光载无线通信

背景

　　当前，基于PON技术的FTTH在一些试点城市进行得如火如荼，同时，WiMAX也异军突起并顺利成为3G标准中一员。在骨干光网络已趋于饱和的情况下，接入网领域的巨大市场份额无疑会成为各大运营商争相投资的动力。光纤接入和无线接入分别有着各自的优势，光纤具有低损耗、高带宽、防电磁干扰等特点，而无线接入则可以给用户带来无处不在的方便快捷服务，且免去了铺设光纤的昂贵费用，于是，人们就想能不能用一种技术将有线与无线接入融合起来。Radio-over-Fiber(ROF)技术就是应这种需求而出现，并且成为越来越多人研究的热点。

　　2008年伊始，国内电信业重组成为人们讨论的焦点，就人们已经预测的重组方案来说，未来的运营商都将拥有自己的固定和移动网络，并且兼营两部分业务，为了成本的化、网络的化，运营公司必定会选择网络的融合。另外，从市场上看，有调研机构调查显示，在调查对象中，有60.6%认为在未来5年中主要出现的情景将是无线和有线的融合（FMC），大多数用户将拥有1部多模电话机，并通过最适合的网络(可以是固定网，也可以是无线网)来进行呼叫。

　　2008年底随着3G牌照的发放，所以，无论从技术、政策还是市场驱动上看，融合必定成为今后电信业的主旋律和必然趋势，技术将趋于融合，网络将趋于融合，业务也将趋于融合，ROF技术也必将在未来网络融合中发挥巨大的作用。

概述

　　光载无线通信是应高速大容量无线通信需求，新兴发展起来的将光纤通信和无线通信相结合起来的无线接入技术。ROF系统中运用光纤作为基站(BTS)与中心站(CS)之间的传输链路，直接利用光载波来传输射频信号。光纤仅起到传输的作用，交换、控制和信号的再生都集中在中心站，基站仅实现光电转换，这样，可以把复杂昂贵的设备集中到中心站点，让多个远端基站共享这些设备，减少基站的功耗和成本。

　　光纤传输的射频（或毫米波）信号提高了无线带宽，但天线发射后在大气中的损耗会增大，所以要求蜂窝结构向微微小区转变，而基站结构的简化有利于增加基站数目来减少蜂窝覆盖面积，从而使组网更为灵活，大气中无线信号的多经衰落也会降低；另外，利用光纤作为传输链路，具有低损耗、高带宽和防止电磁干扰的特点。正是这些优点，使得ROF技术在未来无线宽带通信、卫星通信以及智能交通系统等领域有着广阔的应用前景。

系统架构

　　ROF系统的基本实现策略是（图1.1），将数字基带信号先用射频副载波（Radio Frequency，以下简称”RF”）调制，然后用光链路传输。在接收端恢复射频信号，通过天线发射在移动或固定终端接收射频信号解调得到数字信号。同时移动终端也可以通过ROF系统向服务提供者提出服务请求，实现双向交互的通信。

特点

　　1 输距离长 、衰减损耗低

　　高频微波信号的传输，无论是在自由空间还是在固态介质传输线上，具有很多潜在问题，成本也较昂贵。自由空间里，随着频率的升高，由吸收和反射引入的损耗也加大。固态介质传输线中，阻抗随着频率的升高而增大，带来了很大的损耗。因此，远距离分布高频射频信号需要很昂贵的再生设备。对于毫米波而言，它们在传输线上的分布传播即使短距离也是很难实现的。目前已商用的解决办法，就是把基带信号或者中频调制信号从交

　　换中心(headend)分布传输到BTS基站，基带或者中频信号在基站端上变频到需要的微波或者毫米波，微波放大，然后经由天线发射，如图2.1a/b所示的结构，只不过传输媒介是电缆而非光纤。由于在各个基站端上变频处理的需要，就需要高性能的本地振荡器，这个又导致基站端复杂的结构和较高的性能需求。另一方面，因为光纤具有较小的损耗，ROF技术既可以实现毫米波分布的低损耗，还可以简化RAUs的结构。

　　图2.1  ROF系统概念的理论图

　　目前实用的单模光纤(SMFs)基本都是石英材料的，他们在1550nm和1310nm窗口的损耗分别低于0.2dB/km和0.5dB/km，比已知的其他通信线路的损耗都低的多，因此，由其组成的光纤通信系统的中继距离也较其他介质构成的系统长的多。如果今后采用非石英光纤，并工作在超长波长（＞2υm），光纤的理论损耗系数可以下降到10-3～10-5dB/km，此时光纤通信的中继距离可大数千，甚至数万公里。

　　2 光纤的容量大

　　光纤可以提供巨大的带宽。光纤通信主要又三个低损耗窗口，分别是850nm，1310nm，1550nm波长。对于单根单模光纤来说，三个窗口一共可以提供高达50THz的带宽。然而，目前广泛商用的系统仅仅利用了其中的一小部分，大概1.6THz。人们还在不断的研究如何拓展单根光纤的传输能力，通过包括开发低色散光纤、为1550nm专用的掺饵光放大器、混和利用光时分复用(OTDM)和密集光波分复用技术(DWDM)等。

　　除了传输微波信号的较高性能，光纤的高带宽还有其他的优点。高光带宽可以实现在电系统中很难甚至不可能实现的高速信号处理，也就是说，一些必需的微波信号处理，比如滤波，混频，上/下变频都可以在光域中实现。在光域进行信号处理就可以利用较便宜低带宽的光器件，象是激光二极管和调制器，还可以处理高带宽的信号。

　　3  光纤体积小、重量轻、安装维护简便

　　在ROF系统中，复杂而昂贵的设备都在headend端，简化了RAUS的结构。比如系统删减了RAU端的本振和相关设备，而仅仅需要光电探测器，射频放大器和天线来发射信号，调制器和交换设备也都放置在headend端，这些设备由几个RAUS共用。这种结构可以使RAUS更加轻便小巧，有效的降低了系统安装和维护成本，这点对于毫米波系统来说是极其重要的，因为毫米波系统需要很多的RAUS。在那些RAUS不是很容易接近的应用来说，维护成本是运营成本的主要部分。较小的RAUS还可以降低对环境的污染和影响.

　　4  可以提供多种通信业务

　　ROF满足了系统级操作的灵活性。依赖微波产生技术，ROF分布系统可以实现信号格式的透明化。强度调制－直接检测 ( IM－DD) 技术可以被设计使用成为一个线性的系统，也就是通明(transparent)系统。它可以通过混和利用低损耗单模光纤和预调制RF载波技术来实现。这样的ROF网络可以被用来分布支持多操作、多服务的通信业务，这又可以带来经济成本上的节约。

　　5  动态资源配置

　　由于交换机、调制器和其他射频微波功能器件都放在中心局端，这就使得资源配置可以动态化。例如，一个支持GSM系统业务的ROF分布系统，更多的资源和容量可以配置到某一个特定的地点，比如消费高峰时段的商场，然后在高峰期后再配置到其他地区，比如傍晚的居民居住区。随着需求的增大，这些功能可以通过WMD技术分配配置光波实现。根据业务需求配置通信容量可以克服只能固定性配置容量的需求，毕竟这种固定性配置在业务需求变化频繁的大型区域是一种很大的资源浪费。而且，因为中心局端的存在，更加简易巩固了其他信号处理功能，比如移动性切换功能和宏观复用传输等。

　　6  抗电磁干扰能力强

　　良好抗电磁干扰性能对光纤通信，尤其微波通信来说是极具吸引力的一个特性。而采用光的方式在光纤中传输微波信号恰恰实现了这个功能。光导纤维是石英玻璃丝，是一种非导电介质，交变电磁波在其中不会产生感生电动势，即不会产生与信号无关的噪声。因为这个特性，光缆在毫米波的短距离链接中都被较大范围的利用。与抗电磁干扰相关的，光纤通信还有良好的抗窃听性，可以保护隐私和提供更好的安全性。结构简单、装备减少的RAUS能够使电能消耗大大降低。基本上所有复杂的设备都放置在中心局端。某些应用上，RUAS还可以是无源操作的。由于RAU端功率消耗的降低，可以考虑把RAUS放置在遥远没有电力供应的地点。

现状及展望

　　在光载无线通信系统中，由于光载波上承载的是模拟的微波信号，与传统的数字光纤传输链路相比，其系统对光器件的性能以及链路自身的色散、非线性效应等都有了更为苛刻的要求。目前，对于光载无线通信技术的研究仍然集中在物理层上，例如基于微波光子学的毫米波信号源产生，光调制器、滤波器的特性分析与改进，光纤链路的色散控制，以及基站中光载波的再利用等系统设计与优化。

　　其中，以毫米波信号源的产生技术为例，传统的高频信号发生源需要昂贵的本振源，可以利用光波的外差混频技术来得到高频载波。在雷达或光纤无线电（光载无线通信）通信系统中，在光域里对中频微波信号进行上变频，可以得到承载高数据率的毫米波信号，目前比较成熟的技术有，基于强度调制器、基于EAM中XAM效应、基于SOA中XGM效应、基于高非线性光纤中的XPM或FWM效应的全光频率上变换技术。

　　目前，IEEE收录的电子期刊以及其他光学权威期刊Optics Letters、Optics Express等都刊载了大量关于光载无线通信的文章，但是，这些研究都停留在对信号处理技术以及链路系统研究的层面上，对网络层次的研究成果较少。一种技术的成熟必定要依赖于市场的驱动进而产生利润。光载无线通信技术要在实际通信系统中应用，还有许多现实的问题需要研究。例如：网络融合中的接口问题，MAC协议的问题，天线的更高增益问题以及高速移动在微微蜂窝中频繁切换的问题和多普勒效应问题等等。

　　在研究领域，美国乔治亚理工大学的张教授研究组对40G/60G射频光载无线通信系统作了大量的研究，并且搭建出了一套光无线传输系统，将DVD存储的高清晰电视数据源调制到40G的微波上，然后经过调制到光载波上传输，经过探测接收并由天线发射，并在接收端将信号送给高清晰电视进行播放，得到很好的实验效果。但是，发射天线和接收天线的距离很近并且容易受水蒸气的干扰。

　　不久前，OFC 2008会议在美国加州圣地亚哥成功举行，网络融合成为一个热点话题，关于光载无线通信技术的文章也有很多被收录其中，与以往不同，这次收录的光载无线通信论文都趋向于对应用的研究。其中比较典型的文章有：将正交频分复用(OFDM)应用于光载无线通信系统，来增加频谱利用率并减小码间干扰；研究在上行传输时光波长再利用技术，从而去掉基站的光源；基于WiMAX或WiFi与光载无线通信技术结合的研究；基于光分叉复用器(OADMs)的光载无线通信系统环形网络的研究；基于多模光纤和塑料光纤的光载无线通信系统。

　　光纤无线电（光载无线通信）被认为是很有前途和有研究价值的课题，尤其在路途车辆系统中，利用光载无线通信技术我们可以将多业务无线电信号通过光纤传送。在日本可用的无线业务很多，比如PDC（800MHz/1500MHz）、PHS（1900MHz）、VICS（2.5GHz）、FM商用无线电（70-90MHz）、TV广播（90-770MHz）和ETC（5.8GHz）。为了降低空中接口数量，已经建议采用基于光载无线通信的发送技术。另外，在下一代网络中，在一些热点区域，如商场，机场等，光载无线通信都将具有诱人的应用前景。例如在国外，基于光载无线通信技术的分布式天线系统(DAS)已经应用于许多热点区域。总之，光载无线通信技术在未来光无线融合的潮流中必将扮演越来越重要的角色。

　　光载无线通信技术充分结合光纤和高频无线电波传输的特点，能实现大容量、低成本的射频信号有线传输和超过1Gbit／s的超宽带无线接入，并具有覆盖面广、易于动态管理和维护等特点，尽管目前市场不是很大，但随着微波光子技术的发展，光载无线通信系统将会在未来的宽带无线通信领域占有很大的市场份额。光载无线通信系统具有的优点，除了宽带无线接入，还可以应用于室内覆盖、基站客栈、车载无线通信系统以及军事用途中。在未来泛在超宽带蜂窝网络、室内无线局域网络、卫星通信、视频分布式系统、智能交通通信和控制等领域具有巨大的应用前景。

　　令人注目的是60 GHz附近的毫米波作为无线信号载波的毫米波光载无线通信通信。在这个波段，由于大气中氧的存在，信号衰减很快(10～15 dB/km)，这一原本是缺点的性质正好自然实现了不同基站之间的无干扰以及很好的保密性，提高了频谱利用效率。而这一高频率的附近以“GHz”为单位的宽广频带以及不需要频率使用授权，足以实现超大容量超高速通信的需求。同时，在这个波段的射频设备可以实现很小的尺寸，由于MMIC技术的迅速发展，使得低成本的射频集成电路和天线单元日趋可能。