随着高带宽业务的不断发展,全球互联网流量需求与日俱增,这使得未来的光接入网络需要支持更大的数据容量、更高的频谱效率、更多的接入用户数以及更安全的数据传输。无源光网络技术凭借着成本低、服务范围广、接入带宽高等优点,是目前接入网中重要的发展方向。正交频分复用等多载波调制技术具有高频谱效率和抗色散的优势,以多载波调制为技术基础的无源光网络除了可以结合可用的正交物理维度,例如时隙、波长、模式、纤芯等,还可以进一步利用功率维度构建支持资源重复利用的非正交的光接入系统,从而有效提升接入网系统的频谱效率、数据容量以及接入数等重要性能。但是在实际应用中,正交频分复用技术因为存在高峰均功率比以及频率衰落等问题会恶化接入网的传输性能,因此在实现接入网升级的同时保证传输性能至关重要。此外,持续增长的数据容量和接入数也会导致接入网面临严峻的用户信息安全问题,通过在发射机端采用混沌加密技术对信息调制过程实施加密,可以有效保证接入网用户信息安全,但是如何实施低成本的用户密钥分发仍有待研究。本文的主要研究内容如下:(1)首先,本文研究了基于正交频分复用和波分复用的正交光接入系统,针对系统中存在的高峰均功率比以及用户信息安全问题,提出了一种基于混沌子集分区的选择性映射方法。通过利用一个三维数字混沌系统,在正交频分复用信号调制过程中同时实现峰均功率比的降低和数据加密,与传统的选择性映射方法相比,基于混沌子集分区的选择性映射方法可以为接入系统提供1.3 d B的峰均功率比增益和0.8 d B的误码率增益,并且提供了10的密钥空间,有效保证了用户信息安全。(2)此外,针对正交接入系统中资源无法被重新利用的问题,本文在少模光纤链路中提出了一种基于混沌功率复用的高安全非正交光接入方案。少模光纤链路为接入系统提供了额外的空间模式信道用于数据传输,并且有更强的非线性容忍度能够使系统有更高功率预算。混沌功率复用技术可以将多个频谱重叠的OFDM信号按不同的功率比实现复用,可以在不增加时频资源的情况下提高系统的频谱效率和接入用户数,同时混沌加密技术的引入也确保了使用串行干扰消除技术实施解码的过程中,高功率用户的信息不被泄露。提出的方案在5 km少模光纤链路中进行了实验验证,展示出了提升接入系统的频谱效率、接入数以及数据安全的潜力。同时,针对混沌系统中的密钥分发问题,提出了一种基于噪声掩盖的密钥随传方案。对于混沌系统中的十进制密钥,首先进行十进制到二进制的转换,随后经过数字化处理将二进制密钥信息调制为多载波信号,通过调整信号功率,将与信道噪声同量级的密钥信号与加密后的数据信号叠加后进行随路传输。通过提出的这种机制,即使系统的密钥不断更新,合法接收端也可以实现不间断的密钥认证和信号解密,具有不改变通信链路以及高密级强通信的优势。提出的方案在2 km七芯光纤中进行了124.4 Gb/s的高安全传输实验验证,证明了可以在没有较大误码率损伤的情况下实现低成本的密钥随路传输。(3)针对非正交接入系统的传输性能有待提升的问题,本文提出了一种基于正交啁啾复用技术的非正交光接入方案,正交啁啾复用技术能扩展信息并且均衡损伤到整个频谱上,与传统基于OFDM的非正交光接入方案相比,提出的方案凭借啁啾扩频的优势,可以增强功率复用信号整体的抗干扰能力。基于正交啁啾复用的非正交光接入方案在25km单模光纤链路中进行了实验演示,与基于OFDM和预编码OFDM的非正交光接入方案相比,所提方案中的高功率用户分别能获得1.3 d B和0.5 d B的接收灵敏度提升,低功率用户分别能获得1.4 d B和0.6 d B的接收灵敏度提升,证明了提出的方案可以有效提高非正交接入系统的传输性能。
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