RoF技術(shù)在光纖寬帶接入中的應(yīng)用

田宇興,江 鵬,劉永飄,李 棟,白 天

(武漢虹信通信技術(shù)有限責(zé)任公司,武漢 430073)

RoF技術(shù)在光纖寬帶接入中的應(yīng)用

田宇興,江 鵬,劉永飄,李 棟,白 天

(武漢虹信通信技術(shù)有限責(zé)任公司,武漢 430073)

部署缺乏靈活性是光纖寬帶接入的主要問(wèn)題之一,文章提出了一種RoF(光載無(wú)線)技術(shù)在寬帶接入中的應(yīng)用系統(tǒng),光纖傳輸選取較低的頻率以降低對(duì)激光器的要求,并通過(guò)SDM(副載波復(fù)用)和WDM(波分復(fù)用)的結(jié)合來(lái)提高光纖利用率,根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景選用定向微波天線進(jìn)行多點(diǎn)覆蓋。該方案實(shí)現(xiàn)了單光纖最多承載48個(gè)用戶、單用戶最高35 Mbit/s速率的寬帶接入。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)用戶寬帶接入,并且成本低、易實(shí)現(xiàn)。

光載無(wú)線;寬帶接入;復(fù)用

0 引 言

在當(dāng)前寬帶接入網(wǎng)中,接入方式主要以光纖接入為主、無(wú)線接入為輔。在無(wú)線化和寬帶化的需求下,RoF(光載無(wú)線)技術(shù)結(jié)合了光傳輸帶寬大、傳輸距離遠(yuǎn)、無(wú)線傳輸接入靈活和部署快捷的優(yōu)點(diǎn),一直是研究的熱點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)比當(dāng)前RoF的實(shí)現(xiàn)方案,對(duì)其關(guān)鍵方案的選擇進(jìn)行了討論。通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),在經(jīng)濟(jì)性和易實(shí)現(xiàn)性方面對(duì)RoF技術(shù)在寬帶接入中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

1 關(guān)鍵方案對(duì)比

1.1 光纖信道的復(fù)用

目前,主流的信道復(fù)用技術(shù)有WDM(波分復(fù)用)、TDM(時(shí)分復(fù)用)、CDM(碼分復(fù)用)和SDM(副載波復(fù)用)。其中,TDM需要精確的時(shí)鐘同步來(lái)做時(shí)隙控制,而寬帶接入應(yīng)用對(duì)同步要求并不高; CDM具有很強(qiáng)的抗干擾性,主要用于移動(dòng)通信CDMA(碼分多址接入)系統(tǒng),但在外界干擾可以忽略的光纖通信中并不能體現(xiàn)其技術(shù)優(yōu)勢(shì)。因此上述兩種復(fù)用方式不適用于寬帶接入場(chǎng)景。

WDM是光纖通信中最常用的復(fù)用方式,它可以極大地?cái)U(kuò)展光纖容量的利用率,大大降低建設(shè)成本,同時(shí)線路上用到的復(fù)用/解復(fù)用器均為無(wú)源器件,不會(huì)給系統(tǒng)可靠性引入不穩(wěn)定因素。但因?yàn)槭褂昧硕鄠€(gè)光波長(zhǎng),在發(fā)送端需要多個(gè)激光器。

SCM實(shí)際上是在射頻上的頻分復(fù)用,復(fù)用的幾個(gè)用戶載波可以共用一個(gè)激光器,且擴(kuò)展了可承載的用戶數(shù)。缺點(diǎn)是幾個(gè)副載波的合并提高了信號(hào)總功率,提升了對(duì)傳輸鏈路上有源器件的線性要求。

1.2 無(wú)線頻率的選擇

RoF系統(tǒng)的無(wú)線覆蓋頻率一般選擇毫米波頻段,因?yàn)槠渚哂休^純凈的頻率資源且干擾較小,寬而連續(xù)的頻譜可滿足大帶寬應(yīng)用的要求。同時(shí),毫米波在空間傳輸時(shí)隨傳輸距離的增加迅速衰減,在Ro F初始應(yīng)用的移動(dòng)通信場(chǎng)景中,可以更好地避免相鄰小區(qū)的干擾,提高頻點(diǎn)復(fù)用率。因此目前Ro F技術(shù)研究選擇的無(wú)線頻率一般為20和60 GHz這兩個(gè)大氣傳輸高損耗窗口。

對(duì)于調(diào)制在光纖上的載波頻率,一般與無(wú)線覆蓋為同一頻率,即在發(fā)送端直接通過(guò)毫米波激光器產(chǎn)生毫米光波,由光纖傳輸至接收端,再直接光/電

轉(zhuǎn)換為微波信號(hào)。也可以采用上下變頻的方式,即在發(fā)送端產(chǎn)生一個(gè)頻率較低的中頻信號(hào),調(diào)制成光信號(hào)傳輸至接收端,在接收端轉(zhuǎn)成電信號(hào)后,再上變頻至無(wú)線覆蓋頻率。兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)分別為:(1)采用同一頻率的方式,分布站只需要進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換和微波收發(fā),可使分布站成本更低、更易維護(hù)。但調(diào)制帶寬在10 GHz以上的毫米波激光器實(shí)現(xiàn)難度大、價(jià)格高。另外,光纖中傳輸信號(hào)的頻率越高,色散引起的信號(hào)失真越大,因此會(huì)縮短傳輸距離,降低鏈路性能。雖然目前毫米波產(chǎn)生技術(shù)中已有采用間接調(diào)制的方式,例如電吸收、外加鈮酸鋰調(diào)制器等來(lái)克服直接調(diào)制加劇的色散影響,但這又增加了激光器的技術(shù)難度和成本。(2)采用上下變頻的方式,在光纖中傳輸一個(gè)頻率較低的中頻信號(hào),普通的模擬激光器即可勝任,并且可以減弱色散對(duì)傳輸距離和信號(hào)質(zhì)量的影響,但在分布站需要進(jìn)行微波上下變頻。由于數(shù)字微波通信發(fā)展至今,微波上下變頻技術(shù)已非常成熟,因此實(shí)現(xiàn)上并沒(méi)有困難。

1.3 覆蓋方式

在移動(dòng)通信的應(yīng)用場(chǎng)景中,由于用戶端位置不固定,RoF的無(wú)線覆蓋部分一般采用分布式全向天線。高頻微波信號(hào)在空間傳輸時(shí)損耗很大,而在無(wú)源全向天線中,微波信號(hào)是不能獲得增益的,因此系統(tǒng)中需要多個(gè)基站或分布天線來(lái)覆蓋整個(gè)區(qū)域。

在固定寬帶接入場(chǎng)景中,一般是小區(qū)和企業(yè)用戶,用戶一旦確定,其位置是固定的,因此可以根據(jù)用戶位置分布,選擇方向性合適的定向天線來(lái)做覆蓋,以減少覆蓋天線的數(shù)量。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)概述

本文所提實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在RoFCS(局端中心站)將寬帶IP(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)業(yè)務(wù)經(jīng)數(shù)字處理后調(diào)制成射頻載波,再直接調(diào)制成光信號(hào),借用FTTH(光纖到戶)的光纖網(wǎng)絡(luò)承載RoF光信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸。在覆蓋小區(qū),將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成射頻信號(hào)進(jìn)行短距離的無(wú)線覆蓋。在用戶端,室外設(shè)備接收射頻信號(hào)并下變頻,通過(guò)饋線引入到室內(nèi)設(shè)備完成解調(diào),并還原成寬帶業(yè)務(wù)。

將覆蓋區(qū)域?qū)崿F(xiàn)光/電和電/光轉(zhuǎn)換、射頻收發(fā)的設(shè)備稱為RAU(遠(yuǎn)端天線單元),將用戶側(cè)收發(fā)射頻信號(hào)并進(jìn)行上下變頻的設(shè)備稱為ODU(室外單元),將用戶側(cè)數(shù)字處理及提供業(yè)務(wù)接口的設(shè)備稱為BTU(寬帶傳輸單元)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 RoF應(yīng)用在寬帶接入的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

2.2 頻率選擇

從經(jīng)濟(jì)性和易實(shí)現(xiàn)上考慮,我們采用了上下變頻方式。采用TRF2443收發(fā)器將模擬I/Q(同相/正交)信號(hào)調(diào)制到350 MHz中頻(接收140 MHz)。TRF2443同時(shí)還集成基帶/中頻放大和正交調(diào)制解調(diào),這是數(shù)字微波通信中常用的方案。

采用ADL5367混頻器將中頻信號(hào)搬移至1.21 GHz射頻(接收836 MHz)。ADL5367具有500～1 00 MHz的輸出頻率范圍,IIP3(輸入三階交調(diào)截取點(diǎn))達(dá)34 d Bm,是GSM(全球移動(dòng)通信系統(tǒng))中常用的混頻器。

采用模擬激光器將1.2 GHz射頻信號(hào)直接調(diào)制到光波上進(jìn)行拉遠(yuǎn),由于載波頻率降低,可以采用直接調(diào)制方式,對(duì)激光器要求不高。

在覆蓋頻率的選擇上,考慮到一般的固定寬帶接入并不需要達(dá)到Gbit/s級(jí)別的用戶速率。20 GHz以下頻段的可用帶寬足以滿足百兆級(jí)別的傳輸速率。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,我們采用了14～16 GHz的覆蓋頻率。

下行方向,RAU內(nèi)部光/電轉(zhuǎn)換還原成1.21 GHz射頻,再上變頻至16 GHz進(jìn)行覆蓋。上行方向,RAU接收14 GHz信號(hào)下變頻至836 MHz。選擇該覆蓋頻率是考慮到12～16 GHz頻率微波設(shè)備在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多,該頻率范圍的微波器件(本振、混頻、功放及低噪放)在價(jià)格和獲取渠道上更適合規(guī)模商用。圖2所示為系統(tǒng)中RoF部分的頻率變換示意圖。

圖2 RoF部分頻率變換示意

2.3 實(shí)現(xiàn)的用戶數(shù)和用戶速率

綜合考慮技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度和每用戶的部署成本,

所提實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用了WDM與SDM相結(jié)合的復(fù)用方式。

設(shè)計(jì)的單個(gè)信道帶寬為56 MHz,符號(hào)速率為50 Msymbol/s,采用QAM(正交幅度調(diào)制),最高調(diào)制方式定為32QAM,即每個(gè)符號(hào)攜帶5 bit信息。則單個(gè)信道最大傳輸速率為50 Msymbol/s× 5 bit=250 Mbit/s。當(dāng)前普通家庭用戶對(duì)帶寬的需求不會(huì)達(dá)到這個(gè)級(jí)別,因此,在單個(gè)信道內(nèi),我們采用了SDM進(jìn)行頻域上的復(fù)用,以增加系統(tǒng)支持的用戶數(shù)。同時(shí),為了提高頻譜利用率,對(duì)于用戶副載波的調(diào)制,我們采用了OFDM(正交頻分復(fù)用)方式,各個(gè)副載波因其正交性以很小的間隔排列在頻譜上,不會(huì)相互干擾。下行光纖的載波中心頻率為1 221 MHz,上行為836 MHz。

在用戶數(shù)量和單用戶帶寬折衷后,我們?cè)趩蝹€(gè)信道帶寬中共排列了6個(gè)用戶副載波,即6個(gè)副載波的復(fù)用。調(diào)制成光信號(hào)后,每個(gè)光波長(zhǎng)上承載的用戶數(shù)擴(kuò)展了6倍。每個(gè)用戶載波占用射頻帶寬約為8 MHz,32QAM時(shí)速率約為35 Mbit/s,16QAM時(shí)速率約為28 Mbit/s,QPSK(正交相移鍵控)時(shí)速率約為14 Mbit/s。

圖3所示為16QAM調(diào)制方式下用戶速率監(jiān)測(cè)圖。由圖可知,用戶凈速率最高可達(dá)25 Mbit/s,加上開(kāi)銷,與理論速率28 Mbit/s相符。

圖3 16QAM調(diào)制方式下用戶凈速率監(jiān)測(cè)

采用WDM進(jìn)行光波的復(fù)用,RoFCS處調(diào)制出的多個(gè)光載波聚到復(fù)用器上合路,在一根光纖中傳輸?shù)礁采w區(qū)。色散會(huì)導(dǎo)致傳輸信號(hào)產(chǎn)生脈沖畸變,復(fù)用器和解復(fù)用器的插入損耗也是限制WDM復(fù)用數(shù)量的因素。經(jīng)評(píng)估后,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用8對(duì)(雙向)光波長(zhǎng)進(jìn)行復(fù)用,波長(zhǎng)分布在1 310和1 550 nm這兩個(gè)光纖低損耗窗口附近。

圖4所示為WDM和SDM相結(jié)合的復(fù)用方式,通過(guò)WDM和SDM的結(jié)合,Ro FCS和覆蓋區(qū)之間的一根光纖最高可承載6×8=48戶用戶的業(yè)務(wù)傳輸。復(fù)用數(shù)的提升,帶來(lái)的是每用戶部署成本的下降。

圖4 WDM和SDM相結(jié)合的復(fù)用方式

2.4 覆蓋范圍

在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,用戶位于同一小區(qū),位置分布相對(duì)集中,我們采用拋物面微波天線進(jìn)行覆蓋。用戶側(cè)ODU不宜使用大尺寸天線,因此采用了15 dBi的小型喇叭天線。0.3 m口徑15 GHz拋物面天線的方向圖如圖5所示,其最大增益可達(dá)32 dBi,可兼顧有效覆蓋角度和距離,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)個(gè)固定用戶的覆蓋。

圖5 拋物面微波天線方向圖

RAU下行發(fā)射總載波功率最大為18 dBm,采用6個(gè)副載波復(fù)用,則單個(gè)副載波功率Po= 10 d Bm?？紤]衰落儲(chǔ)備后,ODU側(cè)接收門限電平Si=―65 dBm。計(jì)算有效傳輸距離d時(shí),有Po+ GT―LS+GR≥Si,式中,GT為發(fā)送天線在指向用戶方向的增益,可從方向圖中查出;GR為接收天線的增益,與發(fā)送增益相同;LS為空間鏈路損耗,在短距離傳輸中忽略大氣吸收和水汽吸收的影響,空間鏈路損耗取自由空間損耗,有LS=92.5+20lg d+ 20lg f,式中,d為傳輸距離(單位:km),f為傳輸信號(hào)頻率(單位:GHz)?？梢缘贸?在天線主瓣正前方向,有效傳輸距離可達(dá)2 km。在正前方±5°方向,有效傳輸距離約200 m。

在更寬的角度上,用戶無(wú)法得到最優(yōu)覆蓋,接收信號(hào)載噪比下降。為保證系統(tǒng)的可用性,我們采用了自適應(yīng)調(diào)制,即根據(jù)接收信號(hào)載噪比自動(dòng)切換調(diào)制方式。設(shè)置32QAM到16QAM的下切門限為21 dB,16QAM到QPSK的下切門限為17 dB,相應(yīng)的上切門限比下切門限高2 d B作為保護(hù)間隔,避免調(diào)制方式切換過(guò)于頻繁。

當(dāng)信噪比下降至下切門限以下時(shí),將切換至16QAM或QPSK工作,以保證最佳覆蓋范圍外的用戶也能得到基本業(yè)務(wù)覆蓋。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)寬帶接入場(chǎng)景,對(duì)比了RoF在復(fù)用方式、頻率選擇和覆蓋方式上的技術(shù)選擇,并基于開(kāi)發(fā)實(shí)踐,提出了一種成本低、易實(shí)現(xiàn)和更適合商用的方案及設(shè)計(jì)實(shí)例。實(shí)例中,SDM復(fù)用數(shù)與每用戶最高速率之間、WDM復(fù)用數(shù)與光路損耗(拉遠(yuǎn)距離)之間、天線數(shù)量與覆蓋范圍之間都需要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求來(lái)折衷考慮。

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Application of RoF Technology in Fiber Broadband Access

TIAN Yu-xing,JIANG Peng,LIU Yong-piao,LI Dong,BAI Tian
(Wuhan Hongxin Telecommunication Technologies Co.,Ltd.,Wuhan 430073,China)

Lack of flexibility in the deployment is one of the main issues of fiber broadband access.An application system is proposed to use RoF(Radio over Fiber)technology in broadband access.In fiber transmission,a lower frequency is selected to reducethe requirements for laser,and improve the utilization of fiber by combining SDM and WDM.According to the application,directional microwave antenna is selected to cover multi-user.In the system,maximum 48 users can be supported over one single fiber and the speed for each user can reach 35 Mbit/s.Experimental results show that the system can effectively achieve the broadband access,which is more economic and easier to realize.

RoF;broadband access;multiplex

TN929

A

1005-8788(2016)06-0056-03

10.13756/j.gtxyj.2016.06.016

2016-08-31

國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2016ZX03001002)

田宇興(1973―),男,湖北武漢人。高級(jí)工程師,碩士研究生,主要從事微波通信、移動(dòng)通信設(shè)備系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)。