光频分复用系统关键技术研究

发布时间：2020-07-27 21:07

【摘要】：移动互联网、物联网、大数据和人工智能为代表的数据业务爆炸式增长以及宽带业务和带宽饥渴型应用的不断增加,使得光承载网络需要持续扩容。长距离主干网络采用相干光通信技术实现了单波长400G+高速信号传输。中短距离光承载网络(例如城域网、接入网、数据中心互联和移动前传等)受制于成本和功耗等因素,采用的光传输方案通常需要使用低成本的带宽受限器件。因此,如何在有限带宽资源上传输更高速的信号是当前业界研究的热点和难点。光频分复用系统具有较高的频谱效率、较强的抗色散性能、较好的灵活性和扩展性等优点,可以更有效地利用受限的带宽资源,从而实现高速、低成本光传输方案,是未来大容量光通信技术的重要研究方向之一。本论文主要针对中短距离光承载网络的需求和挑战,创新性地提出几项光频分复用系统新方案。围绕光频分复用系统,重点研究新型信号复用技术、峰均功率比(PAPR)降低技术、信道线性与非线性损伤均衡算法和载波间干扰(ICI)消除算法等关键技术,采用仿真和实验深入研究了所提出的光频分复用系统方案在光接入网、短距光互联和光无线通信(OWC)中应用的性能优势。本论文的主要研究内容和创新点如下:一、基于离散哈特莱变换的正交频分复用系统传统正交频分复用(OFDM)采用离散傅里叶逆变换/离散傅里叶变换(IDFT/DFT)进行复用/解复用,本论文研究基于离散哈特莱变换(DHT)的新型OFDM方案。根据DHT的卷积性质,提出了基于DHT的OFDM系统的信道损伤估计和均衡理论。低成本、低功耗的光通信系统通常采用强度调制和直接检测(IM/DD)光系统方案实现信号传输,其中IM/DD光系统要求调制信号为实数。DHT为实变换且具有自反特性,当DHT的输入为实信号,输出即为实数OFDM信号。IDFT为复变换,需要对输入信号进行厄米特共轭操作,输出才是实数OFDM信号。显然基于DHT的实数OFDM方案结构更简单,复杂度更低,更适用于IM/DD光通信系统。主要创新点:根据DHT的卷积性质,提出了基于DHT的OFDM系统的信道损伤估计和均衡理论,为基于DHT的光OFDM系统的应用奠定了理论基础。相关成果发表在IEEE Photonics Technology Letters。二、非对称剪裁光单载波频分复用系统本论文首次提出非对称剪裁光单载波频分复用(ACO-SCFDM)系统。相比传统非对称剪裁正交频分复用(ACO-OFDM),ACO-SCFDM具有更低PAPR、更高调制效率的优点,同时可以降低带宽限制引起的高频损伤对系统性能的影响。实验结果显示,相比ACO-OFDM系统,ACO-SCFDM系统具有更好的传输性能。基于上述优点,本论文将ACO-SCFDM应用于长距离无源光网络(LR-PON)中,并首次设计出一种简化的复用结构,将发射机复杂度由O(Nlog2N)降低至O(N)。仿真结果显示相比ACO-OFDM,ACO-SCFDM具有更高的信号与量化噪声比,因此ACO-SCFDM具有降低器件成本的潜力。实验结果显示,基于ACO-SCFDM的LR-PON支持更高的光分束比。由于需要空置偶数位置子载波,ACO-SCFDM具有较低的频谱效率。为了提高频谱效率,本论文首次提出多层/加强ACO-SCFDM(L/E-ACO-SCFDM)方案,并设计了简化的复用和解复用结构,可以降低系统算法复杂度,应用于OWC系统。L/E-ACO-SCFDM可同时传输多层ACO-SCFDM信号,克服了 ACO-SCFDM频谱效率低这一缺点。在OWC系统中,发射机的剪裁会引入严重的非线性剪裁噪声,器件的带宽限制会引入严重的高频损伤,L/E-ACO-SCFDM能够有效地抗非线性剪裁噪声和高频损伤。主要创新点:首次提出低PAPR的ACO-SCFDM方案,并设计简化的复用结构,将复杂度降低一个数量级。由于ACO-SCFDM具有较低的频谱效率,首次提出L/E-ACO-SCFDM方案,提高频谱效率。在LR-PON和OWC系统中,ACO-SCFDM具有良好的抗非线性剪裁噪声和高频损伤的性能。相关成果连续发表在Optics Letters、IEEE Photonics Technology Letters 和 IEEE Photonics Journal 上,形成系列论文。三、基于间插单载波频分复用的光通信系统相干光检测方案可以进一步提高LR-PON的传输距离和光分束比,本论文提出基于相干光间插单载波频分复用(CO-I-SCFDM)的LR-PON。同时设计了简化的复用结构,将发射机复杂度由O(Nlog2N)降低至O(N)。当入纤光功率设置为0dBm时,传输100-km 标准单模光纤(SSMF)后,10-Gbit/s 基于 CO-I-SCFDM 的 LR-PON可以达到1:128的光分束比,而基于传统CO-OFDM的LR-PON只能达到1:64的光分束比。相干光检测需要本振激光器和混频器,成本和功耗较高,因此高速短距光互联系统通常采用低成本、低功耗的IM/DD光系统。在IM/DD光系统中,调制信号需为实数信号。本论文首次提出实数I-SCFDM方案,并应用于高速短距光互联系统。搭建实验系统实现了12-Gbit/s QPSK 和 24-Gbit/s 16-QAM I-SCFDM 信号在 22.5-km SSMF上传输,相比传统OFDM系统,I-SCFDM系统的接收机灵敏度提高了 3dB。同时,本论文实现了更高速率的128-Gbit/s 16-QAMI-SCFDM系统和更高频谱效率的40-Gbit/s256-QAMI-SCFDM系统,提出时频域联合均衡算法,对严重的线性损伤和非线性损伤进行有效均衡。主要创新点:提出基于CO-I-SCFDM的LR-PON系统,支持更高的光分束比,并且设计简化的复用结构,将复杂度降低一个数量级。首次提出实数I-SCFDM方案,应用于低成本、低功耗的高速短距光互联系统,并且提出时频域联合均衡算法,对严重的线性损伤和非线性损伤进行有效补偿。相关成果连续发表在Optics Express、IEEE Photonics Technology Letters 和 IEEE Photonics Journal 上,形成系列论文。四、基于离散余弦变换的正交频分复用系统本论文研究了基于离散余弦变换(DCT)的IIM/DD光OFDM系统,其子载波间隔等于传统OFDM系统的子载波间隔的二分之一,但是子载波之间仍然正交。本论文首次提出基于DCT的单极性OFDM系统(U-OFDM),并提出一种DCO-OFDM系统简单的直流偏置优化方案,详细分析和比较了 U-OFDM和DCO-OFDM系统的性能,验证了基于DCT的低成本IM/DD光OFDM系统的可行性。基于DCT的OFDM系统的研究表明当频分复用系统的子载波相互正交时,所需满足的最低子载波间隔等于每个子载波携带信号的符号速率的二分之一。主要创新点:首次提出基于DCT的U-OFDM系统和一种DCO-OFDM系统简单的直流偏置优化方案。同时验证了频分复用系统的子载波相互正交时所需满足的最低子载波间隔。相关成果连续发表在Journal of Lightwave Technology。五、超奈奎斯特非正交频分复用系统为了进一步提高频分复用系统的频谱效率,可以继续压缩子载波间隔。本论文首次提出超奈奎斯特非正交频分复用(FTN-NOFDM)系统,详细研究了 FTN-NOFDM信号生成机理,给出NOFDM信号达到超奈奎斯特速率需要满足的条件:子载波间隔低于每个子载波携带信号的符号速率的二分之一。当带宽压缩因子等于0.8时,FTN-NOFDM信号的带宽被压缩20%,传输符号速率比其奈奎斯特速率快25%。香农定理给出了奈奎斯特信号的最大容量极限,但是对于FTN信号,香农极限是否还适用?本论文首次推导出FTN-NOFDM信号容量极限的数学表达式,该表达式显示当ICI被有效去除时,FTN-NOFDM信号具有达到比奈奎斯特信号更高容量极限的潜力,在带宽受限通信系统中具有更优越的性能。本论文将FTN-NOFDM信号应用于带宽受限的OWC系统。相比传统OFDM,FTN-NOFDM具有更好的误码率性能。同时FTN-NOFDM系统具有较好的加密性能,可应用于保密通信。主要创新点:本论文首次提出超奈奎斯特非正交频分复用(FTN-NOFDM)系统,并首次推导出FTN-NOFDM信号容量极限的数学表达式。相关成果连续发表在Optics Letters,Scientific Reports和IEEE Access上,形成系列论文。综上所述,本论文系统深入地研究基于频分复用技术的光通信系统,提出多种频分复用新方案;研究了新型信号复用技术、PAPR降低技术、信道均衡算法和ICI消除算法等关键技术;将提出的频分复用系统方案应用于光接入网、短距光互联和OWC,并通过仿真和实验详细研究了其性能优势。本论文的研究成果为频分复用技术在光通信中应用打下了坚实的基础。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.1
【图文】：

数据流量,思科,光接入网,全球

联网设备与连接数年复合增长率为１０％，增长速度远远大于人口增长速度（年复逡逑合增长率为１．１％）和互联网用户增长速度（年复合增长率为６％）。这个趋势预逡逑汁了每个家庭和用户拥有各类互联网设备和连接数量的快速增长。图１－１所示，逡逑２０２１年全球各类互联网设备每月产生的ＩＰ数据流量将达到２７８ＥＢ，相比２０１６年逡逑９６ＥＢ增长将近３倍，年复合增长率为２４％。ＩＰ数据流量的年复合增长率要高于逡逑互联网设备１Ｕ连接数的年复合增长率，说明互联网设备与连接的数据流量需求也逡逑作逐年增长。现有的光网络已经不能满足全球未来流量增Ｋ需求，更大容量光网逡逑络的需求将越来越迫切｜７＿１Ｕ。逡逑３００逦Ｏｌｈｅｒ邋（０．０３％，邋０．０２％）逡逑２ｂ０逦■邋１邋ａｂｌｅｔｓ邋（５％．邋；％）逡逑■邋ＰＣｓ邋（４６％．邋２５％）逡逑Ｅｘａｂｙｔｅｓ邋．逦Ｈ邋－邋ｎ／ｓ邋（３３％．邋３０％）逡逑ｐｅｒ邋ｍｏｎｔｈ逦■邋Ｎｏｎ邋Ｓｍａｒｔｐｈｏｎｅｓ逦（０．１％．邋０邋１％）逡逑１逦ｎ逦■邋Ｓｍａｒｔｐｈｏｎｅｓ邋（１３％，邋３３％）逡逑■逦■Ｍ２Ｍ邋（２％．邋５％）逡逑ＩＩW圜逡逑２０１６逦２０１／逦２０１８逦２０１９逦２０２０逦２０２１逡逑图１－１思科预测２０２１年全球每月ＩＰ数据流量将达到２７８ＥＢＨ逡逑随着互联Ｎ设济和连接的数据流量需求快速增长，光接入网最先面临扩容的逡逑压力

路线图,标准发展,接入网,路线图

逡逑网标准机构ＦＳＡＮ在２０１６年１２月发布接入网标准发展路线图｜１８１，如图１－２所逡逑示。未来光接入网到２０２０年用户接入峰值速率将大于１０邋Ｇｂｉｔ／ｓ，并且需要支持逡逑软件定义网络（ＳＤＮ）、网络功能虚拟化（ＮＦＶ）、５Ｇ和物联网（ｌｏＴ）等业务｜１９－逡逑２１】，因此光接入网不仅需要提供更高的传输容量，而且应该具有更远的接入距离、逡逑更高的光分束比和系统灵活可重构等特征。可以预见，未来光接入网将兼顾下一逡逑代５Ｇ无线通信系统的移动前传，为高速无线信号提供大容量承载方案｜２２＿２４］。基逡逑于光接入网的移动前传是现在业界研究的热点之一［２Ｗ７］。ＦＳＡＮ预计２０２１年之逡逑后光接入网需要革命性技术才能满足未来的需求。逡逑Ｆ￥ＡＮ邋Ｓｔａｎｄａｒｄｓ邋Ｒｏａｄｍａｐ邋２．０逡逑Ｐｅａｋ邋Ｒａｔｅｓ邋＞邋１０Ｇ逦２０２１＋逡逑ＸＧ（Ｓ）－ＰＯＮ＋逦Ｆｕｔｕｒｅ邋Ｏｐｔｉｃａｌ逡逑４逦２０２０逦Ａｃｃｅｓｓ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑ａ逦￥厂逦＾邋ｌ邋（Ｆ0ＡＳ）逡逑夕、0邋？匕逦ＮＧ－Ｐ０Ｎ２＋逦逦逡逑＾二一二：ｌｔｅｒｎａｔｌ一训逡逑Ｍｕ邋阪邋Ｎ６－Ｐ０Ｎ２逡逑／逦Ｉｎｄｕｓｔｒｙ邋Ｔｒｅｎｄｓ邋２０１６＋逡逑１0Ｇｒ－逦ＮＦＶ邋ｉｌ邋ｌ0Ｔ邋，Ｃ．°．ｎＩｅｉｇ！２Ｃｅ邋．．逡逑ＸＧ－ＰＯＮ逦ＸＧＳ－ＰＯＮ逡逑２００４逡逑２．５ｇ＼邋［邋ｇ－ｐｏｎ逦ＦＳＡＮ逡逑、？逦Ｆｕｌｌ邋Ｓｅｒｖｉｃｅ逡逑、．＿邋邋逦逦逦－邋逦Ａｃｃｅｓｓ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ逡逑图１－２邋ＦＳＡＮ接入网标准发展路线图网逡逑随着互联网的不断发展

示意图,频谱,强度调制,示意图

ＭＺＭ和一个９０°相移器组成。下面将简要介绍两种光调制方案。逡逑（１）强度调制方案逡逑图１－６所示为基于ＭＺＭ的强度调制器。当ＭＺＭ两臂的相位分别为p汉停铃义鲜保停冢土奖垴詈虾笫涑龉馕义希絅（一＋￡？地）￡，邋＝邋ｃｏｓ邋—￣—邋ｅ邋：＾ＥＩ逦（１－１）逡逑其屮故Ｋ，邋＝ｉ＾．．，＋ＫＤｎ，“阳为线性电光系数，Ｚ为电极长度，ｄ逡逑５逡逑

【相似文献】