基于正交频分复用的宽带光/电混合接入系统研究

摘要

近年来,随着互联网和多媒体业务的快速发展,人们对于接入带宽的需求持续快速增长。世界各国纷纷制定了自己的国家宽带计划以应对这一巨大挑战。相干光通信技术的发展使得核心网中Tb/s的单通道传输速率已经不是梦想,而接入网的带宽往往成为了限制用户网速的瓶颈,所以如何用较低成本实现较高接入带宽是接入网技术研究中一个亟待解决的问题。宽带光/电混合接入系统,由于其结合了光通信和电通信两者的优点,更容易用低成本实现高速宽带接入,成为了下一代宽带接入技术的有效解决方案之一。该系统有两个典型代表,一个是光载无线接入(Radio over Fiber,RoF)系统,另一个是光纤同轴混合接入系统,即“无源光网络(Passive Optical Network,PON)+以太网同轴接入(Ethernet over Coax, EoC)”架构的接入系统。在RoF系统支持的所有频段中,60 GHz毫米波通信由于其可用带宽大且支持微蜂窝设计而得到了广泛关注,所以基于60 GHz毫米波的RoF系统成为了这两年的研究热点。光纤同轴混合接入系统则是在PON光纤到楼的基础上,利用楼内同轴电缆实现最后一百米的接入;由于光纤和同轴之间在楼头可采用标准以太网协议进行连接,所以这两种技术可以各自独立发展。无论是RoF系统,还是光纤同轴混合接入系统,宽带接入系统的核心诉求都是“高速率”、“多用户”和“低成本”。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术,由于其具有频谱效率高、正交子载波支持多址接入、快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)等通用模块便于大规模集成等优点,与宽带接入系统的核心诉求匹配,非常适用于宽带接入系统。本文主要研究了基于OFDM的宽带光/电混合接入系统,并着重在60 GHz RoF接入系统,PON接入系统和高性能同轴电缆接入系统(High Performance Network over Coax, HINOC)三个方面进行深入探讨。主要的研究工作如下:
　　(1)基于OFDM的60 GHz毫米波光载无线接入系统
　　在原有基于注入锁模激光器实现单边带调制的60 GHz毫米波光载无线系统实验基础上,本论文将OFDM调制与之相结合,利用OFDM频谱效率高、能传输多进制调制格式的特点,提升系统传输速率,完成了下行4.3 Gb/s16QAM或者3.2 Gb/s64QAM OFDM调制、上行2.5 Gb/s非归零码(NRZ)调制的双向60 GHz RoF系统实验。针对原有系统较难支持多址接入的问题,本论文借鉴无线通信体制,在毫米波RoF领域引入下行正交分频多址(OFDMA)和上行单载波频分多址(SC-FDMA)的概念来支持多用户业务。同时本论文还完成了下行9.65 Gb/s16QAM OFDMA、上行5 Gb/s QPSK SC-FDMA的双向60 GHz RoF系统实验,验证了该方案的可行性;并指出利用单边带调制光外差信号中调制度较弱的纵模完全可以作为模拟信号调制的上行光源,其链路的上下行串扰可以忽略。针对注入锁模结构的成本问题,本论文将原有结构中的环行器替换成耦合器,并通过实验验证其可行性,从而为未来实用化打下基础。
　　(2)基于OFDM的无源光网络接入系统
　　针对原有正交频分多址无源光网络(OFDMA-PON)中由于OFDM信号峰均比大而导致对系统线性度要求高的问题,本论文提出并实验验证了基于单载波频分多址(SC-FDMA)技术的PON接入系统,即 SCFDMA-PON,从而在降低对系统线性度要求的同时,保持了资源分配的灵活性。针对原有时分复用 PON( TDM-PON)中所面临的时延抖动敏感问题,本文提出并实验验证OFDM/SC-FDMA技术中的循环前缀可以提升PON系统对时延抖动的容忍性;在循环前缀的保护下,SCFDMA-PON可以允许的最大时延抖动恰好为循环前缀的时间长度。针对强度调制-直接检测 OFDMA-PON上行难以实现无色性的问题,本论文提出了采用低成本、波长可控、1550 nm的垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为上行光源的设想,并通过30 Gb/s OFDM强度调制实验进行了初步验证。
　　(3)基于OFDM的高性能同轴电缆接入(HINOC)技术
　　为了推动具有完全自主知识产权的HINOC标准化和产业化进程,本论文在HINOC系统样机硬件体系结构、物理层硬件实现、FPGA原型样机和基带芯片等方面上进行了研究。根据HINOC的应用场景,本论文对HINOC系统样机的硬件体系结构进行了设计,并确定以“低成本CPU+MAC层硬件协处理器+物理层信号处理”作为主功能模块的实现方案。根据HINOC技术方案,本论文对HINOC系统物理层信号处理部分的硬件逻辑实现进行了模块划分,并通过搭建FPGA原型样机完成了 HINOC系统网络测试。同时本论文作者还作为硬件实现负责人组织完成了支持HINOC技术方案的三个“第一款”基带芯片,并进行了相关测试;其测试结果有力的推动了HINOC的国内和国际标准化进程。

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表目录

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英文缩写表

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2宽带接入系统的研究现状

1.3论文的研究内容与创新点

1.4论文组织架构

1.5本章小结

第二章 OFDM系统中的数字信号处理算法及其在宽带光/电混合接入系统中的应用解决方案

2.1 OFDM技术概述及其优劣势分析

2.2 OFDM通信系统的帧结构设计

2.3 OFDM通信系统的发射机和接收机的典型结构

2.4 OFDM通信系统接收机数字信号处理若干关键技术

2.5 OFDM在强度调制/直接检测光通信系统中的应用解决方案

2.6 OFDM在同轴电缆接入系统中的应用解决方案

2.7本章小结

第三章 基于OFDM的60 GHz毫米波光载无线接入系统研究

3.1研究背景

3.2采用注入锁模激光器实现高速率、高阶调制格式OFDM单边带调制的双向60 GHz RoF系统

3.3下行正交频分多址、上行单载波频分多址的双向60 GHz RoF系统

3.4本章小结

第四章 基于OFDM的无源光网络接入系统研究

4.1研究背景

4.2基于SC-FDMA的无源光网络系统研究

4.3利用循环前缀提升无源光网络中时延抖动容忍性的分析

4.4 30Gb/s OFDM直接调制垂直腔面发射激光器（VCSEL）系统

4.5本章小结

第五章 基于OFDM的高性能同轴电缆接入（HINOC）系统研究

5.1研究背景

5.2 HINOC系统样机硬件体系结构设计

5.3 HINOC系统物理层信号处理部分硬件逻辑模块划分

5.4 HINOC系统FPGA原型样机设计与测试

5.5 HINOC系统基带芯片的实现与测试

5.6本章小结

第六章 总结与展望

6.1本论文主要工作

6.2未来工作展望

参考文献

致谢

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