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w d m p o n 与r o f 系统融合技术研究 摘要 随着信息技术的发展，下一代接入网致力于以高效的方式为大量用户同时提 供多重宽带服务。波分复用无源光网络w d m p o n ( w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n gp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 是一种容量大和安全性高的光接入网。光 纤无线通信r o f ( r a d i o o v e r - f i b e r ) 技术是降低运营成本的理想宽带无线接入方 式。正交频分复用o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术应用 于光通信中可以进行色散补偿，实现长距离传输。w d m p o n 与r o f 系统融合是 未来全光网络的发展趋势。本论文将研究w d m p o n 与r o f 系统融合，采用 o f d m 信号克服光纤色散，为多个用户同时提供有线和无线服务，并在基站实现 波长重用，取得的主要成果如下： 第一，提出并仿真验证了一种基于副载波调制产生6 0 g h z 光载毫米波的 w d m p o n 与r o f 系统融合的方案。经6 0 k m 单模光纤s m f ( s i n g l em o d ef i b e r ) 传输后，下行o f d m 无线链路数据可基本恢复，下行o f d m 有线链路数据的星 座图和上行开关键控o o k ( o n 0 f f k e y i n g ) 信号的眼图效果很好。 第二，为了进一步降低系统成本，提出采用强度调制器和光交叉复用器i l ( i n t e r l e a v e r ) 实现四倍频调制的w d m p o n 与6 0 g h zr o f 系统融合的方案。通 过系统模拟，成功实现了2 5 g b s 下行o f d m 无线和有线链路数据以及上行o o k 信号传输6 0 k ms m f 。 第三，实验研究了一种采用马赫曾德尔强度调制器和i l 产生5 8 g h z 光载毫 米波传输o f d m 信号的波分复用光纤无线通信w d m r o f ( w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n gr a d i o o v e r - f i b e r ) 系统。中心站的4 路连续光波耦合后输入射频信 号频率为2 9 g h z 的强度调制器进行双边带d s b ( d o u b l es i d e b a n d ) 调制，再用另 一个强度调制器将2 5 g b s 的o f d m 信号调制到d s b 信号上。经2 0 k ms m f 传输 至基站，通过i l 将中心载波和阶边带分离。经可调谐光滤波器滤取所需信道的 一阶边带，由高速光电检测器产生5 8 g h z 的电毫米波，利用相干解调恢复下行 o f d m 基带数据信号。实验结果表明，在无色散补偿和误码率为1 0 。3 的条件下， 下行o f d m 信号经光纤传输2 0 k m 后的功率代价小于0 5 d b ，而且星座图依然清 晰。 关键词：光纤无线通信；波分复用无源光网络；正交频分复用；高频光载毫米波； 波长重用 i i 硕l j 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，t h en e x tg e n e r a t i o na c c e s s n e t w o r ki sc o m m i t t e dt op r o v i d i n gm u l t i p l eb r o a d b a n ds e r v i c e sf o rl o t so fu s e r si na n e f f i c i e n tw a y w d m - p o n ( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gp a s s i v e o p t i c a l n e t w o r k ) i sa no p t i c a la c c e s sn e t w o r kw h i c hh a sl a r g ec a p a c i t ya n dh i g hs e c u r i t y t h e r o f ( r a d i o o v e r f i b e r ) t e c h n o l o g yi s c o n s i d e r e dt ob ea ni d e a lb r o a d b a n dw i r e l e s s a c c e s sw h i c hc a nr e d u c eo p e r a t i n gc o s t s t h eo f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) t e c h n o l o g yc a nb eu t i l i z e di nt h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nf o rd i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o n a n dl o n gd i s t a n c et r a n s m i s s i o n w d m p o nc o m p a t i b l ew i t hr o f s y s t e mi st h et r e n di nt h ef u t u r ea l l - o p t i c a ln e t w o r k w d m p o nc o m p a t i b l ew i t hr o f s y s t e mc a r r y i n go f d ms i g n a l sf o ro v e r c o m i n gt h ef i b e rd is p e r s i o n ，p r o v i d i n gw i r e d a n dw i r e l e s ss e r v i c e sf o rm a n yu s e r sa n dr e a l i z i n gw a v e l e n g t hr e u s ei nt h eb a s e s t a t i o ns i m u l t a n e o u s l yt h a ti si n v e s t i g a t e di nt h et h e s i s t h er e s u l t so b t a i n e da r ea s f o l l o w s ： f i r s t l y ，as c h e m eo fw d m - p o nc o m p a t i b l e w i t hr o fs y s t e m e m p l o y i n g s u b c a r r i e rm o d u l a t i o nt og e n e r a t e6 0 g h zo p t i c a lm i l l i m e t e r w a v et h a ti sp r o p o s e d a n dd e m o n s t r a t e db ys i m u l a t i o n a f t e r6 0 k ms m f ( s i n g l em o d ef i b e r ) t r a n s m i s s i o n ， d o w m s t r e a mo f d mw i r e l e s sl i n kd a t ac a nb e b a s i c a l l yr e t r i e v e d ，a n d t h e c o n s t e l l a t i o nf i g u r e so fd o w n s t r e a mo f d mw i r e dl i n kd a t aa n de y ed i a g r a m so f u p s t r e a mo o k ( o n - o f fk e y i n g ) s i g n a l sa r ea l lp r e t t yw e l l s e c o n d l y ，i no r d e rt of u r t h e rr e d u c et h ec o s to fs y s t e m ，as c h e m eo fw d m - p o n c o m p a t i b l ew i t h6 0 g h zr o fs y s t e me m p l o y i n gai n t e n s i t ym o d u l a t o ra n da no p t i c a l i l ( i n t e r l e a v e r ) t or e a l i z eq u a d r u p l ef r e q u e n c ym o d u l a t i o nt h a ti sp r o p o s e d 2 5 g b s d o w n s t r e a mo f d mw i r e l e s sl i n kd a t a ，w i r e dl i n kd a t aa n du p s t r e a mo o k s i g n a l sc a n b es u c c e s s f u l l yt r a n s m i t t e d6 0 k ms m ft h a ti sd e m o n s t r a t e db ys y s t e ms i m u l a t i o n t h i r d l y ，aw d m r o f ( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gr a d i o - o v e r - f i b e r ) s y s t e mt og e n e r a t e5 8 g h zo p t i c a lm i l l i m e t e r - w a v ew i t ho f d ms i g n a lb yu s i n ga m a c h - z e h n d e ri n t e n s i t ym o d u l a t o ra n da ni lt h a ti se x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d i n t h ec e n t r a lo f f i c e ，f o u rc h a n n e l sc o n t i n u o u sw a v el i g h t w a v e sa r eg e n e r a t e db yal a s e r a r r a y ，a n dt h e ya r em o d u l a t e db yai n t e n s i t ym o d u l a t o rw h i c hi sd r i v e nb ya2 9 g h z r a d i of r e q u e n c ys i g n a lt or e a l i z ed s b ( d o u b l es i d e b a n d ) m o d u l a t i o n 2 5 g b so f d m s i g n a l sa r em o d u l a t e do nt h ed s bs i g n a l sb ya n o t h e ri n t e n s i t ym o d u l a t o rb e f o r et h e y i i i w d m p o n 与r o f 系统融合技术研究 a r et r a n s m i t t e dt ot h eb a s es t a t i o no v e r2 0 k ms m f i nt h eb a s es t a t i o n a no p t i c a li li s u s e dt os e p a r a t e do p t i c a lc a r r i e r sa n df i r s to r d e rs i d e b a n d s t h ef i r s to r d e rs i d e b a n d s o fd e s i r e dc h a n n e la r es e l e c t e db yat u n a b l eo p t i c a lf i l t e ra n dd e t e c t e db yah i g hs p e e d o p t o e l e c t r o n i c d e t e c t o rt o g e n e r a t e5 8 g h ze l e c t r i c a l m i l l i m e t e r w a v ew h i c hi s d e m o d u l a t e db yc o h e r e n td e m o d u l a t i o nt or e t r i e v ed o w n s t r e a m0 f d mb a s e b a n d s i g n a l s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep o w e rp e n a l t yo ft h ed o w n s t r e a m o f d ms i g n a l st r a n s m i t t e do v e r2 0 k ms m fi sl e s st h a n0 5 d ba tt h eb i te r r o rr a t eo f 10 一a n dw i t h o u td i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n ，a n dt h ec o n s t e l l a t i o nf i g u r e sa r es t i l lc l e a r k e yw o r d s ：r a d i o o v e r - - f i b e r ；w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gp a s s i v eo p t i c a l n e t w o r k ；o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ；h i g hf r e q u e n c y o p t i c a lm i l l i m e t e r w a v e ；w a v e l e n g t hr e u s e i v 硕十学位论文 插图索引 图1 1y uj 教授提出的w d m p o n 与r o f 系统融合网络原理图5 图1 2o f d m w d m p o n 与r o f 系统无缝融合提供三重服务的原理图6 图2 1r o f 系统的基本构成图8 图2 2 将室内光纤结构用于完整的有线和无线通信系统1 0 图2 3 直接强度调制技术原理图l l 图2 4 外部调制技术原理图1 2 图2 5 采用两个独立光源的远程光外差技术原理图1 4 图2 6 利用锁模激光二极管的远程光外差技术的系统结构图1 5 图2 7 早期的o f d m 调制原理图1 7 图2 8 利用d f t 实现o f d m 调制的原理图18 图2 9o f d m 信号的解调方案1 8 图3 1 接入网的功能和定界2 l 图3 2p o n 系统参考结构2 2 图3 3w d m p o n 系统结构图2 3 图4 1 采用副载波调制的w d m p o n 与r o f 系统融合网络原理图2 9 图4 2 采用副载波调制的w d m p o n 与r o f 系统融合网络模拟装置图3 0 图4 3 采用副载波调制的w d m p o n 与r o f 系统融合网络光谱图3 l 图4 4 下行无线链路数据经过不同长度光纤传输后的星座图3 2 图4 5 下行有线链路数据经过不同长度光纤传输后的星座图3 2 图4 6 上行链路信号经过不同长度光纤传输后的眼图3 3 图4 7 基于四倍频调制的w d m p o n 与r o f 系统融合网络原理图3 5 图4 8 基于四倍频调制的w d m p o n 与r o f 系统融合网络模拟装置图3 6 图4 9 基于四倍频调制的w d m p o n 与r o f 系统融合网络光谱图3 6 图4 1 0 抑制奇阶边带的波分复用d s b 信号经不同长度光纤传输后的光谱图3 7 图4 1 l 经不同长度光纤传输后的下行无线链路基带信号的星座图3 8 图4 1 2 经不同长度光纤传输后的下行有线链路基带信号的星座图3 8 图4 1 3 经不同长度光纤传输后的上行链路信号的眼图3 8 图5 1 具有5 8 g h z 光载毫米波的w d m r o f 系统原理图4 1 图5 2 具有5 8 g h z 光载毫米波的w d m r o f 系统实验装置图4 2 图5 3 具有5 8 g h z 光载毫米波的w d m r o f 系统光谱图4 3 图5 4o f d m 信号的误码率曲线图及星座图4 4 v i i 硕卜学位论文 1 1 课题背景与意义 第1 章绪论 在过去的十多年间，无线与有线手段的结合以及宽带网络和信息高速公路的 建设使通信产业经历着一个前所未有的高速发展阶段。近年来，人们对信息服务 的需求逐渐从音频传送扩展到了数据传输和视频播放等占用更高带宽的业务上。 因此对通信网络的传输带宽和容量提出了越来越高的要求。无线通信虽然可以使 人们能够随时随地跟任何人进行通信，但是目前所用的无线频带带宽较窄，还不 能进行大容量的通信，为了提高通信容量，避免信道拥挤和相互干扰，有人提出， 将无线传输层的副载波频率提高至毫米波段【卜8 1 。但是高频信号在大气中的衰减 较大，不能实现长距离的传输。由于光纤具有低传输损耗和巨大的带宽，而且大 量己铺设的光纤未得到充分利用，因此人们开始将目光转向光纤通信与毫米波技 术相结合的r o f 技术 9 - i s 。 r o f 技术最早由英国研究者c o o p e r 在1 9 9 0 年提出【t o ，它是一种将射频r f ( r a d i of r e q u e n c y ) 副载波调制到光载波上实现基于光网络分布的无线通信技术， 是光接入网和无线接入网的契合点。典型的r o f 系统由中心站c s ( c e n t r a l s t a t i o n ) 、基站b s ( b a s es t a t i o n ) 、光纤链路和用户终端四个部分组成。系统在中 心站将数据信号以一定调制方式承载在光信号上产生光载毫米波，通过光纤传输 至基站，在基站通过光电转换变成电毫米波信号，由天线发射给用户终端接收， 通过相干解调得到基带数据信号，完成下行链路的通信。对于上行链路，用户将 数据信号经过射频调制后无线传输至基站天线接收，经过相干解调后得到的基带 数据调制在光载波上传送回中心站。r o f 系统将所有昂贵和复杂的设备都设置在 中心站，基站十分简单，只需要完成光电转换和信号的收发以及放大的工作。r o f 技术集光纤通信和无线通信的优点于一身，极大地扩展了无线接入网的带宽，降 低了网络运营的成本，是满足人们对宽带业务需求的关键技术。 随着信息技术的进步，有线接入网所提供的服务逐渐从基于语音和文本的数 据服务转向交互式的视频多媒体服务。像传统的非对称数字用户环路a d s l ( a s y m m e t r i cd i g i t a l s u b s c r i b e rl i n e ) 和光纤与同轴电缆的混合接入网h f c ( h y b r i df i b e rc o a x ) 对于传输未来高带宽的视频多媒体业务将会心有余而力不 足，而新兴的光纤到户f t t h ( f i b e rt ot h eh o m e ) 能为用户提供更大带宽的便 捷服务，将成为最终的宽带接入技术【l 卜z l 】。光接入网分为无源光网络p o n ( p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 和有源光网络a o n ( a c t i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 叫。 a o n 较为成熟，传输距离远，系统容量大且容易扩展带宽，但由于它包含光有源 w d m p o n 与r o f 系统融合技术研究 器件，且需要配备机房和供电设备，使得网络成本较高【i2 1 。p o n 中所用的器件均 为无源器件，以光纤作为传输介质，可以免疫外界的电磁干扰和雷电影响，无需 供电，维护成本较低，可实现业务的透明传输，系统具有较高的可靠性【l 引。因此， p o n 技术一经问世就成为人们关注的焦点，被认为是解决接入网带宽瓶颈的最佳 方案。 p o n 主要分为时分复用无源光网络t d m p o n ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 和w d m p o n 。现今较为成熟的t d m p o n 存在着传输 带宽受限的问题，而w d m p o n 相对于t d m p o n 来说具有用户独享带宽和安全 性高等特点【i 引，可以透明传输各种协议的业务流，数据分组以波长为标识传送至 不同的光网络单元o n u ( o p t i c a ln e t w o r ku n i t ) ，维护简单，在光链路终端o l t ( o p t i c a l l i n et e r m i n a l ) 与用户之间通过光纤实现点对多点的通信，因此 w d m p o n 成为未来最具潜力的光接入网。 无线通信中的多径时延扩展会导致符号间干扰i s i ( i n t e rs y m b o l i n t e r f e r e n c e ) 。采用多载波传输方案o f d m 技术可以抵抗多径衰落，消除i s i 的不 利影响【2 2 1 ，而且将o f d m 技术应用于在光传输中可以抵抗各种色散如色度色散 ( c d ：c h r o m a t i cd i s p e r s i o n ) 和偏振模色散p m d ( p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n ) 等，其次o f d m 系统中子载波相互正交，其频谱可以相互交叠，因此与传统的单 载波传输技术相比，它的频谱利用率很高【2 2 2 6 1 。o f d m 信号的调制和解调部分采 用数字信号处理算法中的快速傅里叶变换或逆变换f f t i f f t ( f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m a t i o n i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ) 来实现，信号的处理速度快， 计算复杂度低【2 2 2 6 1 。随着数字信号处理技术的飞速发展，o f d m 信号的产生和解 调变得相当简单。因此，o f d m 信号成为未来光接入网中的有效数据格式。 由于下一代接入网希望以一种高效的方式为大量终端用户同时提供多重宽带 服务，这就意味着通信网络将朝着增加容量，降低系统成本，并为多个用户同时 提供有线和无线服务的方向发展。因此本课题将光纤有线网络w d m p o n 与r o f 系统进行无缝融合，采用o f d m 信号传输，克服色散影响，实现对多个o n u 既 提供高频无线接入，又提供光纤有线接入，提高通信的安全性，信号的集中处理 放在中心站，降低基站成本。本课题具有一定的理论意义和实际价值。 i 2 国内外文献综述 近年来，通信用户急剧增长，服务日益多样化，传统的无线通信系统已不能 满足人们日益增长的带宽需求，将无线网络和光网络融合的r o f 技术在这种情况 下应运而生。它充分利用了光纤的巨大带宽并结合了无线通信的高度灵活性，极 大地改善了无线接入网的承载能力，实现了中心站和基站之间更高速率和更大容 量的通信，以满足用户对带宽的需求，是实现无线接入的重要技术之一【9 1 。下一 2 硕 ：学位论文 代接入网中的大量用户希望可以同时享受有线和无线宽带服务，而分离的有线和 无线网络的高成本消耗使两种分布式的网络有必要合成为一个专门的共享式的网 络结构，意味着将r f 信号和基带b b ( b a s e b a n d ) 信号同时调制在一个波长上， 实现混合传输。w d m p o n 与r o f 系统融合网络是以单光源r o f 混合网络的关 键技术为基础的，人们对单光源的r o f 混合网络进行了大量的研究，并提出了一 些方案【ls ” 3 ，下面对各方案进行综述。 2 0 0 1 年，k a m i s a kt 提出利用电吸收调制器e a m ( e l e c t r o a b s o r p t i o n m o d u l a t o r ) 同时调制1 0 g b s 的o o k 基带信号和承载1 5 5 m b s 的差分相移键控 d p s k ( d i f f e r e n t i a lp h a s es h i f tk e y i n g ) 数据的6 0 g h zr f 信号在同一波长上1 2 7 】。 经4 0 k m 色散位移光纤d s f ( d i s p e r s i o n s h i f t e df i b e r ) 传输后仍能保持1 0 母的误 码率。缺点在于一方面e a m 的非线性特性会引起r f 和b b 信号的衰减，另一方 面大多数已安装的光纤并不是d s f ，此方案不具有实用性。2 0 0 6 年，l i nct 以 单电极的马赫曾德尔调制器m z m ( m a c h z e h n d e rm o d u l a t o r ) 采用副载波调制进 行光载波抑制o c s ( o p t i c a lc a r r i e rs u p p r e s s i o n ) ，在基站同时产生b b 信号和r f 信号【2 引。在传输了7 5 k ms m f 后，b b 信号和r f 信号的功率代价均低于0 3 d b 。 此系统简单，只需要一个单臂m z m 来产生光载毫米波，但是产生的毫米波频率 仅为1 0 g h z ，而且信号速率也相对较低。2 0 0 7 年，l i nct 又提出采用由三个单 臂调制器集成的外调制器在一个波长上同时产生和传输b b 信号和r f 信号【2 引。 混合信号在s m f 中传输不会受到由光纤色散引起的周期性衰减效应。传输5 0 k m 后的r f 和b b 信号的功率代价小于0 2 d b 。但是集成外调制器属于成本高而且结 构复杂的器件，要求非常精确的偏置控制，因此使得系统造价较高。同年，j i az 采用一个双臂的铌酸锂( l i n b 0 3 ) 强度调制器i m ( i n t e n s i t ym o d u l a t o r ) 同时产 生有线和无线信号【3 们。承载无线链路基带信号的4 0 6 0 g h z 的光载毫米波通过副 载波调制产生，1 0 g b s 的b b 信号通过常规的强度调制加载在原始的光载波上。 两种信号经2 0 k ms m f 传输后，功率损耗均小于1 5 d b ，整个系统简单、可靠且 灵活性强。另外，j i az 还将有线、无线服务应用于标准清晰度电视信号的传输【l 引。 将从数字多功能光盘d v d ( d i g i t a lv e r s a t i l ed i s c ) 播放器输出的模拟视频信号转 化为速率为2 7 0 m b s 的数字串行接1 2 1s d i ( s e r i a ld i g i t a li n t e r f a c e ) 信号作为m z m 的驱动信号，再通过o c s 产生光载毫米波。在b s 可接收到清晰、稳定的无线和 有线视频信号。前面提出的单光源r o f 混合网络虽然提供了下行有线和无线服 务，但并未涉及上行链路的传输。2 0 0 8 年，p iy 提出并模拟了一种使用集成的外 调制器实现同时传输有线和无线信号并远程传送电本地振荡l o ( l o c a lo s c i l l a t o r ) 信号至基站进行上行传输的r o f 混合网络结构【3 1 1 。经5 0 k ms m f 传输后，无线 链路数据的眼图较好，有线和上行链路数据的眼图非常清晰。 随着各种高质量宽带新业务需求的不断出现，每个家庭的带宽需求将会进一 w d m p o n 与r o f 系统融合技术研究 步扩展到1 0 0 m b s 3 2 】。采用t d m 方式的以太网无源光网络e p o n ( e t h e r n e tp a s s i v e o p t i c a ln e t w o r k ) 和吉比特无源光网络g p o n ( g i g a b i tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 将无法满足业务的长期需求，p o n 接入系统将最终演进至w d m p o n ，它以波长 为标识进行多路传输，并且各用户可以独享带宽。w d m p o n 作为宽带接入网在 国外已经开始大量应用，这方面表现突出的韩国的最大运营商k t 与一家新兴器 件公司n o v e r a 合作于2 0 0 5 年最先开始进行5 0 0 0 0 户、16 波的w d m p o n 实验 3 2 】。 由于w d m 和密集型波分复用d w d m ( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术在骨干网及城域网中得到广泛的应用，促进w d m 器件成熟，造成其价格下 降，因此，w d m p o n 将成为最终的宽带光纤有线接入网【32 1 ，研究者们也对其进 行了探究。 2 0 0 7 年，y uj 教授提出一种新颖的w d m p o n 结构，成功实现了为各信道 提供下行2 5 g b s 视频信号和1 0 g b sd p s k 信号以及上行1 0 g b so o k 信号的三 重服务，而且在o n u 不需要额外的光源【l7 1 。不足之处在于i l 和调制器使用较多， 增加了系统的复杂度。2 0 0 8 年，h u a n gmf 通过改进后提出仅使用一个强度调制 器实现三重服务的w d m p o n 结构【l 引。此方案减少了所用光器件的数量，功率代 价和系统稳定性均有所改善，但是在波长重用时上下行链路信号可能会相互干扰。 这两种方案的数据均采用o o k 信号，它在传输时会受到色散影响，限制了光纤 传输距离。把在无线环境中抵抗多径效应和窄带干扰的o f d m 信号应用于 w d m p o n 中传输可以减轻色散对系统性能的影响，延长光纤传输距离，为此学 者们也做了不少研究。y uj 教授提出一种o f d m w d m p o n 系统。在o l t 采用 i m 进行副载波调制，传输至每个o n u 将信号分成两路，一路通过残留边带v s b ( v e s t i g i a ls i d e b a n d ) 滤波产生单边带s s b ( s i n g l es i d e b a n d ) 信号后直接检测接 收，另一路重新调制2 5 g b s 的上行o o k 信号。经2 5 k ms m f 传输后的上下行信 号的功率损耗可忽略不计【25 1 。文献 3 3 】提出的改进方案将i m 替换成相位调制器 p m ( p h a s em o d u l a t o r ) ，采用p m 无需直流偏置，降低了系统成本。 前面综述的单光源r o f 混合网络虽然可以满足用户的大带宽和高速率的有 线和无线接入要求，但由于仅是将r f 和b b 信号调制在一个波长上进行单路传 输，不能支持大量用户群。文献 1 7 ，1 9 ，2 5 ，3 3 中提出的w d m p o n 系统与单光源 r o f 混合网络相比，虽然可以实现多路传输，但仅是有线接入。把光纤有线网络 w d m p o n 与为用户提供无线接入服务的r o f 系统融合，实现多路宽带有线和无 线传输，并简化基站配置，可以在一定程度上满足日益增加的用户对多重宽带服 务的迫切需求。接下来对w d m p o n 与r o f 系统融合网络的相关研究进展进行 综述。 在文献 3 4 】中，y uj 教授提出一种基于副载波调制的w d m p o n 与r o f 系统 融合的方案，其原理如图1 1 所示。此系统提供了各信道2 5 g b s 的对称数据传输， 4 硕士学位论文 经2 0 k ms m f 传输后，上下行链路各信道o o k 信号的功率损耗均小于1 d b ，而 且两者融合时不需要改变o l t 的结构，上下行数据分别调制在不同波长的光边带 上传输，互相不会产生干扰。 图1 1y uj 教授提出的w d m p o n 与r o f 系统融合网络原理图【3 4 1 在文献 3 5 中，d o n gz 对y uj 教授的方案进行改进，提出一种具有低成本 o l t 的w d m p o n 与r o f 系统融合网络结构。采用一个单臂i m 进行副载波调制 抑制奇数阶边带，通过布拉格光纤光栅f b g ( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 反射中心载波 作为上行链路光源，高阶边带信号功率较低可忽略不计，得到的二阶边带信号为 光载毫米波，其边带频差为r f 信号频率的4 倍，它进行光电检测后分别用于无 线发射和有线接入。经过2 0 k i ns m f 传输后，无线与上行链路o o k 信号的功率 代价均小于l d b ，有线链路o o k 信号的功率代价小于0 5 d b 。该方案不仅简化了 基站，还降低了系统的调制带宽。2 0 0 9 年，c h e nl 教授采用集成的外部调制器将 o f d m w d m p o n 与r o f 系统进行无缝融合【36 1 ，其原理如图1 2 所示。下行分 别传输1 0 g b s 的有线o f d m 信号和2 5 g b s 的无线o o k 信号。有线信号一部分 直接检测，另一部分重新调制2 。5 g b s 的上行o o k 信号，基站无需设置额外光源。 文献 3 4 - - 3 6 】中提出的w d m p o n 与r o f 系统融合网络中产生的是4 0 g h z 的光载毫米波。面对现有通信网由语音业务向数据、视频等新型宽带业务发展， 提高毫米波频率和增大可用带宽成为未来通信发展的大势所趋。在融合网络中产 生6 0 g h z 频段的毫米波相对于传统的4 0 g h z 频段及以下的毫米波具有的优势在 于它频带更宽，可以支持更多大带宽的多媒体业务。大气中的氧气和雨雾对6 0 g h z 频段的高频信号衰耗非常大，因此该频段的毫米波在空气中传输距离有限，信号 覆盖范围小，容易形成微蜂窝，不相邻的小区重复使用同一频率的距离减小，使 得频谱利用率很高【s j 。而且6 0 g h z 毫米波频段属于5 9 g h z - - 一6 6 g h z 的工业、科学 和医学i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ) 开放频段，在信号发送功率不超过1 0 m w 的前提下，无需申请无线电执照，因此处于该频段的r o f 系统灵活性较大【8 】。由 于受到色散影响，高频光载毫米波信号的传输距离大大受限。被誉为第四代移动 5 w d m p o n 与r o f 系统融合技术研究 通信系统核心技术的o f d m 可以采用商业化的f f t i f f t 芯片实现调制和解调， 有效地按需分配带宽，提高射频频谱利用率，抗多径衰落和窄带干扰特性明显， 最重要的是将o f d m 信号用于光通信系统可在一定程度上可以抵抗各种色散的 影响【2 2 2 4 】。因此，o f d m 技术成为高速宽带无线通信的优选方案。文献 2 5 ，3 3 ，3 6 】 中提出的方案虽然采用了o f d m 信号，但仅仅是下行有线链路信号的传输。所以 希望可以将o f d m 信号应用于高频光载毫米波传输。文献 3 6 】中提出w d m - p o n 与r o f 系统融合网络虽然实现了多路有线和无线传输，但采用了集成外部调制 器，使得系统成本较高，一般条件下较难实现，而融合网络在提供多重服务的同 时，系统结构的简化也是非常重要的。 图1 2o f d m w d m p o n 与r o f 系统无缝融合提供三重服务的原理图p 刨 综上考虑，本课题将重点研究以简单的系统配置在w d m p o n 与r o f 系统 融合网络中产生6 0 g h z 光载毫米波，以o f d m 信号作为高频毫米波的基带信号， 为大量用户同时提供有线和无线服务，实现长距离光纤传输，并在基站实现波长 重用。 1 3 论文内容及框架 本文的研究工作是国家高科技研究发展计划8 6 3 计划项目和湖南省自然科 学基金以及教育部光通信和光波技术重点实验室( 北京邮电大学) 开放基金资助 课题。本论文将首先介绍r o f 技术、o f d m 技术和w d m p o n 的基本理论，其 次重点提出两种w d m p o n 与高频r o f 系统融合网络的方案，为大量用户同时 提供有线和无线服务，并采用波长重用技术实现上行链路传输，最后通过实验研 究一种承载o f d m 信号的高频w d m r o f 系统。每一章节的具体安排如下： 第一章为绪论，概述了本课题的研究背景与意义，根据近几年国内外重要的 6 硕l ：学位论文 学术会议和期刊论文的报道，简要分析了近年来国内外研究者所提出的单光源 r o f 混合接入网以及w d m p o n 系统的不同方案，详细介绍了w d m p o n 与r o f 系统融合技术的国内外相关研究进展，最后阐述了文章的结构安排。 第二章为o f d m r o f 技术原理，主要介绍了r o f 的原理和关键技术以及 o f d m 技术的基本原理和优势，其中r o f 技术的原理包括基本结构、特点和应用， 并分别从光载毫米波的产生和基站简化两方面阐述了r o f 的关键技术。 第三章主要介绍光纤有线网络原理，首先从接入网的相关理论引出现今备受 关注的光接入网，接着描述了光接入网中的p o n 的原理、结构和优势，重点讨论 了w d m p o n 的基本原理、关键技术以及优点。 第四章为全文重点，针对课题研究，首先提出一种基于副载波调制的 w d m p o n 与6 0 g h zr o f 系统融合网络方案，采用o f d m 信号作为下行链路基 带信号，通过系统模拟证实了其可行性。接着在此基础上进行优化，分析并模拟 验证了一种实现四倍频调制产生6 0 g h z 光载毫米波的融合网络。 第五章提出了一种新颖的5 8 g h z 光载毫米波w d m r o f 系统方案，并通过 实验验证了该方案的可行性和优越性，为w d m p o n 与6 0 g h zr o f 系统融合网 络的实验研究奠定了坚实的基础。 最后，给出了本论文的结论，包括研究成果的总结和今后的研究工作展望。 7 w d m p o n 与r o f 系统融合技术研究 第2 章o f d m r o f 技术原理 2 1r o f 技术原理 2 1 1r o f 系统的基本结构 r o f 系统的研究始于二十世纪八十年代末和九十年代初，它是利用光纤代替 大气作为传输媒质将宽带射频信号从c s 传送至b s 或无线接入点【37 1 ，系统的基 本构成如图2 1 所示。该系统由中心站、基站、光纤链路和用户终端四部分组成。 中心站至基站的传输方向称为下行光纤链路，反之称为上行光纤链路。对于下行 链路，中心站将调制产生的光载毫