域资源的划分,已成为极具吸引力的多用户接入手段。光OFDM接入网频谱效率高,接入容量大,能够实现不同粒度的资源调度,满足不同业务的服务质量（QoS）参数和带宽需求。光OFDM接入网不仅可以实现大容量光接入,而且该网络还能够实现无线/有线接入方式的无缝融合、并兼容现有光接入网,实现动态可重构网络；此外,它在长距离接入方面也有广阔的应用前景。正因如此,光OFDM接入网受到了全服务接入网络（FSAN）组织的广泛讨论,并被列为40Gb/s无源光网络（PON）的候选技术之一。目前,国内外对光OFDM接入网的研究正处于起步阶段。欧盟在2010年启动的ACCORDANCE项目中对光OFDM接入网进行了重点支持,中国也在“十二五”863计划的“三网融合演进技术与系统研究”重大项目中对光OFDM-PON予以支持,并将光OFDM-PON列入了2012年国家自然科学基金重点支持项目。鉴于此,本论文主要针对下一代接入网络需求,重点开展光OFDM接入网关键技术和光OFDM接入网络方案设计方面的研究,创新性地提出了几项光OFDM接入网系统设计新方案和提高光OFDM接入网性能的关键技术,并提出了两种改进型光OFDM接入新技术。本论文研究工作将为光OFDM接入网的实用化提供重要参考。本论文的主要创新工作如下：一.新型光OFDM接入网的系统设计与实验验证1)带有正交组播信息的波分复用（WDM） OFDM-PON利用光信号不同维度相互正交的特点,首次提出了三种新型的带有正交组播业务的WDM-OFDM-PON系统结构。在该结构中,光OFDM信号用于携带点对点（P2P）业务；利用光信号的相位、偏振态和频率三个维度,分别采用了差分相移键控（DPSK）、偏振键控（PolSK）和频移键控（FSK）信号携带组播业务,在不影响光OFDM P2P信号的基础上,进一步提高了光载波效率。本论文还从实验上验证了三种系统结构的可行性,实验结果表明光OFDM P2P信号与正交组播业务信号之间的互扰非常小。2)电码分复用（ECDM） OFDM-PONECDM技术具有码间增益高、保密性好、信号互扰低等优点。本论文将ECDM引入光OFDM接入网,国际上首次提出了ECDM-OFDM-PON网络结构,并从实验上深入分析了该网络中的资源配置和上／下行光OFDM信号的性能。该网络不仅实现了光OFDM接入网中一种新的资源分配策略,而且能够保持原有的光接入网结构。该方案只需要在光线路终端（OLT）和光网络单元（ONU）处改进相应数字信号处理（DSP）算法,在不增加网络成本前提下,实现网络容量和性能的提升。3) OFDM-PON与OFDM-ROF融合接入未来的光接入网将是一个光纤通信和多载频无线通信技术共存的网络。本论文基于光学上变频和集成式马赫曾德调制器（MZM）提出了新型的OFDM-PON与OFDM光载无线系统（OFDM-ROF）融合接入网络,在同一波长信道内同时提供有线和无线业务。在实验研究中,采用了一个集成MZM调制器创新性地实现了40GHz 32QAM-OFDM-ROF和OFDM-PON信号的同时加载,简化了OLT结构,实验中有线和无线信号的功率代价均保持在0.5dB以内。二.提高光OFDM接入网性能方法研究1)光OFDM接入网无色上行链路OBI噪声抑制技术在光接入网中,无色上行链路不仅可以降低ONU成本,而且能提升维护的便捷性。本论文针对时隙和子载波二维调度的光OFDM接入网无色上行链路,从理论上分析了光OFDM接入网无色上行链路的光拍频互扰（OBI）噪声产生机理,创新性地提出并采用实验（仿真）验证了两种抑制OBI噪声的方案,实验及仿真结果与理论分析相符。第一种方案采用了光载波替换方式,直接在光域操作,不需要对信号进行电域处理；第二种方案通过OFDM扩频分集来实现对OBI噪声的抑制,不需要增加额外的光器件,节省了系统成本。这两种方案具有不同特点,在实际中,可以根据不同的需求和网络结构来选择合适的方案。2)光OFDM接入网的非线性效应抑制技术从理论上分析了光OFDM接入网中自相位调制（SPM）等非线性相位噪声的产生机制,提出了一种抑制非线性效应的新型方案。该方案利用时域滚降因子使光OFDM子载波之间具有一定相关度,从而降低信号的峰值平均功率比（PAPR）,提高光OFDM信号的非线性效应阈值。与其他方案相比,该方案不需要添加冗余信息,也不影响系统的带宽效率。实验结果表明,在相同的BER下,基于升余弦滚降因子的光OFDM信号的PAPR和非线性效应阈值均改善了4dB。3)降低光OFDM接入网光信噪比（OSNR）容限技术在光OFDM接入网中,OSNR容限越低,网络的分光比和传输距离就越大,支持的用户数就更多；这与OFDM高阶调制格式需要的高OSNR形成了矛盾。本论文提出了通过Turbo信道编码降低OSNR容限的新方法,并实验演示了不同高阶调制格式下,采用Turbo编码后光OFDM接入网OSNR容限的降低情况。三.改进的光OFDM接入技术1)光OFDM接入网的抗频率偏移技术论文基于连续相位调制（CPM）技术,国际上首次提出了一种新型的多幅度最小频移键控光OFDM（MAMSK-OFDM）信号。该技术能够使光OFDM信号子载波功率谱旁瓣快速跌落,降低载波互扰和频率偏移对信号的影响。实验结果表明,MAMSK-OFDM信号在一定程度上提高了光OFDM接入网性能,简化了信号接收端的DSP处理。2)全光OFDM接入技术提出了一种新型的全光OFDM接入网的网络结构和实现方案。作为一种远期的光接入技术,该方案在保持现有光分配网（ODN）结构的同时,能够使接入容量提升两个数量级。此外,ONU采用相干探测,提升了接入信号的灵敏度,显著增加用户数量。本论文从理论上深入研究了采用循环移频器实现全光OFDM接入的原理,实验演示了820Gb/s的全光MIMO OFDM接入系统,每个ONU的接入速率可达40Gb/s。总之,本论文系统地研究了光OFDM接入网的系统结构,分析了网络性能,根据光OFDM接入网的特点提出了若干网络性能优化方案,并研究了改进型光OFDM接入新技术。从理论分析、仿真模拟、实验验证和结果分析四方面阐述了各项研究工作,本论文研究成果为光OFDM接入网的实用化提供了参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 接入网技术发展概述
• 1.2 光接入网技术
• 1.3 光OFDM接入网简介
• 1.3.1 光OFDM技术
• 1.3.2 光OFDM接入网的特点
• 1.3.3 光OFDM接入网应用
• 1.4 论文工作介绍与结构安排
• 参考文献
• 第二章 光OFDM信号基本理论研究
• 2.1 OFDM基本原理
• 2.2 光OFDM信号的产生和探测研究
• 2.2.1 直接探测光OFDM（DDO-OFDM）系统
• 2.2.2 相干光OFDM（CO-OFDM）系统
• 2.3 光OFDM信号处理技术
• 2.4 光OFDM链路传输研究
• 2.4.1 光OFDM信号传输中的PAPR分析
• 2.4.2 光OFDM信号传输中的频率偏移和相位噪声分析
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 光OFDM接入网络架构研究
• 3.1 光OFDM接入网络机制研究
• 3.2 光OFDM-PON的实现方案
• 3.2.1 TDM-OFDM-PON接入网络研究
• 3.2.1.1 系统结构研究
• 3.2.1.2 实验研究及分析
• 3.2.2 带有正交组播业务的WDM-OFDM-PON接入网络研究
• 3.2.2.1 系统结构研究
• 3.2.2.2 实验研究及分析
• 3.2.3 ECDM-OFDM-PON接入网络研究
• 3.2.3.1 系统结构研究
• 3.2.3.2 实验研究及分析
• 3.2.4 Hybird-OFDM接入网络研究
• 3.2.4.1 系统结构研究
• 3.2.4.2 实验研究及分析
• 3.3 融合的光OFDM接入网络研究
• 3.3.1 系统结构研究
• 3.3.2 实验研究及分析
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 光OFDM接入网性能研究
• 4.1 光OFDM接入网的无色上行链路研究
• 4.1.1 光OFDM接入网无色上行链路的理论分析
• 4.1.2 基于光载波替换技术克服光OFDM接入网无色上行链路中的OBI噪声
• 4.1.2.1 方法一:基于超窄线宽激光器的实现方案
• 4.1.2.2 方法二:基于同源光载波的实现方案
• 4.1.2.3 方法三:基于上行光载波剔除的实现方案
• 4.1.3 基于扩频分集技术克服光OFDM接入网无色上行链路中的OBI噪声
• 4.2 光OFDM接入网的非线性效应研究
• 4.2.1 光OFDM接入网的非线性效应理论分析
• 4.2.2 利用滚降因子克服光OFDM接入网非线性效应的理论分析
• 4.2.3 基于升余弦滚降矩阵降低光OFDM接入网非线性效应的实验研究
• 4.3 光OFDM接入网中OSNR容限研究
• 4.3.1 基于Turbo编码降低光OFDM接入网的OSNR容限
• 4.3.2 基于Turbo-OFDM的光OFDM接入网OSNR容限的实验研究
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 改进型光OFDM接入技术研究
• 5.1 基于连续相位调制的光OFDM接入技术研究
• 5.1.1 CPM-OFDM的理论研究与分析
• 5.1.2 基于CPM的光OFDM-PON实验研究与分析
• 5.2 Tb/s全光OFDM接入网研究
• 5.2.1 全光OFDM接入理论研究与分析
• 5.2.2 基于循环移频器的全光OFDM接入实验研究
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 未来相关工作展望
• 缩略语
• 致谢
• 攻读博士学位期间论文发表情况