無(wú)線-光混合接入技術(shù)和光纖無(wú)線技術(shù)方案研究

韓丙辰，盧玉和，呂仕儒，仝慶華，楊成全

(山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西 大同 037009)

無(wú)線-光混合接入技術(shù)和光纖無(wú)線技術(shù)方案研究

韓丙辰，盧玉和，呂仕儒，仝慶華，楊成全

(山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西 大同 037009)

基于無(wú)線接入和光纖技術(shù)的特點(diǎn)，介紹了目前無(wú)線-光混合接入技術(shù)和光纖無(wú)線技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并針對(duì)每種研究方案進(jìn)行了分析與比較。同時(shí)，提出了基于用戶端上變頻技術(shù)的無(wú)線-光混合接入方案，從而為無(wú)線-光混合接入技術(shù)的研究提供一些參考。

無(wú)線-光混合接入；光纖無(wú)線技術(shù)；上變頻

無(wú)線接入的靈活性和個(gè)人化的特點(diǎn)決定了它是面向最終用戶的一個(gè)不錯(cuò)的選擇。但是，傳統(tǒng)的微波傳輸介質(zhì)在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)具有很大損耗，尤其在高頻段，并不適合長(zhǎng)距離通信。而光纖系統(tǒng)恰好具有低損耗、高帶寬特性。在這樣的背景下，將信號(hào)通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)傳到距離最終用戶足夠近的發(fā)射點(diǎn)上，再通過(guò)無(wú)線傳輸給最終的用戶成為一種非常有吸引力的接入方案。因此，構(gòu)建高速寬帶的無(wú)線-光混合接入網(wǎng)，可為用戶提供高速、寬帶、靈活、無(wú)處不在的接入，必將成為接入技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向。

1 國(guó)際研究現(xiàn)狀

美國(guó)、歐盟、日本、澳大利亞等國(guó)家的信息研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)均在光/無(wú)線混合(光載無(wú)線)系統(tǒng)和微波光子技術(shù)上投入了巨資進(jìn)行研究，使光子微波和光纖無(wú)線(RoF)技術(shù)成為前沿研究熱點(diǎn)。比較典型的有：歐盟委員會(huì)于2007年1月1日啟動(dòng)第七個(gè)科技框架計(jì)劃(FP7，2007～2013)，其中的FUTON[1]項(xiàng)目中一個(gè)主要方向就是光載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在企業(yè)方面，存在著以LG、松下、NEC、三星、索尼以及東芝等公司組成的WirelessHD聯(lián)盟和以思科、英特爾和華為等通信與網(wǎng)絡(luò)公司組成的WiGig聯(lián)盟正在著力于短距無(wú)線寬帶技術(shù)的研發(fā)。其中，WirelessHD聯(lián)盟目前的1.1版標(biāo)準(zhǔn)為在60 GHz載頻上提供高至28 Gb/s的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸[2]；WiGig的標(biāo)準(zhǔn)(IEEE 802.11 ad)為以60 GHz毫米波為載頻提供在10m以上距離的7 Gb/s數(shù)據(jù)傳輸率[3]，主要應(yīng)用于室內(nèi)慢速移動(dòng)設(shè)備之間的連接。

在2011年的OFC會(huì)議上，美國(guó)NEC實(shí)驗(yàn)室等提出了一種WDM-OFDM-PON和OFDM-m-QAM混合傳輸?shù)墓廨d無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[4]。該方案實(shí)現(xiàn)了11.29 Gb/s的OFDM-16-QAM信號(hào)下行傳輸、5.65 Gb/s的OFDM-QPSK數(shù)據(jù)上行傳輸和如WiMAX和LTE等無(wú)線信號(hào)的上下行同時(shí)傳輸。此外在2010年，加拿大Concordia大學(xué)報(bào)道了他們采用兩個(gè)雙驅(qū)MZM調(diào)制器級(jí)聯(lián)，在30GHz載波上實(shí)現(xiàn)了三個(gè)子載波的多頻段正交頻分復(fù)用(multi-band orthogonal frequency-division-multiplexing，MBOFDM)UWB信號(hào)的光載傳輸[5]。

同樣在2011年，日本NTT公司提出了兼容WDM-PON網(wǎng)絡(luò)的光載無(wú)線分布式天線(distributed antenna system，DAS)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該方案通過(guò)在WDM-PON系統(tǒng)中采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了1Gb/s的無(wú)線數(shù)據(jù)(兩個(gè)802.11n信號(hào))的傳輸[6]。在韓國(guó)，光州科學(xué)技術(shù)學(xué)院于2011年報(bào)道了基于非線性半導(dǎo)體光放大器(SOA)中相干布局?jǐn)?shù)效應(yīng)(coherent population oscillation effects，CPO)的光載單邊帶微波信號(hào)生成的實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了155M/s的DPSK信號(hào)調(diào)制在26.5GHz的光載微波信號(hào)上傳輸[7]。

2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

2012年1月，中國(guó)科技部重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)支持的“面向?qū)拵Х涸诮尤氲奈⒉ü庾悠骷c集成系統(tǒng)基礎(chǔ)研究”[8]正式啟動(dòng)，該項(xiàng)目旨在解決光子與微波集成化方面的問(wèn)題，這正是光載無(wú)線系統(tǒng)需要重點(diǎn)突破的領(lǐng)域。此外，主要有臺(tái)灣國(guó)立大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)、北京郵電大學(xué)、上海交通大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、浙江大學(xué)、湖南大學(xué)、中國(guó)電子科技大學(xué)、上海大學(xué)、華中科技大學(xué)、天津大學(xué)等的一批科研院所對(duì)光纖無(wú)線傳輸方面開展了相關(guān)的研究。為了有效利用光纖帶寬資源，實(shí)現(xiàn)寬帶多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫連接，對(duì)支持寬帶無(wú)線多業(yè)務(wù)的RoF系統(tǒng)的研究越來(lái)越受到人們關(guān)注。

臺(tái)灣國(guó)立交通大學(xué)聯(lián)合美國(guó)康寧公司在2012年OFC上報(bào)道了對(duì)稱40 Gb/s OFDM信號(hào)加載到60G Hz光載毫米波上，成功完成了10 m的無(wú)線傳輸實(shí)驗(yàn)[9]。清華大學(xué)提出了一種通過(guò)不同的調(diào)制方案在光纖系統(tǒng)中可重構(gòu)高速脈沖無(wú)線電超寬帶，用于產(chǎn)生Gb/s極性、形狀和位置可切換的超寬帶脈沖[10]。復(fù)旦大學(xué)提出使用復(fù)雜度簡(jiǎn)化的接收機(jī)實(shí)現(xiàn)一種新型交叉分割多路接入技術(shù)，32路1.25Gb/s多用戶的波分復(fù)用、偏振復(fù)用的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)方案兼容于40G Hz的RoF系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了32路用戶數(shù)據(jù)中28路以1.25 Gb/s進(jìn)行2m無(wú)線和40 km單模光纖的下行傳輸，4路以5 Gb/s開關(guān)鍵控的編碼方式進(jìn)行了上行傳輸[11]。

天津大學(xué)在2010年發(fā)表了無(wú)本振光子微波上變頻這一新現(xiàn)象[12]。此外，在光子微波振蕩器，利用光纖中受激布里淵散射(SBS)實(shí)現(xiàn)微波倍頻，以及在光載超寬帶信號(hào)的產(chǎn)生技術(shù)方面開展了一系列研究工作。

3 基于用戶端上變頻技術(shù)的無(wú)線-光混合接入方案

對(duì)于無(wú)線-光混合接入網(wǎng)絡(luò)而言，直接利用目前已有的并正在大量建設(shè)的各種光接入網(wǎng)，作為其中的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)無(wú)疑是一個(gè)理所當(dāng)然的選擇。但此時(shí)的問(wèn)題在于：傳統(tǒng)的光接入網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)氖腔鶐?shù)字信號(hào)，而要將數(shù)字信號(hào)變成可無(wú)線發(fā)射的信號(hào)必然要經(jīng)過(guò)上變頻等處理過(guò)程。

如果不改變光纖接入網(wǎng)的基本架構(gòu)，則這一過(guò)程必然要在臨近用戶的發(fā)射點(diǎn)(ONU)完成(現(xiàn)有的移動(dòng)基站就是這樣實(shí)現(xiàn)的)。但是問(wèn)題在于，對(duì)于高頻信號(hào)而言，完成上變頻所需的本振、混頻器、濾波器等器件成本非常昂貴。大大制約了無(wú)線接入技術(shù)的推廣和發(fā)展。

為了避免這個(gè)問(wèn)題，出現(xiàn)了光纖無(wú)線(RoF)技術(shù)。具體講就是將微波信號(hào)在局端(OLT)處統(tǒng)一產(chǎn)生，再通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁鱾€(gè)用戶端(ONU)，這樣可以大大降低了用戶端的成本，如圖1所示。

圖1 基于RoF技術(shù)的無(wú)線-光混合接入解決方案

但是這種方案又帶來(lái)了新的問(wèn)題：

①由于在混合接入網(wǎng)絡(luò)中存在著有線和無(wú)線用戶，而微波信號(hào)是在局端產(chǎn)生，這就要求局端必須明確區(qū)分有線/無(wú)線用戶，增加了管理的難度，同時(shí)與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是完全不兼容的。

②對(duì)于希望使用不同接入技術(shù)的用戶而言，這需要在局端設(shè)置多套微波設(shè)備，增加了系統(tǒng)的難度。

③RoF并不能直接在現(xiàn)有的光接入網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用，必須對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造。

④高頻率的光微波信號(hào)在光纖傳輸中的傳輸損傷要比傳輸基帶信號(hào)嚴(yán)重得多，尤其是在傳輸目前無(wú)線中廣泛使用的QAM、OFDM等格式的信號(hào)時(shí)問(wèn)題將變得更嚴(yán)重。

綜上，如果能夠找到一種低成本的將光基帶信號(hào)變成高頻信號(hào)的解決方案，將無(wú)線信號(hào)的處理部分移動(dòng)至用戶端(ONU)。如此，可以在不改變現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和硬件的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)無(wú)線和有線接入網(wǎng)的無(wú)縫融合，而用戶的靈活性也會(huì)大大增加，是一種理想的解決方案。基于以上分析提出的一個(gè)光-無(wú)線融合PON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，如圖2所示。

圖2 基于用戶端上變頻技術(shù)的無(wú)線-光混合接入方案

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)前面的方案比較可知，盡管研究者們已經(jīng)提出了多種無(wú)線-光混合接入方案，每種方案都具有獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)，但是核心的光子微波技術(shù)，其結(jié)構(gòu)將過(guò)于復(fù)雜。現(xiàn)有方案大都需要一個(gè)相對(duì)低頻的微波本振，利用光電子器件(或光纖)的非線性實(shí)現(xiàn)對(duì)微波本振的倍頻和上變頻，同時(shí)該微波倍頻信號(hào)的產(chǎn)生和光子上變頻過(guò)程需要再兩個(gè)獨(dú)立器件中完成。因此如何實(shí)現(xiàn)將以上兩個(gè)過(guò)程在一個(gè)器件中實(shí)現(xiàn)將是今后的重要研究?jī)?nèi)容。

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Research on Wireless-photonics Hybrid Access and O ptical-fiber Wireless Technology Solutions

HAN Bing-chen，LU Yu-he，LU Shi-ru，TONG Qing-hua，YANG Cheng-quan
(School of Physics and Electronic Science，ShanxiDatong University，Datong Shanxi，037009)

Based on the characteristics of the wireless access and fiber optic technology，This paper introduces w irelessphotonics hybrid access technology and optical-fiber wireless technology.Research is described in detail，analyzed and compared for each research program.Wireless-photonics hybrid access solutions is proposed based on the client up-conversion technology，which provides some reference forwireless-photonics hybrid access technology.

wireless-photonics hybrid access technology；optical-fiberwireless technology；up-conversion〔責(zé)任編輯 李海〕

1674－0874（2013）03－0023－02

TN915

A

2013-04-15

國(guó)家自然基金[61205061]；山西省青年科技研究基金[2011021018]；山西大同大學(xué)博士啟動(dòng)基金[2010B03]作者簡(jiǎn)介：韓丙辰(1976-)，男，山西侯馬人，博士，副教授，研究方向：光纖通信和高速光信號(hào)處理。