基于ROF技術(shù)的EPON和WiMAX融合方案的研究

摘要:從接入網(wǎng)看，光纖無線融合是一種很有前途的架構(gòu)，文章提出了一種基于光纖無線電(ROF)技術(shù)的以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)和全球微波接入互操作性(WiMAX)融合方案，能夠同時在光纖中傳輸EPON基帶信號和WiMAX無線射頻信號。在此基礎(chǔ)上，文章詳細(xì)說明了該方案的一些特點，包括數(shù)據(jù)的上下行傳輸、冗余保護(hù)、漫游等問題。

關(guān)鍵詞: EPON;WiMAX;融合;ROF

Abstract: The convergence of optical and wireless networking is a promising development for future access network architecture. In this article， we propose a converged network integrating Ethernet Passive Optical Network (EPON) and worldwide interoperability for microwave access (WiMAX) technologies based on Radio Over Fiber (ROF)—which can simultaneously transmit EPON baseband signals and WiMAX wireless radio frequency signals. We then elaborate on the characteristics of the converged network and discuss some important issues: upstream and downstream transmission， redundancy protection， and handover.

Key words: EPON; WiMAX; convergence; ROF

隨著網(wǎng)絡(luò)電視(IPTV)和視頻點播等高帶寬需求業(yè)務(wù)的發(fā)展，寬帶接入已成為熱點技術(shù)。為了進(jìn)一步優(yōu)化組合資源，降低成本和提供更大帶寬、更靈活的寬帶接入業(yè)務(wù)，光纖和無線接入網(wǎng)絡(luò)的融合成為一種很有前途的架構(gòu)[1-2]。目前，以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)[3]以其低成本、高帶寬及基于以太網(wǎng)的架構(gòu)等優(yōu)勢得到越來越廣泛的應(yīng)用。與此同時，由IEEE 802.16[4]所規(guī)范的全球微波互聯(lián)接入(WiMAX) 技術(shù)正逐步發(fā)展為一種主流的無線寬帶接入技術(shù)。WiMAX和無線局域網(wǎng)(WLAN)接入技術(shù)相比，能提供更大的帶寬、更遠(yuǎn)的距離和更好的服務(wù)質(zhì)量(QoS)支持;和蜂窩技術(shù)相比，它能提供更好的數(shù)據(jù)接入服務(wù)。因此，以EPON和WiMAX這兩種技術(shù)的融合將會彌補各自技術(shù)的不足，充分發(fā)揮光纖接入技術(shù)的高帶寬與無線技術(shù)的靈活性，給用戶帶來更好的體驗，同時可以大大降低網(wǎng)絡(luò)整體的建設(shè)成本和維護(hù)費用。這些優(yōu)勢使得這兩種技術(shù)廣為流行并具有廣闊的市場前景。

1 融合方案的現(xiàn)狀

EPON 和WiMAX之間的融合可采取的方案主要有2種，一種是基帶光纖傳輸技術(shù)，即數(shù)字基帶信號直接在光纖中傳輸。該技術(shù)的思想是EPON的光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)和WiMAX的基站直接通過以太網(wǎng)接口來連接，光纖中傳輸?shù)氖且蕴W(wǎng)幀。這種方案實現(xiàn)難度較低、覆蓋范圍較大，在帶寬分配和QoS保障方面具有相對優(yōu)勢及良好的可實現(xiàn)性，文獻(xiàn)[5]中有這方面的論述。該方案中的缺點是基站要實現(xiàn)數(shù)字基帶信號到無線射頻信號的轉(zhuǎn)換，成本相對較高。特別是當(dāng)無線信號頻率較高時，由于無線信號衰減的快，需要建設(shè)大量基站來覆蓋更多的范圍，成本的問題就顯得更為突出。另外一種方案是射頻光纖傳輸 (ROF)技術(shù)[6]，即無線射頻信號直接在光纖中傳輸。ROF系統(tǒng)中運用光纖作為基站(BS)與中心站(CS)之間的傳輸鏈路，直接利用光載波來傳輸射頻信號(RF)。光纖僅起到傳輸?shù)淖饔茫粨Q、控制和信號的再生都集中在中心站上，基站僅實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。這樣可以把復(fù)雜昂貴的設(shè)備集中到中心站點，讓多個遠(yuǎn)端基站共享這些設(shè)備，從而減少基站的功耗和成本。目前，已有大量關(guān)于無線局域網(wǎng)(WLAN)與射頻光纖傳輸系統(tǒng)相結(jié)合的論文，也有全球移動通信系統(tǒng)(GSM)系統(tǒng)和射頻光纖傳輸技術(shù)相結(jié)合成功商用的實例。WiMAX在同步光纖網(wǎng)絡(luò)(SONET)上的傳輸也有著相關(guān)的研究[7-8]。

2 融合方案的架構(gòu)設(shè)計

為了實現(xiàn)基于ROF技術(shù)的EPON 和WiMAX的融合，本文設(shè)計了如圖1的基于ROF技術(shù)的EPON和WiMAX的融合架構(gòu)的設(shè)計方案。和標(biāo)準(zhǔn)的EPON系統(tǒng)相比，光線路終端(OLT)和光網(wǎng)絡(luò)單元基站(ONU-BS)都進(jìn)行了重新設(shè)計，說明如下:

(1) 為了節(jié)約成本，便于集中處理，我們把原本屬于基站的WiMAX物理層的設(shè)備都放到了中心節(jié)點OLT處加以實現(xiàn)。IEEE 802.16的物理層定義了系統(tǒng)的工作頻段為2~66 GHz，還主要規(guī)定了2種調(diào)制方式: 單載波調(diào)制和正交頻分復(fù)用調(diào)制(OFDM) 。在2~11 GHz頻段上主要采用OFDM調(diào)制。OFDM技術(shù)具備非視距傳輸能力，能有效抗衰減和抗多徑，因此本系統(tǒng)采用了OFDM調(diào)制和解調(diào)設(shè)備。

在11 GHz以下頻段有3個頻段可以使用:2.5 GHz、3.5 GHz和5.8 GHz。考慮到WiMAX的部署情況，本系統(tǒng)采用了3.5 GHz的頻段。WiMAX并未規(guī)定具體的載波帶寬，系統(tǒng)可以采用1.25 MHz~20 MHz之間的帶寬。本系統(tǒng)采用了20 MHz的帶寬。這里我們并沒有考慮到同頻干擾的問題，實際應(yīng)用中可以采用頻率復(fù)用和扇區(qū)劃分技術(shù)來更好的利用頻譜資源和得到更大的系統(tǒng)吞吐量。在ROF系統(tǒng)應(yīng)用中，如果RF信號工作的頻段不高(低于10 GHz)時一般都采用直接調(diào)制技術(shù);如果RF信號工作的頻段較高(10 GHz以上)時一般采用外調(diào)制技術(shù)。本系統(tǒng)因為RF信號工作頻的不高固采用了直接調(diào)制技術(shù)。

(2) 在下行方向為了實現(xiàn)EPON有線基帶信號和無線射頻信號同時進(jìn)行傳輸，也為了區(qū)分屬于不同基站的射頻信號，在OLT端我們采用了副載波復(fù)用技術(shù)(SCM)。我們將EPON基帶信號處于0~2.5 GHz的范圍，而把無線信號上變頻到3.5 GHz以上的副載波，每個副載波的帶寬在20 MHz，中心頻點間隔0.1GHz。每個基站對應(yīng)一個副載波，對于分支比為1∶16的EPON系統(tǒng)來說，一共有16個副載波。我們把基帶信號和調(diào)制好的副載波合成后，即可直接對激光器進(jìn)行調(diào)制。由于基帶信號和副載波處于不同的頻段，不會產(chǎn)生干擾，這樣以來就實現(xiàn)了下行方向基帶信號和無線信號的同時傳輸。對于遠(yuǎn)端的ONU-BS來說，當(dāng)接收到從OLT傳來的混合信號時，首先需要把其中包含的基帶信號和副載波信號解復(fù)用出來，基帶信號直接上傳到相應(yīng)的部件進(jìn)行處理，對副載波信號則需要進(jìn)行下變頻處理。這里我們用到了和OLT同樣頻率的本振和變頻器，通過帶通濾波器后，把屬于本基站的無線射頻信號解調(diào)出來，然后通過天線發(fā)射出去。也就是說，基站只需要進(jìn)行下變頻處理，而不需要其它設(shè)備加以操作，因此節(jié)約了成本。

(3) ONU-BS在上行方向上傳數(shù)據(jù)，是采取時分多址接入(TDMA)方式的，基帶信號和無線射頻信號混合在一起發(fā)送。在這樣的設(shè)計下，EPON的媒體訪問控制(MAC)層和WiMAX的MAC層相互配合，為各個ONU-BS分配上行數(shù)據(jù)的發(fā)送時隙，ONU-BS在指定的時隙到來時按照OLT的授權(quán)窗口大小發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣各個ONU-BS的上行數(shù)據(jù)在到達(dá)共享光纖后就會按照預(yù)先安排好的次序進(jìn)行傳輸，而不會發(fā)生沖突。值得注意的是，在ONU-BS端，不需要把無線射頻信號上變頻到副載波信號。因為不同的ONU-BS位于不同的發(fā)送時隙中，彼此的上行射頻信號不會沖突。同時由于無線射頻信號處于3.5 GHz的頻段，而基帶信號位于2.5 GHz以下，因此基帶信號和無線射頻信號也不會發(fā)生沖突，可以同時發(fā)送。基于這樣的設(shè)計，OLT端接收設(shè)備的復(fù)雜度也可以大大降低，沒有了副載波之間的交調(diào)干擾，也不需要本振和變頻器，只需要一個光電探測器和一個WiMAX的OFDM解調(diào)器就能夠解決問題，成本大大降低。

3 融合方案的特點

基于ROF技術(shù)的EPON和WiMAX的融合架構(gòu)具有以下特點:

(1) 正如前面提到的，由于把無線信號處理的設(shè)備和一些上層的功能都放在OLT端統(tǒng)一實現(xiàn)，基站只保留一個下變頻的功能。圖1中為了方便說明，OLT端用到了N個OFDM調(diào)制器，每個基站均對應(yīng)一個OFDM調(diào)制器，實際可以合并為一個。這樣在OLT端，所有的基站只需共用一套OFDM調(diào)制和解調(diào)設(shè)備，整個系統(tǒng)的成本大大降低。

(2) 我們知道在現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)中，基站是不能提供冗余保護(hù)或者只提供1+1保護(hù)。也就是說，一個基站需要冗余一個基站來進(jìn)行保護(hù)，這種冗余方案是不太經(jīng)濟的。在基于ROF技術(shù)的融合方案中，由于把所有的基站設(shè)備都移到了OLT端中加以實現(xiàn)，我們就很容易實現(xiàn)N +1冗余保護(hù)，而不用N +N冗余保護(hù)。也就是說，對于N個基站，我們只需要共用一個冗余基站，而不是冗余N個基站。這樣系統(tǒng)穩(wěn)定性得到了提高，成本也得到了降低。

(3) 在標(biāo)準(zhǔn)的WiMAX架構(gòu)中，無線資源管理都是集中在各個基站端，不同基站的無線資源管理信息不能及時進(jìn)行相互交流，這樣以來系統(tǒng)就不能實現(xiàn)高效運行。而在本系統(tǒng)中，由于OLT管理所有基站的無線資源，相當(dāng)于已經(jīng)有了一個集中控制器，OLT實時地知道所有基站中的無線資源信息。因此OLT能夠根據(jù)實際情況通過一定的算法實時動態(tài)的為各個基站分配無線資源，使無線資源能夠得到充分的利用，使負(fù)載在各個基站間保持平衡，這樣系統(tǒng)效率就能大大得到提高。如果結(jié)合多路輸入多輸出(MIMO)、自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)等一些先進(jìn)的無線傳輸技術(shù)，系統(tǒng)效率還會有所提高。

(4) 為了支持用戶的移動性，用戶在不同WiMAX基站內(nèi)的漫游是必須考慮的。因為基站與基站之間是不能聯(lián)系的，如果采用普通的聯(lián)網(wǎng)方案，OLT和所有的WiMAX基站之間必須要保留有一個控制信道，以便實時交換控制信息。當(dāng)用戶游牧到另一個基站時，通過這個控制信道，OLT能夠發(fā)出指令，讓原來的基站清除和用戶之間的連接線路，同時把這個用戶增加到現(xiàn)在的基站中。在基于ROF技術(shù)的融合架構(gòu)中，用戶在基站之間的游牧相對來說就簡單了很多，因為OLT端處理所有的數(shù)據(jù)，了解所有的信息，因此就不需要保留和各個基站間的控制信道。當(dāng)OLT察覺到用戶在不同基站之間游牧?xí)r，只需要切換到新的副載波頻率并給用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。

上面我們分析了基于ROF技術(shù)的EPON和WiMAX的融合架構(gòu)的一些特點。同時，這種混合系統(tǒng)容易受到激光器的非線性效應(yīng)、光纖的衰減、色散、光纖的非線性效應(yīng)以及副載波之間交調(diào)干擾等因素的影響，而且該方案對調(diào)制技術(shù)和探測技術(shù)的要求較高，隨著無線頻率的提高，影響會更加明顯。另外，因為無線信號在光纖中傳輸需要時間，隨著傳輸距離的增加，系統(tǒng)MAC層性能也會受到很大的影響[9]。同時在帶寬分配算法方面也需要進(jìn)一步研究，以便更好地為有線基帶數(shù)據(jù)和無線射頻信號分配上行傳輸時隙。

4 結(jié)束語

光纖無線融合是一種非常有前途的架構(gòu)，文章提出了一種基于ROF技術(shù)的EPON和WiMAX融合方案，能夠同時在光纖中傳輸EPON基帶信號和WiMAX無線射頻信號。在此基礎(chǔ)上，文章更為詳細(xì)地說明了該方案的一些特點。融合系統(tǒng)實現(xiàn)了固網(wǎng)移動的融合，為用戶帶來更好的體驗，同時可以大大降低網(wǎng)絡(luò)整體的建設(shè)成本和維護(hù)費用，具有非常廣闊的市場前景。

5 參考文獻(xiàn)

[1] SUEMURA Y， NAKAMURA S， HU J. Converged optical/wireless systems architecture[C]//Proceedings of the Asia-Pacific Optical Communications (APOC’06)， 2006， Sep 5，2006， Gwangju， South Korea. SPIE 6354.

[2] SHEN G X， TUCKER R S， CHAE C J. Fixed and mobile convergence architectures for broadband access: Integration of EPON and WiMAX[J]. IEEE Communications Magazine， 2007，6(8):44-50.

[3] IEEE 802.3ah. Amendment: Media access control parameters， physical layers， and management parameters for subscriber access networks[S]. 2004.

[4] IEEE 802.16e. Air interface for fixed and mobile broadband wireless access systems[S]. 2006.

[5] 常宇光， 劉德明， 張曙， 等. 基于固網(wǎng)移動網(wǎng)融合(FMC)的寬帶接入網(wǎng)系統(tǒng)[J]. 光通信技術(shù)， 2009，33(5):45-49.

[6] 曹培炎. ROF技術(shù)在無線接入網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J]. 光通信技術(shù)， 2005，29(10):22-26.

[7] Sarkar S， Dixit s， Mukherjee b. Hybrid wireless-optical broadband-access network (WOBAN):A review of relevant challenges[J]. Journal of Lightwave Technology， 2007， 25(2): 3329-3340.

[8] GHAZISAIDI N， PAOLUCCI F， MAIER M. SuperMAN: Optical-wireless integration of RPR and WiMAX[J]. Optical Networking， 2009， 18 (3): 249-270.

[9] DANG B L， PRASAD V， NIEMEGEERS I. On the MAC protocols for radio over fiber networks[C]//Proceedings of the 1st International Conference on Communications and Electronics (ICCE’06)， Oct10-11，2006， Hanoi， Vietnam. Piscataway， NJ， USA:IEEE， 2006.

收稿日期:2009-09-09

張曙，博士，華中科技大學(xué)光電子科學(xué)與工程學(xué)院光電信息專業(yè)博士畢業(yè);研究方向包括光纖通信技術(shù)、光纖接入網(wǎng)技術(shù)、光纖無線融合技術(shù)、家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等;參與國家863課題、湖北省科技攻關(guān)十五課題、國防預(yù)研基金等多個項目;發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇，申請國家發(fā)明專利3項。

劉德明，博士，華中科技大學(xué)光電子科學(xué)與工程學(xué)院教授 、博士生導(dǎo)師，下一代互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)國家工程實驗室主任;主要研究方向包括光纖通信技術(shù)、光纖傳感技術(shù)、光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、太陽能光伏技術(shù)以及半導(dǎo)體照明技術(shù)等;曾獲得國家發(fā)明三等獎1項、教育部提名國家自然科學(xué)一等獎1項、湖北省技術(shù)發(fā)明二等獎1項;發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，申請國家發(fā)明專利30余項。

吳廣生，博士，天津大學(xué)本科畢業(yè)，華中科技大學(xué)碩士和博士;研究方向包括光纖接入網(wǎng)技術(shù)、光纖無線融合技術(shù)、下一代光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等;參與國家863課題及湖北省科技攻關(guān)十五課題等多個項目，發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇，申請國家發(fā)明專利10余項。