光載無線通信

　　光載無線通信簡(jiǎn)稱ROF(Radio-over-Fiber)技術(shù)，是一種光和微波結(jié)合的通信技術(shù)，是利用光纖的低損耗、高帶寬特性，提升無線接入網(wǎng)的帶寬，為用戶提供”anywhere，anytime，anything”的服務(wù)。它的產(chǎn)生與發(fā)展都來源于用戶對(duì)無線接入網(wǎng)的帶寬的需求。具有低損耗、高帶寬、不受無線頻率的干擾、便于安裝和維護(hù)、功率消耗小以及操作更具靈活等優(yōu)點(diǎn)。

光載無線通信的背景

　　當(dāng)前，基于PON技術(shù)的FTTH在一些試點(diǎn)城市進(jìn)行得如火如荼，同時(shí)，WiMAX也異軍突起并順利成為3G標(biāo)準(zhǔn)中一員。在骨干光網(wǎng)絡(luò)已趨于飽和的情況下，接入網(wǎng)領(lǐng)域的巨大市場(chǎng)份額無疑會(huì)成為各大運(yùn)營(yíng)商爭(zhēng)相投資的動(dòng)力。光纖接入和無線接入分別有著各自的優(yōu)勢(shì)，光纖具有低損耗、高帶寬、防電磁干擾等特點(diǎn)，而無線接入則可以給用戶帶來無處不在的方便快捷服務(wù)，且免去了鋪設(shè)光纖的昂貴費(fèi)用，于是，人們就想能不能用一種技術(shù)將有線與無線接入融合起來。Radio-over-Fiber(ROF)技術(shù)就是應(yīng)這種需求而出現(xiàn)，并且成為越來越多人研究的熱點(diǎn)。

　　2008年伊始，國內(nèi)電信業(yè)重組成為人們討論的焦點(diǎn)，就人們已經(jīng)預(yù)測(cè)的重組方案來說，未來的運(yùn)營(yíng)商都將擁有自己的固定和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，并且兼營(yíng)兩部分業(yè)務(wù)，為了成本的最低化、網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化，運(yùn)營(yíng)公司必定會(huì)選擇網(wǎng)絡(luò)的融合。另外，從市場(chǎng)上看，有調(diào)研機(jī)構(gòu)調(diào)查顯示，在調(diào)查對(duì)象中，有60.6%認(rèn)為在未來5年中主要出現(xiàn)的情景將是無線和有線的融合（FMC），大多數(shù)用戶將擁有1部多模電話機(jī)，并通過最適合的網(wǎng)絡(luò)(可以是固定網(wǎng)，也可以是無線網(wǎng))來進(jìn)行呼叫。

　　2008年底隨著3G牌照的發(fā)放，所以，無論從技術(shù)、政策還是市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)上看，融合必定成為今后電信業(yè)的主旋律和必然趨勢(shì)，技術(shù)將趨于融合，網(wǎng)絡(luò)將趨于融合，業(yè)務(wù)也將趨于融合，ROF技術(shù)也必將在未來網(wǎng)絡(luò)融合中發(fā)揮巨大的作用。

光載無線通信的概述

　　光載無線通信是應(yīng)高速大容量無線通信需求，新興發(fā)展起來的將光纖通信和無線通信相結(jié)合起來的無線接入技術(shù)。ROF系統(tǒng)中運(yùn)用光纖作為基站(BTS)與中心站(CS)之間的傳輸鏈路，直接利用光載波來傳輸射頻信號(hào)。光纖僅起到傳輸?shù)淖饔?，交換、控制和信號(hào)的再生都集中在中心站，基站僅實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，這樣，可以把復(fù)雜昂貴的設(shè)備集中到中心站點(diǎn)，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。

　　光纖傳輸的射頻（或毫米波）信號(hào)提高了無線帶寬，但天線發(fā)射后在大氣中的損耗會(huì)增大，所以要求蜂窩結(jié)構(gòu)向微微小區(qū)轉(zhuǎn)變，而基站結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化有利于增加基站數(shù)目來減少蜂窩覆蓋面積，從而使組網(wǎng)更為靈活，大氣中無線信號(hào)的多經(jīng)衰落也會(huì)降低；另外，利用光纖作為傳輸鏈路，具有低損耗、高帶寬和防止電磁干擾的特點(diǎn)。正是這些優(yōu)點(diǎn)，使得ROF技術(shù)在未來無線寬帶通信、衛(wèi)星通信以及智能交通系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

光載無線通信的系統(tǒng)架構(gòu)

　　ROF系統(tǒng)的基本實(shí)現(xiàn)策略是將數(shù)字基帶信號(hào)先用射頻副載波（Radio Frequency，以下簡(jiǎn)稱”RF”）調(diào)制，然后用光鏈路傳輸。在接收端恢復(fù)射頻信號(hào)，通過天線發(fā)射在移動(dòng)或固定終端接收射頻信號(hào)解調(diào)得到數(shù)字信號(hào)。同時(shí)移動(dòng)終端也可以通過ROF系統(tǒng)向服務(wù)提供者提出服務(wù)請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)雙向交互的通信。

光載無線通信的特點(diǎn)

　　1 輸距離長(zhǎng) 、衰減損耗低

　　高頻微波信號(hào)的傳輸，無論是在自由空間還是在固態(tài)介質(zhì)傳輸線上，具有很多潛在問題，成本也較昂貴。自由空間里，隨著頻率的升高，由吸收和反射引入的損耗也加大。固態(tài)介質(zhì)傳輸線中，阻抗隨著頻率的升高而增大，帶來了很大的損耗。因此，遠(yuǎn)距離分布高頻射頻信號(hào)需要很昂貴的再生設(shè)備。對(duì)于毫米波而言，它們?cè)趥鬏斁€上的分布傳播即使短距離也是很難實(shí)現(xiàn)的。目前已商用的解決辦法，就是把基帶信號(hào)或者中頻調(diào)制信號(hào)從交換中心(headend)分布傳輸?shù)紹TS基站，基帶或者中頻信號(hào)在基站端上變頻到需要的微波或者毫米波，微波放大，然后經(jīng)由天線發(fā)射，如圖a/b所示的結(jié)構(gòu)，只不過傳輸媒介是電纜而非光纖。由于在各個(gè)基站端上變頻處理的需要，就需要高性能的本地振蕩器，這個(gè)又導(dǎo)致基站端復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和較高的性能需求。另一方面，因?yàn)楣饫w具有較小的損耗，ROF技術(shù)既可以實(shí)現(xiàn)毫米波分布的低損耗，還可以簡(jiǎn)化RAUs的結(jié)構(gòu)。

ROF系統(tǒng)概念的理論圖

　　目前實(shí)用的單模光纖(SMFs)基本都是石英材料的，他們?cè)?550nm和1310nm窗口的損耗分別低于0.2dB/km和0.5dB/km，比已知的其他通信線路的損耗都低的多，因此，由其組成的光纖通信系統(tǒng)的中繼距離也較其他介質(zhì)構(gòu)成的系統(tǒng)長(zhǎng)的多。如果今后采用非石英光纖，并工作在超長(zhǎng)波長(zhǎng)（＞2υm），光纖的理論損耗系數(shù)可以下降到10-3～10-5dB/km，此時(shí)光纖通信的中繼距離可大數(shù)千，甚至數(shù)萬公里。

　　2 光纖的容量大

　　光纖可以提供巨大的帶寬。光纖通信主要又三個(gè)低損耗窗口，分別是850nm，1310nm，1550nm波長(zhǎng)。對(duì)于單根單模光纖來說，三個(gè)窗口一共可以提供高達(dá)50THz的帶寬。然而，目前廣泛商用的系統(tǒng)僅僅利用了其中的一小部分，大概1.6THz。人們還在不斷的研究如何拓展單根光纖的傳輸能力，通過包括開發(fā)低色散光纖、為1550nm專用的摻餌光放大器、混和利用高級(jí)光時(shí)分復(fù)用(OTDM)和密集光波分復(fù)用技術(shù)(DWDM)等。

　　除了傳輸微波信號(hào)的較高性能，光纖的高帶寬還有其他的優(yōu)點(diǎn)。高光帶寬可以實(shí)現(xiàn)在電系統(tǒng)中很難甚至不可能實(shí)現(xiàn)的高速信號(hào)處理，也就是說，一些必需的微波信號(hào)處理，比如濾波，混頻，上/下變頻都可以在光域中實(shí)現(xiàn)。在光域進(jìn)行信號(hào)處理就可以利用較便宜低帶寬的光器件，象是激光二極管和調(diào)制器，還可以處理高帶寬的信號(hào)。

　　3  光纖體積小、重量輕、安裝維護(hù)簡(jiǎn)便

　　在ROF系統(tǒng)中，復(fù)雜而昂貴的設(shè)備都在headend端，簡(jiǎn)化了RAUS的結(jié)構(gòu)。比如系統(tǒng)刪減了RAU端的本振和相關(guān)設(shè)備，而僅僅需要光電探測(cè)器，射頻放大器和天線來發(fā)射信號(hào)，調(diào)制器和交換設(shè)備也都放置在headend端，這些設(shè)備由幾個(gè)RAUS共用。這種結(jié)構(gòu)可以使RAUS更加輕便小巧，有效的降低了系統(tǒng)安裝和維護(hù)成本，這點(diǎn)對(duì)于毫米波系統(tǒng)來說是極其重要的，因?yàn)楹撩撞ㄏ到y(tǒng)需要很多的RAUS。在那些RAUS不是很容易接近的應(yīng)用來說，維護(hù)成本是運(yùn)營(yíng)成本的主要部分。較小的RAUS還可以降低對(duì)環(huán)境的污染和影響.

　　4  可以提供多種通信業(yè)務(wù)

　　ROF滿足了系統(tǒng)級(jí)操作的靈活性。依賴微波產(chǎn)生技術(shù)，ROF分布系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)格式的透明化。強(qiáng)度調(diào)制－直接檢測(cè) ( IM－DD) 技術(shù)可以被設(shè)計(jì)使用成為一個(gè)線性的系統(tǒng)，也就是通明(transparent)系統(tǒng)。它可以通過混和利用低損耗單模光纖和預(yù)調(diào)制RF載波技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。這樣的ROF網(wǎng)絡(luò)可以被用來分布支持多操作、多服務(wù)的通信業(yè)務(wù)，這又可以帶來經(jīng)濟(jì)成本上的節(jié)約。

　　5  動(dòng)態(tài)資源配置

　　由于交換機(jī)、調(diào)制器和其他射頻微波功能器件都放在中心局端，這就使得資源配置可以動(dòng)態(tài)化。例如，一個(gè)支持GSM系統(tǒng)業(yè)務(wù)的ROF分布系統(tǒng)，更多的資源和容量可以配置到某一個(gè)特定的地點(diǎn)，比如消費(fèi)高峰時(shí)段的商場(chǎng)，然后在高峰期后再配置到其他地區(qū)，比如傍晚的居民居住區(qū)。隨著需求的增大，這些功能可以通過WMD技術(shù)分配配置光波實(shí)現(xiàn)。根據(jù)業(yè)務(wù)需求配置通信容量可以克服只能固定永久性配置容量的需求，畢竟這種固定性配置在業(yè)務(wù)需求變化頻繁的大型區(qū)域是一種很大的資源浪費(fèi)。而且，因?yàn)橹行木侄说拇嬖冢雍?jiǎn)易鞏固了其他信號(hào)處理功能，比如移動(dòng)性切換功能和宏觀復(fù)用傳輸?shù)取?/p>

　　6  抗電磁干擾能力強(qiáng)

　　良好抗電磁干擾性能對(duì)光纖通信，尤其微波通信來說是極具吸引力的一個(gè)特性。而采用光的方式在光纖中傳輸微波信號(hào)恰恰實(shí)現(xiàn)了這個(gè)功能。光導(dǎo)纖維是石英玻璃絲，是一種非導(dǎo)電介質(zhì)，交變電磁波在其中不會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，即不會(huì)產(chǎn)生與信號(hào)無關(guān)的噪聲。因?yàn)檫@個(gè)特性，光纜在毫米波的短距離鏈接中都被較大范圍的利用。與抗電磁干擾相關(guān)的，光纖通信還有良好的抗竊聽性，可以保護(hù)隱私和提供更好的安全性。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝備減少的RAUS能夠使電能消耗大大降低?；旧纤袕?fù)雜的設(shè)備都放置在中心局端。某些應(yīng)用上，RUAS還可以是無源操作的。由于RAU端功率消耗的降低，可以考慮把RAUS放置在遙遠(yuǎn)沒有電力供應(yīng)的地點(diǎn)。

光載無線通信的現(xiàn)狀及展望

　　在光載無線通信系統(tǒng)中，由于光載波上承載的是模擬的微波信號(hào)，與傳統(tǒng)的數(shù)字光纖傳輸鏈路相比，其系統(tǒng)對(duì)光器件的性能以及鏈路自身的色散、非線性效應(yīng)等都有了更為苛刻的要求。目前，對(duì)于光載無線通信技術(shù)的研究仍然集中在物理層上，例如基于微波光子學(xué)的毫米波信號(hào)源產(chǎn)生，光調(diào)制器、濾波器的特性分析與改進(jìn)，光纖鏈路的色散控制，以及基站中光載波的再利用等系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

　　其中，以毫米波信號(hào)源的產(chǎn)生技術(shù)為例，傳統(tǒng)的高頻信號(hào)發(fā)生源需要昂貴的本振源，可以利用光波的外差混頻技術(shù)來得到高頻載波。在雷達(dá)或光纖無線電（光載無線通信）通信系統(tǒng)中，在光域里對(duì)中頻微波信號(hào)進(jìn)行上變頻，可以得到承載高數(shù)據(jù)率的毫米波信號(hào)，目前比較成熟的技術(shù)有，基于強(qiáng)度調(diào)制器、基于EAM中XAM效應(yīng)、基于SOA中XGM效應(yīng)、基于高非線性光纖中的XPM或FWM效應(yīng)的全光頻率上變換技術(shù)。

　　目前，IEEE收錄的電子期刊以及其他光學(xué)權(quán)威期刊Optics Letters、Optics Express等都刊載了大量關(guān)于光載無線通信的文章，但是，這些研究都停留在對(duì)信號(hào)處理技術(shù)以及鏈路系統(tǒng)研究的層面上，對(duì)網(wǎng)絡(luò)層次的研究成果較少。一種技術(shù)的成熟必定要依賴于市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生利潤(rùn)。光載無線通信技術(shù)要在實(shí)際通信系統(tǒng)中應(yīng)用，還有許多現(xiàn)實(shí)的問題需要研究。例如：網(wǎng)絡(luò)融合中的接口問題，MAC協(xié)議的問題，天線的更高增益問題以及高速移動(dòng)在微微蜂窩中頻繁切換的問題和多普勒效應(yīng)問題等等。

　　在研究領(lǐng)域，美國喬治亞理工大學(xué)的張教授研究組對(duì)40G/60G射頻光載無線通信系統(tǒng)作了大量的研究，并且搭建出了一套光無線傳輸系統(tǒng)，將DVD存儲(chǔ)的高清晰電視數(shù)據(jù)源調(diào)制到40G的微波上，然后經(jīng)過調(diào)制到光載波上傳輸，經(jīng)過探測(cè)接收并由天線發(fā)射，并在接收端將信號(hào)送給高清晰電視進(jìn)行播放，得到很好的實(shí)驗(yàn)效果。但是，發(fā)射天線和接收天線的距離很近并且容易受水蒸氣的干擾?！　〔痪们埃琌FC 2008會(huì)議在美國加州圣地亞哥成功舉行，網(wǎng)絡(luò)融合成為一個(gè)熱點(diǎn)話題，關(guān)于光載無線通信技術(shù)的文章也有很多被收錄其中，與以往不同，這次收錄的光載無線通信論文都趨向于對(duì)應(yīng)用的研究。其中比較典型的文章有：將正交頻分復(fù)用(OFDM)應(yīng)用于光載無線通信系統(tǒng)，來增加頻譜利用率并減小碼間干擾；研究在上行傳輸時(shí)光波長(zhǎng)再利用技術(shù)，從而去掉基站的光源；基于WiMAX或WiFi與光載無線通信技術(shù)結(jié)合的研究；基于光分叉復(fù)用器(OADMs)的光載無線通信系統(tǒng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的研究；基于多模光纖和塑料光纖的光載無線通信系統(tǒng)。

　　光纖無線電（光載無線通信）被認(rèn)為是很有前途和有研究?jī)r(jià)值的課題，尤其在路途車輛系統(tǒng)中，利用光載無線通信技術(shù)我們可以將多業(yè)務(wù)無線電信號(hào)通過光纖傳送。在日本可用的無線業(yè)務(wù)很多，比如PDC（800MHz/1500MHz）、PHS（1900MHz）、VICS（2.5GHz）、FM商用無線電（70-90MHz）、TV廣播（90-770MHz）和ETC（5.8GHz）。為了降低空中接口數(shù)量，已經(jīng)建議采用基于光載無線通信的發(fā)送技術(shù)。另外，在下一代網(wǎng)絡(luò)中，在一些熱點(diǎn)區(qū)域，如商場(chǎng)，機(jī)場(chǎng)等，光載無線通信都將具有誘人的應(yīng)用前景。例如在國外，基于光載無線通信技術(shù)的分布式天線系統(tǒng)(DAS)已經(jīng)應(yīng)用于許多熱點(diǎn)區(qū)域?？傊?，光載無線通信技術(shù)在未來光無線融合的潮流中必將扮演越來越重要的角色。

　　光載無線通信技術(shù)充分結(jié)合光纖和高頻無線電波傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)大容量、低成本的射頻信號(hào)有線傳輸和超過1Gbit／s的超寬帶無線接入，并具有覆蓋面廣、易于動(dòng)態(tài)管理和維護(hù)等特點(diǎn)，盡管目前市場(chǎng)不是很大，但隨著微波光子技術(shù)的發(fā)展，光載無線通信系統(tǒng)將會(huì)在未來的寬帶無線通信領(lǐng)域占有很大的市場(chǎng)份額。光載無線通信系統(tǒng)具有的優(yōu)點(diǎn)，除了寬帶無線接入，還可以應(yīng)用于室內(nèi)覆蓋、基站客棧、車載無線通信系統(tǒng)以及軍事用途中。在未來泛在超寬帶蜂窩網(wǎng)絡(luò)、室內(nèi)無線局域網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信、視頻分布式系統(tǒng)、智能交通通信和控制等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

　　令人注目的是60 GHz附近的毫米波作為無線信號(hào)載波的毫米波光載無線通信通信。在這個(gè)波段，由于大氣中氧的存在，信號(hào)衰減很快(10～15 dB/km)，這一原本是缺點(diǎn)的性質(zhì)正好自然實(shí)現(xiàn)了不同基站之間的無干擾以及很好的保密性，提高了頻譜利用效率。而這一高頻率的附近以“GHz”為單位的寬廣頻帶以及不需要頻率使用授權(quán)，足以實(shí)現(xiàn)超大容量超高速通信的需求。同時(shí)，在這個(gè)波段的射頻設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)很小的尺寸，由于MMIC技術(shù)的迅速發(fā)展，使得低成本的射頻集成電路和天線單元日趨可能。