基于光纖傳能的異構(gòu)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)研究

楊立偉，易湘誠(chéng)，劉兆瑞，黃子毅，許文龍，賈 潤(rùn)

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，北京100083)

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的通信技術(shù)顯然已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)高速率和大帶寬的需求[1]。對(duì)于無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，光載無(wú)線(xiàn)通信(Radio over Fiber, RoF)是將射頻信號(hào)傳輸?shù)街醒刖?Central Office, CO)和遠(yuǎn)程天線(xiàn)單元(Remote Antenna Unit, RAU)之間的光纖鏈路中不可缺少的技術(shù)。RoF具有以下優(yōu)點(diǎn)：低損耗率、超高帶寬、抗電磁干擾、便于安裝和維護(hù)等。RoF系統(tǒng)簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)減少了無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)木嚯x，進(jìn)而減少了基站與用戶(hù)之間信號(hào)傳輸?shù)某杀?，提高了系統(tǒng)容量。

在未來(lái)的移動(dòng)通信中，RAU數(shù)量的增加，同時(shí)也增加了移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的運(yùn)營(yíng)管理成本，所以需要對(duì)RAU進(jìn)行更加簡(jiǎn)單與經(jīng)濟(jì)的管理。光纖傳能(Power over Fiber, PWoF)系統(tǒng)，通俗地講就是將光纖作為傳輸能量的介質(zhì)，可以將電能轉(zhuǎn)換成光能傳輸?shù)南到y(tǒng)。光作為能量傳輸?shù)男问脚c傳統(tǒng)的電能傳輸相比有著顯著的優(yōu)點(diǎn)，其中最明顯的是對(duì)發(fā)送與接收設(shè)備的絕緣性能不做要求。PWoF系統(tǒng)基本不受無(wú)線(xiàn)電磁和閃電等不利條件的干擾，且組成設(shè)備重量更輕，也更加安全可靠[2]。Matsuura M等人[3]的最新研究利用雙包層光纖傳輸150 W功率的良好傳輸性能，證明了RoF與PWoF融合系統(tǒng)的可行性。

無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(Passive Optical Network, PON)技術(shù)是用于擴(kuò)展帶寬，原理是讓多個(gè)終端設(shè)備連接在一根光纖下，或者一個(gè)局端設(shè)備下。PON技術(shù)具有良好的可擴(kuò)展性和較高的寬帶等優(yōu)點(diǎn)。建設(shè)一個(gè)PON需要的成本是比較低的，并且后期維護(hù)也很方便。對(duì)于RoF與PON的融合系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)有學(xué)者提出了一種基于外調(diào)制法單邊帶(Single-sideband modulation，SSB)調(diào)制方式承載60 GHz毫米波結(jié)合反射式半導(dǎo)體光放大器(Reflective Semiconductor Optical Amplifier，RSOA)的有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)結(jié)合的雙向傳輸系統(tǒng)[4],取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。

在基于RoF-PON的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，PWoF的使用可以將電源集中在CO，并在同一光纖中提供具有光數(shù)據(jù)信號(hào)的饋電光(光功率)。此外，由于光纖是非導(dǎo)電電源線(xiàn)，因此PWoF可抵抗整體電源系統(tǒng)損壞。

1 RoF-PON與PWoF融合傳輸?shù)南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1所示為PWoF和RoF-PON的融合傳輸系統(tǒng)，由圖可知，融合系統(tǒng)主要由兩個(gè)部分組成，上半部分為信號(hào)的傳送，下半部分為融合系統(tǒng)雙向傳輸性能的驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中選擇了雙包層光纖(Double Clad Fiber,DCF)，因其具有雙核結(jié)構(gòu)，內(nèi)包層的數(shù)值孔徑和損傷閾值較大，可傳輸高功率激光[5],因此可以同時(shí)傳輸光數(shù)據(jù)信號(hào)和高功率，并且信號(hào)與功率之間沒(méi)有明顯的串?dāng)_。

圖1 PWoF和RoF-PON的融合傳輸系統(tǒng)

首先，在CO端由連續(xù)波長(zhǎng)激光器產(chǎn)生一個(gè)光模擬信號(hào)，在激光器的輸出端用偏振控制器等器件來(lái)調(diào)節(jié)激光器的工作狀態(tài)，使數(shù)據(jù)信號(hào)極化以獲得質(zhì)量最好的信號(hào)。采用馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)進(jìn)行信號(hào)處理，產(chǎn)生的兩個(gè)信號(hào)分別進(jìn)入下一個(gè)MZM調(diào)制光信號(hào)與射頻信號(hào)(Radio Frequency, RF)，產(chǎn)生上下行信號(hào)，實(shí)驗(yàn)中使用雙并行MZM(Dual Parallel MZM, DP-MZM)代替。光模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后，下行信號(hào)經(jīng)過(guò)陣列波導(dǎo)光柵(Arrayed Waveguide Grating, AWG)進(jìn)行復(fù)用，然后傳輸?shù)礁髯缘腗ZM進(jìn)行調(diào)制，得到攜帶數(shù)據(jù)的光信號(hào)。上行數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)焦饫w。MZM輸出的邊帶采用摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA)對(duì)系統(tǒng)信號(hào)功率電平進(jìn)行調(diào)制。將放大以后的信號(hào)通過(guò)偏振控制器進(jìn)行處理，去除EDFA放大后產(chǎn)生的噪聲。信號(hào)經(jīng)過(guò)處理以后，用若干高功率激光器(High Power Laser Diode, HPLD)和饋電光來(lái)產(chǎn)生光模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)在錐形光纖束合路器(Taper Fiber Bundle Combiner, TFBC)中與這些光模擬信號(hào)融合后進(jìn)入光纖，再經(jīng)過(guò)TFBD到達(dá)RAU端。

在RAU端測(cè)量包括光功率在內(nèi)的一些參數(shù)，并且由此得出光功率的傳輸效率。光功率傳輸效率η表示為

式中：PRAU接收為在RAU端測(cè)量到的接收信號(hào)光功率；P饋電光i為CO端加入的饋電光的光功率。

還有一些參數(shù)需要將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在RAU端由光接收器接收光信號(hào)，可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。先經(jīng)過(guò)可變衰減器，再使信號(hào)進(jìn)入信號(hào)分析儀，測(cè)量眼圖和誤碼率等數(shù)據(jù)，由此分析傳輸信號(hào)的質(zhì)量。

在RAU端接收到信號(hào)以后，信號(hào)經(jīng)過(guò)基本的處理與MZM調(diào)制后傳輸?shù)紺O端，在CO端測(cè)量必要參數(shù)，并以此為根據(jù)分析系統(tǒng)的雙向傳輸性能。

2 仿真結(jié)果與分析

用OptiSystem軟件進(jìn)行仿真，CO端激光信號(hào)的中心波長(zhǎng)為1 552 nm，上面攜帶電信號(hào)，并且與光脈沖融合傳輸[6]；下行信號(hào)中，光脈沖信號(hào)的波長(zhǎng)為808 nm。融合后的信號(hào)與兩個(gè)由激光器產(chǎn)生的光功率為30 W的饋電光一起通過(guò)光纖傳輸?shù)絉AU端，接收端收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)循環(huán)器，將信號(hào)經(jīng)過(guò)PD解調(diào)，再送入濾波器，最后得到所需信號(hào)，并送入信號(hào)分析儀對(duì)其進(jìn)行誤碼率分析。在RAU端測(cè)量饋電光功率，同時(shí)觀察電信號(hào)傳輸后的信號(hào)變化，測(cè)量眼圖等參數(shù)。表1所示為系統(tǒng)仿真參數(shù)。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

功率合成器合成的兩個(gè)信號(hào)的波形有很大的不同。這兩個(gè)信號(hào)通過(guò)EDFA放大和集中。將光功率加到兩個(gè)信號(hào)后，波形比之前更凌亂，但光譜圖變化不大。通過(guò)光纖傳輸后，組合信號(hào)的波形更加復(fù)雜。雖然光譜與之前的測(cè)量相比變化不大，但干擾更大。饋電光輸出功率為30 W(44.771 dBm)，到達(dá)RAU終端的功率為22.454 W(43.513 dBm)。模擬中增加了兩個(gè)高功率激光器，每個(gè)激光器的功率為30 W。這兩個(gè)激光器用于為RAU提供光功率，因此總的輸入光功率為60 W?？捎?jì)算出光功率的功率傳輸效率約為37.4%。仿真結(jié)果如圖2～6所示。

圖2 激光信號(hào)

圖3 調(diào)制后的信號(hào)

圖4 經(jīng)EDFA放大后的光譜圖

圖5 光纖傳輸后EDFA放大后的光譜圖

圖6 傳輸系統(tǒng)的眼圖

觀察輸入信號(hào)為不歸零碼(Non-Return-to-Zero,NRZ)信號(hào)時(shí)的眼圖，可以發(fā)現(xiàn)，眼圖中信號(hào)圖像線(xiàn)條清晰，可以認(rèn)為噪聲較小，同時(shí)眼高大，峰-峰值抖動(dòng)小，眼圖圖像端正，可以認(rèn)為碼間串?dāng)_小。系統(tǒng)中模擬信號(hào)傳輸效率較高。對(duì)比發(fā)射端與接收端的波形，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)傳輸性能較好，失真較小。

雙向傳輸性能驗(yàn)證，仿真結(jié)果如圖7所示。誤碼率是衡量光通信質(zhì)量最直觀的一個(gè)指標(biāo)。由圖可知，下行傳輸誤碼率在10-3～10-5，最低誤碼率為2.349 8×10-5；上行傳輸誤碼率在10-4～10-6，最低誤碼率為4.454 1×10-7，誤碼率可以達(dá)到較為理想的要求，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)較為理想。

圖7 誤碼率

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的仿真，實(shí)現(xiàn)了基于RoF-PON和PWoF系統(tǒng)的融合傳輸，證明了RoF、PON和PWoF 3個(gè)系統(tǒng)的融合傳輸是成立的。根據(jù)融合傳輸?shù)姆抡娼Y(jié)果來(lái)看，上下行誤碼率均在10-5左右，系統(tǒng)傳輸性能良好，說(shuō)明該方案具有實(shí)際的功率傳輸能力，模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)也具有較高的隔離度。仿真結(jié)果也表明，PWoF的引入對(duì)RoF-PON信號(hào)的傳輸沒(méi)有影響。

光學(xué)供電的RoF系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)RAU所需的電力輸送和同一光纖中RoF數(shù)據(jù)信號(hào)的雙向傳輸，能夠傳輸驅(qū)動(dòng)RAU所需的光學(xué)數(shù)據(jù)和功率。PWoF系統(tǒng)的集中供電系統(tǒng)不僅具有簡(jiǎn)化配置的潛力，也可優(yōu)化電源管理，因此還可以降低基于RoF的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的資本和運(yùn)營(yíng)支出。