基于光OFDM技術(shù)的光纖通信探討

基于光OFDM技術(shù)的光纖通信探討講解人：齊尚彬鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院目錄索引光纖通信概述1OFDM技術(shù)介紹2光OFDM通信系統(tǒng)的發(fā)展3光OFDM系統(tǒng)的缺陷4未來的OFDM技術(shù)5鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院第一章光纖通信概述及發(fā)展趨勢光纖通信發(fā)展史光纖通信基本構(gòu)成光纖通信向大容量、寬帶化發(fā)展WDM的發(fā)展與OFDM技術(shù)鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院光纖通信發(fā)展史80年代一項(xiàng)最重要的技術(shù)發(fā)展是光纖通信成為一個主要的國際性產(chǎn)業(yè)。用光纖敷設(shè)的總長度可以表明其發(fā)展的程度。據(jù)估計(jì)，截止2001年底，全世界敷設(shè)的光纖總長度就達(dá)3.81億英里。1955年，英國科學(xué)家卡帕尼，發(fā)明了玻璃光導(dǎo)纖維。1960年被稱為光纖之父的華人高錕等人首先提出了用低吸收的光纖做光通信。1970年，美國的柯林公司做出了每公里20分貝的低損耗光纖，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功室溫連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的半導(dǎo)體激光器，這奠定了光纖通信的基礎(chǔ)。七八年以后，美國在芝加哥市首先開辟了第一條光纖通信線路。再過10年左右，1.55微米波長的光纖損耗率低到0.2個分貝每公里，這樣低的損耗就可以傳輸很遠(yuǎn)。在同年，英國的南安普敦大學(xué)，發(fā)明了摻鉺光纖放大器。1989年美國首次進(jìn)行了波分復(fù)用的光通信實(shí)驗(yàn)，是四個頻道的，四個通道。1998年，美國實(shí)現(xiàn)了密集波分復(fù)用的長途光通信，它的傳輸速率達(dá)到每秒一個太比特，從此，我們就進(jìn)入了這樣一個高速的時代，太比特的時代。中國光通信的歷史是在20世紀(jì)80年代的上海首先鋪設(shè)了一條1.8公里的數(shù)字光通信線路。20世紀(jì)80年代投資的武漢郵電研究院，研制光纖的器件和光纖本身，現(xiàn)在也成為光纖器件的一個最大的研究單位。1995年到1998年，上海交大完成了九五項(xiàng)目，四個節(jié)點(diǎn)的全光城域網(wǎng)、實(shí)驗(yàn)網(wǎng)。20世紀(jì)90年代起，全國各地都普遍鋪設(shè)和使用單路的光纖通信線路，截止到2004年底，全國敷設(shè)光纖總長度已超過350萬公里。2000年底中國網(wǎng)通公司建成了3400公里的波分復(fù)用的光纖通信網(wǎng)；2001年完成了863項(xiàng)目，中國高速示范網(wǎng)；2000年，國家自然科學(xué)基金資助了一個項(xiàng)目，中國高速互聯(lián)研究實(shí)驗(yàn)網(wǎng)?，F(xiàn)在，我們國內(nèi)有很多的公司可以批量生產(chǎn)光纖通信的系統(tǒng)和器件。鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院光纖通信發(fā)展史英國科學(xué)家卡帕尼發(fā)明玻璃光導(dǎo)纖維兩個人！光纖之父英籍華人高錕博士鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院光纖通信基本構(gòu)成光發(fā)信機(jī)光纖中繼器光無源器件光收信機(jī)光通信系統(tǒng)五大組成部分鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院向大容量寬帶化發(fā)展在世界網(wǎng)絡(luò)帶寬保持了50%-100%的年增長速率的同時，中國的干線業(yè)務(wù)量和帶寬需求的實(shí)際年增長率均超過了200%。根據(jù)美國跨大西洋Internet干線流量統(tǒng)計(jì)，中國近幾年國內(nèi)干線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量年增長260%。國際Internet帶寬能力年增長245%，五年累增大約100倍。傳統(tǒng)的光纖通信發(fā)展始終在按照電信號的時分復(fù)用（TDM）方式進(jìn)行，每當(dāng)傳輸速率提高4倍，傳輸每個比特的成本大約下降30%~40%，因而高比特率系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益大致按指數(shù)規(guī)律增長。單路波長的傳輸速率受限于集成電路材料的電子和空穴的遷移率；還受限于傳輸媒質(zhì)的色散和極化模色散；最后受限于系統(tǒng)的性能價格比。Lucent朗訊科技公司宣布實(shí)現(xiàn)了單信道160Gbit/s的傳輸速率，而目前商用系統(tǒng)從45Mb／s增加到10Gb／s，可以攜帶12萬條話路，其速率在20年時間里提高了2000倍，比同期的微電子技術(shù)的集成度增長速度還要快得多。高速系統(tǒng)的出現(xiàn)增加了業(yè)務(wù)傳輸容量，而且也為各種各樣的新業(yè)務(wù)，特別是寬帶業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)提供了實(shí)現(xiàn)的可能。目前，10Gbit/s系統(tǒng)已大批量裝備網(wǎng)絡(luò)，40Gbit/s系統(tǒng)已經(jīng)商品化進(jìn)入實(shí)用階段。從網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用看，帶10Gbit/s接口的路由器已經(jīng)大量應(yīng)用，帶40Gbit/s接口的路由器也已經(jīng)進(jìn)入大量應(yīng)用階段，為了提高核心網(wǎng)的效率和功能，核心網(wǎng)的單波長速率向40Gbit/s發(fā)展是合乎邏輯的。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，新業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，特別是IP業(yè)務(wù)的迅猛崛起，導(dǎo)致全球信息量呈級數(shù)增長，通信業(yè)務(wù)由傳統(tǒng)單一的電話業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向高速IP數(shù)據(jù)和多媒體為代表的寬帶業(yè)務(wù)，對通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬和容量提出了越來越高的要求。光纖存在巨大的頻帶資源和優(yōu)異的傳輸性能，是實(shí)現(xiàn)高速、大容量傳輸?shù)淖罾硐氲膫鬏斆劫|(zhì)，進(jìn)一步擴(kuò)容傳輸系統(tǒng)、降低每比特傳輸成本的唯一出路就是轉(zhuǎn)向使用光的復(fù)用技術(shù)。

鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院DWDM與OFDM技術(shù)光通信系統(tǒng)DWDM技術(shù)：其實(shí)質(zhì)就是在光纖上進(jìn)行光OFDM時分復(fù)用波分復(fù)用空分復(fù)用空分復(fù)用頻分復(fù)用鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院第二章OFDM技術(shù)簡介正交頻分復(fù)用（Orthogonalfrequencydivisionmultiplexing,OFDM）是一種多載波調(diào)制技術(shù)，其基本原理是利用數(shù)字信號處理進(jìn)行傅立葉反變（IFFT），產(chǎn)生一組正交的子載波用于低速率數(shù)字信號的并行傳輸，從而完成高速數(shù)字信號的傳輸任務(wù)。這一過程最突出的優(yōu)點(diǎn)在于提高了系統(tǒng)的頻譜利用率，同時降低了計(jì)算的復(fù)雜性。光纖通信基本構(gòu)成隨著通信技術(shù)的發(fā)展和對通信要求的不斷提高，光通信表現(xiàn)出兩個明顯的發(fā)展趨勢：單信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率大大增加，趨近于100Gb/s；網(wǎng)絡(luò)必須具備很快的動態(tài)調(diào)整能力。但當(dāng)數(shù)據(jù)速率達(dá)到100Gb/s時，傳統(tǒng)的光纖分段補(bǔ)償變得昂貴而耗時，對系統(tǒng)色散的補(bǔ)償很難準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)，而OFDM由于具備良好的計(jì)算特性，通過在頻域的復(fù)數(shù)運(yùn)算，可以方便的對光纖色散進(jìn)行補(bǔ)償，因此人們考慮將OFDM技術(shù)用于光通信，即光正交頻分復(fù)用技術(shù)（OpticalOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,O-OFDM）。對O-OFDM研究的報道最早見于2006年，Armstrong等人發(fā)表了利用OFDM技術(shù)對光纖色散進(jìn)行補(bǔ)償?shù)恼撐?，文中證明利用光單邊帶調(diào)制O-OFDM可將10Gb/s信號在單模光纖中傳輸4000km（無光色散補(bǔ)償）。近來，O-OFDM技術(shù)獲得迅猛發(fā)展。雖然O-OFDM技術(shù)擁有明顯的優(yōu)勢，但也有一些缺點(diǎn)，并帶來新的需要研究的問題。DM—ROF是多個子信道信號的疊加，因此如果多個信號的相位一致，所得到的疊加信號的瞬時功率就會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號的平均功率，導(dǎo)致出現(xiàn)較大的峰值平均功率比(PAPR)。這對發(fā)射機(jī)的線性范圍提出了很高的要求，也容易引入信號失真和符號間干擾(ISI)，降低系統(tǒng)的信噪比(SNR)。鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院光OFDM技術(shù)OFDM技術(shù)原理O-OFDM系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)，發(fā)送端包括OFDM基帶發(fā)送、RF上變頻和光調(diào)制部分，接收端包括光探測、RF下變頻和OFDM基帶接收部分。在發(fā)送端，輸入二進(jìn)制串行數(shù)字信號通過串/并變換（S/P）分為N

路并行數(shù)據(jù)，對每路數(shù)據(jù)采用M

進(jìn)制PSK或QAM方法進(jìn)行調(diào)制，并利用星座圖將所得信號映射（mapping）為對應(yīng)的復(fù)數(shù)，再對復(fù)數(shù)作快速傅立葉反變換（IFFT）得到N

個并行載波，通過并/串轉(zhuǎn)換（P/S）將N個并行載波變?yōu)榇胁⒆鳛橐粋€

OFDM

符號，在每個符號前加入循環(huán)前綴CP（cyclicprefix），再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）變?yōu)镺FDM基帶模擬信號，將基帶信號依次調(diào)制到RF載頻和光載波之后進(jìn)入單模光纖傳輸。接收端信號處理基本是發(fā)送端的逆過程：探測器（PD）從接收到的光信號上檢測出RF信號，從RF信號上解調(diào)出OFDM基帶模擬信號,經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC），移除循環(huán)前綴(CPremove)并作串/并變換，再作快速傅立葉變換（FFT）；在FFT輸出端對每路復(fù)數(shù)信號進(jìn)行頻域均衡，均衡后的信號映射為M

進(jìn)制PSK或QAM星座點(diǎn)并作對應(yīng)方式的解調(diào)（demapping），得到的并行數(shù)據(jù)作并/串變換后恢復(fù)成二進(jìn)制串行數(shù)據(jù)。鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院光OFDM技術(shù)鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院光OFDM技術(shù)鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院光OFDM技術(shù)鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院光OFDM技術(shù)鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院光OFDM技術(shù)光OFDM技術(shù)也有不足的??！鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院光OFDM技術(shù)峰均比PAPR（peak-to-averagepowerratio）過高的問題。由于OFDM的信號包含很多個正交的子載波，而這些載波相位相同時的疊加將會出現(xiàn)瞬時很高的峰值，這將遠(yuǎn)大于信號的平均功率。這時就要求發(fā)射機(jī)功率放大器必須具有很大的動態(tài)范圍，否則會引起輸出信號的非線性失真，導(dǎo)致OFDM信號的頻譜發(fā)生變化，破壞子載波間的正交性，出現(xiàn)子載波間干擾ICI(inter-carrierinterference)。

鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院第三章光纖OFDM通信系統(tǒng)的發(fā)展單模光纖OFDM通信系統(tǒng)多模光纖OFDM通信系統(tǒng)OFDM-PON在接入網(wǎng)中應(yīng)用鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院單模光纖OFDM通信系統(tǒng)鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院多模光纖OFDM通信系統(tǒng)多模光纖芯徑面積大，可允許更多的光功率進(jìn)入光纖傳輸，而不會產(chǎn)生嚴(yán)重的光纖非線性；從基礎(chǔ)信息理論可知，模式越多，容量越大，采用多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)可擴(kuò)大系統(tǒng)的傳輸容量；因?yàn)槎嗄９饫w芯徑面積大，所以與光源的耦合容易，耦合效率也高。這就是為什么要在10Gb/s如此高速的系統(tǒng)中還期望使用多模光纖的原因。多模光纖已廣泛應(yīng)用于速率為10Gb/s以下的局域網(wǎng)（LAN）與光互連。因?yàn)镺FDM將高速數(shù)據(jù)流分解成許多低速子數(shù)據(jù)流，利用頻域相互正交且部分重疊的互不干擾的多個副載波同時在信道中傳輸，所以可以克服多模光纖模式色散的影響，從而提高信號速率并延長傳輸距離。E.Giacoumidis和J.M.Tong等人在2011年OFC會議上報道，在3dB有效帶寬僅150MHzkm的多模光纖上，使19.375Gb/s光快速OFDM信號傳輸500m。該系統(tǒng)有望將已安裝的多模光纖10Gb/s系統(tǒng)和以太骨干網(wǎng)的速率提升到19.375Gb/s。WilliamShieh2009年認(rèn)為，多模光纖傳輸相干光OFDM技術(shù)是通向未來1Tb/s以太網(wǎng)的道路，同時他也認(rèn)為，多模光纖長距離傳輸相干光OFDM信號有可能使單根光纖突破100Tb/s（OFC2009,OWW1）。鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院OFDM-PON在接入網(wǎng)中應(yīng)用

WDM-PON

OFDM-PONTDM-PON現(xiàn)行的EPON和GPON結(jié)構(gòu)需要復(fù)雜的調(diào)度算法和成幀技術(shù)，以便支持各種業(yè)務(wù)。這些TDM-PON對延遲敏感。WDM-PON的多波長可能要求多個收發(fā)機(jī)和陣列波導(dǎo)光柵（AWG）或光濾波器，以便分配波長給相應(yīng)的接收機(jī)，就增加了系統(tǒng)費(fèi)用和成本，另缺乏在不同業(yè)務(wù)間動態(tài)分配資源的靈活性O(shè)FDMA同時實(shí)現(xiàn)時域和頻域資源分配，透明地支持各種業(yè)務(wù)，動態(tài)地進(jìn)行帶寬分配。OFDM-PON可以與TDM-PON結(jié)合，提供附加的資源管理；在頻域PON可以提供精細(xì)的信道調(diào)度。鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院OFDM-PON在接入網(wǎng)中應(yīng)用鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院OFDM-PON在接入網(wǎng)中應(yīng)用混合使用OFDM