基于正交頻分復(fù)用的寬帶光-電混合接入系統(tǒng)研究.pdf

1、近年來(lái),隨著互聯(lián)網(wǎng)和多媒體業(yè)務(wù)的快速發(fā)展,人們對(duì)于接入帶寬的需求持續(xù)快速增長(zhǎng)。世界各國(guó)紛紛制定了自己的國(guó)家寬帶計(jì)劃以應(yīng)對(duì)這一巨大挑戰(zhàn)。相干光通信技術(shù)的發(fā)展使得核心網(wǎng)中Tb/s的單通道傳輸速率已經(jīng)不是夢(mèng)想,而接入網(wǎng)的帶寬往往成為了限制用戶網(wǎng)速的瓶頸,所以如何用較低成本實(shí)現(xiàn)較高接入帶寬是接入網(wǎng)技術(shù)研究中一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。寬帶光/電混合接入系統(tǒng),由于其結(jié)合了光通信和電通信兩者的優(yōu)點(diǎn),更容易用低成本實(shí)現(xiàn)高速寬帶接入,成為了下一代寬帶接入技術(shù)的

2、有效解決方案之一。該系統(tǒng)有兩個(gè)典型代表,一個(gè)是光載無(wú)線接入(Radio over Fiber,RoF)系統(tǒng),另一個(gè)是光纖同軸混合接入系統(tǒng),即“無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(Passive Optical Network,PON)+以太網(wǎng)同軸接入(Ethernet over Coax, EoC)”架構(gòu)的接入系統(tǒng)。在RoF系統(tǒng)支持的所有頻段中,60 GHz毫米波通信由于其可用帶寬大且支持微蜂窩設(shè)計(jì)而得到了廣泛關(guān)注,所以基于60 GHz毫米波的RoF系統(tǒng)成為了

3、這兩年的研究熱點(diǎn)。光纖同軸混合接入系統(tǒng)則是在PON光纖到樓的基礎(chǔ)上,利用樓內(nèi)同軸電纜實(shí)現(xiàn)最后一百米的接入;由于光纖和同軸之間在樓頭可采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行連接,所以這兩種技術(shù)可以各自獨(dú)立發(fā)展。無(wú)論是RoF系統(tǒng),還是光纖同軸混合接入系統(tǒng),寬帶接入系統(tǒng)的核心訴求都是“高速率”、“多用戶”和“低成本”。正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技術(shù),由于其具有頻譜效率高、正交

4、子載波支持多址接入、快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)等通用模塊便于大規(guī)模集成等優(yōu)點(diǎn),與寬帶接入系統(tǒng)的核心訴求匹配,非常適用于寬帶接入系統(tǒng)。本文主要研究了基于OFDM的寬帶光/電混合接入系統(tǒng),并著重在60 GHz RoF接入系統(tǒng),PON接入系統(tǒng)和高性能同軸電纜接入系統(tǒng)(High Performance Network over Coax, HINOC)三個(gè)方面進(jìn)行深入探討。主要的研究工作如下:

5、　　(1)基于OFDM的60 GHz毫米波光載無(wú)線接入系統(tǒng)
　　在原有基于注入鎖模激光器實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制的60 GHz毫米波光載無(wú)線系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,本論文將OFDM調(diào)制與之相結(jié)合,利用OFDM頻譜效率高、能傳輸多進(jìn)制調(diào)制格式的特點(diǎn),提升系統(tǒng)傳輸速率,完成了下行4.3 Gb/s16QAM或者3.2 Gb/s64QAM OFDM調(diào)制、上行2.5 Gb/s非歸零碼(NRZ)調(diào)制的雙向60 GHz RoF系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。針對(duì)原有系統(tǒng)較難支持多址接

6、入的問(wèn)題,本論文借鑒無(wú)線通信體制,在毫米波RoF領(lǐng)域引入下行正交分頻多址(OFDMA)和上行單載波頻分多址(SC-FDMA)的概念來(lái)支持多用戶業(yè)務(wù)。同時(shí)本論文還完成了下行9.65 Gb/s16QAM OFDMA、上行5 Gb/s QPSK SC-FDMA的雙向60 GHz RoF系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該方案的可行性;并指出利用單邊帶調(diào)制光外差信號(hào)中調(diào)制度較弱的縱模完全可以作為模擬信號(hào)調(diào)制的上行光源,其鏈路的上下行串?dāng)_可以忽略。針對(duì)注入鎖模結(jié)構(gòu)

7、的成本問(wèn)題,本論文將原有結(jié)構(gòu)中的環(huán)行器替換成耦合器,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性,從而為未來(lái)實(shí)用化打下基礎(chǔ)。
　　(2)基于OFDM的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)
　　針對(duì)原有正交頻分多址無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(OFDMA-PON)中由于OFDM信號(hào)峰均比大而導(dǎo)致對(duì)系統(tǒng)線性度要求高的問(wèn)題,本論文提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于單載波頻分多址(SC-FDMA)技術(shù)的PON接入系統(tǒng),即 SCFDMA-PON,從而在降低對(duì)系統(tǒng)線性度要求的同時(shí),保持了資源分配的靈活性。針

8、對(duì)原有時(shí)分復(fù)用 PON( TDM-PON)中所面臨的時(shí)延抖動(dòng)敏感問(wèn)題,本文提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證OFDM/SC-FDMA技術(shù)中的循環(huán)前綴可以提升PON系統(tǒng)對(duì)時(shí)延抖動(dòng)的容忍性;在循環(huán)前綴的保護(hù)下,SCFDMA-PON可以允許的最大時(shí)延抖動(dòng)恰好為循環(huán)前綴的時(shí)間長(zhǎng)度。針對(duì)強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測(cè) OFDMA-PON上行難以實(shí)現(xiàn)無(wú)色性的問(wèn)題,本論文提出了采用低成本、波長(zhǎng)可控、1550 nm的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)作為上行光源的設(shè)想,并通過(guò)30 Gb

9、/s OFDM強(qiáng)度調(diào)制實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了初步驗(yàn)證。
　　(3)基于OFDM的高性能同軸電纜接入(HINOC)技術(shù)
　　為了推動(dòng)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的HINOC標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程,本論文在HINOC系統(tǒng)樣機(jī)硬件體系結(jié)構(gòu)、物理層硬件實(shí)現(xiàn)、FPGA原型樣機(jī)和基帶芯片等方面上進(jìn)行了研究。根據(jù)HINOC的應(yīng)用場(chǎng)景,本論文對(duì)HINOC系統(tǒng)樣機(jī)的硬件體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并確定以“低成本CPU+MAC層硬件協(xié)處理器+物理層信號(hào)處理”作為主功能模塊的