支持無線前傳無源光網(wǎng)絡(luò)的光纖非線性損傷研究.pdf

1、伴隨著超高清視頻電視、智能手持終端設(shè)備、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、云計(jì)算等新型業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，固網(wǎng)和移動(dòng)接入的數(shù)據(jù)流量正分別以復(fù)合年均增長(zhǎng)率（CAGR，Compound Annual Growth Rate)50％和57%的速度持續(xù)增長(zhǎng)中。據(jù)Cisco公司預(yù)測(cè)，到2019年全球每月總移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將達(dá)到24.3艾字節(jié)（EB，Exabyte)，幾乎相當(dāng)于2014年每月總移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的十倍。為了解決這一數(shù)據(jù)流量的急劇增長(zhǎng)，國(guó)際電信聯(lián)盟和IE E E標(biāo)準(zhǔn)化組織都

2、開始了基于波分復(fù)用技術(shù)的下一代40-Gb/s和100-Gb/s無源光網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。與此同時(shí)，以1-Gb/s用戶體驗(yàn)速率、毫秒級(jí)端到端時(shí)延以及超高連接數(shù)和流量密度為目標(biāo)的第五代移動(dòng)通信（5G)也開始受到越來越多的關(guān)注。然而，隨著無線接入速率的不斷提升，基站數(shù)量、數(shù)據(jù)回傳容量、及基站維護(hù)和運(yùn)營(yíng)成本都將急劇增大；另一方面，基于射頻傳輸?shù)臒o線信號(hào)隨著速率的增加其傳輸距離也受到一定的限制。因此，借助于大容量的光纖通信，將靈活的移動(dòng)接入和光纖進(jìn)

3、行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)寬帶靈活的信息接入，降低基站維護(hù)和運(yùn)營(yíng)成本，是未來光接入網(wǎng)的發(fā)展方向，即將固網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)“最后一公里”單纖雙向的全業(yè)務(wù)接入。在此背景上，中國(guó)移動(dòng)提出的云化無線接入網(wǎng)絡(luò)（C-RAN，Cloud Radio Access Network)正受到國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，它旨在通過新型的無線前傳技術(shù)來傳輸遠(yuǎn)端射頻單元（RRU，Remote Radio Unit)和基帶處理單元（BBU，Baseband Unit)之間

4、的數(shù)據(jù)。當(dāng)前，支持無線前傳無源光網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外主要研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量研究，但其系統(tǒng)中仍存在許多亟待解決的問題：1)在未來固網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)融合過程中，“最后一公里”的接入將采用單纖雙向來承載各種業(yè)務(wù)，包括固網(wǎng)接入的業(yè)務(wù)和移動(dòng)接入的業(yè)務(wù)。因此，在“最后一公里”接入光纖中，不同業(yè)務(wù)、不同波段的波長(zhǎng)將共存在同一根光纖中進(jìn)行傳輸。特別是隨著業(yè)務(wù)的不斷增多，以及速率的不斷提高，光纖中的波長(zhǎng)數(shù)量會(huì)急劇增加。因此，大量不同業(yè)務(wù)、不同波段波長(zhǎng)之間很容易由

5、于光纖的非線性效應(yīng)而相互作用，進(jìn)而影響信號(hào)的傳輸性能；2)在未來5G移動(dòng)通信中，無線基站的數(shù)量將會(huì)急劇增加，同時(shí)基站天線的數(shù)量也會(huì)越來越多。若采用數(shù)字信號(hào)的方式進(jìn)行無線前傳（fronthaul)，即對(duì)接收到的無線射頻信號(hào)直接進(jìn)行采樣量化編碼之后再進(jìn)行傳輸，將會(huì)導(dǎo)致基站數(shù)據(jù)前傳容量的急劇增大。此外，采用模擬技術(shù)進(jìn)行無線前傳也會(huì)受到光纖色散等不利因素的影響，特別是對(duì)于未來5G移動(dòng)通信的高頻傳輸，其影響更為嚴(yán)重。因此，如何采用低成本、大容量的

6、、可靠的傳輸方式來保證基站數(shù)據(jù)的前傳也是一個(gè)需要解決的重要問題；3)未來5G移動(dòng)通信中的多點(diǎn)協(xié)作、大規(guī)模天線等新技術(shù)要求多天線間能夠快速的協(xié)同通信，因而對(duì)傳輸鏈路的時(shí)延、抖動(dòng)、同步等提出了很高的要求。如何在高速無線前傳網(wǎng)絡(luò)中保證鏈路的時(shí)延、抖動(dòng)以及同步等也是急需解決的問題之一。針對(duì)未來固網(wǎng)接入和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)融合的光接入網(wǎng)，本論文主要在光纖非線性損傷上進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并提出了相應(yīng)的解決方案。本論文完成的具體工作如下：
　　1.無源光網(wǎng)

7、絡(luò)與無線前傳之間的受激拉曼非線性損傷
　　針對(duì)未來固網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)融合的光接入網(wǎng)，首先闡述了新型高速的固網(wǎng)接入方式，即時(shí)分波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（TWDM-PON，Time and wavelength division multiplexed passive optical network)，以及目前存在的兩種無線前傳方式：即分別基于模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的無線前傳，并指出基于數(shù)字無線前傳的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。其次，對(duì)下一代40-Gb/s速率

8、的時(shí)分波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字無線前傳共存系統(tǒng)中由受激拉曼引起的非線性損傷進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。開展的主要工作包括：
　　1)對(duì)時(shí)分波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字無線前傳混合傳輸光接入網(wǎng)系統(tǒng)中的受激拉曼非線性損傷進(jìn)行了理論與仿真研究，指出受激拉曼非線性損傷對(duì)數(shù)字無線前傳信號(hào)造成影響的兩種方式：額外的功率損耗和信號(hào)失真。并通過仿真定量分析了不同時(shí)分波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)波長(zhǎng)數(shù)情況下對(duì)無線前傳信號(hào)帶來的功率損耗情況。
　　2)通

9、過實(shí)驗(yàn)對(duì)受激拉曼引起的功率損耗和信號(hào)失真進(jìn)行了測(cè)量。由于低頻非線性拉曼串?dāng)_噪聲的影響，無線前傳信號(hào)眼圖會(huì)發(fā)生惡化，即上眼皮噪聲會(huì)增大，最終導(dǎo)致無線前傳信號(hào)接收靈敏度的惡化。
　　2.雙向多波長(zhǎng)傳輸下的功率損耗和串?dāng)_噪聲
　　在未來5G移動(dòng)通信中，由于大規(guī)模天線等新技術(shù)的使用，導(dǎo)致無線前傳容量的急劇增大，從而使得無線前傳波長(zhǎng)數(shù)變得越來越多。此外，“最后一公里”光纖將承載各種業(yè)務(wù)的信息傳輸，包括傳統(tǒng)光接入網(wǎng)業(yè)務(wù)RF-video、

10、GPON、XG-PON以及無線前傳業(yè)務(wù)。因此，對(duì)不同業(yè)務(wù)、不同波段多波長(zhǎng)之間由受激拉曼引起的功率損耗和串?dāng)_噪聲進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和仿真研究。開展的主要工作包括：
　　1)對(duì)不同業(yè)務(wù)、不同波段多波長(zhǎng)之間由受激拉曼引起的功率損耗和串?dāng)_噪聲進(jìn)行了詳細(xì)的分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。并從理論和實(shí)驗(yàn)上分析了受激拉曼散射的方向性對(duì)上下行無線前傳信號(hào)帶來的不同影響，為系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商在實(shí)際設(shè)計(jì)和研究固網(wǎng)與移動(dòng)接入融合的光接入網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)提供了一定的依據(jù)。
　　2)仿真分

11、析和驗(yàn)證了在大量無線前傳波長(zhǎng)存在時(shí)由受激拉曼帶來的功率消耗情況，并對(duì)不同光纖長(zhǎng)度下的功率消耗進(jìn)行了仿真。為將來固網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)融合光接入網(wǎng)中的波長(zhǎng)數(shù)極限提供了一定的參考。
　　3.非線性拉曼串?dāng)_噪聲抑制方法
　　針對(duì)下一代固網(wǎng)接入和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)融合的光接入網(wǎng)系統(tǒng)，處于不同波段的業(yè)務(wù)波長(zhǎng)會(huì)存在拉曼串?dāng)_噪聲的影響。本節(jié)首先介紹了拉曼串?dāng)_噪聲對(duì)傳統(tǒng)CATV視頻業(yè)務(wù)及數(shù)字業(yè)務(wù)等帶來的影響，并總結(jié)和分析了傳統(tǒng)的非線性拉曼串?dāng)_噪聲的抑制方法；

12、接著，提出了一種新穎的基于Dicode碼的拉曼串?dāng)_噪聲抑制方案；最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在支持無線前傳無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中拉曼串?dāng)_噪聲對(duì)傳統(tǒng)CATV視頻信號(hào)帶來的影響，并對(duì)Dicode碼抑制拉曼串?dāng)_噪聲方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了良好的抑制效果。開展的主要工作包括：
　　1)詳細(xì)分析了不同非線性拉曼串?dāng)_噪聲的抑制方法（例如8B10B、延遲編碼和新型的Dicode編碼方案等），并對(duì)各種編碼方案的非線性拉曼串?dāng)_噪聲抑制效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。