畢業(yè)設(shè)計--rof在光接入網(wǎng)中的應(yīng)用

1、<p>　　ROF在光接入網(wǎng)中的應(yīng)用</p><p>　　Application of ROF in Optical Access Network</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　信息技術(shù)的發(fā)展促進了微波通信和光纖通信的快速發(fā)展，微波通信在長距離傳輸和大容量需求方面的缺陷,促成了微波信號和光纖傳輸技

2、術(shù)的結(jié)合，即光纖無線通信技術(shù)(ROF, radio-over-fiber)。該技術(shù)利用光纖和高頻無線電波各自的優(yōu)點，實現(xiàn)大容量、低成本的射頻信號有線傳輸和超寬帶無線接入，具有低損耗、高帶寬、不受無線射頻的干擾、便于安裝和維護、功率消耗小以及操作更具靈活等優(yōu)點。</p><p>　　本論文主要研究了ROF系統(tǒng)的基本原理關(guān)鍵技術(shù)，并且介紹了其在無線接入網(wǎng)中的應(yīng)用。</p><p>　　論文的第

3、1章介紹了ROF技術(shù)的背景與意義、ROF技術(shù)的優(yōu)缺點和ROF技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。</p><p>　　論文的第2章首先介紹了ROF的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對ROF技術(shù)進行分析，分析了光纖無線通信技術(shù)(ROF)中的一些技術(shù)原理，包括基于ROF技術(shù)的毫米波信號產(chǎn)生、光纖光柵的單邊帶調(diào)制技術(shù)和ROF的復(fù)用技術(shù)。還介紹了ROF的關(guān)鍵技術(shù)，包括自適應(yīng)數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)、色散的處理和非線性效應(yīng)的處理。</p><p&g

4、t;　　論文的第3章主要對ROF網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和在GSM(Global System for Mobile Communication)、3G（3 generation）以及4G(4 generation)等系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了討論。</p><p>　　論文的第4章討論光纖無線在接入網(wǎng)的融合，本章討論了一種基于光纖無線電(ROF)技術(shù)的以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)和全球微波接入互操作性(WiMAX)融合方案，能夠同時在

5、光纖中傳輸EPON基帶信號和WiMAX無線射頻信號。</p><p>　　最后是對論文工作的總結(jié)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：ROF；光纖無線融合</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The development of the information on technology

6、had accelerated the high-speed development of microwave communication and the optical fiber communication .there are some inherent limitations of microware communication in long-distance transmission and the requirement

7、of high-capacity communication, which caused the Radio over Fiber technology, what was transmitting the RF single over the optical fiber link. This technique takes the advantage of the fiber and high frequency radio wave

8、 to realize</p><p>　　This paper mainly studies the basic principle of ROF system key technology, and introduces its application in wireless access. </p><p>　　The first chapter introduces ROF t

9、echnology background and significance, advantages and disadvantages of ROF technology and development status of ROF technology at home and abroad.</p><p>　　The second chapter firstly introduces the system st

10、ructure, ROF technology to analyze, analyzed the optical wireless communication technology (ROF), including some of the technical principle ROF technology based on the millimeter wave signal generation, fiber grating ROF

11、 with the single modulation technology and the reuse of the technology. Also introduces the key technology of ROF, including adaptive digital predistortion system, dispersion and nonlinearity effect of processing the pro

12、cessing.</p><p><b>　　朗讀</b></p><p>　　顯示對應(yīng)的拉丁字符的拼音</p><p><b>　　字典</b></p><p>　　The third chapter, mainly on the ROF network protocol and the GSM

13、(Global System for Mobile Communication), 3G (3 generation) and 4G (4 generation) And other system are discussed. Finally, a summary of the thesis work.</p><p>　　The fourth chapter paper mainly from access n

14、etwork look, optical fiber wireless fusion is a very promising architecture, this chapter is proposed based on optical fiber radio (ROF) technology Ethernet passive optical network (EPON) and global microwave access inte

15、roperability (WiMAX) integration schemes can simultaneously in fiber EPON baseband signal transmission of WiMAX wireless radio frequency signal with. </p><p>　　Key Words: ROF (Radio over fiber); Optical fibe

16、r wireless fusion</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 引言1</b></p><p>　　1.1 選題的背景及意義1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 論文的主要

17、研究內(nèi)容5</p><p>　　第2章 ROF的技術(shù)及應(yīng)用6</p><p>　　2.1 ROF的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6</p><p>　　2.2 ROF技術(shù)原理7</p><p>　　2.2.1 基于ROF技術(shù)的毫米波信號產(chǎn)生7</p><p>　　2.2.2 基于光纖光柵的單邊帶調(diào)制技術(shù)7</p>

18、<p>　　2.2.3 ROF的復(fù)用技術(shù)8</p><p>　　2.3 ROF關(guān)鍵技術(shù)11</p><p>　　2.3.1 自適應(yīng)數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)11</p><p>　　2.3.2 色散的處理12</p><p>　　2.3.3 非線性效應(yīng)處理12</p><p>　　第3章 ROF網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及其應(yīng)用

19、14</p><p>　　3.1 ROF與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的融合14</p><p>　　3.1.1與多個GSM聯(lián)合系統(tǒng)的融合14</p><p>　　3.1.2與PDC和WCDMA聯(lián)合系統(tǒng)的融合14</p><p>　　3.1.3與P0N網(wǎng)絡(luò)的融合16</p><p>　　3.2 ROF技術(shù)應(yīng)用以及在下一代網(wǎng)絡(luò)中的

20、應(yīng)用前景17</p><p>　　3.2.1 ROF技術(shù)的應(yīng)用17</p><p>　　3.2.2 ROF技術(shù)在下一代網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用前景19</p><p>　　第4章 ROF技術(shù)的EPON和WiMAX融合方案的研究21</p><p>　　4.1 融合方案的現(xiàn)狀21</p><p>　　4.2 融合方案的架構(gòu)

21、設(shè)計22</p><p>　　4.3融合方案的特點24</p><p>　　第5章 論文工作總結(jié)27</p><p><b>　　參考文獻28</b></p><p><b>　　致謝29</b></p><p>　　附錄 主要英文縮寫語對照表29</p&

22、gt;<p><b>　　第1章 引言</b></p><p>　　1.1 選題的背景及意義</p><p>　　光纖無線通信技術(shù)(ROF, radio-over-fiber)的研究始于20世紀(jì)80年代,是一種隨著高速大容量無線通信的需求而發(fā)展起來的一種光纖通信技術(shù)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的無線信號傳輸技術(shù)。ROF可利用高度線性的光線鏈路在總站(CS, Ce

23、ntral Station)和遠(yuǎn)程天線單元(RAU, Remote Access Unit)之間實現(xiàn)射頻信號損耗傳輸和良好的信噪比接收。</p><p>　　目前，寬帶無線通信己經(jīng)成為整個信息通信領(lǐng)域的熱點問題，各項新技術(shù)和新業(yè)務(wù)不斷產(chǎn)生。光纖可以提供巨大的帶寬，從1970年第一批損耗較低的光纖問世至今，光纖通信以驚人的速度在發(fā)展，迅速成熟并得到廣泛應(yīng)用，成為主導(dǎo)的傳輸技術(shù)。寬帶通信可以將數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、話音、視頻

24、和多媒體應(yīng)用傳送到商業(yè)和家庭用戶。無線通信使得人們能夠隨時隨地跟任何人進行通信。這兩者的結(jié)合無疑是未來通信的發(fā)展方向。</p><p>　　但是，目前無線通信系統(tǒng)廣泛使用的微波頻段頻譜的擁塞，以及帶寬和傳輸速率的瓶頸使得無法在這個頻段開展真正的多媒體通信業(yè)務(wù)。</p><p>　　為解決上述問題，無線通信系統(tǒng)可以利用更高頻率的載波進行通信。繼微波通信之后，通信系統(tǒng)將向能夠提供更大容量的毫米

25、波通信發(fā)展。毫米波無線通信系統(tǒng)具有傳輸容量大、設(shè)備輕便和抗干擾能力強的優(yōu)點，能夠支持各種超寬帶業(yè)務(wù)，是無線通信突破微波頻段向更高頻段發(fā)展的一個重要方向。</p><p>　　光纖無線通信技術(shù)是一種光和微波相結(jié)合的通信技術(shù)，最早由Cooper于1990年提出，是指利用光纖鏈路傳輸微波信號[1]。ROF技術(shù)具有傳輸距離長，衰減損耗低，光纖可提供巨大的帶寬等優(yōu)點。除了可以傳輸性能較高的微波信號外，高光帶寬還可以實現(xiàn)在電

26、系統(tǒng)中很難甚至不可能實現(xiàn)的高速信號處理。也就是說，一些必需的微波信號處理(比如濾波、混頻、上/下變頻)都可以在光域中實現(xiàn)。這樣，在光域中進行信號處理就可以利用較便宜的低帶寬光器件，如激光二極管和調(diào)制器。</p><p>　　ROF系統(tǒng)安裝簡便，維護簡易，可以提供多操作、多服務(wù)的通信業(yè)務(wù)，并滿足靈活的系統(tǒng)級操作需求。其良好的抗電磁干擾性能可對光纖通信，尤其是微波通信，都是極具吸引力的一個特性。而采用光的方式在光纖中

27、傳輸微波信號恰恰可以實現(xiàn)這個功能。結(jié)構(gòu)簡單、裝備減少的RAU能夠使電能消耗大大降低。ROF技術(shù)基本上把所有復(fù)雜的設(shè)備都放置在中心局端。此外，在某些應(yīng)用上，RAU還可以無源操作。由于RAU端的功率消耗很低，因此，可以考慮把RAU放置在遙遠(yuǎn)的、沒有電力供應(yīng)的地方。</p><p>　　ROF技術(shù)也有一定的局限性，動態(tài)范圍對于象GSM這樣的蜂窩式移動通信系統(tǒng)來說是一個非常重要的參數(shù)。因為從MU到基站的信號功率變化很大，

28、同一個蜂窩內(nèi)，距離基站比較近的MU發(fā)射的射頻功率比基站接收到幾公里外的MU發(fā)射的信號功率要大很多。由于ROF技術(shù)帶有模擬調(diào)制和光探測單元，所以，它本質(zhì)上就是一個模擬傳輸系統(tǒng)。這樣，它的信號損傷(比如在模擬通信系統(tǒng)中非常重要的噪聲和失真)在ROF系統(tǒng)中的影響也就顯得比較大了。這些損傷很可能會影響ROF系統(tǒng)的噪聲系數(shù)和動態(tài)范圍。</p><p>　　ROF技術(shù)具有大容量、低成本、低功耗、易安裝等優(yōu)點，因此作為一種無線

29、接入技術(shù)，近年來正成為人們關(guān)注的熱點。然而利用光纖傳輸高頻信號時出現(xiàn)的許多問題，如色散、非線性失真和光纖帶寬資源利用的問題，將會直接影響ROF系統(tǒng)的傳輸帶寬和傳輸距離。因此，將就以上問題介紹并分析一些解決方案。同時，也將介紹ROF技術(shù)在無線通信系統(tǒng)中，包括在4G無線接入網(wǎng)、路途車輛通信系統(tǒng)(RVC)和室內(nèi)覆蓋等領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展趨勢。</p><p>　　作為一種新出現(xiàn)的超寬帶無線接入技術(shù)，ROF充分結(jié)合光纖和高頻

30、無線電波傳輸?shù)奶攸c，能實現(xiàn)未來大都市網(wǎng)絡(luò)大容量、低成本的射頻信號有線傳輸和超寬帶無線接入，并具有覆蓋面廣、易于動態(tài)管理和維護等特點，在未來的超寬帶蜂窩網(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[2, 3]。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　ROF技術(shù)在國內(nèi)最早的運用應(yīng)該是在移動通信系統(tǒng)中。現(xiàn)行的GSM移動通信

31、系統(tǒng)便是利用光纖在基站到中心站之間傳輸信號，射頻信號工作頻率為900MHz和1800MHz?，F(xiàn)在商用的激光器和光檢測器可以方便的實現(xiàn)該頻段射頻信號和ROF信號的產(chǎn)生?，F(xiàn)在ROF技術(shù)在移動通信系統(tǒng)中的更靈活的應(yīng)用主要是室內(nèi)分布系統(tǒng)，如對大廈、機場、商業(yè)中心的無縫覆蓋[4, 5]。</p><p>　　80年代美國首次將ROF技術(shù)用于軍事用途，自90年代后經(jīng)過快速的發(fā)展，ROF得到了廣泛的實際商用，如應(yīng)用于2000年

32、悉尼奧運會。盡管目前市場不是很大，但隨著微波光子技術(shù)的發(fā)展，ROF系統(tǒng)將會在未來的寬帶無線通信領(lǐng)域占有很大的市場份額。可以傳輸個人數(shù)據(jù)蜂窩網(wǎng)信息的ROF網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在日本實現(xiàn)并進入了實用化階段。</p><p>　　國內(nèi)相關(guān)科研單位近幾年來也相繼開展了對毫米波光載波產(chǎn)生和傳輸?shù)难芯?，包括清華大學(xué)、北京大學(xué)、中科院、北京郵電大學(xué)、浙江大學(xué)、上海大學(xué)及華北電力大學(xué)等，并有一些科研成果報道。</p><

33、p>　　光毫米波的產(chǎn)生和傳輸是ROF系統(tǒng)中的兩個重要問題。由于在電域產(chǎn)生和處理毫米波都非常困難，全光產(chǎn)生毫米波信號技術(shù)備受歡迎。在過去的這幾年里這方面的技術(shù)已經(jīng)引起了廣泛的研究，很多關(guān)于光毫米波產(chǎn)生的方法已經(jīng)被提出?，F(xiàn)有的光生毫米波產(chǎn)生技術(shù)可以分為以下幾種:</p><p>　　1. 上/下變頻技術(shù)</p><p>　　ROF系統(tǒng)中，上/下變頻技術(shù)在中心站使用中頻信號（1-3GHz)

34、作為副載波，數(shù)據(jù)信息調(diào)制在中頻信號上，已調(diào)制的中頻信號再調(diào)制光波?；局行枰撩撞ū菊裨矗M行中頻信號的上變頻和毫米波信號的下變頻，分別應(yīng)用于基站的上行鏈路和下行鏈路。</p><p>　　上/下變頻技術(shù)使得光纖鏈路中傳輸?shù)氖侵蓄l副載波信號，因而受光纖色散的影響小，但缺點是變頻效率不高，基站中需要毫米波本振和毫米波混頻器，或者需要兩個激光器差拍得到毫米波信號，使基站設(shè)備非常復(fù)雜。</p><p

35、>　　2. 電吸收型光收發(fā)機技術(shù)</p><p>　　為了實現(xiàn)基站低成本建設(shè)，光收發(fā)器是一個重要的器件，它既要實現(xiàn)下行鏈路的光電(OE)轉(zhuǎn)換，又要作為上行鏈路中的電光(EO)轉(zhuǎn)換器。這可以用一個電吸收型光收發(fā)機(EAT，electro-absorption transceiver)來實現(xiàn)。EAT是一種雙功能的調(diào)制解調(diào)器件，其工作原理如圖1.1所示。當(dāng)入射光波的波長處在吸收區(qū)時，EAT起光探測器的作用，當(dāng)入射

36、光波的波長處在過渡帶時，EAT的衰減隨外加信號電壓而變，起光調(diào)制器的作用。</p><p>　　在基站中，下行光信號經(jīng)EAT元件(處于吸收區(qū)，起光探測器作用)解調(diào)后，直接從射頻輸出端口輸出已調(diào)毫米波信號，該信號由天線發(fā)送出去?；窘邮諢o線用戶發(fā)送的毫米波信號，并且通過EAT元件(處于過渡帶，起光調(diào)制器的作用)將其直接調(diào)制到上行的光載波上，再通過光纖傳送回中心站。</p><p>　　圖1.

37、1 電吸收型光收發(fā)機的工作原理</p><p>　　采用EAT元件的傳輸系統(tǒng)可以使基站系統(tǒng)大大簡化，基站中只進行光電、電光轉(zhuǎn)換，不需要其他的光學(xué)元件，但是中心站仍然需要使用毫米波本振以高頻率的光調(diào)制器。另外EAT器件為日本的專利產(chǎn)品，成本昂貴，距離商品化還有一定的過程，所以技術(shù)的系統(tǒng)方案構(gòu)思雖好，但是其推廣應(yīng)用還有相當(dāng)大的難度。</p><p><b>　　3. 光外差技術(shù)<

38、;/b></p><p>　　光外差技術(shù)是產(chǎn)生高頻的光載射頻信號的有效方法，其主要目標(biāo)是產(chǎn)生頻率等于射頻信號的兩個光波，將需要傳輸?shù)幕鶐?shù)據(jù)加載到其中一個光波上。最簡單的光外差實現(xiàn)方案是兩個單縱模激光器輸出兩束光波，通過外部調(diào)制器將數(shù)據(jù)信號調(diào)制到其中一個光波之上。在接收端兩個光波發(fā)生拍頻，從而產(chǎn)生所需要的毫米波射頻信號，射頻信號的頻率等于兩個光波的頻率差。但是這種方法產(chǎn)生的毫米波會存在相位噪聲，其質(zhì)量依賴于

39、兩個光源的一致程度。</p><p>　　如果想生成低相位噪聲的毫米波，可以采取從一個光源同時輸出兩束光波，這種方法就是光自外差法。</p><p>　　光自外差法的好處在于基站不需要毫米波的本振源和高速光調(diào)制器，設(shè)備比較簡單，但都對光源的性能要求很高，由于相干載波的產(chǎn)生過程比較復(fù)雜，要么要用精密的激光器，要么需要復(fù)雜的溫度、偏置電流的控制，技術(shù)要求很高，難以實現(xiàn)。</p>

40、<p><b>　　4. 直接調(diào)制技術(shù)</b></p><p>　　直接調(diào)制是通過改變光波的振幅、強度、相位、頻率或偏振等參數(shù)，來攜帶信息的過程。按調(diào)制位置是在光源內(nèi)還是在光源外進行分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制。</p><p>　　內(nèi)調(diào)制是將要傳輸?shù)男盘栔苯蛹虞d于光源，改變光源的輸出特性來實現(xiàn)調(diào)制;其中最簡單的是對半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電源用調(diào)制信號直接控制，實現(xiàn)對所發(fā)

41、射激光的強度的調(diào)制。另一方法是把調(diào)制元件放在激光器的諧振腔內(nèi)，用要傳輸?shù)男盘柨刂圃撜{(diào)制元件物理性質(zhì)的變化，改變光腔參數(shù)，實現(xiàn)調(diào)制激光輸出。</p><p>　　外調(diào)制是在光源外的光路上放置調(diào)制器，將要傳輸?shù)男盘柤虞d于調(diào)制器上，當(dāng)光通過調(diào)制器時，透過光的物理性質(zhì)將發(fā)生改變，實現(xiàn)信號的調(diào)制。</p><p>　　直接調(diào)制技術(shù)的一個主要問題是所產(chǎn)生的光雙邊帶信號在光纖傳輸過程中會受到光纖色散的影

42、響?？偟膩碚f，外調(diào)制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，但光纖色散影響比較嚴(yán)重，調(diào)制深度不高，有非線性響應(yīng)。</p><p>　　1.3 論文的主要研究內(nèi)容</p><p>　　由于信息技術(shù)的發(fā)展促進了微波通信和光纖通信的快速發(fā)展，微波通信在長距離傳輸和大容量需求方面的缺陷,促成了微波信號和光纖傳輸技術(shù)的結(jié)合,本論文研究ROF技術(shù)以及在光接入網(wǎng)中的應(yīng)用。</p><p>　　本

43、論文的第1章為引言，主要內(nèi)容包括論文選題背景及意義和ROF國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及論文的主要研究內(nèi)容；第2章主要對ROF的系統(tǒng)進行分析，研究ROF的技術(shù)及其應(yīng)用；第3章主要研究ROF的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及其應(yīng)用前景；第4章主要研究ROF技術(shù)的EPON和WiMAX融合方案；最后，給出了本論文的工作總結(jié)及今后的工作展望。</p><p>　　第2章 ROF的技術(shù)及應(yīng)用</p><p>　　2.1 ROF的系統(tǒng)

44、結(jié)構(gòu)</p><p>　　ROF系統(tǒng)包含中心站(CS)，遠(yuǎn)程天線單元(RAU)，光鏈路和用戶端四個部分。圖2.1所示是ROF系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。</p><p>　　圖2.1 ROF的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　ROF系統(tǒng)的基本實現(xiàn)策略是將中心站和基站用光纖連接,從而實現(xiàn)雙向交互通信。在上行鏈路,當(dāng)基站接收到終端信號后，經(jīng)過對激光調(diào)制，可把不同基站的信號匯合在一起，

45、然后傳送到中心站進行處理;在下行鏈路，中心站則把信號調(diào)制到光載波信號中以得到光信號，再通過光纖傳送到基站，然后由基站進行光檢測，然后把得到的毫米波信號再發(fā)射給終端。</p><p>　　由于ROF系統(tǒng)中的毫米波信號是在光纖中傳輸?shù)?，故可減少衰減，以便于進行長距離的傳送，同時可擴展無線頻帶。ROF系統(tǒng)里的基站僅僅需要實現(xiàn)光檢測、放大和發(fā)射功能，因此可降低基站的規(guī)模、功率消耗和復(fù)雜度，同時，基站的操作和維護費用也都能

46、得到減少。它可以當(dāng)作一個分布式天線在需要的任何地方快捷地安裝基站，并最大程度地消除信號盲區(qū)。</p><p>　　2.2 ROF技術(shù)原理</p><p>　　2.2.1 基于ROF技術(shù)的毫米波信號產(chǎn)生</p><p>　　目前，采用ROF技術(shù)產(chǎn)生毫米波信號的主要方案是利用兩個頻差為所要求的毫米波頻率的光信號通過混頻產(chǎn)生毫米波信號[6, 7, 8]。這種方案不需要高速

47、器件，傳輸?shù)男盘柌灰资苌⒌挠绊?，但得到的信號譜線較寬(受限于激光器的線寬)，頻率穩(wěn)定性差，很容易隨激光器的光頻漂移而變化。出現(xiàn)上述問題的原因是毫米波信號是通過兩路光信號差頻得到的，所以需要光信號具有很好的相關(guān)性。由于超連續(xù)譜產(chǎn)生的光模式都是源于同一個短脈沖源，故其具有較低的相位噪聲，而且模式之間的頻差的穩(wěn)定和精確度完全取決于泵浦脈沖的重復(fù)頻率。其系統(tǒng)原理圖如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 ROF系

48、統(tǒng)產(chǎn)生毫米波結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　一個完整的ROF系統(tǒng)主要由物理層和協(xié)議層構(gòu)成。協(xié)議層應(yīng)根據(jù)不同的服務(wù)(比如移動通信，本地多點分布系統(tǒng)LMDS等)從功能級角度描述。物理層則應(yīng)從傳輸級角度實現(xiàn)對信息的“透明”傳輸。</p><p>　　由于在電域產(chǎn)生和處理毫米波較難實現(xiàn)，而全光方法產(chǎn)生毫米波具有操作便捷、易調(diào)節(jié)、易于與光纖傳輸系統(tǒng)集成等優(yōu)點，因而全光產(chǎn)生毫米波方法近來備受關(guān)注?，F(xiàn)有的光

49、生毫米波方法主要有三種：直接強度調(diào)制，外部強度調(diào)制和光自外差。直接調(diào)制是最簡單的方案，但是它受到激光惆啾和低頻限制。</p><p>　　2.2.2 基于光纖光柵的單邊帶調(diào)制技術(shù)</p><p>　　由于光纖存在色散，特別是隨著傳輸信號頻率的增大，色散引起的信號失真就越大，因而傳統(tǒng)光載波雙邊帶調(diào)制在長距離高頻微波ROF系統(tǒng)中的色散問題將會嚴(yán)重降低系統(tǒng)的性能。因此，人們提出用單邊帶調(diào)制來代替

50、傳統(tǒng)的雙邊帶調(diào)制，以減少色散的影響。雙電極MZM(馬赫-曾德爾調(diào)制器)結(jié)合耦合器可以實現(xiàn)單邊帶調(diào)制，但這種方法會增加ROF系統(tǒng)的成本；利用窄帶光纖光柵也可實現(xiàn)微波ROF系統(tǒng)的單邊帶調(diào)制[9, 10]，與前一種方法相比，此方法具有插入損耗低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。</p><p>　　圖2.3為采用光纖布拉格光柵(FBG)實現(xiàn)單邊帶調(diào)制的原理圖。分布反饋式(DFB)激光器光源輸出的光通過偏振控制器后，由光電調(diào)制器根據(jù)脈沖

51、信號發(fā)生器(PSG)產(chǎn)生的微波信號對其進行雙邊帶調(diào)制，光隔離器(ISO)是用于減少(FBG)反射光對光電調(diào)制器的影響，F(xiàn)BG濾除光信號的一個邊帶，經(jīng)摻鉺光纖放大器(EDFA)放大后送入光纖鏈路。已有實驗表明，采用16-QAM(16狀態(tài)正交調(diào)幅)調(diào)制方式傳輸15GHz的高頻微波信號，當(dāng)傳輸距離為25 km時，F(xiàn)BG單邊帶調(diào)制比傳統(tǒng)雙邊帶調(diào)制信噪比約提高4dB。因此，利用FBG實現(xiàn)單邊帶調(diào)制，不僅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，而且系統(tǒng)的傳輸性能也有較大的提

52、高。</p><p>　　圖2.3 基于窄帶FBG的單邊帶調(diào)制原理圖</p><p>　　2.2.3 ROF的復(fù)用技術(shù)</p><p><b>　　1. 光復(fù)用技術(shù)</b></p><p>　　為了有效利用光纖提供的超大帶寬，ROF系統(tǒng)應(yīng)采用復(fù)用技術(shù)將中心站到多個基站的信號放在同一條光纖里傳輸[11]。目前主流的光復(fù)用技

53、術(shù)分為時分復(fù)用(TDM)、波分復(fù)用(WDM)、副載波復(fù)用(SCM)和碼分復(fù)用(CDM)四種。</p><p>　　TDM系統(tǒng)只用一個波長，因此光源的實現(xiàn)比較容易。但由于需要精確控制各路信號的時隙，故對時鐘同步精度和快速抽樣都有較高要求。所以，TDM技術(shù)不適合于實現(xiàn)ROF系統(tǒng)。</p><p>　　WDM的優(yōu)點是在不增建光纜線路或不改建原有光纜的基礎(chǔ)上，擴大了光纖的傳輸容量。該系統(tǒng)基本使用無

54、源器件，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易于光纖禍合、可靠性高、成本低，同時可以在同一光纖里實現(xiàn)雙向通信。目前，蜂窩狀無線接入網(wǎng)大多采用這種復(fù)用技術(shù)。</p><p>　　將WDM系統(tǒng)中調(diào)制光載波的基帶電信號換成射頻信號的技術(shù)就是副載波復(fù)用技術(shù)(SCM)。SCM系統(tǒng)不需要實現(xiàn)時鐘同步和快速抽樣，而且結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。雖然SCM也存在對系統(tǒng)非線性性能要求高等缺點，但它仍是目前研究和生產(chǎn)中實現(xiàn)ROF系統(tǒng)的首選復(fù)用技術(shù)。特別是對于

55、大容量光波系統(tǒng)，射頻或微波SCM工作在高頻段，其工作頻率比AM和FM都很高，因此，它是模擬和數(shù)字信號寬帶業(yè)務(wù)提供了一種具有吸引的方法。應(yīng)用于蜂窩無線接入網(wǎng)的副載波信號的生成原理如圖2.4所示。</p><p>　　圖2.4 副載波信號的生成原理圖</p><p>　　另外，還有一種處于研究階段的CDMA技術(shù)，它的優(yōu)點是能夠增強系統(tǒng)的保密性和靈活性。但由于技術(shù)方而的原因，CDMA不成熟，距離

56、實用化還有一段路要走。</p><p>　　2. 波長交叉的波分復(fù)用技術(shù)</p><p>　　在ROF中運用的復(fù)用技術(shù)，一般都傾向于波分復(fù)用(WDM)或副載波復(fù)用(SCM)的方法，然而在某些情況下使用傳統(tǒng)的WDM，頻帶利用率不是很高，如圖2.5所示，可以看出信道的間隔是大于載波頻率的兩倍，而且載波和信號之間有一大部分頻帶并沒有得到利用。為了充分利用頻帶資源，人們提出了波長交叉(Wavele

57、ngth Interleaving, WI)WDM技術(shù)。對于WI的WDM有兩個方案：一個如圖2.5（b）所示，信道間隔大于一倍的載波頻率，但小于兩倍的載波頻率，解復(fù)用時只要用一個光帶通濾波器就可以分離出所需要的信號和載波；另一個如圖2.5（c）所示，信道間隔小于載波的頻率，但在解復(fù)用時需要兩個帶通濾波器才能分離出所需的信號?？梢娎肳I的WDM技術(shù)可以在ROF系統(tǒng)中更加有效地利用光纖的頻帶資源。</p><p>

58、<b>　?。╝）傳統(tǒng)的WDM</b></p><p>　?。╞）WI的WDM方案1</p><p>　　（c）WI的WDM方案2</p><p>　　圖2.5 幾種WDM的方案比較</p><p>　　2.3 ROF關(guān)鍵技術(shù)</p><p>　　2.3.1 自適應(yīng)數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)</p>

59、;<p>　　激光二極管、光電二極管和射頻放大器等非線性器件引起的信號非線性失真，在多用戶的情況下，會嚴(yán)重降低ROF系統(tǒng)的性能。從一些實驗數(shù)據(jù)來看，ROF系統(tǒng)的輸出射頻功率與輸入射頻功率不成線性關(guān)系，即存在AM/AM失真(Amplitude to Amplitude Distortion) [12]；而且輸出信號的相位偏移也不與輸入射頻功率成線性關(guān)系，即存在AM/PM失真(Amplitude to Phase Distor

60、tion)，所以ROF系統(tǒng)的性能在很大程度上要靠這些非線性器件的性能來保證。為了克服這些缺點，有人提出基于FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)的自適應(yīng)性數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)的方法。預(yù)失真系統(tǒng)的原理是先讓輸入信號通過一個預(yù)失真器，再送入非線性器件進行處理，通過調(diào)節(jié)預(yù)失真器參數(shù)，使得它的非線性特性和非線性器件的正好相反，從而整個系統(tǒng)表現(xiàn)為一線性系統(tǒng)。</p><p>　　圖2.6為自適應(yīng)數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)的框圖。QAM信號產(chǎn)生器產(chǎn)生的

61、信號，經(jīng)過脈沖整形濾波器和模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器送入自適應(yīng)數(shù)字預(yù)失真器中，根據(jù)輸入信號X和反饋信號Z對信號進行預(yù)失真處理。預(yù)失真后的信號經(jīng)過數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換并進行正交調(diào)制后送入ROF鏈路中，而反饋信號通過正交解調(diào)和A/D轉(zhuǎn)換后送入自適應(yīng)數(shù)字預(yù)失真器中。自適應(yīng)數(shù)字預(yù)失真器是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，其實現(xiàn)的方式一般有兩種：a.基于查詢表(Look Up Table, LUT)方式，這種方式可用于任何增益波形圖的情況，線性化效果好；b.基于多項式

62、方式，這種方式較易初始化和實時修正，但其線性化誤差較大。該自適應(yīng)預(yù)失真系統(tǒng)能夠自適應(yīng)不同的調(diào)制方式和各種情況的非線性影響，具有很廣的應(yīng)用范圍。</p><p>　　圖2.6 自適應(yīng)數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)的框圖</p><p>　　2.3.2 色散的處理</p><p>　　ROF系統(tǒng)中光纖的色散[13, 14]是影響系統(tǒng)性能的主要因素。初期的實驗系統(tǒng)基本上工作在1310 n

63、m波段，故可以避免色散的影響。但隨著ROF技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，其系統(tǒng)規(guī)模會逐漸擴大，ROF技術(shù)的研究和應(yīng)用逐漸轉(zhuǎn)向1550 nm波段。此時，色散影響和補償?shù)葐栴}都應(yīng)給予考慮。</p><p>　　解決色散限制問題的方法有很多種：可利用調(diào)制器啁啾特性或FBG引入預(yù)補償，也可在接收端用DCF光纖或者FBG做后置補償，亦可采用SSB調(diào)制或在中途用OPC(Optical Phase Conjugation)模塊的相位共扼作用

64、使傳輸前半途和后半途的色散抵消。經(jīng)比較，SSB調(diào)制抑制色散的方法無論從效果、復(fù)雜度和成本上都是較好的方案。因此，目前普遍使用SSB方法來抑制色散。</p><p>　　實現(xiàn)SSB調(diào)制有多種不同的方法，如采用FBG等光濾波器、利用MZ調(diào)制器特性、在光域?qū)崿F(xiàn)變換、選用特殊設(shè)計的器件等等。兼顧色散管理的效果和成本，選用MZM和FBG實現(xiàn)SSB是最普遍的方法。</p><p>　　2.3.3 非線

65、性效應(yīng)處理</p><p>　　為了滿足用戶對傳輸容量及傳輸速率的要求，ROF系統(tǒng)的調(diào)制頻率和調(diào)制速率也在不斷增大，其傳輸?shù)姆蔷€性也越來越突出，因而可能導(dǎo)致信號畸變，誤碼率升高等，非線性現(xiàn)已成為影響系統(tǒng)性能的主要因素。ROF系統(tǒng)中的大部分器件都會引入一定的非線性，但最主要的還是半導(dǎo)體激光器和光纖鏈路的非線性。半導(dǎo)體激光器的非線性就是其P-I曲線所體現(xiàn)的非線性。為了得到較大的輸出光功率P，可以增大激光器的馭動電流I

66、，但隨著I的增大，P-I曲線會進入非線性區(qū)，從而影響ROF系統(tǒng)的傳輸性能。在采用直接調(diào)制的ROF系統(tǒng)中，激光器的非線性是整個系統(tǒng)非線性的主要因素。當(dāng)調(diào)制速率大于2.SGb/s時，直接調(diào)制就會變得非常困難，因此必須使用外調(diào)制。盡管外調(diào)制的性能優(yōu)于直接調(diào)制，但其成本也高很多。光波在光纖中傳播時，介質(zhì)中的電子在電磁場的作用下會偏離平衡位置形成偶極子，它們將在原來的電場上加上新的光場，并導(dǎo)致介質(zhì)的非線性極化。ROF系統(tǒng)中影響較大的非線性效應(yīng)有自

67、相位調(diào)制(SPM)、交叉相位調(diào)制(XPM)、四波混頻(FWM)以及兩個受激非彈性散射受激喇曼散射(SRS)和受激布里淵散射(SBS)等。FWM和SRS會使信道間產(chǎn)生串?dāng)_，SBS</p><p>　　第3章 ROF網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及其應(yīng)用</p><p>　　由于ROF技術(shù)采用光纖作為傳輸媒質(zhì)，所以它具有可以覆蓋無線電波覆蓋不到的區(qū)域的優(yōu)點。例如:地鐵、火車站、飛機場以及購物大廈等地方。本章主要從R

68、OF在各類網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用情況以及所涉及的協(xié)議進行闡述。</p><p>　　3.1 ROF與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的融合</p><p>　　由于ROF技術(shù)采用光纖來傳輸高頻信號，可以實現(xiàn)低損耗的、寬帶的通信。且ROF系統(tǒng)對信號的格式具有透明性，可以按照需求傳輸各種調(diào)制格式的信號。并且通過采用副載波調(diào)制(SCM, Sub-carrier Modulation)來融合現(xiàn)有的不同運營商的網(wǎng)絡(luò)，達到集中控制、共

69、享昂貴器件、動態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)容量、降低成本的目的。下面介紹ROF與現(xiàn)有多個不同網(wǎng)絡(luò)的融合情況。</p><p>　　3.1.1與多個GSM聯(lián)合系統(tǒng)的融合</p><p>　　2000年，為了使得將在悉尼舉行的奧運會順利進行。利用ROF技術(shù)建立了 TEKMAR BRITECELL TV網(wǎng)絡(luò)。它解決了奧運會期間，大量移動電話同時呼叫的連接問題，實現(xiàn)了寬帶傳輸，避免了擁塞的發(fā)生。且在奧運會開幕式時，

70、成功連接了500000無線電話的呼叫[15]。</p><p>　　這一網(wǎng)絡(luò)的特點是:它建立了室內(nèi)和室外P(兆分之一)蜂窩；綜合了3個GSM運營商的系統(tǒng)；采用多標(biāo)準(zhǔn)的無線通信協(xié)議，分別是90OMHzGSM通信標(biāo)準(zhǔn)和1800MHZGSM通信標(biāo)準(zhǔn)；它擁有大于500個遠(yuǎn)端天線單元;采用低射頻功率分布式天線系統(tǒng)；可以動態(tài)的分配網(wǎng)絡(luò)容量。</p><p>　　3.1.2與PDC和WCDMA聯(lián)合系統(tǒng)的

71、融合</p><p>　　在日本，ROF已經(jīng)應(yīng)用在了現(xiàn)有的蜂窩系統(tǒng)一一個人數(shù)字通信(PDC, personal digital Communication)系統(tǒng)和寬帶碼分多址接入(WCDMA, Wideband Code Division Multiple Access)系統(tǒng)中。NTT DOCOMO作為日本蜂窩系統(tǒng)運營商之一，將ROF技術(shù)運用于微蜂窩和微微蜂窩的信號傳輸微波鏈路中。它將很小的基站(接入單元)設(shè)置在

72、室內(nèi)天花板上，然后通過光纖與一個主基站連接在一起。圖3.1為同時傳輸三種業(yè)務(wù)的ROF系統(tǒng)及其技術(shù)指標(biāo)。這種網(wǎng)路的特點是器件比較集中，可以實現(xiàn)同時在三個頻帶上的信息傳輸[18]。</p><p>　　圖3.1 同時傳輸三種業(yè)務(wù)的ROF系統(tǒng)及其技術(shù)指標(biāo)</p><p><b>　　表3.1 技術(shù)指標(biāo)</b></p><p>　　圖3.2為在現(xiàn)有的蜂

73、窩網(wǎng)絡(luò)中ROF技術(shù)的實現(xiàn)方法。它可以采用兩種方法來實現(xiàn)。一種方法為把所有的接入單元都安裝在一個樓里面，然后將它們分別與基站連接在一起。每一個接入單元形成一個小的蜂窩結(jié)構(gòu)。另一種方法是，接入單元安裝在不同的區(qū)域中，而將基站安裝在一個節(jié)點區(qū)域中。然后通過光纖將它們連接在一起。</p><p>　　圖3.2 在現(xiàn)有蜂窩系統(tǒng)中ROF技術(shù)的實現(xiàn)方法</p><p>　　3.1.3與P0N網(wǎng)絡(luò)的融合&

74、lt;/p><p>　　圖3.3為ROF與無源光網(wǎng)絡(luò)(PON, Passive Optical Network)融合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。它中的GE-PON采用了IEEESO2.3ah(這一標(biāo)準(zhǔn)是2004年發(fā)布的)協(xié)議，可以提供多于64個用戶的雙向服務(wù)。并且可以在GE-PON系統(tǒng)上傳輸處于800MHz頻帶的CDMA20001XEv-DO信號。這一信號可以當(dāng)作是ROF信號。</p><p>　　圖3.

75、3 ROF與GE-PON相結(jié)合的系統(tǒng)框圖</p><p>　　其中上行線路采用16QAM的調(diào)制方式以及2457.6kbPs的數(shù)據(jù)速率；下行線路采用BPSK的調(diào)制方式以及76.skbps的數(shù)據(jù)速率。主要解決了傳輸損耗和受激拉曼散射非線性效應(yīng)的影響。實驗結(jié)果表明上下路信號的質(zhì)量都能滿足實際應(yīng)用中對信號質(zhì)量的要求[16]。</p><p>　　3.2 ROF技術(shù)應(yīng)用以及在下一代網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用前景&

76、lt;/p><p>　　3.2.1 ROF技術(shù)的應(yīng)用</p><p>　　隨著ROF技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣，如室內(nèi)信號覆蓋、基站客棧、寬帶無線接入、車載無線通信系統(tǒng)以及軍事系統(tǒng)。下面將介紹ROF技術(shù)在路途車輛通信系統(tǒng)和室內(nèi)信號覆蓋中的應(yīng)用。 </p><p>　　1. 路途車輛通信系統(tǒng)</p><p>　　智能交通系統(tǒng)(ITS)是指

77、應(yīng)用最新的移動通信技術(shù)來提高交通信息的傳輸能力，使交通變得更為安全、高效和舒適。ITS主要可分為路途車輛通信系統(tǒng)(RVC)和車輛內(nèi)的通信系統(tǒng)(IVC)。未來RVC系統(tǒng)的設(shè)計，預(yù)計每個移動終端能達到2~10 Mb/s的速率，包括語言、數(shù)據(jù)和多媒體等多種業(yè)務(wù)，其工作頻率可能在36 GHz或60 GHz。由于這種高頻信號在大氣中的衰減很大，因此每個蜂窩的覆蓋范圍很小(大約為幾十米)。為滿足一定的覆蓋范圍，必須沿公路兩旁安裝許多的BS，如圖3.

78、4所示。應(yīng)用ROF技術(shù)來實現(xiàn)CS和BS間的通信可以使BS的結(jié)構(gòu)更為簡單，易于管理，從而降低系統(tǒng)建設(shè)和維護的成本。</p><p>　　圖3.4　基于ROF技術(shù)的RVC</p><p><b>　　2. 室內(nèi)信號覆蓋</b></p><p>　　在一些大型建筑物中，如機場、商業(yè)中心、大廈等，需要高質(zhì)量的無線信號。但由于無線信號在建筑物內(nèi)的衰減很大

79、，并且目前的移動通信系統(tǒng)的信道在室外和室內(nèi)是共享的，因此無線信號不可能在室內(nèi)實現(xiàn)高質(zhì)量的覆蓋。如果應(yīng)用ROF技術(shù)，可以將一個專用的微蜂窩BS放置在大樓里的合適位置，然后用分布天線(Distributed Antenna System, DAS)完成射頻信號的分布和發(fā)送，從而提高大樓內(nèi)的信號覆蓋率。BS到各DAS的射頻信號傳輸可采用ROF技術(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖3.5所示?？紤]到成本，現(xiàn)在多數(shù)的室內(nèi)信號覆蓋系統(tǒng)仍選擇漏泄同軸電纜來實現(xiàn)信號的分布，

80、但由于光纖的附加損耗低、質(zhì)量輕和易安裝等優(yōu)點，特別是低損耗的塑料光纖(POF)的發(fā)展，相信ROF技術(shù)應(yīng)用在室內(nèi)信號覆蓋中將會有巨大的市場前景。</p><p>　　圖3.5　室內(nèi)信號覆蓋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　3.2.2 ROF技術(shù)在下一代網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用前景</p><p>　　由于下一代移動通信系統(tǒng)要求較高的帶寬，但是現(xiàn)今低頻段中空閑頻帶的短缺，使得下一代移

81、動通信系統(tǒng)需要使用大于 3GHz的頻帶。然而高的頻率必將會導(dǎo)致高的微波損耗。這必將會使得移動終端的功率損耗加大。且每個用戶都要求高速率的數(shù)據(jù)傳輸，使得無線資源的管理必須非常靈活。這可以通過減小蜂窩的面積和將基站集中化得到緩解。蜂窩面積的減小可以達到無縫通信。基站的集中化又可以使得無線資源的管理變得比較的靈活。而ROF技術(shù)是減小蜂窩面積和集中基站的最好的一種解決方案。它可以支持多種不同的無線系統(tǒng)，而和他們所用的頻帶無關(guān)，因為它具有寬的帶寬

82、和與協(xié)議無關(guān)的特性。故ROF技術(shù)在下一代移動通信系統(tǒng)中的實現(xiàn)是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢。</p><p>　　1. 在3G中的應(yīng)用</p><p>　　2004年9月3日，美國Pirelli公司聲明，選擇ALTERA公司的STRATIX GX器件作為采用全球移動通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)(UMTS, universal mobile telecommunications system standard)的3G

83、Radio-over-fiber的解決方法，并且在第30屆ECOC會議上展示了其性能。STRATIXGX器件比其它的FPGA器件消耗的功率要少，也比特定應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)器件(application-specific Standard products, ASSPS)適應(yīng)性強。它采用ROF技術(shù)使得射頻信號可以直接在光纖中傳輸。將它應(yīng)用在3G網(wǎng)絡(luò)中，使得網(wǎng)絡(luò)運營商可以比較容易的，并且以較低的成本建立基站[15, 16]。</p>&

84、lt;p><b>　　2.在4G中的應(yīng)用</b></p><p>　　目前對于第四代移動通信的發(fā)展，旨在研究一種能夠有效利用成本的、切實可行的方法。該系統(tǒng)支持靜態(tài)1Gbps的傳輸速率和移動情況下100MbpS的傳輸速率。從“ITU-R對第四代移動通信發(fā)展的看法” [18]可以得出，隨著時間的推移，需要傳輸?shù)挠杏脭?shù)據(jù)的速率和移動終端在移動情況下的通話需求都在不斷的增加。這再次說明了用戶對

85、寬帶通信的需求。所以在第四代移動通信中，必然需要與ROF技術(shù)結(jié)合。</p><p>　　圖3.6為在下一代網(wǎng)絡(luò)通信中，采用ROF技術(shù)的多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其中，CAP為通用接入平臺；RAU為遠(yuǎn)端接入單元。它將3G、無線局域網(wǎng)(WLAN, wireless local area network)、數(shù)字多媒體廣播(DMB, Digital multi media broadcasting)以及超3代移動通信(B3G, B

86、eyond3generati)。多種業(yè)務(wù)集中在一起通過光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)端接入節(jié)點。這也進一步說明下一代通信的發(fā)展趨勢是沿著多業(yè)務(wù)集成和寬帶通信而發(fā)展的。而這其中也將必然會涉及到能夠?qū)崿F(xiàn)這個發(fā)展需求的ROF技術(shù)的參與。</p><p>　　圖3.6 采用ROF技術(shù)的多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　第4章 ROF技術(shù)的EPON和WiMAX融合方案的研究</p><p>

87、;　　隨著網(wǎng)絡(luò)電視(IPTV)和視頻點播等高帶寬需求業(yè)務(wù)的發(fā)展，寬帶接入已成為熱點技術(shù)。為了進一步優(yōu)化組合資源，降低成本和提供更大帶寬、更靈活的寬帶接入業(yè)務(wù)，光纖和無線接入網(wǎng)絡(luò)的融合成為一種很有前途的架構(gòu)[19, 20]。目前，以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)以其低成本、高帶寬及基于以太網(wǎng)的架構(gòu)等優(yōu)勢得到越來越廣泛的應(yīng)用。與此同時，由IEEE 802.16所規(guī)范的全球微波互聯(lián)接入(WiMAX)技術(shù)正逐步發(fā)展為一種主流的無線寬帶接入技術(shù)。Wi

88、MAX和無線局域網(wǎng)(WLAN)接入技術(shù)相比，能提供更大的帶寬、更遠(yuǎn)的距離和更好的服務(wù)質(zhì)量(QoS)支持；和蜂窩技術(shù)相比，它能提供更好的數(shù)據(jù)接入服務(wù)。因此，以EPON和WiMAX這兩種技術(shù)的融合將會彌補各自技術(shù)的不足，充分發(fā)揮光纖接入技術(shù)的高帶寬與無線技術(shù)的靈活性，給用戶帶來更好的體驗，同時可以大大降低網(wǎng)絡(luò)整體的建設(shè)成本和維護費用。這些優(yōu)勢使得這兩種技術(shù)廣為流行并具有廣闊的市場前景。</p><p>　　4.1 融

89、合方案的現(xiàn)狀</p><p>　　EPON和WiMAX之間的融合可采取的方案主要有2種，一種是基帶光纖傳輸技術(shù)，即數(shù)字基帶信號直接在光纖中傳輸。該技術(shù)的思想是EPON的光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)和WiMAX的基站直接通過以太網(wǎng)接口來連接，光纖中傳輸?shù)氖且蕴W(wǎng)幀。這種方案實現(xiàn)難度較低、覆蓋范圍較大，在帶寬分配和QoS保障方面具有相對優(yōu)勢及良好的可實現(xiàn)性，該方案中的缺點是基站要實現(xiàn)數(shù)字基帶信號到無線射頻信號的轉(zhuǎn)換，成本相對

90、較高。特別是當(dāng)無線信號頻率較高時，由于無線信號衰減的快，需要建設(shè)大量基站來覆蓋更多的范圍，成本的問題就顯得更為突出。另外一種方案是射頻光纖傳輸(ROF)技術(shù)，即無線射頻信號直接在光纖中傳輸。ROF系統(tǒng)中運用光纖作為基站(BS)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(RF)。光纖僅起到傳輸?shù)淖饔?，交換、控制和信號的再生都集中在中心站上，基站僅實現(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，讓多個遠(yuǎn)端基站共享這些

91、設(shè)備，從而減少基站的功耗和成本。目前，已有大量關(guān)于無線局域網(wǎng)(WLAN)與射頻光纖傳輸系統(tǒng)相結(jié)合的論文，也有全球移動通信系統(tǒng)(GSM)系統(tǒng)和射頻光纖傳輸技術(shù)相結(jié)合成功商用的實例。</p><p>　　4.2 融合方案的架構(gòu)設(shè)計</p><p>　　基于ROF技術(shù)的EPON和WiMAX的融合的設(shè)計方案。和標(biāo)準(zhǔn)的EPON系統(tǒng)相比，光線路終端(OLT)和光網(wǎng)絡(luò)單元基站(ONU-BS)都進行了重新

92、設(shè)計，說明如下：</p><p>　　(1)為了節(jié)約成本，便于集中處理，我們把原本屬于基站的WiMAX物理層的設(shè)備都放到了中心節(jié)點OLT處加以實現(xiàn)。IEEE 802.16的物理層定義了系統(tǒng)的工作頻段為266GHz，還主要規(guī)定了2種調(diào)制方式：單載波調(diào)制和正交頻分復(fù)用調(diào)制(OFDM)。在2～11GHz頻段上主要采用OFDM調(diào)制。OFDM技術(shù)具備非視距傳輸能力，能有效抗衰減和抗多徑，因此本系統(tǒng)采用了OFDM調(diào)制和解調(diào)設(shè)

93、備。在11 GHz以下頻段有3個頻段可以使用：2.5 GHz、3.5 GHz和5.8GHz。考慮到WiMAX的部署情況，本系統(tǒng)采用了3.5 GHz的頻段。WiMAX并未規(guī)定具體的載波帶寬，系統(tǒng)可以采用1.25 MHz～20 MHz之間的帶寬。本系統(tǒng)采用了20 MHz的帶寬。這里我們并沒有考慮到同頻干擾的問題，實際應(yīng)用中可以采用頻率復(fù)用和扇區(qū)劃分技術(shù)來更好的利用頻譜資源和得到更大的系統(tǒng)吞吐量。在ROF系統(tǒng)應(yīng)用中，如果RF信號工作的頻段不高

94、(低于10 GHz)時一般都采用直接調(diào)制技術(shù)；如果RF信號工作的頻段較高(10 GHz以上)時一般采用外調(diào)制技術(shù)。本系統(tǒng)因為RF信號工作頻的不高固采用了直接調(diào)制技術(shù)。</p><p>　　(2)在下行方向為了實現(xiàn)EPON有線基帶信號和無線射頻信號同時進行傳輸，也為了區(qū)分屬于不同基站的射頻信號，在OLT端我們采用了副載波復(fù)用技術(shù)(SCM)。我們將EPON基帶信號處于0～2.5 GHz的范圍，而把無線信號上變頻到3.

95、5 GHz以上的副載波，每個副載波的帶寬在20MHz，中心頻點間隔0.1GHz。每個基站對應(yīng)一個副載波，對于分支比為1∶16的EPON系統(tǒng)來說，一共有16個副載波。我們把基帶信號和調(diào)制好的副載波合成后，即可直接對激光器進行調(diào)制。由于基帶信號和副載波處于不同的頻段，不會產(chǎn)生干擾，這樣以來就實現(xiàn)了下行方向基帶信號和無線信號的同時傳輸。對于遠(yuǎn)端的ONU-BS來說，當(dāng)接收到從OLT傳來的混合信號時，首先需要把其中包含的基帶信號和副載波信號解復(fù)用

96、出來，基帶信號直接上傳到相應(yīng)的部件進行處理，對副載波信號則需要進行下變頻處理。這里我們用到了和OLT同樣頻率的本振和變頻器，通過帶通濾波器后，把屬于本基站的無線射頻信號解調(diào)出來，然后通過天線發(fā)射出去。也就是說，基站只需要進行下變頻處理，而不需要其它設(shè)備加以操作，因此節(jié)約了成本。</p><p>　　(3)ONU-BS在上行方向上傳數(shù)據(jù)，是采取時分多址接入(TDMA)方式的，基帶信號和無線射頻信號混合在一起發(fā)送。在

97、這樣的設(shè)計下，EPON的媒體訪問控制(MAC)層和WiMAX的MAC層相互配合，為各個ONU-BS分配上行數(shù)據(jù)的發(fā)送時隙，ONU-BS在指定的時隙到來時按照OLT的授權(quán)窗口大小發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣各個ONU-BS的上行數(shù)據(jù)在到達共享光纖后就會按照預(yù)先安排好的次序進行傳輸，而不會發(fā)生沖突。值得注意的是，在ONU-BS端，不需要把無線射頻信號上變頻到副載波信號。因為不同的ONU-BS位于不同的發(fā)送時隙中，彼此的上行射頻信號不會沖突。同時由于無線射

98、頻信號處于3.5 GHz的頻段，而基帶信號位于2.5 GHz以下，因此基帶信號和無線射頻信號也不會發(fā)生沖突，可以同時發(fā)送?；谶@樣的設(shè)計，OLT端接收設(shè)備的復(fù)雜度也可以大大降低，沒有了副載波之間的交調(diào)干擾，也不需要本振和變頻器，只需要一個光電探測器和一個WiMAX的OFDM解調(diào)器就能夠解決問題，成本大大降低。</p><p>　　圖4.1 基于ROF技術(shù)的EPON和WiMAX的融合構(gòu)架</p>&l

99、t;p>　　4.3 融合方案的特點</p><p>　　基于ROF技術(shù)的EPON和WiMAX的融合架構(gòu)具有以下特點：</p><p>　　(1)正如前面提到的，由于把無線信號處理的設(shè)備和一些上層的功能都放在OLT端統(tǒng)一實現(xiàn)，基站只保留一個下變頻的功能。OLT端用到了N個OFDM調(diào)制器，每個基站均對應(yīng)一個OFDM調(diào)制器，實際可以合并為一個。這樣在OLT端，所有的基站只需共用一套OFDM

100、調(diào)制和解調(diào)設(shè)備，整個系統(tǒng)的成本大大降低。</p><p>　　(2)我們知道在現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)中，基站是不能提供冗余保護或者只提供1+1保護。也就是說，一個基站需要冗余一個基站來進行保護，這種冗余方案是不太經(jīng)濟的。在基于ROF技術(shù)的融合方案中，由于把所有的基站設(shè)備都移到了OLT端中加以實現(xiàn)，我們就很容易實現(xiàn)N+1冗余保護，而不用N+N冗余保護。也就是說，對于N個基站，我們只需要共用一個冗余基站，而不是冗余N個基站。

101、這樣系統(tǒng)穩(wěn)定性得到了提高，成本也得到了降低。</p><p>　　(3)在標(biāo)準(zhǔn)的WiMAX架構(gòu)中，無線資源管理都是集中在各個基站端，不同基站的無線資源管理信息不能及時進行相互交流，這樣以來系統(tǒng)就不能實現(xiàn)高效運行。而在本系統(tǒng)中，由于OLT管理所有基站的無線資源，相當(dāng)于已經(jīng)有了一個集中控制器，OLT實時地知道所有基站中的無線資源信息。因此OLT能夠根據(jù)實際情況通過一定的算法實時動態(tài)的為各個基站分配無線資源，使無線資源

102、能夠得到充分的利用，使負(fù)載在各個基站間保持平衡，這樣系統(tǒng)效率就能大大得到提高。如果結(jié)合多路輸入多輸出(MIMO)、自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)等一些先進的無線傳輸技術(shù)，系統(tǒng)效率還會有所提高。</p><p>　　(4)為了支持用戶的移動性，用戶在不同WiMAX基站內(nèi)的漫游是必須考慮的。因為基站與基站之間是不能聯(lián)系的，如果采用普通的聯(lián)網(wǎng)方案，OLT和所有的WiMAX基站之間必須要保留有一個控制信道，以便實時交換控制信息。當(dāng)用戶游

103、牧到另一個基站時，通過這個控制信道，OLT能夠發(fā)出指令，讓原來的基站清除和用戶之間的連接線路，同時把這個用戶增加到現(xiàn)在的基站中。在基于ROF技術(shù)的融合架構(gòu)中，用戶在基站之間的游牧相對來說就簡單了很多，因為OLT端處理所有的數(shù)據(jù)，了解所有的信息，因此就不需要保留和各個基站間的控制信道。當(dāng)OLT察覺到用戶在不同基站之間游牧?xí)r，只需要切換到新的副載波頻率并給用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。</p><p>　　上面我們分析了基于ROF技

104、術(shù)的EPON和WiMAX的融合架構(gòu)的一些特點。同時，這種混合系統(tǒng)容易受到激光器的非線性效應(yīng)、光纖的衰減、色散、光纖的非線性效應(yīng)以及副載波之間交調(diào)干擾等因素的影響，而且該方案對調(diào)制技術(shù)和探測技術(shù)的要求較高，隨著無線頻率的提高，影響會更加明顯。另外，因為無線信號在光纖中傳輸需要時間，隨著傳輸距離的增加，系統(tǒng)MAC層性能也會受到很大的影響。同時在帶寬分配算法方面也需要進一步研究，以便更好地為有線基帶數(shù)據(jù)和無線射頻信號分配上行傳輸時隙。<