波分复用无源光网络技术研究

摘要

接入网是解决如何将图像、数据、语音等多种业务综合传送到用户的问题，在整个通信网中占有重要的地位。无源光网络(Passiveopticalnetwork，PON)具有宽带传送能力，共享传输媒质，降低接入成本，便于维护，同时能够平滑地过渡到FTTH等优点，已成为宽带接入网的重要方式。 PON可以分为功率分割型无源光网络(PowersplitterPON，PSPON)和波分复用型无源光网络(WavelengthDivisionMultiplexingPON，WDMPON)。与PSPON相比WDMPON在带宽、功率预算、保密性和用户数等方面具有显著优势，但目前限制WDMPON的是其组网成本较高。随着Internet的发展，数据业务以空前的速度增长，特别是以HDTV为代表的视频技术的应用，用户对高带宽的需求会进一步增加。另一方面，随着WDM技术的日益成熟，其器件成本逐渐下降，WDM技术应用于接入网将成为PON的必然发展趋势。 WDMPON有复合型PON、光环回、频谱分割以及波长共享WDMPON等系统方案，其中频谱分割WDMPON成本较低，是目前获得广泛研究的一种实验系统，而波长共享WDMPON能够动态分配上行波长，波长信道利用率高，并且用户数可以远大于可用波长数，是WDM光接入网的一个发展方向。因此，本文主要针对频谱分割WDMPON和波长共享WDMPON两种系统进行了较深入和全面的研究。其结果对WDMPON的发展和应用研究具有一定的理论指导意义和较重要的参考价值。下面简要介绍本文所做的主要工作： 第一，本文针对频谱分割WDMPON，提出一种频谱分割损耗和串扰的分析模型，并搭建了一个频谱分割损耗和串扰测试系统，对分析模型进行了实验验证。从理论上分析了损耗和串扰与光源带宽、复用器参数、信道数以及信道失配系数等系统参数的关系，结果表明当信道间隔一定，光源的半功率点全宽等于信道数与信道间隔之积时，频谱分割损耗最小，损耗随复用器参数的增大而减小，而串扰随复用器参数的增大而增加，因此需要综合考虑损耗和串扰来选择复用器参数。另外，信道失配会导致损耗和串扰进一步增加，因此在实际应用中需要消除信道失配的影响。本文的分析说明了如何减小频谱损耗和串扰，这对优化频谱分割WDMPON的设计具有一定的指导意义。 第二，提出了波长路由型和广播选择型两种波长共享WDMPON系统方案，并分析了该系统的应用。波长共享WDMPON采用两级光分配网络，它的下行传输混合了波分复用和时分复用，上行传输采用有效的媒质接入控制协议为用户动态分配波长和时隙，各用户共享上行数据波长，因此这种系统充分利用了波长资源，不仅增加了系统容量，而且能够容纳更多的用户，便于光接入网向光纤到户发展。在系统方案的基础上，通过与WDM广播选择星型局域网比较，提出了波长共享WDMPON的媒质接入控制协议分析模型。提出了一种新的接入方案——随机接入/先到先服务调度，该方案实现简单，并能有效的安排传输，理论分析表明在网络轻载时具有良好的时延特性。 第三，从波长共享WDMPON系统结构出发，分析了控制信道与网络容量的关系，指出了系统对控制信道的要求以及怎样最小化控制信道的带宽。 第四，WDMPON是一个多信道系统，波长分配是一个关键问题。本文研究了WDMPON中波长分配的指导原则，建立了波长分配算法的评价标准。提出了基于帧的最早可用波长分配算法，并与静态波长分配和容量相同的单信道系统进行比较。通过求解系统的稳态概率分布函数，我们从理论上研究了采用上述三种策略的系统中请求队列长度与系统负载的关系，数值计算表明与静态波长分配相比，基于帧的最早可用波长分配算法明显减小了请求队列长度，接近容量相同的单信道系统。仿真结果也表明基于帧的最早可用波长分配算法的调度时延非常接近单信道系统，远远优于静态波长分配。 第五，分析了WDMPON分组时延的组成，研究了发射机调谐时延对波长分配算法的影响。针对发射机调谐导致信道时隙浪费和引起分组发送延迟，提出了改进的最早可用波长分配算法，仿真结果表明改进的算法明显减少了发射机调谐的影响。 最后，本文研究了WDMPON中的分组调度算法。针对在WDMPON接入网中需要为具有不同流量特征和QoS需求的业务连接分配网络资源，提出了多波长前跳虚时钟算法。该算法根据不同连接的QoS需求动态分配优先权，能够为业务提供确定的时延保证，在利用分配的带宽服务高优先级集合的同时，利用剩余信道服务低优先级集合，提高了波长利用率，与固定优先权调度相比，改善了低优先级业务的时延特性。我们应用积压不等式的概念，从理论上分析了多波长前跳虚时钟算法的时延特性和公平性，说明了该算法具有类似前跳虚时钟算法的时延保证和公平性，仿真结果也验证了我们的分析。 我们将波长—时隙双重调度引入到WDMPON的研究中，从而提出波长共享WDMPON的概念。本文希望通过这些创新性研究，进一步提高WDMPON的性能，推动WDMPON的理论和应用研究。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：上海交通大学学位论文答辩决议书、本文用到的缩写词汇

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第一章 绪论

第二章 频谱分割WDM PON中损耗和串扰的研究

第三章 WDM广播选择星型局域网

第四章 波长共享的WDM PON

第五章 波长共享WDM PON的波长分配算法

第六章 多波长前跳虚时钟算法

结束语

参考文献

攻读博士学位期间发表与录用的论文

致谢