光載無線電（RoF）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

李秀娟

0 引言

在移動(dòng)通信早期，全球移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM、通用分組無線服務(wù)技術(shù)GPRS的數(shù)據(jù)傳輸速率很低，目前，用戶要求通信系統(tǒng)提供給他們一個(gè)在任何時(shí)候任何地方、傳輸快速、使用靈活的多媒體信息服務(wù)。例如全球微波互聯(lián)接入WiMax和全球互連城域網(wǎng)WiMAN技術(shù)，使用1 GHz帶寬，覆蓋面積也很廣泛。然而，持續(xù)增加的用戶數(shù)量對(duì)數(shù)據(jù)通信的要求越來越高，一個(gè)有效的解決方案是減小蜂窩范圍以便容納更多的用戶，這就是所謂的微蜂窩、微微蜂窩的概念。另一個(gè)解決方案是利用新的運(yùn)營(yíng)頻帶，目前，許多研究者傾向于利用毫米波作為新的運(yùn)營(yíng)頻帶[1]，它的頻率范圍是40～90 GHz，這個(gè)波段可提供更高的帶寬。然而使用這些方法將引發(fā)其他的問題，減小蜂窩就要增加基站 BS的數(shù)量，拓展頻率對(duì)設(shè)備性能要求很高，安裝和維護(hù)的費(fèi)用也隨之提高。在這種情況下，RoF技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，RoF技術(shù)是無線通信和光纖通信的集成，不僅能實(shí)現(xiàn)寬帶移動(dòng)服務(wù)、擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，而且能提供更大的容量，更快的速率，更高的靈活性[2]。

1 RoF技術(shù)簡(jiǎn)介

RoF技術(shù)是把射頻或毫米波信號(hào)調(diào)制到光載波上，通過光纖鏈路傳輸以實(shí)現(xiàn)無線接入。在常規(guī)的光網(wǎng)絡(luò)中，傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)。RoF通信基本上是一個(gè)模擬的傳輸系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈鬏數(shù)氖悄M射頻信號(hào)，直接把射頻信號(hào)從中心站CS傳輸?shù)交綶3]。而射頻信號(hào)本身是經(jīng)數(shù)字信號(hào)調(diào)制的，調(diào)制射頻信號(hào)的數(shù)字信號(hào)格式為正交振幅調(diào)制QAM、正交頻分復(fù)用OFDM。RoF系統(tǒng)包括發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)，通過光纖鏈路連接在一起。在發(fā)射端，電信號(hào)(被調(diào)制的射頻信號(hào))被用來調(diào)制光源(激光器)，調(diào)制后的光信號(hào)通過光纖傳輸?shù)浇邮斩?，在接收端，由光電探測(cè)器把光信號(hào)還原成電信號(hào)。

RoF系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，在RoF系統(tǒng)中，信號(hào)的處理、路由選擇和調(diào)制等都由中心站來完成，而不是由基站來完成的。在基站，僅實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的光電轉(zhuǎn)換和無線信號(hào)的發(fā)射，這樣，可以把復(fù)雜昂貴的設(shè)備集中到中心站，讓多個(gè)遠(yuǎn)端基站共享這些設(shè)備，減少基站的功耗和成本。如圖2所示是大樓內(nèi)的RoF系統(tǒng)，其中光纖作為大樓的骨干傳輸網(wǎng)。

圖1 RoF系統(tǒng)組成

圖2 用光纖實(shí)現(xiàn)樓內(nèi)有線無線通信系統(tǒng)集成

2 RoF技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和限制

RoF技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和限制如下。

（1）優(yōu)勢(shì)

通過光纖傳輸無線信號(hào)有很多優(yōu)勢(shì)，因?yàn)楣饫w提供了巨大的帶寬，幾乎達(dá)到THz，許多數(shù)字信號(hào)如視頻、數(shù)據(jù)、電話等，通過一根光纖就可傳輸。光纖的高帶寬還使高速信號(hào)的處理成為可能，這是電信號(hào)很難或者說不能實(shí)現(xiàn)的。此外，光纖的傳輸損耗低，波長(zhǎng)1550 nm為0.3 dB，這對(duì)傳輸無線數(shù)字信號(hào)非常有利。有3個(gè)波段損耗最低，分別是850 nm、1310 nm、1550 nm，將這3個(gè)波段結(jié)合起來，可利用的帶寬相當(dāng)巨大，同時(shí)使毫米波技術(shù)成為切實(shí)可行的解決方案。RoF系統(tǒng)信號(hào)以光的形式傳播，因此不受無線信號(hào)的干擾，提高了系統(tǒng)的安全性。在硬件方面，復(fù)雜和昂貴的設(shè)備全部集中在中心站，基站使用遠(yuǎn)端天線，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小重量輕，安裝簡(jiǎn)便，維護(hù)方便，減少了系統(tǒng)的費(fèi)用。在管理層實(shí)現(xiàn)集中控制，使帶寬資源的分配更合理[4]。

（2）限制

和其他傳輸系統(tǒng)一樣，RoF受噪聲和失真的影響，形成原因主要是鏈路中器件的非線性，例如激光器的非線性效應(yīng)[5]，這些因素限制了射頻信號(hào)傳輸系統(tǒng)的噪聲圖和動(dòng)態(tài)范圍，而這兩個(gè)參數(shù)在無線通信系統(tǒng)中是非常重要的。為了降低噪聲、改善信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍，必須采取措施減少噪聲和信號(hào)的失真。除此之外，光纖鏈路本身也有限制，在單模光纖中，材料色散限制了光纖鏈路的長(zhǎng)度，還可能增加射頻信號(hào)的噪聲。在多模光纖中，模式色散限制了帶寬和傳輸距離。

3 RoF系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

在RoF系統(tǒng)中，有幾項(xiàng)關(guān)鍵的光學(xué)技術(shù)，例如信號(hào)的調(diào)制解調(diào)，主要有兩種形式，第1種是強(qiáng)度調(diào)制直接探測(cè)(IM-DD,Intensity Modulation-Direct Detection)方式[6]，第2種是遠(yuǎn)端光外差探測(cè)(RHD,Remote Heterodyne Detection)[7]，在中心站，電信號(hào)的調(diào)制形式有3種，一是基帶形式，即光纖基帶傳輸，二是光纖頻帶傳輸，三是光纖射頻傳輸。

（1）IM-DD

這項(xiàng)技術(shù)是用射頻信號(hào)直接調(diào)制光源的強(qiáng)度，光電探測(cè)器直接探測(cè)，并恢復(fù)射頻信號(hào)。光源的調(diào)制有兩種方法，第1種，光源由射頻信號(hào)直接調(diào)制，調(diào)制信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)激光器的偏置電流，如圖 3(a)所示。第2種方法是用連續(xù)波驅(qū)動(dòng)激光器，用外調(diào)制的方法，例如馬赫-曾德爾調(diào)制器(MZM,Mach-Zehnder Modulator)調(diào)制光的強(qiáng)度，如圖3(b)所示，如果用PIN光電二極管探測(cè)，所得到的光電流的變化規(guī)律與發(fā)射端調(diào)制的射頻信號(hào)的變化規(guī)律相同。

圖3 IM-DD技術(shù)

（2）RHD

甚高頻信號(hào)的光纖傳輸要求發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)要有良好的性能，所有的信號(hào)處理都必須達(dá)到很高的線性要求，為了滿足需要，被調(diào)制的射頻信號(hào)由光外差方法產(chǎn)生，如圖4所示。用兩個(gè)窄譜線寬的激光二極管發(fā)光，它們所發(fā)射的兩束光的頻率差等于射頻信號(hào)的頻率。其中一束光用數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，另一束為連續(xù)的光信號(hào)，兩束光疊加后通過光纖傳輸。在接收端，光電二極管 PD用光外差方式檢測(cè)，兩束光信號(hào)在光電二極管上拍頻產(chǎn)生所需的射頻信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行振幅調(diào)制后，通過天線發(fā)射出去。

圖4 雙激光器RHD系統(tǒng)

單激光器RHD系統(tǒng)如圖5所示，用馬赫-曾德爾干涉儀(MZI,Mach-Zehnder Interferometer)作調(diào)制器，它被偏置在其調(diào)制特性曲線的峰值點(diǎn)或最低點(diǎn)，并由一個(gè)正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)，正弦信號(hào)的頻率約為射頻信號(hào)頻率的一半，這樣在馬赫-曾德爾干涉儀的輸出端，伴隨著光載波傳輸?shù)氖莾蓚€(gè)信號(hào)，兩個(gè)信號(hào)的頻率差等于射頻信號(hào)的頻率。當(dāng)用數(shù)字信號(hào)對(duì)光源LD進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制時(shí)，接收端的光電二極管用自外差方法解調(diào)出被調(diào)制的射頻信號(hào)[8]。

圖5 單激光器RHD系統(tǒng)

4 結(jié)語

通過對(duì) RoF技術(shù)的介紹以及對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)的分析，可以看出RoF技術(shù)可以應(yīng)用于很多通信系統(tǒng)中，例如無線局域網(wǎng)WLAN技術(shù)、衛(wèi)星通信和移動(dòng)寬帶服務(wù)等。由于RoF系統(tǒng)高帶寬、低損耗、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，因此是滿足人們對(duì)寬帶業(yè)務(wù)需求的具有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。盡管 RoF系統(tǒng)還面臨降低成本的問題，也有很多關(guān)鍵技術(shù)要攻克，但有理由相信，隨著研究的不斷深入以及各種標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，RoF系統(tǒng)在未來電子戰(zhàn)、電子對(duì)抗、網(wǎng)絡(luò)融合以及其他遠(yuǎn)程通信和電子系統(tǒng)中[9]，有著廣泛的應(yīng)用前景。

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