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近年来我国科技发展迅速,无论是云计算,人工智能还是大数据领域都需要海量的数据传输,对网络带宽的需求日趋增大。城域网是上连省骨干网,下接用户接入侧的关键部分,为了解决人们对带宽需求大增并不断冲击着城域网络的问题,仅仅依靠光纤到户的接入网是不够的,必须拓宽整条信息“高速公路”,让城域网同样提速,才能满足人们的需求。在2015年,我国电信业在传输和交换技术的整体迁移业已完成,这大大增加了网络传输数据的容量和速率,然而这些网络采用的还是自分组网络产生之初就存在的网络架构,随着网络中的各种新的需求增长和改变,现有的网络架构无法支持这些新需求。此外,传输速率的提高必然对编码的处理速度、硬件实现的复杂度和整体功耗提出更高的要求。例如,速率大于每秒10吉比特的光传输极易被色散、偏振模色散以及非线性效应等光纤损伤所影响,因此,在提高传输速率的同时,需要尽量抑制其他因素的负面影响,必须对光纤信道建模和前向纠错编码及相关技术展开研究。现有的光通信网络大多是采用固定数据速率,而其链路预算分析是针对最差的传输状况,这样做造成了系统资源利用得不充分,因此有必要对速率自适应进行研究,让发端可以动态地调整数据速率。本论文在研究高速城域光网络构架的基础上,重点研究了高速城域光网络中的光纤信道建模方案、速率自适应前向纠错编码及调制方案、基于极化码的前向纠错编码及调制方案,以满足高速大容量中短距离的传输需求,满足对光纤信道合理建模的需求,满足误比特率要求下的低复杂度低成本高编码增益的前向纠错编码调制方案的要求。论文的主要研究工作和创新点如下:1.基于光传送网技术的高速城域光网络研究在研究高速城域光网络体系架构和关键技术的基础上,建立了高速城域光网络的架构方案,该方案采用光传送网技术和波分复用技术,描述了高速城域光网络的构成和功能,并仿真分析了眼图,最大Q因子值,评估了最小误比特率等性能指标,研究结果表明,该方案能够实现单波每秒10吉比特,当有10个以上波长时,可实现接近零误码率的每秒100吉比特传输目标。2.基于高速城域网的光纤信道建模研究在研究光纤信道的传输特性以及标量非线性薛定谔方程的基础上,提出了改进的矢量形式的光脉冲传输方程,给出了矢量非线性薛定谔方程的数值解,在此基础上,建立了适用于高速城域网的基于波分复用的光纤信道模型,仿真研究了具有色散补偿的每秒10吉比特的开关键控信号百公里传输光纤系统、开关键控-不归零码信号百公里城域环网光纤系统以及无色散补偿的每秒10吉比特差分四相相移键控方案性能,研究结果表明,该方案能够很好地描述高速率中短距离的光纤信道,能够比较准确的预测误比特率性能。3.速率自适应前向编码及调制方案研究在研究速率自适应编码基础上,提出了基于分层编码的速率自适应前向纠错编码及调制方案,并与基于可变译码迭代次数的速率自适应前向纠错编码及调制方案,和基于非二进制码的速率自适应前向纠错编码及调制方案进行对比分析,仿真研究了不同调制格式、系统参数设置下三种方案的误码性能,研究结果表明,基于分层编码的方案在误比特率为1E-3时,实现了约7.3分贝的编码增益,比单一编码方案多1-2分贝,与传统的前向纠错方案相比,在合理的复杂度上具有较高的编码增益,并且具有多种速率适应能力,译码准确性高。4.基于极化码的前向纠错编码及调制方案研究在研究基于极化码的前向纠错编码及调制方案基础上,提出了极化码-网格编码调制方案(Polar-TCM),并与极化码-比特交织编码调制方案(Polar-BICM)、极化码-分层编码调制方案(Polar-MLCM)进行对比分析,仿真研究了不同光信噪比下,三种方案的误比特率性能,研究结果表明,Polar-TCM方案结合了极化码和TCM的优势,与Polar-MLCM 和 Polar-BICM 相比,克服了 Polar-MLCM 具有的时延高、复杂度高、以及错误传播的缺点,以及Polar-BICM具有的容量损耗的问题,具有较低的复杂度和较高的编码增益。