光載無線通信技術的發展與應用前景

余建國　龔珉杰　張　明

摘要：光載無線通信技術結合光纖通信和無線移動通信的技術優勢，較好的解決了帶寬問題，靈活性問題和電磁干擾問題，其相關技術的研究已在國內外引起了廣泛關注。目前瓶頸問題是實用性低，成本較高。作者對此提出了光載無線多體制接入(RoFMA)的實現方案，提出用光時分復用、多體制復用與解復用技術降低接入成本。預示了光載無線多體制寬帶接入技術必然獲得較大規模發展和較好的市場前景。

關鍵詞：光載無線；拉遠基站；光纖直放站；多體制接入

光載無線(ROF)通信技術近幾年來成為通信技術中的研究熱點，世界光纖通信著名雜志《IEEEIOSA J，of Light wave Technology》、《IEEE J，of Photonie Techniques》、美國光電光纖通信展覽會(OFc)、歐洲光通信展覽會(ECOC)以及中國的光纖通信會議都經常開辟相關專題進行討論，美國國防部、中國自然基金重點項目、國家“863”等都發布了許多相關課題來開展深入研究。本文將在此基礎上進一步探討光載無線通信技術的發展趨勢和可能的應用；提出光載無線通信技術的一些可能的實現方案；分析光載無線通信的優勢和可能遇到的問題。

1光載無線通信技術的發展趨勢

隨著人們對帶寬和移動性的需求越來越高，無線電頻率資源越來越緊張，2G、3G、4G在原來頻率資源緊張的情況下不斷提出新的頻率要求，可是覆蓋性能好的低頻段已經用完，并且已占用的頻段還讓不出來。新一代的移動通信只能用新的、更寬的頻段。面對需求與供給的尖銳矛盾，光載無線通信技術就應運而生。

OFC 2008會議中網絡融合成為一個熱點話題，關于RoF技術的文章也有很多被收錄其中。與以往不同，這次收錄的RoF論文都趨向于對應用的研究，其中比較典型的方案和研究方向有：將正交頻分復用(OFDM)應用于RoF系統來增加頻譜利用率并減小碼間干擾；研究在上行傳輸時光波長再利用技術，從而去掉基站的光源：基于微波存取全球互通(WiMAX)技術或無線保真(WiFi)與RoF技術結合的研究；基于光分叉復用器(OADMs)的RoF系統環形網絡的研究；基于多模光纖和塑料光纖的RoF系統。

美國喬治亞理工大學的研究組對40G／60G射頻RoF系統作了大量的研究，并且搭建出了一套光無線傳輸系統，將DVD存儲的高清晰電視數據源調制到40G的微波上，然后經過調制到光載波上傳輸，經過探測接收并由天線發射，并在接收端將信號送給高清晰電視進行播放，得到很好的實驗效果。

同時，光載無線通信技術在產業界也表現出如下特點：無線拉遠單元(RRU)與基帶拉遠單元(BBU)分別承擔基站的射頻處理部分和基帶處理部分，各自獨立安裝、分開放置，通過電接口或光接口相連接即：BBU+RRU。在TD-SCDMA系統中該方案可以由3根光纜代替傳統基站所需的20多根饋線，極大地簡化了基站的安裝施工。

BBU能夠實現平滑擴展和靈活配置，能夠全面支持高速下行分組接入(HSDPA)、多媒體寬帶多播業務(MBMS)和高速上行分組接人(HSUPA)等，采取異步傳輸模式(ATM)／互聯網協議(IP)雙傳輸協議棧，確保現有網絡平滑向全IP網絡過渡。設備支持從現有網絡向LTE平滑演進。RRU能夠針對運營商的不同需求、不同網絡環境提供無線接入網絡的解決方案，滿足城市、郊區、農村、高速公路、鐵路、熱點地區等的無線覆蓋的要求。RRU體積小、重量輕、可安裝于水泥桿、拉線塔或建筑物的墻體上，無需專用鐵塔。RRU可支持不連續頻段雙載波，上下行頻段跨度可達100 MHz，這意味著今后擁有傳統頻分雙工(FDD)頻段的運營商建網所必須的RRU、天線、鐵塔等設備和配套設施可以減少一半，將極大降低運營商的建設和運營成本，保護了運營商投資，同時也使得網絡工程建設變得更加靈活簡便。RRU支持數字化、無風扇、低成本大功率功率放大器(PA)設計。

光載無線通信技術支持發射分集，多級RRU級聯，每扇區從一小區擴容到兩小區只需改變配置數據，擴容到三小區或者四小區無需額外的合路器和天饋設備。

總的來說，目前國際范圍的光載無線的研究開發的發展趨勢呈現如下特點：

·光載無線的無線電頻率正在由低頻向高頻、毫米波方向發展。載無線通信的載波方式電正在南單體制向多體制、多用戶方向發展。

·光載無線通信的研究層面也正在從網絡向著系統和器件的方向發展。

·光載無線通信的研究范圍也正在從理論研究向系統開發和業務應用的方向發展。

·光載無線通信的產品開發方向也正在從基帶拉遠向中頻拉遠和射頻拉遠的方向發展。

·光載無線通信的接口標準也正在由CPRI接口向OBSAI接口和開放的實際應用的標準接口方向發展。

·光載無線通信的理論模型的研究也由室外信息模型向室內覆蓋模型的方向發展。

2光載無線通信的實現方案

光載無線通信技術是光纖通信和無線移動通信的交叉科學，是通信技術發展到一定階段的新領域。針對不同的應用需求和技術水平，我們提出和采用如下幾種應用方案：以直放站為基礎的多體制共用無線室內覆蓋系統，如圖1所示；采用拉遠基站加宏基站的方式實現信號盲區的覆蓋，如網2所示；光載無線多體制接入(RoFMA)的方式，如圖3所示。

從圖1可知從CSM、PHS、3C基站用天線接收的無線信號可以用光纖或近距離直接用電纜傳輸到多體制合路器，經功率分配器后由室內天線發射。如果信號傳輸功率損耗較大也可以在合路前加功率放大器這種無線覆蓋的方式結構簡單、成本低，仙南于采用天線接收基站信號在室內放大和分配，容易造成室內與窀外基站信號干擾、尤其在3G時代，隨著信號帶寬和載波頻率不斷提高，直放站信號干擾在人口密集地區影響更大，目前我們采用拉遠基站加宏基站的方式實現信號盲區的覆蓋，方案如圖2所示。

覆蓋方式采用BBU+RRU相結合的方式在RRU和BBU之間采用業界比較成熟的通用公共無線電接口(cPRI)和開放基站架構創始聯盟(OBSAI)接口實現互聯和互通，這種方式由于RRU本身就是宏基站的一部分不存在另外的干擾。但這種方式結構復雜，實施成本較高，我們在此基礎上進一步提出了RoFMA的方式，這一方案如圖3所示。

RoFMA吸收了前面兩種方式的優點，在BBU和RRU之間，增加多體制復用與解復用器、拉遠網絡單元(RoFNu)和拉遠線路終端(RoFLT)，實現多體制多用戶的復用以節省成本，通過BBU+RRU以減少干擾，RRU與BBU之間通過光纖接入網相連。這種方式沒有干擾，結構復雜，但單位成

本比較低。

根據上述網絡架構再加上我們在查閱資料和充分調研的基礎上。光載無線接人的應用前景目前能看到可能包括如下幾個方面：

·軍事應用：從安全考慮用光載無線通信的方式將雷達接收的寬帶的微波或射頻信號用光纖傳輸到遠端，當雷達受到打擊時可以減少人員傷亡。

·高速傳感：用于高速列車、空客等大飛機的視頻監控信號的快速傳遞，既滿足寬帶的傳輸要求又能減少電磁污染，維持舒適的乘車或乘機環境。

·3G移動通信：第三代移動通信相對第二代移動通信所使用的頻率提高了，需要更多的直放站和拉遠基站解決室內覆蓋大問題，用光載無線的方式可以減少大量的電纜，因而減少了電磁污染。

·4G移動通信：第四代移動通信相對第三代移動通信頻率更高，帶寬達1Gb／s，需要用光載無線實現光纖分布式天線的組網結構，用中頻拉遠技術實現網絡覆蓋。

·毫米波光纖傳輸：無線通信要減少干擾，使用60GHZ以上毫米波具有衰減快，電磁干擾少，非常適合室內覆蓋，結合光載無線通信的方式將能較好地解決電磁干擾和電磁污染的問題。

3光載無線通信的優勢和存在的問題

目前光載無線分布式基站所采用的接口標準還不夠開放，在網絡管理等相關方面的設備還存在私有接口部分，導致不同陣營廠商間的產品無法互聯互通，同時也影響了RRU的發展，這主要不是技術問題而是利益的協調問題。光載無線分布式基站目前主要采用兩種接口標準：一種是RRU和BBU之間的CPRI接口標準，另一種是基帶處理、射頻、網絡傳輸和控制層面都分離即BBU與RRU之間的OBSAI接口標準。CPRI接口實現相對容易，OBSAI接口研發有一定難度，標準完善相對復雜，但是以上兩個標準在接口的開放性上做得都不夠深入，導致不同陣營廠商間的產品無法互聯互通，在無形中提高了分布式基站的成本。

光載無線通信是一門光與無線交叉融合的通信技術，是適應通信技術的發展而產生的，有許多優勢同時也還存在一些發展中的問題，具體優勢包括：無線與光纖通信在靈活性、帶寬、環保方面優勢互補；RoFMA適應信息技術的發展需要，滿足靈活、寬帶、環保的時代要求，具有發展的機遇；對無線通信與光纖通信單方面而言都已成熟，但其交叉發展還剛剛起步，具有較好的發展前景。RoFMA目前和進一步發展需要解決的問題是：光與無線的集成化(sOC)芯片、高速微波器件缺乏，60 GHz系統由于頻率高、在RoF系統中的喇叭天線雖然性能高，但體積大且重，成本也很高；RoF的應用還比較單一，缺乏大規模發展的工藝基礎，需要大力發展綜合性RRU；網絡融合中的接口、媒體接入控制(MAC)協議層實現、天線的更高增益、高速移動在微微蜂窩中頻繁切換和多普勒效應問題等等。4結束語

光載無線通信技術正在向寬帶、無電磁干擾、低成本的多體制無線接入的方向發展。政府部門、學術界和產業界都高度重視光載無線通信技術的研究和應用，下一步將重點解決光載無線的各種高頻器件、SOC芯片、接口規范、頻繁切換等問題。