光載毫米波無線電通信技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

宋怡橋　鄭小平

摘要：將光通信技術(shù)的成本低、帶寬大、損耗小、抗電磁干擾的優(yōu)勢(shì)和無線毫米波通信系統(tǒng)結(jié)合起來而產(chǎn)生的毫米波光載無線(MM-RoF)系統(tǒng)，具有帶寬大、體積小、重量輕、成本低、損耗小、抗電磁干擾及傳輸質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。MM-RoF可解決傳統(tǒng)微波傳輸系統(tǒng)在毫米波段存在的損耗大、抗干擾能力弱等同題，同時(shí)可克服毫米波電子器件的電子“瓶頸”問題，非常有發(fā)展?jié)摿?。多格式多業(yè)務(wù)的MM-RoF技術(shù)將是MM-RoF系統(tǒng)今后發(fā)展的一個(gè)重要方向。

關(guān)鍵詞：毫米波；光載無線；寬帶無線接入

隨著信息通信技術(shù)在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，信息通信技術(shù)成為當(dāng)今世界發(fā)展速度最快、覆蓋范圍最廣、滲透性最強(qiáng)、應(yīng)用最廣泛的一個(gè)高新技術(shù)領(lǐng)域，它是推動(dòng)全球信息通信業(yè)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力量。信息通信不僅能夠減少經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的交易費(fèi)用，大大降低社會(huì)運(yùn)行成本，而且能夠促進(jìn)知識(shí)的傳播和信息的共享，改善人民的生活質(zhì)量，對(duì)于一個(gè)國家國民整體素質(zhì)提高和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展具有極其重大的現(xiàn)實(shí)意義。

當(dāng)今世界，基于波分復(fù)用(WDM)技術(shù)的光纖通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為高速、大容量信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的理想有線平臺(tái)。國際上的跨國公司競(jìng)相開展了基于WDM技術(shù)的太比特級(jí)信息傳輸試驗(yàn)，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)10.9 Tb／s的傳輸。網(wǎng)絡(luò)光纖化的重點(diǎn)從長(zhǎng)途骨干網(wǎng)，然后轉(zhuǎn)向中繼網(wǎng)和接入網(wǎng)的饋線段，目前正在逐漸向配線段延伸。中國長(zhǎng)途網(wǎng)的光纖化比例目前已高達(dá)82％。然而，隨著光纖逐漸向用戶推進(jìn)，光纖化的代價(jià)變得越來越高。除非技術(shù)上有重大突破，光纖到家、到用戶將是一項(xiàng)十分艱巨的任務(wù)。就中國來說。光纖到樓、光纖到小區(qū)和光纖到路邊是中近期的比較現(xiàn)實(shí)的目標(biāo)。另一方面，由于方便、個(gè)人化和無處不在的特性，無線接入成為信息時(shí)代的寵兒，發(fā)展十分迅猛，成為全球通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的另一個(gè)重要方向，是目前全球范圍內(nèi)最吸引人的一個(gè)熱點(diǎn)問題。移動(dòng)通信由目前的數(shù)字話音服務(wù)的2.5G向?qū)崿F(xiàn)視頻、多媒體服務(wù)的3G、B3G甚至4G、5G的高速、寬帶業(yè)務(wù)發(fā)展。而各種新業(yè)務(wù)和寬帶無線接入技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，如流媒體業(yè)務(wù)、射頻標(biāo)識(shí)(RFID)、傳感器聯(lián)網(wǎng)、WiMAX、本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)(LMDS)等，要求網(wǎng)絡(luò)能夠安全、靈活、無所不在地、大容量地提供綜合服務(wù)。如圖1所示，未來無線通信的發(fā)展趨勢(shì)是高速率、高移動(dòng)性以及不同無線網(wǎng)絡(luò)之間多業(yè)務(wù)的無縫連接。但是，無線網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展面臨著諸多問題，典型地有：現(xiàn)有無線接入網(wǎng)的兼容性問題、數(shù)據(jù)的速率(特別是移動(dòng)情況下)仍然是無線通信的“瓶頸”問題以及現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)如何平滑地過渡到下一代無線網(wǎng)絡(luò)等。

縱觀各種通信技術(shù)和業(yè)務(wù)需求的發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)寬帶化、無線化、個(gè)人化、分組化以及多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的融合成為全球通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展目標(biāo)使得寬帶無線信號(hào)和載波頻率向高頻毫米波(如40－60 GHz)擴(kuò)展的需求日益迫切。將光的大帶寬優(yōu)勢(shì)和毫米波無線接入的靈活性結(jié)合起來的毫米波光載無線(MM-RoF)系統(tǒng)具有體積小、重量輕、成本低、損耗小、抗電磁干擾及傳輸質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，可解決傳統(tǒng)微波傳輸系統(tǒng)在毫米波段存在的損耗大、抗干擾能力弱等問題，克服了毫米波電子器件的電子“瓶頸”等問題。此外，MM-RnF利用光纖技術(shù)將光纖網(wǎng)絡(luò)的巨大容量和無線接入網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性與移動(dòng)性有機(jī)結(jié)合，可綜合傳送各種無線業(yè)務(wù)信息，為寬帶無線網(wǎng)絡(luò)提供“最后一公里”無縫接入，以實(shí)現(xiàn)真正意義的“任何人、任何時(shí)間，于任何地點(diǎn)，以任何形式通信”的需求。

下一代寬帶無線通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。結(jié)構(gòu)主要是由分布式天線網(wǎng)絡(luò)(DAN)、分布式信號(hào)傳送網(wǎng)絡(luò)(DTN)、分布式信號(hào)處理網(wǎng)絡(luò)(DPN)和分布式核心網(wǎng)絡(luò)(DCN)共同組成，其中DTN、DPN和DCN這些涉及到毫米波的信號(hào)處理和傳送網(wǎng)絡(luò)都可以通過光纖系統(tǒng)的光集成器件和技術(shù)進(jìn)行無線信號(hào)的處理和傳輸，光纖傳輸能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有電纜無法滿足寬帶無線信號(hào)傳送的帶寬要求和傳輸質(zhì)量。預(yù)計(jì)到2010年，超過80％的毫米波無線信號(hào)基于光纖技術(shù)傳送。而DAN部分的天線系統(tǒng)采用基于光控波束形成的智能天線可以克服寬帶、大容量電控天線電子處理無法避免的“瓶頸”問題，成為數(shù)10 GHZ以上無線天線系統(tǒng)理想的方案，其應(yīng)用前景廣闊。

1光載毫米波無線電通信技術(shù)的現(xiàn)狀

目前，MM-RoF技術(shù)已經(jīng)成為美國、歐盟、日本、澳大利亞等許多國家的信息研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)面向應(yīng)用的前沿研究熱點(diǎn)；中國則主要有清華大學(xué)、北京大學(xué)、北京郵電大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、中國電子科技大學(xué)、上海大學(xué)、華中科技大學(xué)等的一批科研院所開展相關(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)、無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)無縫連接，對(duì)支持寬帶無線多業(yè)務(wù)的MM-RoF系統(tǒng)的研究越來越受到人們關(guān)注。比較典型的有：

美國喬治亞州技術(shù)學(xué)院在2005年報(bào)道了波分復(fù)用一無源光網(wǎng)絡(luò)(WDM-PON)與寬帶MM-RoF無線接入系統(tǒng)的無縫連接研究。其方案利用高非線性色散位移光纖產(chǎn)生的拉曼相關(guān)四波混頻效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了8×2.5 Gb／s波分復(fù)用(WDM)信號(hào)的全光上變頻為40 GHz微波副載波信號(hào)；同時(shí)為克服光纖色散的影響，采用了單邊帶濾波技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大于20 km的MM-RoF系統(tǒng)傳輸。該學(xué)院于2007年又報(bào)道了一種新型全雙IRoF系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了40GHz載波下，2.5 Gb／s信號(hào)(下行差分相移鍵控(DPSK)調(diào)制格式，上行開關(guān)鍵控(OOK)再調(diào)制)的40 km的雙向RoF系統(tǒng)傳輸。

美國NEC實(shí)驗(yàn)室在2007年報(bào)道實(shí)現(xiàn)了40 GHz微波信號(hào)與2.5 Gb／s不歸零碼(NRZ)信號(hào)的RoF系統(tǒng)傳輸。該系統(tǒng)是研究有線、無線寬帶服務(wù)同時(shí)傳輸?shù)募夹g(shù)的。

在歐洲，自2004年啟動(dòng)了由西班牙Valencia大學(xué)、英國University College London大學(xué)等多個(gè)歐盟研究機(jī)構(gòu)共同合作的GANDALF計(jì)劃。自2004年啟動(dòng)至今，其以“研究多業(yè)務(wù)RoF系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)吉比特傳輸速率的寬帶無線和有線混合接入網(wǎng)絡(luò)”為最終研究目標(biāo)。其中，2005年報(bào)道了高頻電矢量信號(hào)的光產(chǎn)生研究結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了直接光產(chǎn)生載波為37.5 GHz的74.7 Mb／s正交移相鍵控(QPSK)信號(hào)；同年還實(shí)現(xiàn)了載波40 GHz、2.5 Gb／s數(shù)據(jù)信號(hào)的RoF系統(tǒng)。

英國University College London大學(xué)聯(lián)合劍橋、英國電信、BT公司等多個(gè)研究機(jī)構(gòu)，研究基于RoF的光纖無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了60 GHz無線信號(hào)多業(yè)務(wù)光傳輸實(shí)驗(yàn)。

在日本，多業(yè)務(wù)毫米波RoF技術(shù)成為眾多研究機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。日本大阪大學(xué)在2003年報(bào)道他們實(shí)現(xiàn)了

2.5 Gb／s基帶信號(hào)、4.5—12 GHz微波信號(hào)和60 GHz載波下的155 Mb／s信號(hào)，在3種信號(hào)單一光源上的共同傳輸；2006年報(bào)道研究了基于超連續(xù)譜光源的全光上變頻產(chǎn)生60 GHz毫米波信號(hào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)信道25 km的RoF系統(tǒng)傳輸。日本郵政省通信研究所(cRL)在60 GHz頻帶實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)無線接入網(wǎng)，在36—37 GHz頻帶汽車路間智能通信系統(tǒng)(ITS-RVC)數(shù)據(jù)傳送速率達(dá)10～150 Mb／s。日本ATR研究所在60 GHz頻段實(shí)現(xiàn)400 Mb／s二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)調(diào)制數(shù)據(jù)的光纖傳送(上行鏈路系統(tǒng))，在50 GHz頻段實(shí)現(xiàn)500 Mb／s BPSK調(diào)制數(shù)據(jù)的光纖傳送(下行鏈路系統(tǒng))。

在加拿大，Ryemon大學(xué)的高級(jí)無線光纖集成技術(shù)組(ADROIT)自20世紀(jì)90年代末就開始研究RoF系統(tǒng)，目前重點(diǎn)研究在于基于RoF技術(shù)的多媒體無線接入網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)各種多媒體接人例如IEEE 802.11、寬帶碼分多址(WCDMA)等混合RoF傳輸系統(tǒng)。

韓國Yonsei大學(xué)2003年報(bào)道了實(shí)現(xiàn)了2×622 Mb／s信號(hào)在60 GHz RoF系統(tǒng)中的20 km傳輸，它主要采用了兩個(gè)激光器的邊帶注入鎖定技術(shù)實(shí)現(xiàn)毫米波信號(hào)。2005年，韓國光州科學(xué)與技術(shù)學(xué)院(GIST)報(bào)道了利用基于半導(dǎo)體光放大器的馬赫一曾德調(diào)制(sOA-MZI)實(shí)現(xiàn)了全光上變頻產(chǎn)生WDM RoF信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了載波頻率為22.5 GHz、速率為155 Mb／s的雙DPSK信號(hào)的RoF系統(tǒng)傳輸。2006年Yonsei大學(xué)實(shí)現(xiàn)了利用SOA-EAM實(shí)現(xiàn)全雙工60 GHz RoF系統(tǒng)10 Mb／s QPSK信號(hào)的傳輸。

在中國，許多大學(xué)研究機(jī)構(gòu)也十分重視光纖無線傳輸方面的研究。上海大學(xué)2005年報(bào)道了“OFDM-RoF光傳輸系統(tǒng)中一些問題的研究”，重點(diǎn)研究正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制無線信號(hào)在RoF光傳輸系統(tǒng)中的傳輸性能分析，建立了仿真模型，之后又研究了將光相移鍵控(PSK)調(diào)制用于基于諧波生成原理的RoF下行鏈路系統(tǒng)；2006年以來對(duì)60 GHz RoF系統(tǒng)在光源方面和系統(tǒng)功率設(shè)計(jì)及分配建模進(jìn)行了研究。北京郵電大學(xué)在2003年前后進(jìn)行了RoF系統(tǒng)承載第二代無線系統(tǒng)信號(hào)的仿真工作，并且理論分析了基于四波混頻(FWM)實(shí)現(xiàn)RoF全光波長(zhǎng)變。北京大學(xué)利用雙模鎖模激光技術(shù)初步實(shí)現(xiàn)了60 GHz毫米波的全光產(chǎn)生，并進(jìn)行了RoF信號(hào)光纖傳輸?shù)纳⒎治?。浙江大學(xué)于2005年在微波信號(hào)的光產(chǎn)生方面提出利用光纖光柵布里淵雙頻激光器全光產(chǎn)生微波／毫米波，得到了11 GHz附近的微波輸出。華中科技大學(xué)利用雙光源技術(shù)和60 GHz的電吸收收發(fā)器fEAT)分別在下行和上行鏈路實(shí)現(xiàn)單波長(zhǎng)和雙波長(zhǎng)調(diào)制。湖南大學(xué)研究了提出一種改進(jìn)的雙邊帶調(diào)制產(chǎn)生光毫米波方案。清華大學(xué)自1999年以來在RoF系統(tǒng)中的無線信號(hào)光產(chǎn)生、上下變頻、光微波濾波器、鏈路傳輸中串?dāng)_問題等方面進(jìn)行了研究，取得了一定的研究成果。

2光載毫米波無線電通信技術(shù)的未來發(fā)展

MM-RoF系統(tǒng)正朝著更大容量、更高性能、更實(shí)用的方向發(fā)展，以期滿足將來寬帶多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)無縫連接方面等實(shí)際應(yīng)用的要求。目前支持無線多業(yè)務(wù)的MM-RoF系統(tǒng)研究主要是利用光纖中的波長(zhǎng)資源，采用WDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)信號(hào)的MM-RoF系統(tǒng)傳輸。考慮到光波長(zhǎng)資源有限，為了更有效提高光波資源的利用率，用單一光源傳送多業(yè)務(wù)的MM-RoF技術(shù)顯得十分重要和必要，其中在同一光源上實(shí)現(xiàn)微波，毫米波頻段的多種格式無線信號(hào)的光產(chǎn)生技術(shù)、多格式毫米波信號(hào)的MM-RoF傳輸技術(shù)、全光解調(diào)技術(shù)，以及系統(tǒng)性能分析等將成為實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)傳送的MM-RoF系統(tǒng)的關(guān)鍵。