光載信息能量同傳方案及其通信檢測應(yīng)用

蘭子林，鄒喜華，白文林，李沛軒，李 陽，潘 煒，閆連山，蔣靈明，陳 亮

（1. 西南交通大學信息科學與技術(shù)學院，四川成都 611756；2. 北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070）

1 引言

當前，隨著5G/6G通信、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)［1，2］的迅速發(fā)展，小型化、密集化的微基站和感知前端被大規(guī)模部署以提供大容量寬帶業(yè)務(wù)、泛在感知和互聯(lián)能力［3，4］. 然而，海量微基站和感知前端給其部署成本和能耗帶來了極大壓力. 光載信息能量同傳技術(shù)為新型微微基站和感知前端的部署提供了一種新的有效解決方案［5］，具有鏈路簡單無源、維護方便、抗惡劣環(huán)境等優(yōu)勢.

光載信息能量同傳技術(shù)利用不同類型激光器分別產(chǎn)生寬帶信號光和高功率能量激光，并通過單根光纖從中心站遠距離傳送至基站. 其中，信號光通過光電探測器轉(zhuǎn)換為待傳信息；能量光通過光伏或光電探測轉(zhuǎn)換為電能，為終端有源器件提供能源.1978年美國貝爾實驗室搭建了基于光纖傳能（Power over Fiber，PoF）技術(shù)的原理樣機，為遠端的聲音報警系統(tǒng)供電［6］. 隨后，該實驗室通過PoF 技術(shù)實現(xiàn)了基站和遠端單元之間語音信號的雙向傳輸［7］，但傳輸能量和通信速率都比較低.2003 年，Tetsuya 團隊［8］利用PoF 系統(tǒng)通過基站發(fā)送了2.4 GHz 帶寬的無線信號，實現(xiàn)了通信速率的提升. 2008 年，Wake 團隊［9］通過基站部署的大功率激光器為遠端單元供電，實現(xiàn)了基于IEEE 802.11g 標準的64-QAM OFDM 寬帶信號傳輸，而且，該PoF系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的電功率被調(diào)節(jié)成不同電壓為多個終端供電. 2012 年，Lethien團隊［10］將多終端供電的概念擴展到能量自主的微微小區(qū)遠端天線單元的光纖無線電（Radio over Fiber，RoF）系統(tǒng)，功率信號、射頻信號和數(shù)字信號被組合在一根多模光纖中，實現(xiàn)了100 m 多模光纖傳輸及5 m無線信號覆蓋. 此后，日本的Matsuura 團隊長期致力于大功率長距離PoF 系統(tǒng)的設(shè)計與改進.2015 年，該團隊提出了使用雙包層光纖（Double-Cladding Fiber，DCF）的60 W 光纖功率饋電［11］，用于帶有光功率遠程天線單元的光纖無線電系統(tǒng)，該系統(tǒng)的光纖傳輸距離為300 m，在接收端能夠提供10 W 的電能. 而且，該團隊使用DCF 進行功率信號和數(shù)字信號的傳輸［12］：DCF 單模內(nèi)核用于數(shù)字信號的上行鏈路和下行鏈路的同時傳輸，DCF 多模內(nèi)包層用于對遠程無線單元（Remote Access Unit，RAU）進行光功率傳輸，實現(xiàn)了DCF 上的雙向RoF 傳輸，光載傳能功率為400 mW.2018 年，該團隊通過偏移發(fā)射技術(shù)［13］和中心發(fā)射技術(shù)［14］改善了多模光纖的模式色散，使用多模光纖實現(xiàn)了4 km 長度的光功率饋電［15］.2019年，該團隊創(chuàng)新性提出了使用雙包層光纖的150 W 光纖功率饋電系統(tǒng)［16］，實現(xiàn)了光載1 km 傳輸?shù)?.08 W 電能傳送，是目前為止最大的功率距離乘積.另外，2018 年，Umezawa 團隊［17］設(shè)計并制造了通過多芯光纖進行光載信息能量同傳方案測試，RoF系統(tǒng)中實現(xiàn)了92 GHz 頻段的12 Gbps 數(shù)據(jù)傳輸速率. 上述方案都是通過多芯光纖、雙包層光纖和多模光纖來實現(xiàn)光纖的信能共傳. 然而，2021 年Al-Zubaidi 等人［18］使用單模光纖（Single Mode Fiber，SMF）也同樣實現(xiàn)了光纖的信能共傳，實驗演示了經(jīng)過10 km的SMF鏈路傳輸后可為光伏電池提供870 mW的光功率.

本文設(shè)計并實驗驗證了一種基于光纖一體化分布式鏈路的光載信息能量同傳方案，利用直調(diào)型微波光子模擬收發(fā)前端，同步實現(xiàn)了低成本的能量遠程配送與高頻寬帶信號的采集傳輸. 首先，設(shè)計了長距離傳輸?shù)腜oF 子鏈路，實現(xiàn)了165 mW 功率的2 km 多模光纖長度的能量傳送. 在此基礎(chǔ)上，設(shè)計并實驗演示了基于PoF系統(tǒng)的RoF和電磁干擾檢測子鏈路. 在RoF子鏈路中，完成了2.4 GHz 載頻、1 GHz 帶寬的16QAM-OFDM信號的2 km 單模光纖傳輸；在電磁干擾檢測子鏈路中，驗證了對高鐵GSM-R（Global System for Mobile Communications-Railway）通信系統(tǒng)內(nèi)的電磁信號的遠程采集與檢測，并實現(xiàn)了對帶內(nèi)、鄰帶和帶外等多種干擾信號的高精度檢測和識別.

2 光載信息能量同傳總體方案設(shè)計

光載信息能量同傳總體方案設(shè)計如圖1 所示. 在中心站，布置多組模擬微波光子前端模塊，該微波光子前端由直調(diào)激光器（Directly Modulated Lasers，DML）、光電探測器（PhotoDetector，PD）和光環(huán)形器組成，分別完成下行鏈路的電光轉(zhuǎn)換與上行鏈路的光電轉(zhuǎn)換. 每個微波光子前端模塊發(fā)射不同波長的信息光載波，通過波分復(fù)用器（Wavelength Division Multiplexer，WDM）復(fù)用至一根光纖進行遠距離傳輸. 另外，由多個高功率激光器構(gòu)成了集中式光纖饋電裝置，且利用錐形光纖耦合技術(shù)進行激光能量耦合. 這里DML 與高功率激光器（High-Power Laser Diode，HPLD）的工作光波段分別為1 550 nm 和980 nm. 然后，信息光載波和激光能量信號通過N×1錐形光纖束耦合器將傳輸能量光（紅色）的多模光纖（MultiMode Fiber，MMF）和傳輸信息光（藍色）的SMF 進行耦合至一體化DCF 中. 該DCF 是由單模光纖內(nèi)芯和多模光纖內(nèi)包層組成，兩者分離且獨立完成高功率能量光和信號光的傳輸［12］. 接著，通過DCF鏈路遠距離傳輸至遠端N個分布式節(jié)點的微波光子前端. 在遠端節(jié)點處，首先通過可調(diào)光耦合器靈活分配每一個節(jié)點的遠端微波光子前端所需要的光功率. 配置智能化能量反饋系統(tǒng)，根據(jù)每一個節(jié)點的信息量大小和所需能耗的大小，配置節(jié)點的能量占比. 然后，在不同的節(jié)點處通過光插分復(fù)用器（Optical Add Drop Multiplexer，OADM）來選擇對應(yīng)波長的信息傳輸信道，利用1×N錐形光纖束分束器分離信息光與能量光. 光伏激光能量轉(zhuǎn)換器（Photovoltaic Power Converter，PPC）將大功率能量光轉(zhuǎn)換成遠端微波光子前端中DML 和PD 所需的電能.DML 將天線接收的電磁信號調(diào)制到光載波上，通過光環(huán)形器和回傳鏈路發(fā)送至中心站，構(gòu)成上行通信鏈路；PD 將來自中心站的信息光信號恢復(fù)為電信號，通過天線發(fā)送給用戶.

圖1 光載信息能量同傳方案

此外，通過對中心站的多組微波光子模組進行不同定義，可以實現(xiàn)該能量信息同傳方案各節(jié)點的不同功能，各個節(jié)點協(xié)同完成寬帶通信、多域探測等多種業(yè)務(wù)，以模擬微波光子一體化實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化能量分發(fā)和信息協(xié)同.

3 光纖傳能方案設(shè)計及測試

光纖傳能系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由HPLD、多模傳能光纖、PPC、DC-DC 升降壓模塊［19］和遠端負載模塊組成.HPLD 作為發(fā)射機，產(chǎn)生數(shù)瓦大功率激光，通過傳能光纖遠距離將激光能量傳送至接收機. 在接收機中，PPC 將激光能量光電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電壓和電流，從而為遠端負載供電. 值得注意的是，PPC 可以提供最高8 V 的電壓，DC-DC 升降壓模塊將輸出電壓轉(zhuǎn)換成±5 V的穩(wěn)定電壓.

圖2 光纖傳能系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

進而，測試PoF 系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率. 通過改變HPLD 的輸出激光功率和多模光纖的傳輸長度，測試PPC 輸出的電壓和電流來完成PoF 系統(tǒng)的能效轉(zhuǎn)換檢測. 圖3給出了HPLD的輸出光功率為3 W時，PoF系統(tǒng)在20 m 和2 km 多模光纖傳輸?shù)腎-V 特性曲線、P-V 特性曲線. 由圖中可以得到，輸出電壓為0～7.1 V 時PoF 系統(tǒng)處于線性工作區(qū)域，可以保持穩(wěn)定的工作電流輸出和線性的功率增長［20］. 當輸出電壓為7.1 V 時，PPC 達到其最大工作功率點（Maximum Power Point Track，MPPT）［21］. 此時，PoF 系統(tǒng)在2 km 長度的最大輸出電功率為165 mW. 由于多模光纖的傳輸損耗為3.5 dB/km，傳輸2 km 光功率損耗7 dB，相較于20 m 系統(tǒng)最大輸出電功率損耗662.2 mW.

圖3 20 m和2 km傳輸距離下PoF系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換特性

表1 給出了PoF 系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率測試結(jié)果，系統(tǒng)設(shè)置為MPPT. 當HPLD 的輸出光功率為1 W 時，20 m和2 km 長度對應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換效率分別為30.4%和6.4%. 當HPLD 的輸出光功率為3 W 時，20 m 和2 km 長度對應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換效率分別為27.6%和5.5%. 因此，相同距離下，隨著輸出光功率提升，輸出電功率相應(yīng)線性提升，但轉(zhuǎn)換效率降低；在相同輸出光功率下，隨著距離增加，輸出電功率和能量轉(zhuǎn)換效率均顯著降低.

表1 PoF能量轉(zhuǎn)換效率測試結(jié)果

4 光載信息能量同傳方案的通信檢測應(yīng)用

基于上述PoF子鏈路，設(shè)計了光載信息能量同傳方案，并通過單節(jié)點RoF 通信傳輸和鐵路電磁干擾檢測進行功能和性能驗證.

4.1 基于PoF的大帶寬信號傳輸

光載信息能量同傳的RoF 通信鏈路結(jié)構(gòu)如圖4 所示.PoF系統(tǒng)設(shè)置為MPPT，HPLD 的輸出光功率為3 W，通過2 km 多模光纖傳輸至遠端，DC-DC 降壓模塊將PPC 的輸出電壓轉(zhuǎn)換為±5 V，從而為遠端節(jié)點的DML供電. 實驗中使用的DML（KG-DML-15-18G-10-SM-FA）的額定功率為110 mW，根據(jù)表1 可知PoF 系統(tǒng)在2 km多模光纖傳輸長度的最大輸出電功率為165 mW，該PoF 系統(tǒng)僅可支持單個DML 的信息傳輸，因此通過點對點的實驗測試驗證PoF系統(tǒng)的RoF傳輸.

圖4 基于PoF的大寬帶信號傳輸方案

RoF 鏈路中，利用任意波形產(chǎn)生器生成2.4 GHz 載頻、1 GHz帶寬的16QAM-OFDM 矢量信號，通過DML調(diào)制至光載波上. 然后，通過2 km單模光纖傳輸至中心站后，利用PD完成光電轉(zhuǎn)換恢復(fù)傳輸?shù)碾娛噶啃盘? 采用采樣率為40 GSa/s的實時示波器完成數(shù)字采集并結(jié)合數(shù)字信號處理算法對16QAM-OFDM矢量信號進行解調(diào).

首先，分析RoF 鏈路中B 點處的電信號頻譜. 圖5給出了背靠背和2 km 傳輸后16QAM-OFDM 的信號頻譜，由圖可知基于光載信息和能量共傳2 km 后信噪比仍可達到24 dB.

圖5 PoF-RoF 鏈路中背靠背和2 km 單模光纖傳輸后16QAM-OFDM信號頻譜圖

然后，對基于PoF的RoF 鏈路中寬帶信號的傳輸性能進行分析.2 km 信息能量共傳距離下，系統(tǒng)的誤碼率曲線和星座圖如圖6 所示. 分別取輸入光功率為-3 dBm、-6 dBm 和-9 dBm 時的星座圖進行對比. 隨著PD 輸入光功率減小，BER 增大，星座圖模糊，系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)性能相應(yīng)變差；當PD輸入光功率大于-4.1 dBm時，RoF系統(tǒng)解調(diào)信號的BER達到前向糾錯門限3.8×10-3.

圖6 PoF-RoF鏈路中傳輸距離為2 km時BER曲線及星座圖

4.2 基于光載信息能量同傳的高鐵電磁干擾檢測

GSM-R 系統(tǒng)是我國及歐盟各國鐵路通信專用的數(shù)字移動通信系統(tǒng)，一旦受到電磁干擾或電磁攻擊，支撐高鐵無線車地通信的GSM-R 系統(tǒng)可能會被干擾或中斷，輕則導致延誤、堵塞，重則導致交通事故［22］. 因此，針對鐵路無線通信系統(tǒng)進行寬帶電磁干擾檢測極為重要. 目前，鐵路管理部門主要通過來巡檢列車定時對高鐵GSM-R 通信系統(tǒng)的電磁干擾進行檢測，然后通過“五步干擾清除法”來清除高鐵沿線的干擾源［23，24］. 然而，這種方法主要針對靜態(tài)干擾源，無法實時地監(jiān)測和處理鐵路沿線的電磁干擾源，尤其難以應(yīng)對實際鐵路環(huán)境中的一些突發(fā)干擾. 對此，國內(nèi)的一些高鐵線路實施了GSM-R 網(wǎng)格化監(jiān)測系統(tǒng)（如武廣高鐵），但覆蓋頻段有限且成本高昂，不利于進一步的推廣應(yīng)用［25，26］. 本文作者在前期工作中，提出了一種基于微波光子學的鐵路電磁干擾檢測方法，通過光纖鏈路傳輸電磁信號，可以遠距離實時地監(jiān)測鐵路沿線的電磁干擾［27］. 并且，本文提出的光載信息能量同傳的方式可通過電磁不敏感的光纖傳輸電能，為遠端收發(fā)設(shè)備提供或儲備能量. 它能夠在高電壓、高磁場、高輻射等極端場景下正常工作，這對于頻繁暴露在高壓列車牽引供電等環(huán)境下的高鐵GSM-R 通信系統(tǒng)以及電磁干擾監(jiān)測系統(tǒng)的不間斷運行具有重要意義. 在此基礎(chǔ)上，利用該光載信息能量同傳系統(tǒng)，可實現(xiàn)高鐵GSM-R通信以及電磁干擾監(jiān)測.

基于光載信息能量同傳的高鐵電磁干擾檢測方案如圖7所示，其基本結(jié)構(gòu)與光載信能同傳方案相同，PoF系統(tǒng)為遠端DML供電. 在電磁干擾檢測應(yīng)用中，將遠端微波光子前端模塊分布式布置于高鐵沿線軌旁監(jiān)測節(jié)點，用于高鐵沿線電磁信號的采集與接收. 實驗中，通過矢量信號源設(shè)置GSM-R專用的GMSK調(diào)制格式信號（中心頻率設(shè)置為930 MHz，符號速率為270.83 Kb/s）為工作頻點. 同時，通過微波源產(chǎn)生3種不同頻率（930 MHz，930.2 MHz和932 MHz）的正弦單音信號作為電磁干擾源，分別模擬GSM-R系統(tǒng)受到的帶內(nèi)干擾、鄰帶干擾和帶外干擾. 采集的電磁信號通過2 km RoF鏈路傳輸至中心站，通過信號分析儀觀測接收信號的頻譜圖、星座圖和眼圖，進而分析GSM-R系統(tǒng)所受到的電磁干擾類型.

圖7 基于光載信息能量同傳的高鐵電磁干擾檢測方案圖

在帶內(nèi)干擾、鄰帶干擾和帶外干擾情形下，GSM-R信號的頻譜圖、星座圖及眼圖如圖8 所示. 無干擾時，頻譜圖中無異常頻點，星座圖集中，眼圖清晰，信號質(zhì)量好；受到帶內(nèi)干擾時，工作頻點峰值功率略高于無干擾情形，星座圖分散，眼圖模糊，信號質(zhì)量差；受到鄰帶干擾時，工作頻點附近出現(xiàn)相鄰頻率為930.2 MHz 的異常信號，星座圖分散，眼圖模糊，信號質(zhì)量差；受到帶外干擾時，在932 MHz 頻點處出現(xiàn)異常信號，星座圖集中、眼圖清晰，信號質(zhì)量好.

圖8 不同干擾下GSM-R 鐵路無線通信專網(wǎng)的電磁信號的頻譜圖、星座圖及眼圖對比

因此，該方案可以通過頻域、時域有效識別GSM-R通信網(wǎng)絡(luò)中的多種干擾類型，而且對隱秘性強、影響大的帶內(nèi)干擾仍可以精準識別，從而為高鐵通信干擾預(yù)警與干擾清除提供依據(jù). 該光載信息能量同傳的高鐵電磁干擾檢測方案將有助于推動廣域、長距離覆蓋的高鐵沿線電磁干擾檢測應(yīng)用.

5 結(jié)論

本文設(shè)計并實驗驗證了一種光載信息能量同傳方案，基于光纖一體化分布式系統(tǒng)實現(xiàn)了長距離多節(jié)點的無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建，利用集中式光纖饋電裝置和微波光子前端同步實現(xiàn)了高頻寬帶模擬信號與高功率激光能量的傳輸. 在實驗中，首先對PoF 方案的整體性能進行測試，在2 km多模光纖傳輸距離下實現(xiàn)了165 mW電能供應(yīng). 在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了RoF和電磁干擾檢測，RoF傳輸方案中完成了2.4 GHz載頻、1 GHz帶寬的16QAMOFDM矢量信號的2 km單模光纖傳輸；在電磁干擾檢測方案中，通過頻域和時域同時對高鐵GSM-R無線通信系統(tǒng)內(nèi)的帶內(nèi)、鄰帶和帶外干擾進行高精度檢測與識別.因此，本文提出的光纖分布式一體化的光載信息能量同傳方案，可以為強電磁干擾、強輻射等的特殊場景中的通信探測提供極具應(yīng)用價值的解決方案.