光載無線通信技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用前景

余建國　龔珉杰　張　明

摘要：光載無線通信技術(shù)結(jié)合光纖通信和無線移動(dòng)通信的技術(shù)優(yōu)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(guān)技術(shù)的研究已在國內(nèi)外引起了廣泛關(guān)注。目前瓶頸問題是實(shí)用性低，成本較高。作者對(duì)此提出了光載無線多體制接入(RoFMA)的實(shí)現(xiàn)方案，提出用光時(shí)分復(fù)用、多體制復(fù)用與解復(fù)用技術(shù)降低接入成本。預(yù)示了光載無線多體制寬帶接入技術(shù)必然獲得較大規(guī)模發(fā)展和較好的市場前景。

關(guān)鍵詞：光載無線；拉遠(yuǎn)基站；光纖直放站；多體制接入

光載無線(ROF)通信技術(shù)近幾年來成為通信技術(shù)中的研究熱點(diǎn)，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(huì)(OFc)、歐洲光通信展覽會(huì)(ECOC)以及中國的光纖通信會(huì)議都經(jīng)常開辟相關(guān)專題進(jìn)行討論，美國國防部、中國自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國家“863”等都發(fā)布了許多相關(guān)課題來開展深入研究。本文將在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討光載無線通信技術(shù)的發(fā)展趨勢和可能的應(yīng)用；提出光載無線通信技術(shù)的一些可能的實(shí)現(xiàn)方案；分析光載無線通信的優(yōu)勢和可能遇到的問題。

1光載無線通信技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著人們對(duì)帶寬和移動(dòng)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(jīng)用完，并且已占用的頻段還讓不出來。新一代的移動(dòng)通信只能用新的、更寬的頻段。面對(duì)需求與供給的尖銳矛盾，光載無線通信技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生。

OFC 2008會(huì)議中網(wǎng)絡(luò)融合成為一個(gè)熱點(diǎn)話題，關(guān)于RoF技術(shù)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(duì)應(yīng)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(fù)用(OFDM)應(yīng)用于RoF系統(tǒng)來增加頻譜利用率并減小碼間干擾；研究在上行傳輸時(shí)光波長再利用技術(shù)，從而去掉基站的光源：基于微波存取全球互通(WiMAX)技術(shù)或無線保真(WiFi)與RoF技術(shù)結(jié)合的研究；基于光分叉復(fù)用器(OADMs)的RoF系統(tǒng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的研究；基于多模光纖和塑料光纖的RoF系統(tǒng)。

美國喬治亞理工大學(xué)的研究組對(duì)40G／60G射頻RoF系統(tǒng)作了大量的研究，并且搭建出了一套光無線傳輸系統(tǒng)，將DVD存儲(chǔ)的高清晰電視數(shù)據(jù)源調(diào)制到40G的微波上，然后經(jīng)過調(diào)制到光載波上傳輸，經(jīng)過探測接收并由天線發(fā)射，并在接收端將信號(hào)送給高清晰電視進(jìn)行播放，得到很好的實(shí)驗(yàn)效果。

同時(shí)，光載無線通信技術(shù)在產(chǎn)業(yè)界也表現(xiàn)出如下特點(diǎn)：無線拉遠(yuǎn)單元(RRU)與基帶拉遠(yuǎn)單元(BBU)分別承擔(dān)基站的射頻處理部分和基帶處理部分，各自獨(dú)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(tǒng)中該方案可以由3根光纜代替?zhèn)鹘y(tǒng)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?qū)崿F(xiàn)平滑擴(kuò)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(yè)務(wù)(MBMS)和高速上行分組接人(HSUPA)等，采取異步傳輸模式(ATM)／互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)雙傳輸協(xié)議棧，確?，F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)平滑向全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)過渡。設(shè)備支持從現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)向LTE平滑演進(jìn)。RRU能夠針對(duì)運(yùn)營商的不同需求、不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供無線接入網(wǎng)絡(luò)的解決方案，滿足城市、郊區(qū)、農(nóng)村、高速公路、鐵路、熱點(diǎn)地區(qū)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(xù)頻段雙載波，上下行頻段跨度可達(dá)100 MHz，這意味著今后擁有傳統(tǒng)頻分雙工(FDD)頻段的運(yùn)營商建網(wǎng)所必須的RRU、天線、鐵塔等設(shè)備和配套設(shè)施可以減少一半，將極大降低運(yùn)營商的建設(shè)和運(yùn)營成本，保護(hù)了運(yùn)營商投資，同時(shí)也使得網(wǎng)絡(luò)工程建設(shè)變得更加靈活簡便。RRU支持?jǐn)?shù)字化、無風(fēng)扇、低成本大功率功率放大器(PA)設(shè)計(jì)。

光載無線通信技術(shù)支持發(fā)射分集，多級(jí)RRU級(jí)聯(lián)，每扇區(qū)從一小區(qū)擴(kuò)容到兩小區(qū)只需改變配置數(shù)據(jù)，擴(kuò)容到三小區(qū)或者四小區(qū)無需額外的合路器和天饋設(shè)備。

總的來說，目前國際范圍的光載無線的研究開發(fā)的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：

·光載無線的無線電頻率正在由低頻向高頻、毫米波方向發(fā)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(fā)展。

·光載無線通信的研究層面也正在從網(wǎng)絡(luò)向著系統(tǒng)和器件的方向發(fā)展。

·光載無線通信的研究范圍也正在從理論研究向系統(tǒng)開發(fā)和業(yè)務(wù)應(yīng)用的方向發(fā)展。

·光載無線通信的產(chǎn)品開發(fā)方向也正在從基帶拉遠(yuǎn)向中頻拉遠(yuǎn)和射頻拉遠(yuǎn)的方向發(fā)展。

·光載無線通信的接口標(biāo)準(zhǔn)也正在由CPRI接口向OBSAI接口和開放的實(shí)際應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)接口方向發(fā)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(nèi)覆蓋模型的方向發(fā)展。

2光載無線通信的實(shí)現(xiàn)方案

光載無線通信技術(shù)是光纖通信和無線移動(dòng)通信的交叉科學(xué)，是通信技術(shù)發(fā)展到一定階段的新領(lǐng)域。針對(duì)不同的應(yīng)用需求和技術(shù)水平，我們提出和采用如下幾種應(yīng)用方案：以直放站為基礎(chǔ)的多體制共用無線室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)，如圖1所示；采用拉遠(yuǎn)基站加宏基站的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)盲區(qū)的覆蓋，如網(wǎng)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(hào)可以用光纖或近距離直接用電纜傳輸?shù)蕉囿w制合路器，經(jīng)功率分配器后由室內(nèi)天線發(fā)射。如果信號(hào)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(jié)構(gòu)簡單、成本低，仙南于采用天線接收基站信號(hào)在室內(nèi)放大和分配，容易造成室內(nèi)與窀外基站信號(hào)干擾、尤其在3G時(shí)代，隨著信號(hào)帶寬和載波頻率不斷提高，直放站信號(hào)干擾在人口密集地區(qū)影響更大，目前我們采用拉遠(yuǎn)基站加宏基站的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)盲區(qū)的覆蓋，方案如圖2所示。

覆蓋方式采用BBU+RRU相結(jié)合的方式在RRU和BBU之間采用業(yè)界比較成熟的通用公共無線電接口(cPRI)和開放基站架構(gòu)創(chuàng)始聯(lián)盟(OBSAI)接口實(shí)現(xiàn)互聯(lián)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)施成本較高，我們?cè)诖嘶A(chǔ)上進(jìn)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(yōu)點(diǎn)，在BBU和RRU之間，增加多體制復(fù)用與解復(fù)用器、拉遠(yuǎn)網(wǎng)絡(luò)單元(RoFNu)和拉遠(yuǎn)線路終端(RoFLT)，實(shí)現(xiàn)多體制多用戶的復(fù)用以節(jié)省成本，通過BBU+RRU以減少干擾，RRU與BBU之間通過光纖接入網(wǎng)相連。這種方式?jīng)]有干擾，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但單位成

本比較低。

根據(jù)上述網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)再加上我們?cè)诓殚嗁Y料和充分調(diào)研的基礎(chǔ)上。光載無線接人的應(yīng)用前景目前能看到可能包括如下幾個(gè)方面：

·軍事應(yīng)用：從安全考慮用光載無線通信的方式將雷達(dá)接收的寬帶的微波或射頻信號(hào)用光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)端，當(dāng)雷達(dá)受到打擊時(shí)可以減少人員傷亡。

·高速傳感：用于高速列車、空客等大飛機(jī)的視頻監(jiān)控信號(hào)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(jī)環(huán)境。

·3G移動(dòng)通信：第三代移動(dòng)通信相對(duì)第二代移動(dòng)通信所使用的頻率提高了，需要更多的直放站和拉遠(yuǎn)基站解決室內(nèi)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(dòng)通信：第四代移動(dòng)通信相對(duì)第三代移動(dòng)通信頻率更高，帶寬達(dá)1Gb／s，需要用光載無線實(shí)現(xiàn)光纖分布式天線的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，用中頻拉遠(yuǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(nèi)覆蓋，結(jié)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(yōu)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(biāo)準(zhǔn)還不夠開放，在網(wǎng)絡(luò)管理等相關(guān)方面的設(shè)備還存在私有接口部分，導(dǎo)致不同陣營廠商間的產(chǎn)品無法互聯(lián)互通，同時(shí)也影響了RRU的發(fā)展，這主要不是技術(shù)問題而是利益的協(xié)調(diào)問題。光載無線分布式基站目前主要采用兩種接口標(biāo)準(zhǔn)：一種是RRU和BBU之間的CPRI接口標(biāo)準(zhǔn)，另一種是基帶處理、射頻、網(wǎng)絡(luò)傳輸和控制層面都分離即BBU與RRU之間的OBSAI接口標(biāo)準(zhǔn)。CPRI接口實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，OBSAI接口研發(fā)有一定難度，標(biāo)準(zhǔn)完善相對(duì)復(fù)雜，但是以上兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在接口的開放性上做得都不夠深入，導(dǎo)致不同陣營廠商間的產(chǎn)品無法互聯(lián)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(shù)，是適應(yīng)通信技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的，有許多優(yōu)勢同時(shí)也還存在一些發(fā)展中的問題，具體優(yōu)勢包括：無線與光纖通信在靈活性、帶寬、環(huán)保方面優(yōu)勢互補(bǔ)；RoFMA適應(yīng)信息技術(shù)的發(fā)展需要，滿足靈活、寬帶、環(huán)保的時(shí)代要求，具有發(fā)展的機(jī)遇；對(duì)無線通信與光纖通信單方面而言都已成熟，但其交叉發(fā)展還剛剛起步，具有較好的發(fā)展前景。RoFMA目前和進(jìn)一步發(fā)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(tǒng)由于頻率高、在RoF系統(tǒng)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(yīng)用還比較單一，缺乏大規(guī)模發(fā)展的工藝基礎(chǔ)，需要大力發(fā)展綜合性RRU；網(wǎng)絡(luò)融合中的接口、媒體接入控制(MAC)協(xié)議層實(shí)現(xiàn)、天線的更高增益、高速移動(dòng)在微微蜂窩中頻繁切換和多普勒效應(yīng)問題等等。4結(jié)束語

光載無線通信技術(shù)正在向?qū)拵?、無電磁干擾、低成本的多體制無線接入的方向發(fā)展。政府部門、學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界都高度重視光載無線通信技術(shù)的研究和應(yīng)用，下一步將重點(diǎn)解決光載無線的各種高頻器件、SOC芯片、接口規(guī)范、頻繁切換等問題。