随着互联网+时代的来临,云计算、大数据、移动互联网以及物联网等新型应用层出不穷,推动了网络数据流量的爆炸式增长,这无疑给通信网络基础设施带来巨大的压力,尤其对信息高速公路“最后一公里”的宽带接入网的建设和发展提出了更加严峻的挑战。未来的宽带接入网需要为用户同时提供高速的有线接入和灵活的宽带无线接入服务。运营商希望利用现有的无源光网络(Passive Optical Network,PON)基础设施构建无线回程网络,使无线和有线业务共享相同的光缆资源,以降低网络投资成本和运营支出,提高全网资源利用率。此外,正交频分复用PON(Orthogonal Frequency Division Multiplexing PON,OFDM-PON)具有频谱效率高、资源分配灵活以及可为不同类型业务提供透明的传输通道等优势,为各种异质技术的融合接入提供了宝贵契机。因此,利用OFDM-PON统一承载各种有线和无线接入技术,使得光纤-无线(Fiber-Wireless,FiWi)接入网备受学术界和工业界的青睐。面向未来的FiWi接入网不仅需要为用户提供灵活多样的高速接入,而且需要满足不同类型业务差异化的服务需求,这给FiWi接入网从物理层传输到网络层资源调度都提出了更高的要求。目前,虽然已有部分文献研究了物理层传输优化机制,但相关研究大多关注点到点的大容量、长距离传输,对多点到点的上行传输研究不足,且无法满足不同等级用户的传输质量要求。尤其地,随着传输速率的进一步提升,色度色散引起的信号功率衰落将成为制约系统性能的关键因素。然而,现有的色散补偿方法成本高昂或实现复杂,且不能针对不同子信道的传输需求进行灵活有差别的补偿。此外,先前的资源分配研究大多考虑提高服务质量,面向绿色节能和生存性的子载波调度有待探索。同时,智慧城市、移动云计算等应用的推广促进了网络虚拟化技术的发展,但针对上述特定应用场景的虚拟网络嵌入(Virtual Network Embedding,VNE)机制却鲜有涉及。可见,FiWi接入网传输优化和资源调度机制研究尚处在起步阶段,还有较多关键问题有待解决。针对当前研究中存在的问题和挑战,本文分别从物理层传输性能优化机制、高效灵活的色散补偿方法、面向绿色节能和生存性的子载波调度以及针对特定应用场景的VNE机制这四个方面展开研究,提出多个新颖的研究思路与有效的解决方案。本文的主要内容和创新点可概述如下:(1)基于OFDM的FiWi接入网中传输优化机制研究。首先,研究了基于OFDM的强度调制直接检测(Intensity Modulation and Direct Detection,IMDD)PON系统的功率优化问题,提出了基于信道传递函数的自适应比特和功率分配方案,相比于传统的功率分配方案,本文所提方案在保证系统传输性能的情况下可以有效降低系统的发射功率。其次,针对OFDM信号的峰均功率比高和不同等级用户传输质量要求很难保证的问题,提出了基于离散傅里叶变换扩展的多带IMDD OFDM-PON系统,通过对每个带的调制格式和功率进行灵活分配,满足了不同用户传输质量需求。最后,考虑到IMDD OFDM-PON上行传输系统受到子载波混频干扰和光拍频干扰严重,提出了基于低密度奇偶校验码的OFDM-PON上行传输系统,改善了系统的传输性能。(2)基于数字正交滤波的FiWi接入网中色散补偿机制研究。首先,介绍了基于数字正交滤波的IMDD PON系统的工作原理,分析了不同数字正交滤波器参数对系统性能的影响,得到给定条件下的最优参数设计。其次,针对数字正交滤波IMDD PON系统受到色度色散引起的信道衰落问题,提出了利用自相位调制(Self-phase Modulation,SPM)效应进行色散补偿。为了验证SPM效应的有效性,推导了同时考虑到光纤的色度色散和SPM效应的理论传输模型。基于以上理论分析进行计算机仿真,分别探索了系统最大可实现传输容量和各子信道最大可实现传输容量。仿真结果表明,对于受到色度色散影响较为严重的信道,SPM可以提高其2倍的信号传输容量,自适应信道功率分配可以进一步提升其45%的信号传输容量。(3)FiWi接入网中面向绿色节能与生存性的子载波调度机制研究。首先,针对FiWi接入网生存性问题,提出了基于虚拟子载波调度的先应式分支光纤维护效率优化机制,以最小化维护批次且保证可接受的调度周期为目标,构建问题模型,理论分析该问题的可行解条件和下界值,设计新颖的虚拟子载波调度启发式算法来解决该问题。所提启发式算法得到的分支光纤维护批次可以达到理论推导的界值。其次,针对FiWi接入网能耗问题,提出了基于联合资源调度的节能机制,构建了虚拟子载波迁移的能耗模型,进行了问题描述和上界值分析,设计了基于灵活调制格式的节能型调度周期和虚拟子载波联合分配算法,最大化系统节省的能耗。本文设计算法性能好于基准算法,且其节能效果与上界值精确匹配。(4)FiWi接入网中虚拟网络嵌入机制研究。首先,为了支持移动云计算服务定向广告的应用,本文引入集成光纤城域接入网和泛在无线接入的FiWi架构,研究了该架构下位置推荐感知的VNE问题。提出了独立兴趣点和兴趣点轨迹推荐方案。为了最小化光路建立的能耗开销,进一步提出了位置推荐感知的启发式VNE算法。与基准方案相比,本文的设计方案可以降低38%的能耗同时提高20%的收益,且所提启发式方案的收益非常接近问题的上界值。其次,考虑到智慧城市建设高度依赖FiWi接入网,本文研究了 FiWi接入网中支持协作边缘计算的VNE问题。以最小化无线节点发射功率为目标,提出了图裁剪算法嵌入更多的虚拟网络到底层无线网状网中。对于无法嵌入到前端无线网状网的虚拟网络,利用后端PON进行协作处理,同时保证后端带宽资源消耗最小。与基准方案相比,所提方案可以有效降低总发射功率、提高VNE效率,以及降低后端带宽资源消耗。为了验证和评估本文所提出的系统和方案的性能,文中利用VPI、MATLAB以及C++等仿真软件搭建仿真平台。仿真结果表明,本文所提出的系统和方案在改善系统传输性能、提高光纤维护效率、节省功率消耗、增加网络收益和减少带宽消耗等方面具有显著优势。本文的研究成果为FiWi接入网的建设和发展提供了理论基础和技术保障。