通信0702班 刘雄杰　打印版11.doc

武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）rof在光接入网中的应用application of rof in optical access network学生姓名 刘雄杰 学 号 7403130209 专业班级 通信工程0702 指导教师 任海兰 2011年5月6作者声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特别加以标注的地方外，没有任何剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范的行为，也没有侵犯任何其他人或组织的科研成果及专利。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。毕业设计（论文）成果归武汉工程大学邮电与信息工程学院所有。特此声明。 作者专业： 通信工程 作者学号： 7403130209 作者签名： _年_月_日摘 要信息技术的发展促进了微波通信和光纤通信的快速发展，微波通信在长距离传输和大容量需求方面的缺陷,促成了微波信号和光纤传输技术的结合，即光纤无线通信技术(rof, radio-over-fiber)。该技术利用光纤和高频无线电波各自的优点，实现大容量、低成本的射频信号有线传输和超宽带无线接入，具有低损耗、高带宽、不受无线射频的干扰、便于安装和维护、功率消耗小以及操作更具灵活等优点。本论文主要研究了rof系统的基本原理关键技术，并且介绍了其在无线接入网中的应用。论文的第1章介绍了rof技术的背景与意义、rof技术的优缺点和rof技术在国内外发展现状。论文的第2章首先介绍了rof的系统结构，对rof技术进行分析，分析了光纤无线通信技术(rof)中的一些技术原理，包括基于rof技术的毫米波信号产生、光纤光栅的单边带调制技术和rof的复用技术。还介绍了rof的关键技术，包括自适应数字预失真系统、色散的处理和非线性效应的处理。论文的第3章主要对rof网络协议和在gsm(global system for mobile communication)、3g（3 generation）以及4g(4 generation)等系统中的应用进行了讨论。论文的第4章讨论光纤无线在接入网的融合，本章讨论了一种基于光纤无线电(rof)技术的以太网无源光网络(epon)和全球微波接入互操作性(wimax)融合方案，能够同时在光纤中传输epon基带信号和wimax无线射频信号。最后是对论文工作的总结。关键词：rof；光纤无线融合abstractthe development of the information on technology 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 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 to realize the wideband communication with lower attenuation loss, large bandwidth, the immunity to radio frequency interference, the easy installation and maintenance, the reduced power consumption and the operational flexibility. this paper mainly studies the basic principle of rof system key technology, and introduces its application in wireless access. the first chapter introduces rof technology background and significance, advantages and disadvantages of rof technology and development status of rof technology at home and abroad.the second chapter firstly introduces the system structure, 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 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 processing.朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典the third chapter, mainly on the rof network protocol and the gsm (global system for mobile communication), 3g (3 generation) and 4g (4 generation) and other system are discussed. finally, a summary of the thesis work.the fourth chapter paper mainly from access network 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 interoperability (wimax) integration schemes can simultaneously in fiber epon baseband signal transmission of wimax wireless radio frequency signal with. key words: rof (radio over fiber); optical fiber wireless fusion目 录第1章 引言11.1 选题的背景及意义11.2 国内外研究现状21.3 论文的主要研究内容5第2章 rof的技术及应用62.1 rof的系统结构62.2 rof技术原理72.2.1 基于rof技术的毫米波信号产生72.2.2 基于光纤光栅的单边带调制技术72.2.3 rof的复用技术82.3 rof关键技术112.3.1 自适应数字预失真系统112.3.2 色散的处理122.3.3 非线性效应处理12第3章 rof网络协议及其应用143.1 rof与现有网络的融合143.1.1与多个gsm联合系统的融合143.1.2与pdc和wcdma联合系统的融合143.1.3与p0n网络的融合163.2 rof技术应用以及在下一代网络中的应用前景173.2.1 rof技术的应用173.2.2 rof技术在下一代网络中的应用前景19第4章 rof技术的epon和wimax融合方案的研究214.1 融合方案的现状214.2 融合方案的架构设计224.3融合方案的特点24第5章 论文工作总结27参考文献28致谢29附录 主要英文缩写语对照表29第1章 引言1.1 选题的背景及意义光纤无线通信技术(rof, radio-over-fiber)的研究始于20世纪80年代,是一种随着高速大容量无线通信的需求而发展起来的一种光纤通信技术与无线通信技术相结合的无线信号传输技术。rof可利用高度线性的光线链路在总站(cs, central station)和远程天线单元(rau, remote access unit)之间实现射频信号损耗传输和良好的信噪比接收。目前，宽带无线通信己经成为整个信息通信领域的热点问题，各项新技术和新业务不断产生。光纤可以提供巨大的带宽，从1970年第一批损耗较低的光纤问世至今，光纤通信以惊人的速度在发展，迅速成熟并得到广泛应用，成为主导的传输技术。宽带通信可以将数据、互联网、话音、视频和多媒体应用传送到商业和家庭用户。无线通信使得人们能够随时随地跟任何人进行通信。这两者的结合无疑是未来通信的发展方向。但是，目前无线通信系统广泛使用的微波频段频谱的拥塞，以及带宽和传输速率的瓶颈使得无法在这个频段开展真正的多媒体通信业务。为解决上述问题，无线通信系统可以利用更高频率的载波进行通信。继微波通信之后，通信系统将向能够提供更大容量的毫米波通信发展。毫米波无线通信系统具有传输容量大、设备轻便和抗干扰能力强的优点，能够支持各种超宽带业务，是无线通信突破微波频段向更高频段发展的一个重要方向。光纤无线通信技术是一种光和微波相结合的通信技术，最早由cooper于1990年提出，是指利用光纤链路传输微波信号1。rof技术具有传输距离长，衰减损耗低，光纤可提供巨大的带宽等优点。除了可以传输性能较高的微波信号外，高光带宽还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。这样，在光域中进行信号处理就可以利用较便宜的低带宽光器件，如激光二极管和调制器。rof系统安装简便，维护简易，可以提供多操作、多服务的通信业务，并满足灵活的系统级操作需求。其良好的抗电磁干扰性能可对光纤通信，尤其是微波通信，都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可以实现这个功能。结构简单、装备减少的rau能够使电能消耗大大降低。rof技术基本上把所有复杂的设备都放置在中心局端。此外，在某些应用上，rau还可以无源操作。由于rau端的功率消耗很低，因此，可以考虑把rau放置在遥远的、没有电力供应的地方。rof技术也有一定的局限性，动态范围对于象gsm这样的蜂窝式移动通信系统来说是一个非常重要的参数。因为从mu到基站的信号功率变化很大，同一个蜂窝内，距离基站比较近的mu发射的射频功率比基站接收到几公里外的mu发射的信号功率要大很多。由于rof技术带有模拟调制和光探测单元，所以，它本质上就是一个模拟传输系统。这样，它的信号损伤(比如在模拟通信系统中非常重要的噪声和失真)在rof系统中的影响也就显得比较大了。这些损伤很可能会影响rof系统的噪声系数和动态范围。rof技术具有大容量、低成本、低功耗、易安装等优点，因此作为一种无线接入技术，近年来正成为人们关注的热点。然而利用光纤传输高频信号时出现的许多问题，如色散、非线性失真和光纤带宽资源利用的问题，将会直接影响rof系统的传输带宽和传输距离。因此，将就以上问题介绍并分析一些解决方案。同时，也将介绍rof技术在无线通信系统中，包括在4g无线接入网、路途车辆通信系统(rvc)和室内覆盖等领域的应用和发展趋势。作为一种新出现的超宽带无线接入技术，rof充分结合光纤和高频无线电波传输的特点，能实现未来大都市网络大容量、低成本的射频信号有线传输和超宽带无线接入，并具有覆盖面广、易于动态管理和维护等特点，在未来的超宽带蜂窝网络、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2, 3。1.2 国内外研究现状rof技术在国内最早的运用应该是在移动通信系统中。现行的gsm移动通信系统便是利用光纤在基站到中心站之间传输信号，射频信号工作频率为900mhz和1800mhz。现在商用的激光器和光检测器可以方便的实现该频段射频信号和rof信号的产生。现在rof技术在移动通信系统中的更灵活的应用主要是室内分布系统，如对大厦、机场、商业中心的无缝覆盖4, 5。80年代美国首次将rof技术用于军事用途，自90年代后经过快速的发展，rof得到了广泛的实际商用，如应用于2000年悉尼奥运会。尽管目前市场不是很大，但随着微波光子技术的发展，rof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。可以传输个人数据蜂窝网信息的rof网络已经在日本实现并进入了实用化阶段。国内相关科研单位近几年来也相继开展了对毫米波光载波产生和传输的研究，包括清华大学、北京大学、中科院、北京邮电大学、浙江大学、上海大学及华北电力大学等，并有一些科研成果报道。光毫米波的产生和传输是rof系统中的两个重要问题。由于在电域产生和处理毫米波都非常困难，全光产生毫米波信号技术备受欢迎。在过去的这几年里这方面的技术已经引起了广泛的研究，很多关于光毫米波产生的方法已经被提出。现有的光生毫米波产生技术可以分为以下几种:1. 上/下变频技术rof系统中，上/下变频技术在中心站使用中频信号（1-3ghz)作为副载波，数据信息调制在中频信号上，已调制的中频信号再调制光波。基站中需要毫米波本振源，进行中频信号的上变频和毫米波信号的下变频，分别应用于基站的上行链路和下行链路。上/下变频技术使得光纤链路中传输的是中频副载波信号，因而受光纤色散的影响小，但缺点是变频效率不高，基站中需要毫米波本振和毫米波混频器，或者需要两个激光器差拍得到毫米波信号，使基站设备非常复杂。2. 电吸收型光收发机技术为了实现基站低成本建设，光收发器是一个重要的器件，它既要实现下行链路的光电(oe)转换，又要作为上行链路中的电光(eo)转换器。这可以用一个电吸收型光收发机(eat，electro-absorption transceiver)来实现。eat是一种双功能的调制解调器件，其工作原理如图1.1所示。当入射光波的波长处在吸收区时，eat起光探测器的作用，当入射光波的波长处在过渡带时，eat的衰减随外加信号电压而变，起光调制器的作用。在基站中，下行光信号经eat元件(处于吸收区，起光探测器作用)解调后，直接从射频输出端口输出已调毫米波信号，该信号由天线发送出去。基站接收无线用户发送的毫米波信号，并且通过eat元件(处于过渡带，起光调制器的作用)将其直接调制到上行的光载波上，再通过光纤传送回中心站。图1.1 电吸收型光收发机的工作原理采用eat元件的传输系统可以使基站系统大大简化，基站中只进行光电、电光转换，不需要其他的光学元件，但是中心站仍然需要使用毫米波本振以高频率的光调制器。另外eat器件为日本的专利产品，成本昂贵，距离商品化还有一定的过程，所以技术的系统方案构思虽好，但是其推广应用还有相当大的难度。3. 光外差技术光外差技术是产生高频的光载射频信号的有效方法，其主要目标是产生频率等于射频信号的两个光波，将需要传输的基带数据加载到其中一个光波上。最简单的光外差实现方案是两个单纵模激光器输出两束光波，通过外部调制器将数据信号调制到其中一个光波之上。在接收端两个光波发生拍频，从而产生所需要的毫米波射频信号，射频信号的频率等于两个光波的频率差。但是这种方法产生的毫米波会存在相位噪声，其质量依赖于两个光源的一致程度。如果想生成低相位噪声的毫米波，可以采取从一个光源同时输出两束光波，这种方法就是光自外差法。光自外差法的好处在于基站不需要毫米波的本振源和高速光调制器，设备比较简单，但都对光源的性能要求很高，由于相干载波的产生过程比较复杂，要么要用精密的激光器，要么需要复杂的温度、偏置电流的控制，技术要求很高，难以实现。4. 直接调制技术直接调制是通过改变光波的振幅、强度、相位、频率或偏振等参数，来携带信息的过程。按调制位置是在光源内还是在光源外进行分为内调制和外调制。内调制是将要传输的信号直接加载于光源，改变光源的输出特性来实现调制;其中最简单的是对半导体激光器的驱动电源用调制信号直接控制，实现对所发射激光的强度的调制。另一方法是把调制元件放在激光器的谐振腔内，用要传输的信号控制该调制元件物理性质的变化，改变光腔参数，实现调制激光输出。外调制是在光源外的光路上放置调制器，将要传输的信号加载于调制器上，当光通过调制器时，透过光的物理性质将发生改变，实现信号的调制。直接调制技术的一个主要问题是所产生的光双边带信号在光纤传输过程中会受到光纤色散的影响。总的来说，外调制技术具有结构简单的优点，但光纤色散影响比较严重，调制深度不高，有非线性响应。1.3 论文的主要研究内容由于信息技术的发展促进了微波通信和光纤通信的快速发展，微波通信在长距离传输和大容量需求方面的缺陷,促成了微波信号和光纤传输技术的结合,本论文研究rof技术以及在光接入网中的应用。本论文的第1章为引言，主要内容包括论文选题背景及意义和rof国内外研究现状以及论文的主要研究内容；第2章主要对rof的系统进行分析，研究rof的技术及其应用；第3章主要研究rof的网络协议及其应用前景；第4章主要研究rof技术的epon和wimax融合方案；最后，给出了本论文的工作总结及今后的工作展望。第2章 rof的技术及应用2.1 rof的系统结构rof系统包含中心站(cs)，远程天线单元(rau)，光链路和用户端四个部分。图2.1所示是rof系统的结构示意图。图2.1 rof的系统结构rof系统的基本实现策略是将中心站和基站用光纤连接,从而实现双向交互通信。在上行链路,当基站接收到终端信号后，经过对激光调制，可把不同基站的信号汇合在一起，然后传送到中心站进行处理;在下行链路，中心站则把信号调制到光载波信号中以得到光信号，再通过光纤传送到基站，然后由基站进行光检测，然后把得到的毫米波信号再发射给终端。由于rof系统中的毫米波信号是在光纤中传输的，故可减少衰减，以便于进行长距离的传送，同时可扩展无线频带。rof系统里的基站仅仅需要实现光检测、放大和发射功能，因此可降低基站的规模、功率消耗和复杂度，同时，基站的操作和维护费用也都能得到减少。它可以当作一个分布式天线在需要的任何地方快捷地安装基站，并最大程度地消除信号盲区。2.2 rof技术原理2.2.1 基于rof技术的毫米波信号产生目前，采用rof技术产生毫米波信号的主要方案是利用两个频差为所要求的毫米波频率的光信号通过混频产生毫米波信号6, 7, 8。这种方案不需要高速器件，传输的信号不易受色散的影响，但得到的信号谱线较宽(受限于激光器的线宽)，频率稳定性差，很容易随激光器的光频漂移而变化。出现上述问题的原因是毫米波信号是通过两路光信号差频得到的，所以需要光信号具有很好的相关性。由于超连续谱产生的光模式都是源于同一个短脉冲源，故其具有较低的相位噪声，而且模式之间的频差的稳定和精确度完全取决于泵浦脉冲的重复频率。其系统原理图如图2.2所示。图2.2 rof系统产生毫米波结构图一个完整的rof系统主要由物理层和协议层构成。协议层应根据不同的服务(比如移动通信，本地多点分布系统lmds等)从功能级角度描述。物理层则应从传输级角度实现对信息的“透明”传输。由于在电域产生和处理毫米波较难实现，而全光方法产生毫米波具有操作便捷、易调节、易于与光纤传输系统集成等优点，因而全光产生毫米波方法近来备受关注。现有的光生毫米波方法主要有三种：直接强度调制，外部强度调制和光自外差。直接调制是最简单的方案，但是它受到激光惆啾和低频限制。2.2.2 基于光纤光栅的单边带调制技术由于光纤存在色散，特别是随着传输信号频率的增大，色散引起的信号失真就越大，因而传统光载波双边带调制在长距离高频微波rof系统中的色散问题将会严重降低系统的性能。因此，人们提出用单边带调制来代替传统的双边带调制，以减少色散的影响。双电极mzm(马赫-曾德尔调制器)结合耦合器可以实现单边带调制，但这种方法会增加rof系统的成本；利用窄带光纤光栅也可实现微波rof系统的单边带调制9, 10，与前一种方法相比，此方法具有插入损耗低、结构简单等优点。图2.3为采用光纤布拉格光栅(fbg)实现单边带调制的原理图。分布反馈式(dfb)激光器光源输出的光通过偏振控制器后，由光电调制器根据脉冲信号发生器(psg)产生的微波信号对其进行双边带调制，光隔离器(iso)是用于减少(fbg)反射光对光电调制器的影响，fbg滤除光信号的一个边带，经掺铒光纤放大器(edfa)放大后送入光纤链路。已有实验表明，采用16-qam(16状态正交调幅)调制方式传输15ghz的高频微波信号，当传输距离为25 km时，fbg单边带调制比传统双边带调制信噪比约提高4db。因此，利用fbg实现单边带调制，不仅系统结构简单，而且系统的传输性能也有较大的提高。图2.3 基于窄带fbg的单边带调制原理图2.2.3 rof的复用技术1. 光复用技术为了有效利用光纤提供的超大带宽，rof系统应采用复用技术将中心站到多个基站的信号放在同一条光纤里传输11。目前主流的光复用技术分为时分复用(tdm)、波分复用(wdm)、副载波复用(scm)和码分复用(cdm)四种。tdm系统只用一个波长，因此光源的实现比较容易。但由于需要精确控制各路信号的时隙，故对时钟同步精度和快速抽样都有较高要求。所以，tdm技术不适合于实现rof系统。wdm的优点是在不增建光缆线路或不改建原有光缆的基础上，扩大了光纤的传输容量。该系统基本使用无源器件，结构简单、体积小、易于光纤祸合、可靠性高、成本低，同时可以在同一光纤里实现双向通信。目前，蜂窝状无线接入网大多采用这种复用技术。将wdm系统中调制光载波的基带电信号换成射频信号的技术就是副载波复用技术(scm)。scm系统不需要实现时钟同步和快速抽样，而且结构简单，成本较低。虽然scm也存在对系统非线性性能要求高等缺点，但它仍是目前研究和生产中实现rof系统的首选复用技术。特别是对于大容量光波系统，射频或微波scm工作在高频段，其工作频率比am和fm都很高，因此，它是模拟和数字信号宽带业务提供了一种具有吸引的方法。应用于蜂窝无线接入网的副载波信号的生成原理如图2.4所示。图2.4 副载波信号的生成原理图另外，还有一种处于研究阶段的cdma技术，它的优点是能够增强系统的保密性和灵活性。但由于技术方而的原因，cdma不成熟，距离实用化还有一段路要走。2. 波长交叉的波分复用技术在rof中运用的复用技术，一般都倾向于波分复用(wdm)或副载波复用(scm)的方法，然而在某些情况下使用传统的wdm，频带利用率不是很高，如图2.5所示，可以看出信道的间隔是大于载波频率的两倍，而且载波和信号之间有一大部分频带并没有得到利用。为了充分利用频带资源，人们提出了波长交叉(wavelength interleaving, wi)wdm技术。对于wi的wdm有两个方案：一个如图2.5（b）所示，信道间隔大于一倍的载波频率，但小于两倍的载波频率，解复用时只要用一个光带通滤波器就可以分离出所需要的信号和载波；另一个如图2.5（c）所示，信道间隔小于载波的频率，但在解复用时需要两个带通滤波器才能分离出所需的信号。可见利用wi的wdm技术可以在rof系统中更加有效地利用光纤的频带资源。（a）传统的wdm（b）wi的wdm方案1（c）wi的wdm方案2图2.5 几种wdm的方案比较2.3 rof关键技术2.3.1 自适应数字预失真系统激光二极管、光电二极管和射频放大器等非线性器件引起的信号非线性失真，在多用户的情况下，会严重降低rof系统的性能。从一些实验数据来看，rof系统的输出射频功率与输入射频功率不成线性关系，即存在am/am失真(amplitude to amplitude distortion) 12；而且输出信号的相位偏移也不与输入射频功率成线性关系，即存在am/pm失真(amplitude to phase distortion)，所以rof系统的性能在很大程度上要靠这些非线性器件的性能来保证。为了克服这些缺点，有人提出基于fpga(现场可编程门阵列)的自适应性数字预失真系统的方法。预失真系统的原理是先让输入信号通过一个预失真器，再送入非线性器件进行处理，通过调节预失真器参数，使得它的非线性特性和非线性器件的正好相反，从而整个系统表现为一线性系统。图2.6为自适应数字预失真系统的框图。qam信号产生器产生的信号，经过脉冲整形滤波器和模/数(a/d)转换器送入自适应数字预失真器中，根据输入信号x和反馈信号z对信号进行预失真处理。预失真后的信号经过数/模(d/a)转换并进行正交调制后送入rof链路中，而反馈信号通过正交解调和a/d转换后送入自适应数字预失真器中。自适应数字预失真器是整个系统的关键，其实现的方式一般有两种：a.基于查询表(look up table, lut)方式，这种方式可用于任何增益波形图的情况，线性化效果好；b.基于多项式方式，这种方式较易初始化和实时修正，但其线性化误差较大。该自适应预失真系统能够自适应不同的调制方式和各种情况的非线性影响，具有很广的应用范围。图2.6 自适应数字预失真系统的框图2.3.2 色散的处理rof系统中光纤的色散13, 14是影响系统性能的主要因素。初期的实验系统基本上工作在1310 nm波段，故可以避免色散的影响。但随着rof技术应用的发展，其系统规模会逐渐扩大，rof技术的研究和应用逐渐转向1550 nm波段。此时，色散影响和补偿等问题都应给予考虑。解决色散限制问题的方法有很多种：可利用调制器啁啾特性或fbg引入预补偿，也可在接收端用dcf光纤或者fbg做后置补偿，亦可采用ssb调制或在中途用opc(optical phase conjugation)模块的相位共扼作用使传输前半途和后半途的色散抵消。经比较，ssb调制抑制色散的方法无论从效果、复杂度和成本上都是较好的方案。因此，目前普遍使用ssb方法来抑制色散。实现ssb调制有多种不同的方法，如采用fbg等光滤波器、利用mz调制器特性、在光域实现变换、选用特殊设计的器件等等。兼顾色散管理的效果和成本，选用mzm和fbg实现ssb是最普遍的方法。2.3.3 非线性效应处理为了满足用户对传输容量及传输速率的要求，rof系统的调制频率和调制速率也在不断增大，其传输的非线性也越来越突出，因而可能导致信号畸变，误码率升高等，非线性现已成为影响系统性能的主要因素。rof系统中的大部分器件都会引入一定的非线性，但最主要的还是半导体激光器和光纤链路的非线性。半导体激光器的非线性就是其p-i曲线所体现的非线性。为了得到较大的输出光功率p，可以增大激光器的驭动电流i，但随着i的增大，p-i曲线会进入非线性区，从而影响rof系统的传输性能。在采用直接调制的rof系统中，激光器的非线性是整个系统非线性的主要因素。当调制速率大于2.sgb/s时，直接调制就会变得非常困难，因此必须使用外调制。尽管外调制的性能优于直接调制，但其成本也高很多。光波在光纤中传播时，介质中的电子在电磁场的作用下会偏离平衡位置形成偶极子，它们将在原来的电场上加上新的光场，并导致介质的非线性极化。rof系统中影响较大的非线性效应有自相位调制(spm)、交叉相位调制(xpm)、四波混频(fwm)以及两个受激非弹性散射受激喇曼散射(srs)和受激布里渊散射(sbs)等。fwm和srs会使信道间产生串扰，sbs在高码率时会损害信号波的能量，xpm和spm引起的频谱展宽则会在信道间隔较小的多通道系统中的相邻信道间产生干扰。第3章 rof网络协议及其应用由于rof技术采用光纤作为传输媒质，所以它具有可以覆盖无线电波覆盖不到的区域的优点。例如:地铁、火车站、飞机场以及购物大厦等地方。本章主要从rof在各类网络中的应用情况以及所涉及的协议进行阐述。3.1 rof与现有网络的融合由于rof技术采用光纤来传输高频信号，可以实现低损耗的、宽带的通信。且rof系统对信号的格式具有透明性，可以按照需求传输各种调制格式的信号。并且通过采用副载波调制(scm, sub-carrier modulation)来融合现有的不同运营商的网络，达到集中控制、共享昂贵器件、动态分配网络容量、降低成本的目的。下面介绍rof与现有多个不同网络的融合情况。3.1.1与多个gsm联合系统的融合2000年，为了使得将在悉尼举行的奥运会顺利进行。利用rof技术建立了 tekmar britecell tv网络。它解决了奥运会期间，大量移动电话同时呼叫的连接问题，实现了宽带传输，避免了拥塞的发生。且在奥运会开幕式时，成功连接了500000无线电话的呼叫15。这一网络的特点是:它建立了室内和室外p(兆分之一)蜂窝；综合了3个gsm运营商的系统；采用多标准的无线通信协议，分别是90omhzgsm通信标准和1800mhzgsm通信标准；它拥有大于500个远端天线单元;采用低射频功率分布式天线系统；可以动态的分配网络容量。3.1.2与pdc和wcdma联合系统的融合在日本，rof已经应用在了现有的蜂窝系统一一个人数字通信(pdc, personal digital communication)系统和宽带码分多址接入(wcdma, wideband code division multiple access)系统中。ntt docomo作为日本蜂窝系统运营商之一，将rof技术运用于微蜂窝和微微蜂窝的信号传输微波链路中。它将很小的基站(接入单元)设置在室内天花板上，然后通过光纤与一个主基站连接在一起。图3.1为同时传输三种业务的rof系统及其技术指标。这种网路的特点是器件比较集中，可以实现同时在三个频带上的信息传输18。图3.1 同时传输三种业务的rof系统及其技术指标表3.1 技术指标图3.2为在现有的蜂窝网络中rof技术的实现方法。它可以采用两种方法来实现。一种方法为把所有的接入单元都安装在一个楼里面，然后将它们分别与基站连接在一起。每一个接入单元形成一个小的蜂窝结构。另一种方法是，接入单元安装在不同的区域中，而将基站安装在一个节点区域中。然后通过光纤将它们连接在一起。图3.2 在现有蜂窝系统中rof技术的实现方法3.1.3与p0n网络的融合图3.3为rof与无源光网络(pon, passive optical network)融合的系统结构框图。它中的ge-pon采用了ieeeso2.3ah(这一标准是2004年发布的)协议，可以提供多于64个用户的双向服务。并且可以在ge-pon系统上传输处于800mhz频带的cdma20001xev-do信号。这一信号可以当作是rof信号。图3.3 rof与ge-pon相结合的系统框图其中上行线路采用16qam的调制方式以及2457.6kbps的数据速率；下行线路采用bpsk的调制方式以及76.skbps的数据速率。主要解决了传输损耗和受激拉曼散射非线性效应的影响。实验结果表明上下路信号的质量都能满足实际应用中对信号质量的要求16。3.2 rof技术应用以及在下一代网络中的应用前景3.2.1 rof技术的应用随着rof技术的不断发展，其应用领域也越来越广，如室内信号覆盖、基站客栈、宽带无线接入、车载无线通信系统以及军事系统。下面将介绍rof技术在路途车辆通信系统和室内信号覆盖中的应用。 1. 路途车辆通信系统智能交通系统(its)是指应用最新的移动通信技术来提高交通信息的传输能力，使交通变得更为安全、高效和舒适。its主要可分为路途车辆通信系统(rvc)和车辆内的通信系统(ivc)。未来rvc系统的设计，预计每个移动终端能达到210 mb/s的速率，包括语言、数据和多媒体等多种业务，其工作频率可能在36 ghz或60 ghz。由于这种高频信号在大气中的衰减很大，因此每个蜂窝的覆盖范围很小(大约为几十米)。为满足一定的覆盖范围，必须沿公路两旁安装许多的bs，如图3.4所示。应用rof技术来实现cs和bs间的通信可以使bs的结构更为简单，易于管理，从而降低系统建设和维护的成本。图3.4基于rof技术的rvc2. 室内信号覆盖在一些大型建筑物中，如机场、商业中心、大厦等，需要高质量的无线信号。但由于无线信号在建筑物内的衰减很大，并且目前的移动通信系统的信道在室外和室内是共享的，因此无线信号不可能在室内实现高质量的覆盖。如果应用rof技术，可以将一个专用的微蜂窝bs放置在大楼里的合适位置，然后用分布天线(distributed antenna system, das)完成射频信号的分布和发送，从而提高大楼内的信号覆盖率。bs到各das的射频信号传输可采用rof技术，其结构如图3.5所示。考虑到成本，现在多数的室内信号覆盖系统仍选择漏泄同轴电缆来实现信号的分布，但由于光纤的附加损耗低、质量轻和易安装等优点，特别是低损耗的塑料光纤(pof)的发展，相信rof技术应用在室内信号覆盖中将会有巨大的市场前景。图3.5室内信号覆盖系统的结构3.2.2 rof技术在下一代网络中的应用前景由于下一代移动通信系统要求较高的带宽，但是现今低频段中空闲频带的短缺，使得下一代移动通信系统需要使用大于 3ghz的频带。然而高的频率必将会导致高的微波损耗。这必将会使得移动终端的功率损耗加大。且每个用户都要求高速率的数据传输，使得无线资源的管理必须非常灵活。这可以通过减小蜂窝的面积和将基站集中化得到缓解。蜂窝面积的减小可以达到无缝通信。基站的集中化又可以使得无线资源的管理变得比较的灵活。而rof技术是减小蜂窝面积和集中基站的最好的一种解决方案。它可以支持多种不同的无线系统，而和他们所用的频带无关，因为它具有宽的带宽和与协议无关的特性。故rof技术在下一代移动通信系统中的实现是网络发展的必然趋势。1. 在3g中的应用2004年9月3日，美国pirelli公司声明，选择altera公司的stratix gx器件作为采用全球移动通信系统标准(umts, universal mobile telecommunications system standard)的3gradio-over-fiber的解决方法，并且在第30届ecoc会议上展示了其性能。stratixgx器件比其它的fpga器件消耗的功率要少，也比特定应用的标准器件(application-specific standard products, assps)适应性强。它采用rof技术使得射频信号可以直接在光纤中传输。将它应用在3g网络中，使得网络运营商可以比较容易的，并且以较低的成本建立基站15, 16。2.在4g中的应用目前对于第四代移动通信的发展，旨在研究一种能够有效利用成本的、切实可行的方法。该系统支持静态1gbps的传输速率和移动情况下100mbps的传输速率。从“itu-r对第四代移动通信发展的看法” 18可以得出，随着时间的推移，需要传输的有用数据的速率和移动终端在移动情况下的通话需求都在不断的增加。这再次说明了用户对宽带通信的需求。所以在第四代移动通信中，必然需要与rof技术结合。图3.6为在下一代网络通信中，采用rof技术的多业务网络结构。其中，cap为通用接入平台；rau为远端接入单元。它将3g、无线局域网(wlan, wireless local area network)、数字多媒体广播(dmb, digital multi media broadcasting)以及超3代移动通信(b3g, beyond3generati)。多种业务集中在一起通过光纤传输到远端接入节点。这也进一步说明下一代通信的发展趋势是沿着多业务集成和宽带通信而发展的。而这其中也将必然会涉及到能够实现这个发展需求的rof技术的参与。图3.6 采用rof技术的多业务网络结构图第4章 rof技术的epon和wimax融合方案的研究随着网络电视(iptv)和视频点播等高带宽需求业务的发展，宽带接入已成为热点技术。为了进一步优化组合资源，降低成本和提供更大带宽、更灵活的宽带接入业务，光纤和无线接入网络的融合成为一种很有前途的架构19, 20。目前，以太网无源光网络(epon)以其低成本、高带宽及基于以太网的架构等优势得到越来越广泛的应用。与此同时，由ieee 802.16所规范的全球微波互联接入(wimax)技术正逐步发展为一种主流的无线宽带接入技术。wimax和无线局域网(wlan)接入技术相比，能提供更大的带宽、更远的距离和更好的服务质量(qos)支持；和蜂窝技术相比，它能提供更好的数据接入服务。因此，以epon和wimax这两种技术的融合将会弥补各自技术的不足，充分发挥光纤接入技术的高带宽与无线技术的灵活性，给用户带来更好的体验，同时可以大大降低网络整体的建设成本和维护费用。这些优势使得这两种技术广为流行并具有广阔的市场前景。4.1 融合方案的现状epon和wimax之间的融合可采取的方案主要有2种，一种是基带光纤传输技术，即数字基带信号直接在光纤中传输。该技术的思想是epon的光网络单元(onu)和wimax的基站直接通过以太网接口来连接，光纤中传输的是以太网帧。这种方案实现难度较低、覆盖范围较大，在带宽分配和qos保障方面具有相对优势及良好的可实现性，该方案中的缺点是基站要实现数字基带信号到无线射频信号的转换，成本相对较高。特别是当无线信号频率较高时，由于无线信号衰减的快，需要建设大量基站来覆盖更多的范围，成本的问题就显得更为突出。另外一种方案是射频光纤传输(rof)技术，即无线射频信号直接在光纤中传输。rof系统中运用光纤作为基站(bs)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(rf)。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上，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，从而减少基站的功耗和成本。目前，已有大量关于无线局域网(wlan)与射频光纤传输系统相结合的论文，也有全球移动通信系统(gsm)系统和射频光纤传输技术相结合成功商用的实例。wimax在同步光纤网络(sonet)上的传输也有着相关的研究。4.2 融合方案的架构设计基于rof技术的epon和wimax的融合的设计方案。和标准的epon系统相比，光线路终端(olt)和光网络单元基站(onu-bs)都进行了重新设计，说明如下：(1)为了节约成本，便于集中处理，我们把原本属于基站的wimax物理层的设备都放到了中心节点olt处加以实现。ieee 802.16的物理层定义了系统的工作频段为266ghz，还主要规定了2种调制方式：单载波调制和正交频分复用调制(ofdm)。在211ghz频段上主要采用ofdm调制。ofdm技术具备非视距传输能力，能有效抗衰减和抗多径，因此本系统采用了ofdm调制和解调设备。在11 ghz以下频段有3个频段可以使用：2.5 ghz、3.5 ghz和5.8ghz。考虑到wimax的部署情况，本系统采用了3.5 ghz的频段。wimax并未规定具体的载波带宽，系统可以采用1.25 mhz20 mhz之间的带宽。本系统采用了20 mhz的带宽。这里我们并没有考虑到同频干扰的问题，实际应用中可以采用频率复用和扇区划分技术来更好的利用频谱资源和得到更大的系统吞吐量。在rof系统应用中，如果rf信号工作的频段不高(低于10 ghz)时一般都采用直接调制技术；如果rf信号工作的频段较高(10 ghz以上)时一般采用外调制技术。本系统因为rf信号工作频的不高固采用了直接调制技术。(2)在下行方向为了实现epon有线基带信号和无线射频信号同时进行传输，也为了区分属于不同基站的射频信号，在olt端我们采用了副载波复用技术(scm)。我们将epon基带信号处于02.5 ghz的范围，而把无线信号上变频到3.5 ghz以上的副载波，每个副载波的带宽在20mhz，中心频点间隔0.1ghz。每个基站对应一个副载波，对于分支比为116的epon系统来说，一共有16个副载波。我们把基带信号和调制好