【摘要】：移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能為代表的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)爆炸式增長以及寬帶業(yè)務(wù)和帶寬饑渴型應(yīng)用的不斷增加,使得光承載網(wǎng)絡(luò)需要持續(xù)擴容。長距離主干網(wǎng)絡(luò)采用相干光通信技術(shù)實現(xiàn)了單波長400G+高速信號傳輸。中短距離光承載網(wǎng)絡(luò)(例如城域網(wǎng)、接入網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)和移動前傳等)受制于成本和功耗等因素,采用的光傳輸方案通常需要使用低成本的帶寬受限器件。因此,如何在有限帶寬資源上傳輸更高速的信號是當(dāng)前業(yè)界研究的熱點和難點。光頻分復(fù)用系統(tǒng)具有較高的頻譜效率、較強的抗色散性能、較好的靈活性和擴展性等優(yōu)點,可以更有效地利用受限的帶寬資源,從而實現(xiàn)高速、低成本光傳輸方案,是未來大容量光通信技術(shù)的重要研究方向之一。本論文主要針對中短距離光承載網(wǎng)絡(luò)的需求和挑戰(zhàn),創(chuàng)新性地提出幾項光頻分復(fù)用系統(tǒng)新方案。圍繞光頻分復(fù)用系統(tǒng),重點研究新型信號復(fù)用技術(shù)、峰均功率比(PAPR)降低技術(shù)、信道線性與非線性損傷均衡算法和載波間干擾(ICI)消除算法等關(guān)鍵技術(shù),采用仿真和實驗深入研究了所提出的光頻分復(fù)用系統(tǒng)方案在光接入網(wǎng)、短距光互聯(lián)和光無線通信(OWC)中應(yīng)用的性能優(yōu)勢。本論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:一、基于離散哈特萊變換的正交頻分復(fù)用系統(tǒng)傳統(tǒng)正交頻分復(fù)用(OFDM)采用離散傅里葉逆變換/離散傅里葉變換(IDFT/DFT)進(jìn)行復(fù)用/解復(fù)用,本論文研究基于離散哈特萊變換(DHT)的新型OFDM方案。根據(jù)DHT的卷積性質(zhì),提出了基于DHT的OFDM系統(tǒng)的信道損傷估計和均衡理論。低成本、低功耗的光通信系統(tǒng)通常采用強度調(diào)制和直接檢測(IM/DD)光系統(tǒng)方案實現(xiàn)信號傳輸,其中IM/DD光系統(tǒng)要求調(diào)制信號為實數(shù)。DHT為實變換且具有自反特性,當(dāng)DHT的輸入為實信號,輸出即為實數(shù)OFDM信號。IDFT為復(fù)變換,需要對輸入信號進(jìn)行厄米特共軛操作,輸出才是實數(shù)OFDM信號。顯然基于DHT的實數(shù)OFDM方案結(jié)構(gòu)更簡單,復(fù)雜度更低,更適用于IM/DD光通信系統(tǒng)。主要創(chuàng)新點:根據(jù)DHT的卷積性質(zhì),提出了基于DHT的OFDM系統(tǒng)的信道損傷估計和均衡理論,為基于DHT的光OFDM系統(tǒng)的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。相關(guān)成果發(fā)表在IEEE Photonics Technology Letters。二、非對稱剪裁光單載波頻分復(fù)用系統(tǒng)本論文首次提出非對稱剪裁光單載波頻分復(fù)用(ACO-SCFDM)系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)非對稱剪裁正交頻分復(fù)用(ACO-OFDM),ACO-SCFDM具有更低PAPR、更高調(diào)制效率的優(yōu)點,同時可以降低帶寬限制引起的高頻損傷對系統(tǒng)性能的影響。實驗結(jié)果顯示,相比ACO-OFDM系統(tǒng),ACO-SCFDM系統(tǒng)具有更好的傳輸性能。基于上述優(yōu)點,本論文將ACO-SCFDM應(yīng)用于長距離無源光網(wǎng)絡(luò)(LR-PON)中,并首次設(shè)計出一種簡化的復(fù)用結(jié)構(gòu),將發(fā)射機復(fù)雜度由O(Nlog2N)降低至O(N)。仿真結(jié)果顯示相比ACO-OFDM,ACO-SCFDM具有更高的信號與量化噪聲比,因此ACO-SCFDM具有降低器件成本的潛力。實驗結(jié)果顯示,基于ACO-SCFDM的LR-PON支持更高的光分束比。由于需要空置偶數(shù)位置子載波,ACO-SCFDM具有較低的頻譜效率。為了提高頻譜效率,本論文首次提出多層/加強ACO-SCFDM(L/E-ACO-SCFDM)方案,并設(shè)計了簡化的復(fù)用和解復(fù)用結(jié)構(gòu),可以降低系統(tǒng)算法復(fù)雜度,應(yīng)用于OWC系統(tǒng)。L/E-ACO-SCFDM可同時傳輸多層ACO-SCFDM信號,克服了 ACO-SCFDM頻譜效率低這一缺點。在OWC系統(tǒng)中,發(fā)射機的剪裁會引入嚴(yán)重的非線性剪裁噪聲,器件的帶寬限制會引入嚴(yán)重的高頻損傷,L/E-ACO-SCFDM能夠有效地抗非線性剪裁噪聲和高頻損傷。主要創(chuàng)新點:首次提出低PAPR的ACO-SCFDM方案,并設(shè)計簡化的復(fù)用結(jié)構(gòu),將復(fù)雜度降低一個數(shù)量級。由于ACO-SCFDM具有較低的頻譜效率,首次提出L/E-ACO-SCFDM方案,提高頻譜效率。在LR-PON和OWC系統(tǒng)中,ACO-SCFDM具有良好的抗非線性剪裁噪聲和高頻損傷的性能。相關(guān)成果連續(xù)發(fā)表在Optics Letters、IEEE Photonics Technology Letters 和 IEEE Photonics Journal 上,形成系列論文。三、基于間插單載波頻分復(fù)用的光通信系統(tǒng)相干光檢測方案可以進(jìn)一步提高LR-PON的傳輸距離和光分束比,本論文提出基于相干光間插單載波頻分復(fù)用(CO-I-SCFDM)的LR-PON。同時設(shè)計了簡化的復(fù)用結(jié)構(gòu),將發(fā)射機復(fù)雜度由O(Nlog2N)降低至O(N)。當(dāng)入纖光功率設(shè)置為0dBm時,傳輸100-km 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SSMF)后,10-Gbit/s 基于 CO-I-SCFDM 的 LR-PON可以達(dá)到1:128的光分束比,而基于傳統(tǒng)CO-OFDM的LR-PON只能達(dá)到1:64的光分束比。相干光檢測需要本振激光器和混頻器,成本和功耗較高,因此高速短距光互聯(lián)系統(tǒng)通常采用低成本、低功耗的IM/DD光系統(tǒng)。在IM/DD光系統(tǒng)中,調(diào)制信號需為實數(shù)信號。本論文首次提出實數(shù)I-SCFDM方案,并應(yīng)用于高速短距光互聯(lián)系統(tǒng)。搭建實驗系統(tǒng)實現(xiàn)了12-Gbit/s QPSK 和 24-Gbit/s 16-QAM I-SCFDM 信號在 22.5-km SSMF上傳輸,相比傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng),I-SCFDM系統(tǒng)的接收機靈敏度提高了 3dB。同時,本論文實現(xiàn)了更高速率的128-Gbit/s 16-QAMI-SCFDM系統(tǒng)和更高頻譜效率的40-Gbit/s256-QAMI-SCFDM系統(tǒng),提出時頻域聯(lián)合均衡算法,對嚴(yán)重的線性損傷和非線性損傷進(jìn)行有效均衡。主要創(chuàng)新點:提出基于CO-I-SCFDM的LR-PON系統(tǒng),支持更高的光分束比,并且設(shè)計簡化的復(fù)用結(jié)構(gòu),將復(fù)雜度降低一個數(shù)量級。首次提出實數(shù)I-SCFDM方案,應(yīng)用于低成本、低功耗的高速短距光互聯(lián)系統(tǒng),并且提出時頻域聯(lián)合均衡算法,對嚴(yán)重的線性損傷和非線性損傷進(jìn)行有效補償。相關(guān)成果連續(xù)發(fā)表在Optics Express、IEEE Photonics Technology Letters 和 IEEE Photonics Journal 上,形成系列論文。四、基于離散余弦變換的正交頻分復(fù)用系統(tǒng)本論文研究了基于離散余弦變換(DCT)的IIM/DD光OFDM系統(tǒng),其子載波間隔等于傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)的子載波間隔的二分之一,但是子載波之間仍然正交。本論文首次提出基于DCT的單極性O(shè)FDM系統(tǒng)(U-OFDM),并提出一種DCO-OFDM系統(tǒng)簡單的直流偏置優(yōu)化方案,詳細(xì)分析和比較了 U-OFDM和DCO-OFDM系統(tǒng)的性能,驗證了基于DCT的低成本IM/DD光OFDM系統(tǒng)的可行性。基于DCT的OFDM系統(tǒng)的研究表明當(dāng)頻分復(fù)用系統(tǒng)的子載波相互正交時,所需滿足的最低子載波間隔等于每個子載波攜帶信號的符號速率的二分之一。主要創(chuàng)新點:首次提出基于DCT的U-OFDM系統(tǒng)和一種DCO-OFDM系統(tǒng)簡單的直流偏置優(yōu)化方案。同時驗證了頻分復(fù)用系統(tǒng)的子載波相互正交時所需滿足的最低子載波間隔。相關(guān)成果連續(xù)發(fā)表在Journal of Lightwave Technology。五、超奈奎斯特非正交頻分復(fù)用系統(tǒng)為了進(jìn)一步提高頻分復(fù)用系統(tǒng)的頻譜效率,可以繼續(xù)壓縮子載波間隔。本論文首次提出超奈奎斯特非正交頻分復(fù)用(FTN-NOFDM)系統(tǒng),詳細(xì)研究了 FTN-NOFDM信號生成機理,給出NOFDM信號達(dá)到超奈奎斯特速率需要滿足的條件:子載波間隔低于每個子載波攜帶信號的符號速率的二分之一。當(dāng)帶寬壓縮因子等于0.8時,FTN-NOFDM信號的帶寬被壓縮20%,傳輸符號速率比其奈奎斯特速率快25%。香農(nóng)定理給出了奈奎斯特信號的最大容量極限,但是對于FTN信號,香農(nóng)極限是否還適用?本論文首次推導(dǎo)出FTN-NOFDM信號容量極限的數(shù)學(xué)表達(dá)式,該表達(dá)式顯示當(dāng)ICI被有效去除時,FTN-NOFDM信號具有達(dá)到比奈奎斯特信號更高容量極限的潛力,在帶寬受限通信系統(tǒng)中具有更優(yōu)越的性能。本論文將FTN-NOFDM信號應(yīng)用于帶寬受限的OWC系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)OFDM,FTN-NOFDM具有更好的誤碼率性能。同時FTN-NOFDM系統(tǒng)具有較好的加密性能,可應(yīng)用于保密通信。主要創(chuàng)新點:本論文首次提出超奈奎斯特非正交頻分復(fù)用(FTN-NOFDM)系統(tǒng),并首次推導(dǎo)出FTN-NOFDM信號容量極限的數(shù)學(xué)表達(dá)式。相關(guān)成果連續(xù)發(fā)表在Optics Letters,Scientific Reports和IEEE Access上,形成系列論文。綜上所述,本論文系統(tǒng)深入地研究基于頻分復(fù)用技術(shù)的光通信系統(tǒng),提出多種頻分復(fù)用新方案;研究了新型信號復(fù)用技術(shù)、PAPR降低技術(shù)、信道均衡算法和ICI消除算法等關(guān)鍵技術(shù);將提出的頻分復(fù)用系統(tǒng)方案應(yīng)用于光接入網(wǎng)、短距光互聯(lián)和OWC,并通過仿真和實驗詳細(xì)研究了其性能優(yōu)勢。本論文的研究成果為頻分復(fù)用技術(shù)在光通信中應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN929.1
【圖文】：
聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與連接數(shù)年復(fù)合增長率為１０％，增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人口增長速度（年復(fù)逡逑合增長率為１．１％）和互聯(lián)網(wǎng)用戶增長速度（年復(fù)合增長率為６％）。這個趨勢預(yù)逡逑汁了每個家庭和用戶擁有各類互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和連接數(shù)量的快速增長。圖１－１所示，逡逑２０２１年全球各類互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備每月產(chǎn)生的ＩＰ數(shù)據(jù)流量將達(dá)到２７８ＥＢ，相比２０１６年逡逑９６ＥＢ增長將近３倍，年復(fù)合增長率為２４％。ＩＰ數(shù)據(jù)流量的年復(fù)合增長率要高于逡逑互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備１Ｕ連接數(shù)的年復(fù)合增長率，說明互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與連接的數(shù)據(jù)流量需求也逡逑作逐年增長。現(xiàn)有的光網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能滿足全球未來流量增Ｋ需求，更大容量光網(wǎng)逡逑絡(luò)的需求將越來越迫切｜７＿１Ｕ。逡逑３００邐Ｏｌｈｅｒ邋（０．０３％，邋０．０２％）逡逑２ｂ０邐■邋１邋ａｂｌｅｔｓ邋（５％．邋；％）逡逑■邋ＰＣｓ邋（４６％．邋２５％）逡逑Ｅｘａｂｙｔｅｓ邋．邐Ｈ邋－邋ｎ／ｓ邋（３３％．邋３０％）逡逑ｐｅｒ邋ｍｏｎｔｈ邐■邋Ｎｏｎ邋Ｓｍａｒｔｐｈｏｎｅｓ邐（０．１％．邋０邋１％）逡逑１邐ｎ邐■邋Ｓｍａｒｔｐｈｏｎｅｓ邋（１３％，邋３３％）逡逑■邐■Ｍ２Ｍ邋（２％．邋５％）逡逑ＩＩW圜逡逑２０１６邐２０１／邐２０１８邐２０１９邐２０２０邐２０２１逡逑圖１－１思科預(yù)測２０２１年全球每月ＩＰ數(shù)據(jù)流量將達(dá)到２７８ＥＢＨ逡逑隨著互聯(lián)Ｎ設(shè)濟和連接的數(shù)據(jù)流量需求快速增長，光接入網(wǎng)最先面臨擴容的逡逑壓力
逡逑網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)ＦＳＡＮ在２０１６年１２月發(fā)布接入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展路線圖｜１８１，如圖１－２所逡逑示。未來光接入網(wǎng)到２０２０年用戶接入峰值速率將大于１０邋Ｇｂｉｔ／ｓ，并且需要支持逡逑軟件定義網(wǎng)絡(luò)（ＳＤＮ）、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（ＮＦＶ）、５Ｇ和物聯(lián)網(wǎng)（ｌｏＴ）等業(yè)務(wù)｜１９－逡逑２１】，因此光接入網(wǎng)不僅需要提供更高的傳輸容量，而且應(yīng)該具有更遠(yuǎn)的接入距離、逡逑更高的光分束比和系統(tǒng)靈活可重構(gòu)等特征�？梢灶A(yù)見，未來光接入網(wǎng)將兼顧下一逡逑代５Ｇ無線通信系統(tǒng)的移動前傳，為高速無線信號提供大容量承載方案｜２２＿２４］�；义嫌诠饨尤刖W(wǎng)的移動前傳是現(xiàn)在業(yè)界研究的熱點之一［２Ｗ７］。ＦＳＡＮ預(yù)計２０２１年之逡逑后光接入網(wǎng)需要革命性技術(shù)才能滿足未來的需求。逡逑Ｆ￥ＡＮ邋Ｓｔａｎｄａｒｄｓ邋Ｒｏａｄｍａｐ邋２．０逡逑Ｐｅａｋ邋Ｒａｔｅｓ邋＞邋１０Ｇ邐２０２１＋逡逑ＸＧ（Ｓ）－ＰＯＮ＋邐Ｆｕｔｕｒｅ邋Ｏｐｔｉｃａｌ逡逑４邐２０２０邐Ａｃｃｅｓｓ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑ａ邐￥廠邐＾邋ｌ邋（Ｆ0ＡＳ）逡逑夕、0邋？匕邐ＮＧ－Ｐ０Ｎ２＋邐邐逡逑＾二一二：ｌｔｅｒｎａｔｌ一訓(xùn)逡逑Ｍｕ邋阪邋Ｎ６－Ｐ０Ｎ２逡逑／邐Ｉｎｄｕｓｔｒｙ邋Ｔｒｅｎｄｓ邋２０１６＋逡逑１0Ｇｒ－邐ＮＦＶ邋ｉｌ邋ｌ0Ｔ邋，Ｃ．°．ｎＩｅｉｇ�。玻茫邋澹义希兀牵校希芜姡兀牵樱校希五义希玻埃埃村义希玻担纾苠澹坼澹纾穑铮钸姡疲樱粒五义稀�？邐Ｆｕｌｌ邋Ｓｅｒｖｉｃｅ逡逑、．＿邋邋邐邐邐－邋邐Ａｃｃｅｓｓ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ逡逑圖１－２邋ＦＳＡＮ接入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展路線圖網(wǎng)逡逑隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展
ＭＺＭ和一個９０°相移器組成。下面將簡要介紹兩種光調(diào)制方案。逡逑（１）強度調(diào)制方案逡逑圖１－６所示為基于ＭＺＭ的強度調(diào)制器。當(dāng)ＭＺＭ兩臂的相位分別為p漢停鈴義鮮保停冢土獎垴詈蝦笫涑齬馕義希絅（一＋￡？地）￡，邋＝邋ｃｏｓ邋—￣—邋ｅ邋：＾ＥＩ邐（１－１）逡逑其屮故Ｋ，邋＝ｉ＾．．，＋ＫＤｎ，“陽為線性電光系數(shù)，Ｚ為電極長度，ｄ逡逑５逡逑
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本文編號：
2772386
