近年来我国科技发展迅速,高清视频、虚拟现实以及物联网等各种高新网络应用和技术层出不穷,极大的改善了网民的生活体验,基本上实现了万物互联的智能时代。思科白皮书预测在最近五年内,IP网络中的设备数量将飞速增长,达到地球总人口的三倍以上。据统计,截止2019年十月底,我国光纤接入(FTTH/O)用户已达4.16亿户,占固定互联网宽带用户总数的92%。随着宽带服务向高速率迁移,3.7亿固定互联网宽带用户能够实现100Mbps及以上接入速率,占总用户数的81.8%。宽带无源光网络作为连接骨干网和用户侧的桥梁,需要提供更大的系统容量、更高的传输带宽和信号质量,以及更低延时的灵活资源调度算法,从而满足日益增长的网络用户数量和各式各样的网络业务。随着网络规模的不断扩展,无源光网络的高能耗问题愈加突出。实现宽带无源光网络的大容量、高节能以及低延时性能,将是首先被考虑到的关键技术,在全球范围内引起了广大企业和学者的研究。星座成形作为一种数字信号处理技术,能够提升系统传输容量,改善信号传输质量,在光接入网中得到了热门的研究和应用。软件定义网络作为一种全新的组网方式,可以对无源光网络进行集中管理,实现资源的按需分配,从而为日益复杂的网络架构提供高效的节能规划。同时,用户需求的多样化和网络业务的细颗粒度和低延时需求将成为制约网络高效运行的重要因素。因此有必要对动态带宽分配算法进行研究,最优化地实现网络带宽资源的调度,从而避免频繁的阻塞丢包和降低数据包在无源光网络中的传输时延。本论文在研究大容量宽带无源光网络的基础上,重点研究了网络传输容量的提升方案,通过结合星座成形中的几何成形和概率成形技术,对误比特率、光信噪比、接收机灵敏度等系统性能进行改善,有效提高了系统的传输容量。将软件定义网络的策略应用到无源光网络的控制层面,实现了网络的集中管理和传输波长的灵活调度,大大降低了系统的能耗。充分考虑无源光网络的应用场景和特定流量特征,实现了网络资源的动态灵活调度,对不同优先级用户带宽进行有效公平的自适应管理,实现了网络利用率的最优化,提高了网络的数据吞吐量,为业务数据流的低时延性能需求提供良好的传输平台。论文的主要研究工作和创新点如下:1.基于符号级标签和菱形调制的PS-WDM-PON扩容传输方案在研究WDM-PON与星座成形数字信号处理技术的基础上,提出了一种基于符号级标签和菱形调制的PS-WDM-PON扩容传输方案。该方案通过增加低能量值信号点的发射概率,使得星座图的能量集中度有了极大的提高,降低了对信号发射功率的要求,提高了系统的误比特率性能。实验研究表明:在25公里PON的实验系统中,当误码率门限值为1*10-3时,16-9 CAP的概率成形信号相比于传统的16-CAP信号有了 2dB的光接收机灵敏度的改善,有效的提升了系统的传输容量和信号质量。2.基于星座结构优化的IM/DD OFDM-PON扩容传输方案在研究OFDM-PON的基础上,提出了一种基于星座结构优化的IM/DD OFDM-PON扩容传输方案。通过对星座图中不同环上信号点的几何位置设计,信号点能够更加向内部汇聚,实现了星座品质因子的最大化。同时,优化星座中信号点概率分布模式,使得信号平均功率得到降低。通过系统平台的搭建和数字信号处理技术的应用,实现了 PON中不同符号速率和信息熵下的传输实验验证。实验研究表明:与传统的调制方案相比较,光接收机灵敏度在1*10-3的误比特率条件下有了 1.5 dB的提升,有效降低了系统发射功率。此方案所具有的低功耗、经济实现以及低计算复杂度等优势使得接入网中的各种应用场景能够在低成本下得到较大的传输容量和较高的信号质量。3.高节能效率的SD-TWDM-PON方案在研究SDN基本理论和应用的基础上,提出了一种具有高节能效率的SD-TWDM-PON架构,动态对各种网络资源进行自适应地调度和供应,使得在光线路终端和光网络单元中可以实现流水线式的操作管理。根据网络负载情况,在节能性、链路速率、时隙分配和QoS性能之间动态实时进行权衡和裁决,实现接入网的全局性持续稳定高效运行。仿真研究表明:与传统无节能机制的光接入网相比较,该架构能够在保证QoS要求的情况下,降低多达75%的光线路终端收发机能耗。此外,该方案还能在确保平均包时延、抖动和数据吞吐量等性能的要求下,通过合理的链路速率和光收发机配置,实现高节能SD-TWDM-PON的持续高效运行。4.TWDM-PON的低时延动态带宽分配方案针对无源光网络的高效网络性能,提出了一种基于QoS的低时延TWDM-PON动态带宽分配算法。通过对高优先级业务优化带宽分配,并结合轮询和用户预留机制,实现了高负载率下多达16%的网络利用率提升和35%的平均数据包时延降低。提出了一种基于改进型随机早期检测的自适应资源调度方案,通过对转发队列的门限值进行灵活调整,实时动态地降低了时延敏感性业务的阻塞率,确保了突发性流量能够得到有效公平的带宽分配。仿真研究表明:与传统网络相比,数据总吞吐量提升了 12%,网络数据包时延降低了多达33%,很好满足了物联网时代对光接入网中业务低时延性能的迫切需求。