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伴随着人类社会迈进高级信息化时代,视频会议、远程医疗、网络教学、三维显示、增强现实和超高清/蓝光电视等全新超宽带多媒体业务的飞速发展以及移动视频直播、网上购物、宽带游戏、云服务、导航定位、电子银行等依托高速无线终端的移动应用平台的不断涌现,使人类社会对信息传输带宽的需求以惊人的速度增长,进而导致有线和无线接入网的通信容量迅猛增加。同时,随着智慧城市的快速建设与发展,人们对网络的依赖性也越来越大,希望在任何时间、任何地点(固定和移动位置)都能与泛在网络相连,从而对网络接入方式的灵活选择性提出了更高的要求。光纤有线接入通信利用光纤的大带宽、低损耗等特点实现了承载高速率的光载毫米波信号的长距离传输。当前基于光纤接入的无源光网络(Passive Optical Network, PON)已成为解决光网络瓶颈的主要方案,也是解决“最后一公里”接入问题的有效方法之一。它能够提供巨大的带宽资源来满足当今及将来各种超宽带新业务的需求,但其灵活性严重受光纤链路铺设的限制。而无线接入通信能够实现灵活方便的接入,满足终端用户对接入方式多样化的需求。但目前无线接入通信的传输速率远小于光纤接入通信,如长期演进(LTE)和全球微波互联(WiMax),并且这些窄带无线接入通信所用的低频段频谱已相当拥塞。因此结合了光纤有线接入通信和无线接入通信特点的光载射频(Radio over Fiber, RoF)技术应运而生。它一方面使光纤有线接入通信和无线接入通信在网络分布上表现出兼容性,即利用光纤分布网络传输光信号;另一方面又进一步促进了两者的融合。在未来的宽带接入网中光纤有线接入通信和无线接入通信都将发挥着巨大作用,两者优势互补,相辅相成,协同满足人们对通信业务持续增长的带宽、传输速率和接入方式灵活选择性的需求。基于波分复用-无源光网络(Wavelength Division Multiplexing-Passive Optical Network,WDM-PON)的光纤有线接入网与基于RoF的无线接入网融合的混合光接入网兼具光纤通信低损耗、大带宽和无线通信灵活方便接入等优势,不仅能够通过有线和无线接入网在网络层的融合简化网络结构,而且能够满足人们对通信新业务的带宽、速率及接入方式的需求,正在受到越来越多的关注与研究。本论文针对于WDM-PON的有线接入网和RoF的无线接入网的网络架构以及有线接入网中传输的基带光信号和无线接入网中传输的光载毫米波信号的频谱特性,深入研究基于PON与RoF融合的宽带有线或无线选择性接入网中所需解决的若干关键技术,为实际融合接入网的架构设计和实用化提供重要参考。本论文主要创新工作概括如下:(一)实现有线或无线选择性接入的网络架构在分析基带光信号与光载毫米波信号的时频特性基础上,提出信号融合思想,即:PON接入的基带光信号与RoF接入的光载毫米波信号融合成格式统一的光信号,实现有线和无线接入网的深度融合。(1)提出一种基于同/外差探测的全双工有线或无线选择性接入系统。由于该系统传输的融合光信号采用光纤有线接入网中的基带光信号的频谱结构,因此它的频谱结构比较简单,大幅提高了频谱利用率。同时,混合光网络单元(Hybrid Optical Network Unit, HONU)利用可调谐激光器提供同/外差探测的本振光和上行链路光载波,实现了下行矢量信号的有线或无线选择性接入和全双工传输。(2)在对(1)改进的基础上,提出一种基于单边带调制实现差分四相移相键控(Differential Quaternary Phase-shift Keying, DQPSK )信号的全双工有线或无线选择性接入系统。该系统采用单边带(Single Sideband,SSB)调制格式,有效地减少了毫米波(Millimeter Wave,MMW)受光纤色散的影响,增大了光纤传输距离;并且由于下行光信号中的空载波作为上行链路光载波,因此它的HONU就无需像(1)一样提供额外的激光源,有效地简化了 HONU的结构、降低了系统成本。(3)在对基于马赫增德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator,MZM)的倍频技术的研究基础上,提出一种基于光学倍频(Optical Frequency Multiplication, OFM)的全双工混合 PON/RoF 接入系统,实现数据信息在HONU的有线或无线选择性接入。在该系统的有线接入方式下,通过拍频产生一个20GHz的射频(Radio Frequency, RF)本振和一个20GHz的四进制正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation, 4QAM)射频信号,前者作为后者的本振对后者进行电域相干解调,实现有线接入;同时20GHz的射频本振也可作为无线接入上行射频信号的本振,对其进行下变换,降低系统对上行链路调制器带宽的要求。(4)在对直接探测正交频分复用(Direct Detection-Orthogonal Frequency Division Multiplexing, DD-OFDM)系统的研究基础上,提出一种基于直接探测光OFDM信号实现双向有线或毫米波无线选择性接入系统。该系统的重要特征是:在HONU通过直接探测得到的射频本振与下行无线接入RF-OFDM信号一同发射至无线用户终端,然后基于功率探测,射频本振把下行RF-OFDM信号下变换为中频(Intermediate Frequency, IF) OFDM信号;同时射频本振也作为无线接入上行链路的射频载波,这样在无线用户终端就不需要提供额外的射频本振源,有效地简化了无线用户终端的结构。(5)在对二进制移相键控(Binary Phase-shift Keying,BPSK)信号相位信息周期性和光相位调制器(Optical Phase Modulator, OPM)调制特性的研究基础上,提出一种基于OPM的双向有线或无线选择性接入系统。该系统的不同之处在于:用于产生下行光信号的网络结构简单,所用光学器件较少。在该系统中光链路终端(Optical Line Terminal, OLT)仅利用一个OPM并结合一个光带通滤波器(Optical Band-pass Filter, OBPF)就能产生包含四个光边带且只有一个携带下行BPSK信号的光载毫米波信号;且HONU仅利用一个光电探测器(Photodiode,PD)就能同时产生下行有线和无线接入电信号。(二)多频带无线接入方法(6)提出一种基于S SB和抑制光载波(Optical Carrier Suppression,OCS)调制技术实现多频带接入的RoF系统。该系统在基站(Base Station, BS)通过两个光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)提取由不同光频成分构成的SSB光载毫米波信号,经光电探测产生不同频率的电毫米波信号,实现BS的多频带无线选择性接入。由于下行光信号包含的多个光频成分中有且仅有一个被数据调制,所以能够有效地减少光纤色散对产生的多个电毫米波信号的影响,同时能够简化下行光载毫米波信号的频谱结构。