基于認(rèn)知無線電的ROF-PON光無線接入技術(shù)

隨著通信網(wǎng)絡(luò)朝著寬帶化、移動化方向的發(fā)展，光纖無線通信系統(tǒng)(ROF)將光纖通信和無線通信融合到一起，發(fā)揮了光纖線路的寬帶化、抗干擾的優(yōu)點，同時發(fā)揮了無線通信方便靈活的特點，滿足了人們對寬帶的需求。早期的ROF 技術(shù)主要是致力于提供高頻無線傳輸服務(wù)，如毫米波光纖傳輸?shù)?。隨著ROF 技術(shù)的發(fā)展與成熟，人們開始研究混合有線和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，即可同時提供有線和無線服務(wù)的光纖無線通信系統(tǒng)。

隨著無線電通信的飛速發(fā)展，頻譜資源緊張的狀況日漸突出，如何在有限的無線資源條件下提高頻譜利用率以緩解頻譜資源的供需矛盾，已成為通信領(lǐng)域要解決的問題。認(rèn)知無線電(CR)是智能頻譜共享技術(shù)，它通過對授權(quán)頻譜進(jìn)行“二次利用”，能有效提高頻譜資源利用率，已成為通信領(lǐng)域的研究熱點。在802.11 無線局域網(wǎng)[1]、802.16 城域網(wǎng)[2] 和3G 移動通信網(wǎng)絡(luò)[3]已開始研究應(yīng)用認(rèn)知無線電技術(shù)提高系統(tǒng)的容量，并開始研究應(yīng)用ROF 技術(shù)實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)信號的混合傳輸[4]。基于認(rèn)知無線電的混合傳輸有線和無線信號的光纖無線通信網(wǎng)絡(luò)是未來通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。基于認(rèn)知無線電技術(shù)的混合傳輸ROF 系統(tǒng)面臨許多新的挑戰(zhàn)，例如網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計、各層協(xié)議設(shè)計、基于多種業(yè)務(wù)的有線和無線調(diào)制信號的產(chǎn)生、網(wǎng)絡(luò)的管理和調(diào)制信號的識別等等。

1 認(rèn)知無線電技術(shù)

認(rèn)知無線電是解決頻譜缺乏和頻譜未充分利用的有效途徑，認(rèn)知無線電是智能的無線通信系統(tǒng)，它通過感知周圍環(huán)境的頻譜利用情況，并通過學(xué)習(xí)自適應(yīng)地調(diào)整自己的參數(shù)，達(dá)到有效利用頻譜資源和可靠通信。

應(yīng)用認(rèn)知無線電是實現(xiàn)頻譜資源從固定分配到動態(tài)分配的關(guān)鍵技術(shù)。

在認(rèn)知無線電系統(tǒng)中，為了保護(hù)授權(quán)用戶( 或成為主用戶) 不受從用戶( 或用戶)的干擾，頻譜感知的功能是感知授權(quán)用戶是否存在。認(rèn)知無線電用戶當(dāng)監(jiān)視到授權(quán)用戶使用的頻帶未被使用時可以暫時使用。當(dāng)監(jiān)視到授權(quán)用戶的頻帶在使用時，CR用戶釋放該信道給授權(quán)用戶，這樣保證CR 用戶不對授權(quán)用戶產(chǎn)生干擾。

因此認(rèn)知無線通信網(wǎng)絡(luò)有如下顯著特點：

主用戶具有接入信道的絕對優(yōu)先權(quán)。一方面，當(dāng)授權(quán)用戶沒有占用信道時，從用戶機會接入空閑信道；當(dāng)主用戶再次出現(xiàn)時，從用戶要及時退出正在使用的信道，將信道還給主用戶使用。另一方面，當(dāng)主用戶占用信道時，從用戶可以在不影響主用戶服務(wù)質(zhì)量的條件下接入信道。

通信終端具有感知、管理和調(diào)整功能。首先CR 通信終端能夠感知所處工作環(huán)境中的頻譜和信道環(huán)境，并根據(jù)探測結(jié)果按照一定的規(guī)則確定對頻譜資源的共享和分配；另一方面CR 通信終端具有在線調(diào)整工作參數(shù)的能力，如改變載頻、調(diào)制方式等傳輸參數(shù)來適應(yīng)環(huán)境的變化。

在認(rèn)知無線通信網(wǎng)絡(luò)中，頻譜感知是關(guān)鍵技術(shù)。常用的頻譜感知算法有能量檢測、匹配濾波檢測、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測方法等，這些方法有各自的優(yōu)缺點，這些算法的性能取決于獲得的先驗信息。已有的頻譜感知算法有：匹配濾波器、能量檢測器和特征檢測器方法。

匹配濾波器只能應(yīng)用到主信號是已知的條件下。能量檢測器能夠應(yīng)用到主信號未知的情況下，但當(dāng)采用短的感知時間時性能變差。由于特征檢測器的主要思想是利用信號的循環(huán)平穩(wěn)性，通過譜相關(guān)函數(shù)進(jìn)行檢測。噪聲是寬平穩(wěn)信號且不具相關(guān)性，而調(diào)制信號是具有相關(guān)性且循環(huán)平穩(wěn)的。因此譜相關(guān)函數(shù)能夠區(qū)分噪聲能量和已調(diào)信號的能量。在噪聲不確定的環(huán)境下，特征檢測器的性能要好于能量檢測器。特征檢測器在低信噪比下的性能受到限制，有高的計算復(fù)雜度，同時要求長的觀測時間。這樣就減小了CR 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量。

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，頻譜資源越來越緊張。由于CR 技術(shù)可以緩解這個問題，CR 技術(shù)在無線通信網(wǎng)絡(luò)中得到重視，有許多關(guān)于無線通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)都引入認(rèn)知無線電技術(shù)。如IEEE 802.11、IEEE 802.22 和。在802.16h 協(xié)議中，有一個重要內(nèi)容就是動態(tài)頻譜選擇，以利于WiMAX 使用廣電頻段，它的基礎(chǔ)就是頻譜感知技術(shù)。在無線局域網(wǎng)IEEE 802.11h 國際標(biāo)準(zhǔn)中，引入了兩個重要概念：動態(tài)頻譜選擇和發(fā)射功率控制(TPC)，開始將認(rèn)知無線電應(yīng)用到無線局域網(wǎng)中。在標(biāo)準(zhǔn)中利用正交頻分復(fù)用技術(shù)提供了多種帶寬的選擇，可以實現(xiàn)帶寬的快速切換，WLAN(無線局域網(wǎng)) 系統(tǒng)可以利用OFDM 的特點通過調(diào)整帶寬和發(fā)射功率參數(shù)避免與工作在該頻段的其他用戶相互干擾。由于光纖無線系統(tǒng)具有光纖通信帶寬寬的優(yōu)點和無線通信靈活的特點得到了廣泛應(yīng)用，近幾年光纖中傳輸射頻認(rèn)知WLAN 信號得到了關(guān)注，文獻(xiàn)[5-6]的作者提出了在系統(tǒng)架構(gòu)下傳輸認(rèn)知無線電信號，仿真實驗表明網(wǎng)絡(luò)性能得到了提高。

2 基于ROF 的混合光纖無線傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

為了滿足傳輸視頻傳輸?shù)亩嗝襟w業(yè)務(wù)，新興的光纖到戶(FFTH)將成為最終的寬帶接入技術(shù)，而無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)一經(jīng)問世就成為人們關(guān)注的焦點。由于PON 網(wǎng)絡(luò)中所用的器件均為無源器件，無需供電，可以免疫外界的電磁干擾和雷電影響，能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)務(wù)的透明傳輸，系統(tǒng)可靠性高。

網(wǎng)絡(luò)主要分時分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)(TDM-PON)和波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)。

同TDM-PON 相比，具有用戶獨享帶寬和安全性高等特點，成為未來最有潛力的光接入網(wǎng)，圖1所示是WDM-PON 系統(tǒng)框圖。

在圖1 中，OLT 是光線路終端，是光網(wǎng)絡(luò)單元。無線接入網(wǎng)、WiMAX 和移動通信網(wǎng)絡(luò)有各自的特點和適用場合，因此是共存的。在實際工作環(huán)境中還有其他各種網(wǎng)絡(luò)存在，但主干網(wǎng)絡(luò)都應(yīng)以光網(wǎng)絡(luò)為主，我們采用基于WDM-PON 的體系結(jié)構(gòu)。在圖1 中，只畫了3 個典型的無線接入網(wǎng)絡(luò)，其他有線網(wǎng)絡(luò)也可以通過PON-ONU 接入系統(tǒng)中。圖1 所示的系統(tǒng)架構(gòu)中，無線網(wǎng)絡(luò)和PON 的接入單元具有光/電和電/光(E/O) 的功能，不需要調(diào)制解調(diào)功能，在WDM-PON 中直接傳輸無線射頻信號。

3 基于認(rèn)知無線電的ROF-PON 光無線接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，光網(wǎng)絡(luò)也朝著智能方向發(fā)展，認(rèn)知無線電開始應(yīng)用到光網(wǎng)絡(luò)中。由于在光網(wǎng)絡(luò)中提供不同的業(yè)務(wù)，而不同的業(yè)務(wù)有不同的服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求，這樣給網(wǎng)絡(luò)的管理帶來新的挑戰(zhàn)。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)可以提供跨層設(shè)計和跨層優(yōu)化，因此可以有效地監(jiān)測和優(yōu)化光網(wǎng)絡(luò)。此外，認(rèn)知技術(shù)在光網(wǎng)絡(luò)中的使用可以提供電信運營商更大的靈活性，根據(jù)應(yīng)用和服務(wù)要求調(diào)整各種物理層部件的特性( 如調(diào)制格式、前向糾錯和波長容量等)和網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)(帶寬、同時傳輸?shù)墓饴窋?shù)和QoS 等)。圖2 是基于認(rèn)知無線電的光纖無線接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，光纖中直接傳輸射頻信號。本文光層可采用WDM-PON 技術(shù)也可以是一個定制的光接入層)。遠(yuǎn)端的ONU 得到的傳感信息回傳到中心局(CO)，應(yīng)用認(rèn)知無線電技術(shù)進(jìn)行處理。頻譜感知和信道接入等都在處理，因此降低了整個系統(tǒng)的復(fù)雜度，發(fā)揮了ROF 的優(yōu)勢，也發(fā)揮了認(rèn)知無線電在管理頻譜方面的特長。

這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要特點是：

接入點(AP) 節(jié)點成本降低，中心基站成本提高。在常規(guī)的網(wǎng)絡(luò)中，AP 具有調(diào)制解調(diào)并具有信號處理功能，在本方案中AP 只完成光變成電(O/E) 或電變成光(E/0) 的功能，AP 的調(diào)制解調(diào)功能和管理功能都轉(zhuǎn)移到中心基站，降低了無線接入節(jié)點的成本，但卻增加了中心基站的成本。

可以利用分集技術(shù)提高系統(tǒng)的鏈路性能。由于采用ROF 系統(tǒng)，不同光纖鏈路接收同一個用戶信號可以在中心基站實現(xiàn)宏分集處理，而在無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部可以采用協(xié)同分集技術(shù)提高鏈路性能。

信道接入和頻譜感知處理由中心基站完成，網(wǎng)絡(luò)前端AP 提供射頻采集的數(shù)據(jù)。

這種認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)雖然可以增加系統(tǒng)容量，但它也增加了網(wǎng)絡(luò)管理方面的復(fù)雜度，也面臨許多挑戰(zhàn)[7]。

最大的挑戰(zhàn)是媒體訪問控制(MAC)層接入控制機制設(shè)計。即如何根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的MAC 層和無線接入網(wǎng)絡(luò)的MAC 層的各自特點提出MAC 層性能更優(yōu)化的MAC 層協(xié)議。在網(wǎng)絡(luò)中光層和射頻層是相互依存的，而在這種情況下多個媒體訪問控制機制的相互作用將帶來設(shè)計上的問題。比如射頻(RF) 層的頻譜感知功能移動到光層去處理，當(dāng)這個功能被打開時不應(yīng)干擾射頻層感知信道的能力。

認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)下，MAC 協(xié)議的功能是確定CR 用戶采取什么樣的信道接入策略，是實現(xiàn)整個認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)頻譜共享的基本前提。MAC 設(shè)計的目標(biāo)是降低節(jié)點傳輸沖突比例，提高頻譜資源利用率。

4 結(jié)束語

隨著通信網(wǎng)絡(luò)朝著寬帶化、移動化方向的發(fā)展，光纖無線通信系統(tǒng)將光纖通信和無線通信融合到一起，發(fā)揮了光纖線路的寬帶化、抗干擾的優(yōu)點，同時發(fā)揮了無線通信方便靈活的特點，滿足了人們對寬帶的需求。認(rèn)知無線電不僅可動態(tài)接入授權(quán)頻譜，還可以接入其他非授權(quán)頻譜，因此認(rèn)知無線電和ROF 結(jié)合可以提高系統(tǒng)的容量，提高系統(tǒng)的性能。