随着社会信息化程度的不断提高,各种新兴业务,如交互式网络电视(IPTV)、高清晰度电视(HDTV)、大文件共享、云存储/云计算、社交网络、无线数据回传等不断涌现,网络终端用户对接入带宽的需求越来越高,现已部署的接入网系统已不能满足未来用户的需求。因此,国内外研究机构纷纷投入力量来研发低成本、高容量、长传输距离的下一代接入网系统,其中低成本的无源光网络(PON)被认为是最具发展前景的解决方案之一。在众多的下一代PON候选技术中,基于波长堆叠的PON系统因其具有多方面的优势而得到业界的广泛关注:1)后向兼容性好,可最大限度沿用现有系统的光纤分布式网络;2)充分利用现有PON系统中的成熟技术,可利用成熟的时分复用(TDM)、正交频分复用(OFDM)和波分复用(WDM)技术的优点,一定程度上降低系统升级成本;3)易于扩展,可简单通过增加波长通道的方法实现系统的升级和扩展;4)易于实现多粒度业务的接入以满足下一代接入网对全业务接入技术的要求。本论文针对波长堆叠的PON系统,主要研究波长堆叠的正交频分复用PON(SWDM-OFDM-PON)和波长堆叠的时分波分复用PON(即Time and Wavelength Division Multiplexing PON,TWDM-PON)的关键技术,具体完成了以下几个方面的工作:1.波长堆叠的TDM-PON系统结构的关键技术研究作为NG-PON2标准的TWDM-PON系统虽然已被广泛研究,但实际系统中,TWDM-PON系统技术的发展还存在以下挑战:1)波长可调的、低成本高速率发射机问题,以及随着上下行速率、传输距离的增加而引入的色散问题;2)长距离传输的系统功率预算问题。针对上述两个问题,本论文主要开展了以下两个方面的研究工作:1)提出了采用低成本、高调制速率、波长可调谐的分布反馈式(DFB)激光器作为上行无色发射机。对于DFB激光器与色散引起的信号畸变问题,本论文提出基于光纤延迟干涉仪的谱整形方案,并实验演示了基于光纤延迟干涉仪同时管理上行信号啁啾和解调下行信号差分相移键控(dpsk)信号的对称40gb/s的twdm-pon传输系统。此外,基于光纤延迟干涉仪的谱整形方案,在中兴通讯公司的测试机上得到了验证,并取得较好的效果;2)提出了基于温度可调谐dfb激光器作为双向发射机的对称40gb/s的twdm-pon系统技术方案,并针对发射机啁啾在pon系统传输问题进行了深入研究,通过在光线路终端部署一个光纤延迟干涉仪用于同时处理上下行信号啁啾与光纤色散相互作用产生的畸变问题。该方案降低了系统成本,提升了系统性能,在实现了长距离传输的同时获得了较高的功率预算。2.波长堆叠的ofdm-pon的关键算法研究在波长堆叠的ofdm-pon系统中,信号同步以及信道估计算法必不可少。但由于受系统噪声的影响,这两类算法往往很难实现精确的信号同步和准确的系统信道估计。同时,介质访问控制(mac)层资源调度算法也是pon系统实际应用的关键研究点。本论文理论分析了波长堆叠的ofdm-pon系统的噪声性能,并以此为基础提出以下几种新颖的算法:1)基于相关原理的符号定时同步算法:利用特别设计的训练序列及其ifft运算后强的序列相关特性,通过同步峰值来精确定位符号的初始位置。该算法易于实现,且能够较好地克服ofdm系统中普通同步算法的定位模糊的缺点。2)基于m序列的符号定时同步算法:针对波长堆叠的ofdm-pon系统噪声对符号定时同步的影响,提出利用m序列的强自相关特性及其对系统高斯噪声鲁棒性的特点,实现了精确的符号定时同步。与现有的光ofdm系统的符号定时同步算法相比,该算法具有较高的定时精度,适用于基于ofdm的pon系统。3)抗噪声的信道估计算法:针对ofdm-pon系统中信道估计算法的性能受制于高斯噪声的问题,提出了一种基于最小二乘法改进的信道估计算法。该算法采用平均操作的方式可以有效消除系统高斯噪声的影响,较好的估计出系统信道特性,从而补偿系统信号的畸变。此外,该算法实现简单,易于操作,性能优越。4)基于ofdm的pon的mac层资源分配:提出应用于ofdm-pon系统的联合子载波和时隙的资源分配方法。构建了ofdm-pon系统的资源调度数学模型,并针对该模型提出了两种有效的资源分配算法。通过仿真验证,本论文提出的算法在取得较好性能的同时有效地降低了计算复杂度。3.波长堆叠的OFDM-PON系统结构的关键技术研究与其他PON技术一样,要获得波长堆叠的OFDM-PON的实用化,如何在维持系统高性能的同时获得成本收益最大化是该PON系统发展的一个重要目标。为了实现该目标,波长堆叠的OFDM-PON还在高的功率预算、长的传输距离以及多速率传输等方面面临着挑战。本论文针对这几大挑战,在以下几个方面开展了研究工作:1)提出并实验验证了传输距离为100km的、对称40 Gb/s的波长堆叠的OFDM-PON系统方案。该方案系统结构简单,易于扩展,后向兼容性好,可以充分利用现有接入网光分布式网络,具有较高的可行性。同时,该方案充分利用OFDM技术的优点,可采用低带宽的光电器件实现高速率的系统传输,一定程度上节约了成本。2)在波长堆叠的OFDM-PON的基础上,利用数字信号处理技术处理OFDM信号的优点,提出了多速率共存、速率自适应的下行系统传输方案。该方案在不改变原有系统的硬件配置的基础上,通过改变OFDM信号的数据子载波数量或者傅里叶逆变换运算点数,可实现速率自适应的调节;此外,基于该方案中的多波长堆叠技术,可在不同波长上调制不同速率,从而实现多速率共存;该方案,结构简单,易于实现。3)提出并实验验证了基于交错正交幅度调制的(OQAM)的OFDM的波长堆叠的OFDM-PON下行系统传输方案。该方案充分利用OQAM-OFDM较强的抗符号间以及载波间干扰的能力,降低了对PON系统光电器件线性度的要求,从而节约接入网成本。此外,相比传统的OFDM和离散傅里叶变换扩展的正交频分复用(DFT-SOFDM)信号,该方案可以不用添加保护间隔,实现零开支,从而可提升PON系统的可实现性。