面向2G3G4GWLAN融合接入應用的光載無線分布式天線系統(tǒng)

       隨著話音業(yè)務的成熟，對IP 和高速數(shù)據(jù)業(yè)務的支持已經(jīng)成為移動通信系統(tǒng)演進的方向，也成為第代移動通信系統(tǒng)的主要業(yè)務特征。

       然而，2G/3G 網(wǎng)絡對數(shù)據(jù)業(yè)務的支持有廣域低速的特征，為了實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，無線移動通信技術(shù)與技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生了無線局域網(wǎng)等無線接入技術(shù)，其應用已經(jīng)成為高速數(shù)據(jù)業(yè)務的重要接入手段。但是，WLAN 的覆蓋范圍小，只能提供短距離(100 m 左右) 的覆蓋。

       為了進一步提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，實現(xiàn)信號的廣域覆蓋，提高通信的靈活性，運營商開始將目光轉(zhuǎn)向4G。考慮到多種移動通信系統(tǒng)將長期并存，因此為了提供更具有針對性的服務，中國移動提出了“2G、3G、4G、”四網(wǎng)協(xié)同的發(fā)展戰(zhàn)略[1]。四網(wǎng)業(yè)務的融合對接入網(wǎng)的帶寬和性能有了更高的要求，傳統(tǒng)的接入網(wǎng)已無法滿足用戶不斷提高的帶寬和性能需求。

        微波光子學充分利用光子學寬帶、高速、低功耗等優(yōu)點來實現(xiàn)微波信號的產(chǎn)生、傳輸、處理和控制，以此為基礎(chǔ)的微波光波融合系統(tǒng)充分發(fā)揮了無線靈活接入和光纖寬帶傳輸?shù)母髯詢?yōu)勢，可以實現(xiàn)單純無線技術(shù)和光纖技術(shù)難以完成甚至無法完成的信息處理與傳輸組網(wǎng)功能[2-3]。由此可見，基于光載無線(ROF) 系統(tǒng)的分布式天線網(wǎng)絡將在四網(wǎng)融合的接入中發(fā)揮極其重要的作用。

        ROF分布式天線網(wǎng)絡的一般結(jié)構(gòu)如圖1 所示。利用模擬直調(diào)光模塊將射頻信號調(diào)制到光載波上，經(jīng)過光纖傳輸至遠端天線單元，然后利用光/電轉(zhuǎn)換和放大器放大后直接由遠端天線單元的天線發(fā)射進行無線覆蓋。該方式具有成本低廉、覆蓋廣泛以及控制靈活等特點，在礦井、隧道和鐵路等工程領(lǐng)域，以及商場、機場和會議中心等公共熱點區(qū)域都具有廣泛的應用市場，一些廠家已開始進行了模塊和系統(tǒng)的研制與推廣應用。

         然而，目前的光載無線分布式天線系統(tǒng)成本較高。成本主要取決于系統(tǒng)中使用的光收發(fā)模塊。為了降低系統(tǒng)成本，我們基于商用的千兆以太網(wǎng)光組件，經(jīng)過電路設計和改進實現(xiàn)了低成本、寬帶的模擬光收發(fā)模塊，為光載無線分布式天線網(wǎng)絡的推廣應用打下了基礎(chǔ)。此外，光載無線鏈路中存在很多噪聲，光學損耗衰減了射頻信號功率同時增加了噪聲指數(shù)(NF)。為了提高系統(tǒng)的性能，研究光損耗對光載無線分布式天線網(wǎng)絡的影響，具有十分重要的意義。同時，鏈路中的受激布里淵散射

         也對傳輸性能產(chǎn)生不利影響，需要對其進行分析和抑制，以提高網(wǎng)絡性能。針對點到多點的多業(yè)務融合接入及分布式傳輸需求，本文提出了面向2G/3G/4G/WLAN 四網(wǎng)融合接入應用的副載波復用和波分復用(SCM-WDM)結(jié)合技術(shù)。

1.低成本、寬帶的光收發(fā)模塊研制

         隨著無線業(yè)務不斷增加的需求，下一代的ROF 應用需要支持更高的工作頻率和更大的帶寬。同時，系統(tǒng)中，光收發(fā)模塊成本較高，是大規(guī)模應用的主要限制因素[4]；另一方面，隨著千兆以太網(wǎng)(GbE) 技術(shù)的發(fā)展，商用千兆以太網(wǎng)光器件的調(diào)制帶寬高達8 GHz，為低成本ROF 的傳輸帶來了新的機遇。因此，采取商用千兆以太網(wǎng)光器件來設計低成本、寬帶的光收發(fā)模塊將是一個非常重要的工作。本文提出了一種基于商用千兆以太網(wǎng)光器件的低成本、寬帶收發(fā)模塊。

        收發(fā)模塊主要由光學組件，射頻放大和偏置控制電路組成。發(fā)送端光學子組件(TOSA) 是針對10 Gb/s 應用、波長為1 310 nm、斜率效率為的分布反饋式(DFB) 激光器。接收端光學子組件(ROSA) 是針對10 Gb/s 應用、響應度為的光電探測器。為了簡化設計，設計使用激光器驅(qū)動集成電路來提供偏置電流進行自動功率控制(APC)。為了提高收發(fā)器的線性度，移去商用中線性度較差的轉(zhuǎn)阻放大器，并使用了100 Ω 的高精度電阻Rd 將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。

       匹配激光器和驅(qū)動器是大帶寬、低損耗模擬光發(fā)送模塊設計中巨大的挑戰(zhàn)。為了達到寬帶和易于實現(xiàn)的目的，在TOSA 中采用了25 Ω的傳輸線系統(tǒng)以匹配激光器和驅(qū)動器。首先，切比雪夫多節(jié)傳輸線用于在頻率0.3 GHz～范圍內(nèi)，將50 Ω 系統(tǒng)匹配到25 Ω 子系統(tǒng)。然后串聯(lián)一個20 Ω的電阻作為匹配電阻連接到激光器以吸收反射的能量。以這種方式，能夠很容易地實現(xiàn)匹配網(wǎng)絡，同時很大程度地提高調(diào)制效率。此外，在接收端的光學子組件中，采用100 Ω的傳輸線系統(tǒng)以匹配探測器和放大器。探測之后，將100 Ω的子系統(tǒng)匹配到50 Ω，并使用寬帶的低噪放大器(LNA)放大探測的射頻信號。項目研制的收發(fā)器模塊如圖2 所示。

測得光收發(fā)模塊的頻率響應如圖3 所示。端到端的ROF 鏈路增益是-34 dB，3 dB 帶寬是4.3 GHz，能夠滿足面向2G/3G/4G/WLAN 四網(wǎng)融合接入應用的光載無線分布式天線網(wǎng)絡需求。

2.光損耗對傳輸性能影響的分析

系統(tǒng)與分布式天線網(wǎng)絡的結(jié)合，可以擴大覆蓋面積，提高系統(tǒng)容量，應用于多種場所，如機場、商場、智能樓宇等。這種方法可以大大減少遠端天線單元的復雜性，并實現(xiàn)系統(tǒng)的集中式管理。然而，鏈路中存在很多噪聲，光學損耗衰減了射頻信號功率同時增加了噪聲指數(shù)(NF)，使得信號被噪聲淹沒。

光載無線系統(tǒng)中的光損耗主要來自于網(wǎng)絡中的光學器件。在使用波分復用(WDM) 技術(shù)的光載無線分布式天線網(wǎng)絡的星型拓撲結(jié)構(gòu)中，陣列波導光柵(AWG)具有很大的插入損耗[5]。在其他的總線型或樹型結(jié)構(gòu)中，光耦合器和光分插復用器也將引入大量的光損耗[6]。如果拓撲結(jié)構(gòu)較為復雜，且沒有采用光放大器，光纖傳輸?shù)男盘枌⒈凰p到一個較低的水平，被光纖鏈路中的噪聲淹沒。因此，研究光損耗對光載無線分布式天線網(wǎng)絡傳輸性能的影響，具有十分重要的意義。本文研究了光損耗對光載無線分布式天線網(wǎng)絡傳輸?shù)腤i-Fi 信號的影響，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

項目使用改造的WLAN 接入點設備作為Wi-Fi 信號源。從產(chǎn)生的射頻信號經(jīng)光收發(fā)模塊調(diào)制到光載波，在單模光纖(SMF) 中傳輸后，在遠端經(jīng)光收發(fā)模塊轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)功率放大器(PA) 放大后，從天線輻射出去。對于上行鏈路，因為接收信號太弱，先由40 dB 增益的低噪放大器(LNA) 放大，然后調(diào)制到光載波上并被傳送到AP 端。為了補償光電和電光轉(zhuǎn)換的損耗，光收發(fā)模塊中的功率放大器增益設置為，從而使得光鏈路的整體增益為0 dB?；诖讼到y(tǒng)，項目研究了上、下行鏈路的光損耗容限。

上行、下行鏈路中仿真信噪比和實際吞吐量與光損耗的關(guān)系如圖5所示。測量結(jié)果表明，下行鏈路的光損耗容限可以達到20 dB 以上。此外，當光損耗超過23 dB 時，測得的吞吐量將迅速下降5 Mb/s，這是由觸發(fā)開關(guān)引起的。因為射頻功率太低，無法觸發(fā)射頻開關(guān)，所以下行鏈路的光損失容限要高于測量結(jié)果。此外還測量了上行鏈路的光損耗容限，當光損耗低于25 dB 時，數(shù)據(jù)的吞吐量保持在24 Mb/s 附近，而隨著光損耗的增加，吞吐量跳變到18 Mb/s。實驗結(jié)果符合ROF 系統(tǒng)中理論仿真的光損耗容限。

3.受激布里淵散射對傳輸性能影響的分析和抑制

光纖中受激布里淵散射(SBS) 效應所帶來的負面影響限制了光纖輸入端口所能夠容忍的最大輸入光功率，當輸入光功率超過SBS 閾值一定程度時，就會產(chǎn)生功率飽和效應，導致接收端口難以獲取相應的光功率，并且受激布里淵散射會導致接收信號的噪聲急劇增大，導致鏈路性能的惡化[7]。

本文提出了一種基于菲涅爾反射和抑制載波調(diào)制的SBS 增益譜/損耗譜的測量方法[8]，具有高精度、單端測量等優(yōu)點，結(jié)構(gòu)如圖6 所示?？烧{(diào)諧光源(TLS)產(chǎn)生線寬低于300 kHz 的直流光，微波源產(chǎn)生頻率可控的微波，并以載波抑制(OCS) 的方式調(diào)制到光載波上。通過控制微波的頻率可以得到頻率間隔可調(diào)的雙邊帶信號，經(jīng)放大后，進入到被測光纖。由于光纖端面會產(chǎn)生菲涅爾反射現(xiàn)象，反射光將背向進入到被測光纖。這兩部分光在被測光纖中逆向傳輸，當雙邊帶的頻率間隔正好等于被測光纖的布里淵頻移，并且前向泵浦光功率高于SBS 閾值的時候，就會出現(xiàn)效應。泵浦光的上邊帶對探測光的下邊帶有放大作用，而泵浦光的下邊帶對探測光的上邊帶有衰減作用。因此只要通過調(diào)節(jié)微波源頻率，并且分別檢測上下邊帶的光功率，就可以很容易的得到SBS 的增益譜和損耗譜。

用這種測量方法，分別得到了標準單模光纖(SSMF) 和高非線性光纖(HNLF)中SBS 效應的增益譜和損耗譜，如圖7 所示。圖給出了TLS 波長為1 552.84 nm 時的增益譜，從譜線形狀來看，實驗結(jié)果很好的吻合了理論上的洛侖茲線型，并且不同泵浦功率對應的布里淵增益系數(shù)峰值也不同。同樣，當波長調(diào)到1 552.71 nm 的時候，可以測得如圖7(b) 所示的SBS 損耗譜，并且布里淵損耗系數(shù)峰值也會隨著泵浦功率的增加而增加。

目前抑制SBS 效應的方法主要有增加激光器線寬。為了研究激光器線寬對SBS 閾值的影響，實驗測試了信號在鏈路中傳輸時鏈路中光功率的監(jiān)測情況，測試結(jié)構(gòu)圖如圖所示。矢量信號分析儀產(chǎn)生標準信號，調(diào)制到光載波上傳輸，摻鉺光纖放大器(EDFA)用來調(diào)節(jié)入纖光功率。光信號經(jīng)過環(huán)行器和耦合器進入被測光纖中傳輸，被探測器接收恢復出電信號。實驗中直調(diào)激光器的線寬約為10 MHz，而窄線寬光纖激光器的線寬約為50 kHz。實驗中測試了鏈路各監(jiān)測點光功率的變化情況，在環(huán)行器后用PM1 來監(jiān)測入纖光功率，經(jīng)過被測光纖后用監(jiān)測透射光功率，利用PM3 監(jiān)測光纖背向散射光的光功率。

測試結(jié)果如圖9 所示，其中，圖8和圖9(b)分別對應于激光器線寬為的直接調(diào)制和50 kHz 的外調(diào)制。由圖9(a) 可以看出，當入纖光功率低于13.5 dBm 的時候，光纖反射光功率和透射光功率緩慢增加，當入纖光功率高于13.5 dBm 的時候，其中反射光功率發(fā)生急劇變化，快速增加，并且在17.5 dBm 的時候與透射光功率均等，可以看出單模光纖的SBS 閾值約為13.5 dBm。由圖9(b) 可以看出，激光器線寬為50 kHz 條件下，閾值在9.5 dBm 附近，比10 MHz 線寬時降低了4 dB 左右。

4. 2G/3G/4G/WLAN 多業(yè)務分布式傳輸?shù)腟CM-CWDM技術(shù)

隨著中國 移動推出四網(wǎng)協(xié)同的發(fā)展戰(zhàn)略，無線業(yè)務應用正趨于多樣化。2G 網(wǎng)絡繼續(xù)向低端用戶提供移動語音業(yè)務，3G 網(wǎng)絡在全球范圍內(nèi)正得到大規(guī)模部署，同時能夠支持更高無線接入速率的4G 網(wǎng)絡也在逐漸鋪開。此外，WLAN 作為低成本高效率的流量承載解決方案，正進入快速發(fā)展的時期。通過不同的網(wǎng)絡向多個基站配置多制式的無線業(yè)務，將導致大量的資本輸出(CAPEX)和運營支出(OPEX)。針對這一問題，光載無線分布式天線系統(tǒng)是最有吸引力的解決方案[9]。前面已經(jīng)介紹了實現(xiàn)低成本、高性能的光載無線分布式天線網(wǎng)絡的關(guān)鍵技術(shù)，為了面向四網(wǎng)融合接入應用，項目采用副載波復用(SCM) 和波分復用技術(shù)的結(jié)合[10]，充分利用了光纖的寬帶特性。

副載波復用系統(tǒng)，在發(fā)送端將各路待傳遞的信息分別調(diào)制在不同的射頻(即副載波)上，然后將各個帶有信號的副載波合起來，調(diào)制一個光載波；在接收端，經(jīng)光電檢測得到全部的副載波，然后用電學的方法將各路副載波分開。

SCM技術(shù)非常容易實現(xiàn)寬帶傳輸，它可以同時傳輸?shù)退?、高速?shù)據(jù)以及模擬視頻信號。SCM 光纖通信技術(shù)容易實現(xiàn)，價格低廉，可與現(xiàn)有的各種通信網(wǎng)兼容，且容易實現(xiàn)寬帶及插入業(yè)務方便，是實現(xiàn)多業(yè)務融合接入的理想選擇。然而，SCM 技術(shù)仍然局限于點到點的傳輸，不能夠滿足在復雜結(jié)構(gòu)下的低成本組網(wǎng)需求。

正因如此，本文提出了一種副載波復用結(jié)合粗波分復用方式的多業(yè)務、分布式傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10 所示。

該系統(tǒng)主要由星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)組成，中心局(CO) 通過WDM 設備連接到多個遠端天線單元(RAU)。對于一個遠端天線單元，使用SCM 技術(shù)，每個波長承載多制式的無線業(yè)務，如2G/3G/4G/WLAN。在中心局，多制式的無線業(yè)務通過低成本直調(diào)的光收發(fā)模塊調(diào)制到光載波上，然后粗波分復用器(CWDM) 將各路信號復用到一根標準單模光纖(SMF) 中傳輸。在遠端天線單元(RAU)，多路信號經(jīng)解復用器后分配到光收發(fā)模塊轉(zhuǎn)換成射頻信號，再經(jīng)過電放大器放大后由天線發(fā)射。同樣，上行信號被天線接收后注入到光收發(fā)模塊，并由粗波分復用(CWDM) 進入光纖，回傳到中心控制局，控制局內(nèi)光收發(fā)模塊實現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換，得到射頻信號再進行后續(xù)處理。

基于SCM-WDM 的光載無線分布式天線網(wǎng)絡，通過WDM 技術(shù)，將大量的遠端天線單元連接到中心局，增加了網(wǎng)絡的覆蓋范圍，而且很大程度降低了無線接入網(wǎng)的成本。

為了評估SCM-WDM 系統(tǒng)的傳輸性能，項目建立了基于四信道的結(jié)構(gòu)和四制式的無線業(yè)務副載波復用的ROF-DAS 系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖11 所示。四種信號分別是的EDGE-8PSK 信號、的WCDMA-QPSK 信號、2.3 GHz 的信號和2.412 GHz 的信號。

圖12 給出了測得的每種業(yè)務傳輸?shù)恼`差向量幅度(EVM) 值，包括使用SCM 技術(shù)和未使用SCM 技術(shù)的情況。由圖12 可以看出，上、下行鏈路的性能之間沒有明顯差別，同時四種業(yè)務的EVM 曲線是相似的。在射頻輸入功率較低時，隨著功率的增加，性能得到提高，當功率增加到一定值是，由于非線性的引入，EVM 性能將會隨著功率的增加而惡化。在的輸入功率，802.11g 64QAM、、WCDMA 和EDGE 實現(xiàn)了最好的EVM 值，分別是0.75% 、、1.1% 和0.5% ，符合無線標準的相關(guān)規(guī)定。表明基于SCM-WDM 技術(shù)的光載無線分布式天線網(wǎng)絡能夠?qū)崿F(xiàn)多制式無線業(yè)務上下行鏈路的高性能傳輸。

5 結(jié)束語

本文主要介紹了低成本、高性能、寬帶光載無線系統(tǒng)的幾項關(guān)鍵技術(shù)：低成本、寬帶的光收發(fā)模塊電路設計與研制，鏈路中光損耗和受激布里淵散射效應對信號傳輸性能的分析。針對面向2G/3G/4G/WLAN 四網(wǎng)融合接入的應用需求，本文提出了副載波復用結(jié)合波分復用的技術(shù)，實現(xiàn)了多制式無線業(yè)務點到多點的分布式混合傳輸。為光載無線分布式天線系統(tǒng)的廣泛應用提供了有力的支撐和推動。

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