（通信与信息系统专业论文）智能交通系统中rof技术的应用研究.pdf

， ，j- ， 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 ：智能交通系统中r o f 技术的应用 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。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。 学位论文作者签名：期：塑! ! 皇：堡 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： 马基至墨 日 期：兰剑! ：i ：旦 1 1 夕 譬 1 华北电力大学硕士学位论文 摘要 智能交通系统是解决我国当今交通阻塞，减少交通事故，保障交通高速运行的 重要手段。光纤无线( r o f ) 通信技术是一种超宽带无线接入技术，非常适合应用于智 能交通系统( i t s ) 。 本文主要研究毫米波段的r o f 技术在i t s 中的应用。首先详细分析了基带、中 频和射频r o f 系统的硬件配置，并利用o p t i s y s t e m 光通信设计软件对其传输性能进 行了比较；然后对i t s 中r o f 的基站布局进行了优化，目的是通过选取恰当的基站 间距使系统的覆盖率最大；最后为了避免频繁切换，同频干扰以及多普勒频移等的 影响，本文将码分复用( c d m ) 技术应用于该系统，并利用o p t i s y s t e m 和m a t l a b 混合编程以验证c d m 技术的应用可行性。论文的研究结果对r o f 技术在i t s 中的 实际应用提供了理论参考。 关键词：光纤无线，智能交通系统，毫米波，码分复用 a b s t r a c t i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mi s a ni m p o r t a n tm e a n st os o l v et h et r a f f i cj a m ， r e d u c et h en u m b e ro ft r a f f i ca c c i d e n t s ，a n de n s u r et h et r a f f i co p e r a t i o ni nh i g h s p e e d t o d a yi nc h i n a r a d i o - o v e r - f i b e r ( r o f ) c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi s ak i n do f b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g y ，v e r ys u i t a b l ef o rt h ei n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m ( i t s ) t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h ea p p l i c a t i o no fm i l l i m e t e r - w a v er o fi ni t s f i r s t ，w e a n a l y z et h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o no fb a s e b a n d 、i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ya n dr a d i o f r e q u e n c yr o fi nd e t a i l e d ，a n dc o m p a r et h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eb yu s i n gt h e o p t i s y s t e mo p t i c a ld e s i g ns o f t w a r e ；t h e nw eo p t i m i z et h el a y o u to fr o fb a s es t a t i o ni n i t si no r d e rt oo b t a i nt h eb i g g e s tc o v e r a g eb yc h o o s i n gt h ep r o p e rs p a c eb e t w e e n s t a t i o n s ；f i n a l l y ，w et a k ec o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( c d m ) t e c h n o l o g yi n t oi t si no r d e r t oa v o i dt h ee f f e c t so ff r e q u e n ts w i t c h i n g ，t h es a m ef r e q u e n c yi n t e r f e r e n c ea n dd o p p l e r f r e q u e n c ys h i re t c ，a n dv e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo f t h i st e c h n o l o g yb yu s i n go p t i s y s t e ma n d m a t l a bm i x i n gp r o g r a m m i n g t h er e s e a r c hr e s u l to ft h i sp a p e rp r o v i d e sat h e o r e t i c a l r e f e r e n c et or o fa p p l i c a t i o ni ni t s j iy u n s h u a i ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f m ay o n g h o n g k e yw o r d s ：r a d i o - o v e r - f i b e r , i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a h o ns y s t e m s ， m i l l i m e t e r w a v e ，c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 华北电力大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i 第一章引言1 1 1 选题背景及意义1 1 2 国内外研究现状3 1 3 本文的主要研究内容5 第二章系统结构比较6 2 1r o f 技术原理和特点6 2 1 1r o f 技术原理6 2 1 2 毫米波r o f 技术特点7 2 2 系统结构7 2 2 1 基带光纤传输8 2 2 2 中频光纤传输8 2 2 3 射频光纤传输9 2 3 三种传输方案的比较9 2 4 小结1 5 第三章i t s 布局分析1 7 3 1i t s 模型1 7 3 2i t s 基站布局分析1 8 3 2 1 理论分析1 8 3 2 2 结果分析2 0 3 3i t s 传输系统网络拓扑结构2 l 3 3 1 链状结构2 1 3 3 2 星形结构2 2 3 3 3 接力结构2 2 3 4i t s 拓扑结构应用分析2 3 3 5 小结2 3 第四章码分复用传输方案2 4 4 1 引言2 5 4 2c d m 基本原理2 6 4 2 1 扩频通信简介2 6 4 2 2 直接序列扩频方式2 7 4 2 3m 序列2 8 4 3 基于c d m 的系统仿真3 0 4 3 1 系统仿真模型3 0 华北电力大学硕士学位论文 4 3 2 系统仿真结果及分析3 2 4 4 小结3 9 第五章总结和展望4 0 5 1 论文工作总结4 0 5 2 下阶段的工作4 l 参考文献4 2 致谢4 5 在校期间发表的学术论文和参加科研情况4 6 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章引言 改革开放3 0 年来，我国经济突飞猛进的发展。城市化和汽车化建设步伐加大， 公路，铁路以及城市交通基础设施的建设也取得了长远的进展。在保障国民经济持 续，稳定，高速发展的机能上，交通运输发挥着越来越大的作用。一方面，交通运 输总需求量将呈现长期不断增长的态势，对安全，便捷，舒适的驾驶环境要求也越 来越高，与此同时伴随而来的道路堵塞，车辆拥挤，停车难等交通问题也日益明显， 由此带来的交通事故，空气污染，能源浪费等问题逐渐成为制约经济发展的瓶颈。 根据资料显示，我国许多大中城市的平均行车速度只有2 0 k m h 左右，有些路段只能 接近l o k m h ，如此低的行车速度，不仅造成乘车人时间上的浪费，降低了工作效率， 同时增加了汽车的尾气排放，对城市环境造成近一步恶化。交通问题也造成了巨大 的经济财产损失，据相关文献显示，美国每年由于交通阻塞而造成的损失近4 1 0 亿 美元，日本东京每年由此的损失更是高达1 0 0 0 多亿美元，欧洲由于交通拥挤，交通 事故以及环境污染造成的财产损失分别为5 0 5 0 0 0 和5 0 5 0 0 亿欧元【n 。 目前我国的城市化水平已接近5 0 ，机动车的总拥有量高达1 3 亿。而我国现有 交通的特点是混合交通，大多数城市路网架构不合理，道路功能不健全，道路系统 不完善。近几十年来，我国道路交通基础设施及管理设施都有较大的改善，但是跟 不上机动车每年近1 0 的增长速度，加之交通管理水平不高，缺乏管理经验，使得 我国的交通管理显得力不从心。各大中城市现有建立的交通管理中心，大多数只能 实现拍照等监视功能，远没有发挥疏通，控制协调交通的作用。 从一般意义上来说，解决交通拥挤，提高交通运输速度最直接的办法是加快道 路交通设施的建设，扩宽公路，提高路网的承载能力，但我国公路建设面临着空间， 资金，能源等多方面的压力，单纯的建设公路很难从根本上解决行路难的问题。在 现有交通基础设施的基础上，把车辆和道路综合考虑，运用各种现有高新技术发展 智能交通系统( i t s ：i n t o l l i g c n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 管理交通运输，实现管理设施现 代化，管理方式网络化，管理手段智能化，信息化，从而提高现有交通设施的利用 率，加快车辆的行驶速度。在现有资金条件下，提高路网的通行能力，从而缓解道 路拥挤，避免交通事故，降低车辆排污对大气环境的污染，为乘客提供一个高速， 便捷，舒适的出行环境。 i t s 是将先进的计算机控制技术、信息处理技术、数据传输技术及电子控制技 术等有效运用于整个交通管理体系，通过对交通信息的实时采集、传输和处理，利 华北电力大学硕十学位论文 用各种高科技手段和设备，对各种交通情况进行协调和处理，使人，车，路密切配 合，和谐统一，建立起一种实时、准确、高效的综合运输管理体系。i t s 将充分利 用现有交通设施，减少交通负荷，保障交通安全，提高运输速度，促进经济发展。 i t s 可以分为路车通信( r v c ：r o a d v e h i c l ec o m m u n i c a t i o n ) 系统和车车通信 ( i v c ：i n e r - v e h i c l ec o m m u n i c a t i o n ) 系统，包括出行和交通管理系统、出行需求管理系 统、公共交通运营系统、商用车辆运营系统、电子收费系统、应急管理系统、先进 的车辆控制和安全系统等七大领域 2 1 ，其中信息管理中心是核心。本文所涉及的范 围是车辆管理系统，即道路信息及时准确的发布，监控车辆，以及无线网络高速多 媒体服务，包括声音，数据，实时图像以及影视等信息在路车间顺利传输，保障终 端用户随时随地接入互联网。 在车辆高速移动的条件下，满足上述多媒体服务要求，需要每秒钟数十兆比特 的传输速度。如今，移动通信先后经历了第一代和第二代，完成了从模拟通信向数 字通信的转变，目前正向第三代( 3 g ) 移动通信技术迈进，然而其实际的传输速率只 有2 m b s 左右，远远无法满足i t s 中多媒体信息传输的要求。要提高无线传输速率， 必须提高传输的带宽，才能从根本上提高传输速率，满足多业务高速数据的传输， 同时保障终端用户便捷，随时随地接入。 要提高无线通信系统传输带宽，提高载波工作频段是一个有效的方法。一方面， 低载波频率只能提供较小的带宽，以第二代移动通信系统g s m 为例，工作 9 0 0 - 1 8 0 0 m h z ，带宽只有2 0 0 k h z ；另一方面，现有低频段的频率资源几乎全部占用 了。由表1 1 可以看出，我国目前无线电资源主要利用3 g h z 以下，而对3 0 g h z 以上 的频段几乎没有被利用【3 】【4 l 。 表1 - 1 无线频率资源分配情况 业务占用频带业务名称占用频带业务名称占用频段 名称 无线接 2 4 g i - i z 固定无线 3 5 g h z 本地多点业 2 6 g h z 入网 计入系统务分配系统 移动通5 1 5 5 3 5 g固定无线5 2 5 5 3 5 g h z中国移动9 0 0 18 0 0 m h z 信无线 h z 接入系统g s m 电业务 5 4 7 5 7 1g h z 微波接 2 4 g h z ，3 5 卫星移动 1 9 8 2 0 l g h z 多路微波有 2 5 3 5 2 5 9 9 g h z 入系统 g i - i z ，5 8 g h z通信系统 2 1 7 0 2 2 g h z 线电视传输 2 华北电力大学硕士学位论文 要提高载波的频率就要开发新的频段，目前对于2 0 g h z 和6 0 g h z 频段的两个大 气传输高损耗窗口，如图1 1 所示l ，几乎还无人问津。这一频段的无线电波就是所 谓的毫米波，即波长在l m m 1 0 m m 之间的电磁波。该波段具有非常高的带宽，通常 认为其频率范围为3 0 g h z 一3 0 0 g h z ，带宽高达2 7 0 g h z ，如果能利用这一频段窗口进 行通信，便可以实现超宽带的无线接入。但是该频段受环境因素的影响大，由于大 气吸收和反射引起的损耗严重，在大气中衰减迅速，传输距离较短。 博 鬟 颓事【g i h ) 图t 1不同频率的电磁波在大气中的损耗特性【5 l 基于以上原因，本文提出将基于毫米波的r o f ( r a d i oo v e r f i b e r ) 技术应用于智能 交通系统中。该技术结合光纤传输和高频无线电波的特点，作为支撑网络系统应用 至f j i t s 中，具有以下优点：( 1 ) 频率复用率高；( 2 ) 传输带宽大；( 3 ) 系统配置简 单；( 4 ) 系统资源统一调配等。可以实现大容量，低成本的毫米波信号有线传输和 超宽带无线接入，满足i t s 中高速信息传输的要求。 1 2 国内外研究现状 为了避免交通拥挤，减少交通事故，改善出行环境，目前世界各国都先后投入 大量的资金和人员积极的进行i t s 的研究，其已经成为高新技术应用最集中的领域 之一。其中，美国，日本和欧洲的研究处于世界领先位置，关键技术有了长足的进 展，并已在一些重点发展领域取得了实际的应用。 日本的i t s 发展始于上世纪7 0 年代，是对i t s 进行研究最早的国家。在发展 i t s 的过程中，日本采取主动式诱导管理，于1 9 9 4 年1 月成立了道路交通车辆 智能化推进协会( v e r t i s ) ，目的是促进日本在i t s 领域中技术产品的研发和推广。 日本也相继完成了路车间通信系统( r a c s ) ，交通信息通信系统( t i c s ) ，宽区域旅行 信息系统，安全车辆系统以及新交通系统等方面的研究 3 1 ，其中新交通系统是日本 3 华北电力大学硕士学位论文 实现智能交通的关键之一。1 9 9 6 年4 月正式启动道路交通信息通信系统( v i c s ) ，是 i t s 的重要组成部分，目前在日本本土几十个地区可以提供y i c s 服务作为一个 i t s 发展快速的国家，信息技术和道路交通的结合正在使日本普通的路面向“智能 公路一转变，今后的发展目标是到2 0 1 5 年将道路交通事故减少5 0 ，并有效缓解交 通拥挤。 美国i t s 的研究起步较晚，但是起点较高。本世纪初，美国交通部和美国i t s 协会就联合编制了今后1 0 年的i t s 发展规划。美国根据本国交通的特点和实际需 求，已建立起相对完善的车队管理，电子收费，公交出行信息和交通需求管理四大 系统以及多个子系统的技术标准( e l 。在视频车辆检测领域，美国著名的i s s 和p e e k t r a f f i cs y s t e mi n c 两家公司的a u t o s c o p e 系列和v i d e ot r a c k 系列都是i t s 领 域比较成熟的产品。 欧洲在i t s 发展方面，介于日本和美国之间。2 0 0 0 年欧共体推出了e e u r o p e 的计划，旨在投入更多人力物力推进i t s 在欧洲的进程。目前欧洲在i t s 方面主要 在进行交通通信、移动通信平台、交通信息服务等方面的开发和应用，将利用这些 系统提供应急呼叫、远程诊断( 指对汽车故障) 、导航、交通信息、旅游信息预订、 道路收费、货运车队管理以及针对步行者的定位、找路和实时信息服务等，主要发 展趋势可以归纳为提供无缝隙服务，集成车内和个人通信系统，长时间在线接入服 务，标准化等【7 1 。 我国i t s 的发展较晚，但随着全国经济的增长和全球i t s 研究的兴起，我国政 府对i t s 建设的重视程度越来越高，加大了对i t s 研究的进程。近几年我国i t s 的 发展进入了成长期。据资料显示，我国每年i t s 建设投资的增长速度超过了2 0 【引。 与发达国家相比，我国i t s 发展存在很大差距，具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 整体规模和水平不高 我国大多数城市设立了交通控制中心，但只是在重要的路段，没有形成网络互 连，不具有统一协调的功能，整体规模不高，而且大部分只是实现了监视功能，没 有发挥应有的交通指挥调度功能，交通诱导功能也非常低下。同时，我国智能交通 产业化程度较低，国内智能交通设备技术不统一，不达标，尚未形成具有一定规模 的产业集群。此外，政府与企业间沟通不够，企业缺乏对智能交通产业发展前景的 认识，有实力大型企业并未涉足其中，致使i t s 尚未形成i t 业的重要产业【们。 ( 2 ) 建设缺乏统一规划 在我国，一路一公司的管理体制比较普遍。在最初建设初期，很多地区缺乏统 一规划，各个部门协调性不够，信息沟通不及时，致使各个公路管理公司各自引进 互不兼容的设备，在设备联网和扩展时，需进行大量的技术协调工作，不利于系统 推广应用，给系统后续升级设置了很大障碍。 ( 3 ) 缺乏自主研发能力，创新不够 4 华北电力大学硕士学位论文 我国许多大城市的i t s 设备和技术都是从国外引进的，设备陈旧，技术落后。 例如从欧洲和日本引进的r d st m c 等系统【6 】，在当地已经逐渐处于淘汰的边缘。由 于缺乏相关的技术人才以及有力的资金投入，我国对i t s 的研究，大多是对引进设 备的改进，缺乏自主研发创新的能力，技术没有突破性进展，没有自己的品牌，产 权受制于人。 目前日本和欧洲的i t s 使用r d s ( r a d i od a t as y s t e m ) t m c ( t r a m cm e s s a g e c h a n n e l ) 系统作为信息发布手段【6 l ，但由于r d st m c 是单向低速的传输系统，已经 无法满足i t s 中速率日益增长的需要。当今，日本作为i t s 发展成熟的国家，为了 满足i t s 的需要，正在开发r o f 技术在i t s 中的应用，松下公司着手开发3 6 g h z 的r o f r v c 接入系统。我国交通高速发展，发达国家今天所遇到的问题今后也会 在我国发生，一味的引进别人的技术，只会走发达国家的老路，只有打破这种机制， 自主创新，研发更新的技术，实现我国i t s 跳跃式发展。 1 3 本文的主要研究内容 针对当前我国i t s 中支撑网络水平低下，技术落后，车辆与交通管理中心之间 缺乏有效的通信手段以及通信资源统一调度性差等缺点，本文在介绍r o f 技术原理 的基础上，设计了一个i t s 模型，研究r o f 技术在i t s 中的应用。 本文主要完成以下工作： ( 1 ) 在r o f 技术原理的基础上，设计了一个i t s 模型。根据光纤中传输信号 频率的不同，详细分析了基带、中频和射频r o f 系统的硬件配置，并利用o p t i c s y s t e m 光通信设计仿真软件对其各自的传输性能进行了比较。 ( 2 ) 根据毫米波传输易受环境因素影响等特点，通过理论分析，对i t s 中r o f 的基站布局进行了优化，目的是通过选取恰当的基站间距提高系统覆盖率且投资较 小；同时简要的介绍了三种不同的网络拓扑结构。 ( 3 ) 为了避免车辆在小区间频繁切换，同频干扰，以及车辆高速行驶的条件 下多普勒频移对系统的影响，本文采用码分复用( c d m ) 技术应用于该系统。并利用 o p t i s y s t e m 和m a t l a b 软件混合编程验证c d m 技术的应用可行性。 最后对本文工作做了总结，对该技术在i t s 中的应用做了进一步的展望，明确 下一步的工作。 5 华北电力大学硕士学位论文 2 1r o f 技术原理和特点 第二章系统结构比较 光纤无线通信技术( r o f ) 融合了无线传输和光纤传输两大常规通信技术，结合二 者的优点，即无线传输的灵活性和易接入性以及光纤传输的高带宽特性。因此，该 技术可以满足人们日益对信息传输便携性和高速度多业务接入的需求，对此技术的 应用已成为通信届研究的热点。 2 1 1r o f 技术原理 r o f 技术就是利用光纤代替大气作为传输媒介来传输微波毫米波信号的一种 通信结构，其系统结构图如图2 - l 所示洲。由图可知，该结构主要包含中心站( c s ) ， 基站( b s ) ，光纤链路和用户终端四个部分，多个基站通过光纤与一个相同的中心站相 连接，中心站与互联网连接。此外，由图还可以看出，r o f 不仅可以为移动用户提 供服务，也可以为固定区域( 如商场，学校等) 提供宽带接入。 图2 1r o f 系统结构图 r o f 系统的实现策略是；对于下行链路，用户数据首先在中心站进行调制和电 光转换，然后将变换后的光信号通过光纤传输到远端基站，再在远端基站进行解调 和光电转换为无线信号，最后通过天线传输到用户端；对于上行链路，用户发送的 信息通过天线接收，在远端基站处实现电光转换，将无线信号转换成光信号在光纤 6 华北电力大学硕士学位论文 中传往中心站，中心站再进行相应的光电转化和解调。其中，数据管理，资源分配， 信号交换，控制，路由等功能全部在中心站实现。基站只具有光电转化，滤波，放 大以及无线信号发射与接收功能，光链路仅起到信号透明传输的作用。 2 1 2 毫米波r o f 技术特点 由上文中对r o f 技术原理的叙述可以看出，该技术结合了光纤通信和高频无线 通信的优点。现总结毫米波r o f 技术的特点如下： 第一，带宽高。毫米波r o f 所采用的载波为毫米波，频率约在3 0 3 0 0 g h z 范围 内【9 l ，提供的带宽高，可以传送高速的语音和视频等多媒体信息。 第二，损耗低，抗干扰性好。在自由空间里，微波信号随着频率的升高，其吸 收和反射引入的损耗也逐渐增大【1 2 1 。而光纤具有低损耗特性，目前商用的单模光纤 在1 5 5 0 n m 和1 3 1 0 n m 窗口的传输损耗分别低于0 2 d b k m 和0 5 d b k m 。最新种类的塑料 光纤在5 0 0 1 3 0 0 n m 范围的衰减大概是1 0 4 0 d b k m t l 2 - 1 3 1 ，这些都远低于同轴电缆的传 输损耗。所以r o f 技术采用光纤作为微波信号的传输媒介，避免了使用同轴电缆时 高昂的再生设备，在低功率的情况下传输更远的距离，降低了系统的成本。此外， 对于无线通信，光纤很强的抗电磁干扰性能也是一个不容忽视的作用。微波毫米波 采用光的形式在光纤中传输，不受无线频率的干扰，也不产生辐射。所以，光纤的 低损耗特性和抗干扰性能大大延长了微波毫米波的传输距离，降低了系统成本。 第三，便于安装，易于维护。在r o f 系统中，复杂而昂贵的设备都安装在中心 站，基站结构简单，多个远端基站共享中心站的设备。这样的结构大大降低系统的 投入，使得系统便于安装和拆卸，维护方便，升级迅速。这一点对微波毫米波r o f 技术的实际应用起到了很大的促进作用。 第四，实现统一的资源管理。在r o f 系统中，信号的调制，路由，频带等具体的功 能都集中在中心站完成，光纤只提供信号的透明传输，基站功能简单。这种结构使得r o f 系统很容易实现统一的资源管理，根据实际通信需求，动态分配带宽。比如，像机场， 大商场等人口量变化大的区域，当人口众多的时候，比如旅游旺季和消费高峰，可以分 配更多的带宽，满足人们通信需求；当人口量少的时候，满足实际需求的情况下，减少 带宽分配。这样随着业务需求配置带宽就避免了永久性配置容量造成资源浪费的问题， 因为永久性配置容量不会根据实际而改变，很容易造成一方因带宽不足而造成的掉线频 繁等现象，另一方又带宽盈余的情况。 2 2 系统结构 根据光纤中传输信号频率的不同，可以将系统结构分为三类，即基带光纤传输， 中频光纤传输和射频光纤传输 9 - 1 0 。 7 华北电力大学硕士学位论文 2 2 1 基带光纤传输 基带光纤传输是指光纤中传输的是基带信号，其系统结构如图2 3 所示。图 中所示包含上下行信息传输方案。 c s b s 囤 i i d a t a r 1弋伊 棚鬻。 l d 一凹 仁? 擤 o d a t a f j r - i 图2 2 基带光纤传输系统 对于下行链路来说：首先，在中心站( c s ) 通过光调制器( o m ) ，基带信号直接被 调制为光信号，再通过光纤传输到基站( b s ) 。基站再通过光电转化( o e ) - 器r 件使其变 为电信号，然后进行两次上变频至毫米波段，最后通过天线传输到用户端。 上行链路传输是下行链路的相反过程。用户信息首先通过天线接收，在基站中 经过两次下变频，再通过光调制器转化为光信号通过光纤传输到中心站，然后在中 心站通过光电转化器得到最终的基带信号。 2 2 2 中频光纤传输 中频光纤传输是指光纤中传输的是中频信号，即基带信号经调制上变频到中频 以后的信号，其系统结构图如2 3 所示。图中所示包含上下行信息传输方案。 对于下行链路来说：首先，在中心站基带信号被调制到中频上，即比毫米波段 频率低的频段上，然后通过光调制器中频信号被调制为光信号，再通过光纤传输到 基站。在基站通过光电转化器件使其变为中频信号，然后进行一次上变频至毫米波 段，最后通过天线传输到用户端。 上行链路传输是下行链路的相反过程。用户信息首先通过天线接收，在基站中 经过一次下变频为中频信号，通过光调制器转化为光信号通过光纤传输到中心站， 然后通过光电转化器和下变频得到基带信号。 8 华北电力大学硕士学位论文 c sb s i n h 玎嘣 羹 趁卜 譬sirf人 0 i l i 盯c s d a t a y d a t a 协怎瑁删 2 2 3 射频光纤传输 图2 3 中频光纤传输系统 射频光纤传输是指光纤中传输的是射频信号，即基带信号调制到毫米波段以后 的信号，其系统结构图如2 4 所示。图中所示包含上下行信息传输方案。 c s b s li n t e r n e t 强芝 弋争- 囡卜陟 o t h e r c s d a 切 回 i d a t a卜一擤同砷甜 i 一 图2 _ 4 射频光纤传输系统 对于下行链路来说：首先，在中心站基带信号被调制上变频到射频频段，即毫 米波段，然后通过光调制器射频信号被调制为光信号，再通过光纤传输到基站。在 基站通通过光电转化为毫米波信号，最后通过天线传输到用户端。 上行链路传输是下行链路的相反过程。用户信息首先通过天线接收，在基站中 毫米波信号通过光调制器转化为光信号，然后通过光纤传输到中心站。在中心站中 通过光电转化以及两次下变频为基带信号。 2 3 三种传输方案的比较 根据上文对三种不同系统结构的描述，本文利用光通信系统设计软件 o p t i s y s t e m 对三种不同结构进行模拟仿真。 基带光纤传输：根据基带光纤传输系统结构可以看出，该结构中心站结构简单， 直接利用基带信号调制光波，因为基带信号频率低，可以利用现有成熟的技术和设 备，但基站结构相对复杂。在基站中进行频率变换需要相应的信号处理硬件支持， 9 - 华北电力大学硕士学位论文 包括混频器，复用器，解复用器等，而且随着发射频率的增大，基站进行频率变化 的需求使得结构越来越复杂，在需要大量建设基站的r o f 系统中，这无疑增大了系 统前期投资。此外，基站复杂的结构也使优化变得困难，不利于系统升级。 为了研究光纤色散作用对传输的影响，本文利用o p t i s y s t e m 仿真软件搭建了基 带传输的简易仿真模型，这里只考虑下行链路信号传输，上行链路传输与此类似， 不再赘述。系统模型如图2 5 所示，各个元器件名称，参数设置图中已详细描述， 这里采用马赫曾德尔调制器( m a c h z e h n d e rm o d u l a t o r ) ，基带速率8 g b p s ，光纤损耗 0 2 d b k m 。经过光纤传输，光电探测和滤波后，基站接收的基带信号眼图如图2 6 所示。 图2 5 基带传输仿真模型 由眼图结构可以看出，经1 0 k i n 光纤传输后示波器上显示的是迹线细，清晰而端 正的大“眼睛一。可见基带传输结构接收端误码率低，光纤色散作用对基带信号传 输性能影响小，在实际应用中可以不考虑光纤色散作用的影响。 i 0 1 1 i 华北电力大学硕士学位论文 e y ed i a g r a ma n a l y z e r d i d c 蠢o n o i l - a t d e t o a _ 一印- m o v e o t _ e c t e w i r e m o 咐d r q t i m e 雌a m r k _ 图2 6 基带传输接收信号眼图 根据对基带传输系统的分析，可见，该系统适合于较低发射频率的系统搭建上， 既不用考虑光纤色散作用的影响，也使得基站结构不至于太复杂，减少前期投资。 中频光纤传输：根据中频光纤传输系统结构可以看出，该结构把基带传输系统 中频率变换部分功能转移到中心站，相应减少了基站复杂度。中频传输信号相对于 射频信号来说频率较低，带宽较小，可以利用现有成熟技术和光器件。在基站中只 需进行一次上变频，但也需要调制器，解调器等相应信号处理硬件的支持，对于大 量建设基站的r o f 系统中，进行优化和系统升级也有一定困难，而且也会加大前期 系统投资，不利于大规模建设和应用。 为了研究光纤色散作用对传输的影响，图2 7 是利用o p t i s y s t e m 仿真软件搭建 的中频传输系统的下行链路仿真模型。系统中各个元器件名称，参数设置图中已详 细描述，这里采用马赫曾德尔调制器( m a c h z e h n d c rm o d u l a t o r ) ，数据速率8 g b p s ， 光纤损耗0 2 d b k m ，基带信号经过幅度调制器上变频到1 0 g h z 。经过光纤传输，光 电探测，滤波和解调后，基站接收的基带信号眼图如图2 - 6 所示。 由眼图结构可以看出，经1 0 k m 光纤传输后示波器上显示的“眼睛 相对于基带 传输后的眼图迹线稍粗，清晰度有所下降，这是因为调制信号频率上升，光纤色散 作用造成，但是“眼睛 端正，噪声容限大，不会影响终端的判决。可见中频传输 结构接收端误码率较低，光纤色散作用对中频信号传输性能影响较小，在实际应用 中也可以不必考虑光纤作用的影响。 华北电力大学硕士学位论文 0 蛐s c o p e 址e a l a r ；+ ： 图2 7 中频传输仿真模型 i t e y ed i a g r a ma n a l y z e r 洲o l c k o n o t ，l e c t = t o o p e n 叩m m o v e o e t e c t s w i t h m o u s e d r 口 图2 - 8 中频传输接收信号眼图 根据对中频传输系统的分析，可见，该系统基站结构相对于基带传输系统复杂 度降低，光纤色散作用对信号传输影响不大，适合于较大区域的应用。但中心站用 频率较高的中频信号调制光波信号，实现起来较基带信号调制光波技术上要求更 高。 射频光纤传输：根据射频光纤传输系统结构可以看出，该结构把基带传输系统 中频率变换全部功能都转移到中心站，基站只进行简单的光电转换功能，大大减少 了基站复杂度，降低了基站的功耗。另外，大部分设备设置在中心站，简化了基站 1 2 1 j 11n，土薯it三 ， l 华北电力大学硕士学位论文 结构，使大量基站共享中心站资源，降低了系统投资，有利于大规模实现。但是射 频波频段高，带宽高，实现起来较为复杂，需要先进的调制技术和灵敏度高的光电 探测设备。 图2 9 射频传输仿真模型 图2 1 0 射频传输接收信号眼图 为了研究光纤色散作用对传输的影响，图2 - 9 是利用o p t i s y s t e m 仿真软件搭建 的射频传输系统的下行链路仿真模型。系统中各个元器件名称，参数设置图中已详 细描述，这里采用马赫曾德尔调$ 1 j 器( m a c h - z e h n d e rm o d u l a t o r ) ，数据速率8 g b p s ， 华北电力大学硕士学位论文 光纤损耗0 2 d b k m ，基带信号经过幅度调制器上变频到3 6 g h z 。经过光纤传输，光 电探测，滤波和解调后，基站接收的基带信号眼图如图2 1 0 所示。 由眼图结构可以看出，经1 0 k i n 光纤传输后示波器上显示的“眼睛 迹线不完全 重合，眼图迹线混乱，清晰度低，“眼睛 张开度小，噪声容限低。这是因为调制 信号频率高，在光纤中传输受光纤色散影响大，接收端误码率高，不利于终端的判 决，影响系统性能。 为了降低光纤色散作用的影响，图2 1 l 所示一种利用巴特沃斯光滤波器实现射 频单边带调制传输模型。选择巴特沃斯滤波器的原因是由于在低通频带里，巴特沃 斯光滤波器对低频信号的增益是平稳的，就是放大倍数一样，所有的低频信号得到一样 的放大倍数，使系统具有较小的失真有利于仿真实现，该滤波器的中心频率是1 9 3 1 3 6 t z , 带宽为1 6 g h z ，噪声阈值为1 0 0 d b ，插入损耗为0 d b 。 图2 1 l 射频单边带调制传输仿真模型 利用光滤波器滤除不要的边带，保留所需要的边带，图2 1 2 为光滤波器前后的 光毫米波双边带信号和单边带信号的频谱图。滤除一部分边带，光波所携带的信息 并没有减少，这样便降低了光纤色散作用的影响，提高系统性能。图2 1 3 为基站段 经过光电探测，滤波和解调后基带信号的眼图。可以看出，“眼睛 张开的大，迹 线明显比图2 1 0 清晰，噪声容限大，误码率低，有利于终端的判决。 根据对射频传输系统的分析，可见，该系统基站结构复杂度低，有利于大规模 建设。但光纤色散作用对信号传输影响大，要进行长距离传输时，光纤色散的影响 是不可忽视的问题。所以在中心站要选择性能强大的调制技术，降低影响，提高系 统性能。 1 4 ， i i b o p t i c a ls p e c t r u ma n a l y z e r _ 1 - o p t i c a ls p e c t r u ma n a l y z e r 6 d c l c k o n a 鼍耐0 t o o p e np r 印e m 雌m o v e a i h w l h m _叫a 瞳o n o q k c t l t o o l - n 刚节矾h m o v e 伪d w l l h u 0 r a g 蔓 呈 一：t - ：一 ， i 0 ： ；一 f f ； r ： ! l j 董 一r i_ h l “i l ji j i 聊骶 1 l l i i w1 l l p ijj i山 u “山1 0 i j 1 胛l r ： 。：+ l 。 ； j i _ 【 j i i ： ： j 一一 过 i 图2 - 1 3 射频单边带调制传输接收信号眼图 根据对三种系统的仿真分析，可以看出，每一种结构都有一定的优点和缺点， 在实际应用中要结合现实的需求，选择合适的系统结构，在满足用户需求的前提下， 减少成本。 2 4 小结 本章首先介绍了r o f 技术原理和特点，然后系统的描述了基带、中频和射频r o f 系统的硬件配置，并利用o p t i s y s t c m 光通信设计仿真软件对三种系统进行了模拟仿 1 5 | | | | | | | | | | 华北电力大学硕士学位论文 真。通过眼图直观显示了光纤色散作用对三种系统传输性能的影响，并对射频传输 采取单边带调制方式避免较大的失真，根据不同的应用环境选择不同的系统结构。 1 6 l 华北电力大学硕士学位论文 3 1i t s 模型 第三章i t s 布局分析 由于毫米波易受雨雪，建筑物阻挡等环境因素影响，具有较高的传输损耗，有 效传输距离只有几十米。而i t s 所处的环境也是宽度在几十米左右的公路，将基于 毫米波的r o f 系统应用到i t s 中，不但利用了毫米波高带宽特性，而且使其传输距 离短的缺点转换为优点，增大系统有效覆盖率，提高频率复用率。图3 1 是毫米波 频段r o f 技术应用于i t s 中的系统模型。 图3 1毫米波r o f 技术应用于i t s 系统模型 由系统模型可知，由于毫米波较高的传输损耗，需要沿路铺设大量基站满足无 缝覆盖问题，几个基站利用光纤与同一个中心站相连，中心站再与骨干网连接，从 而构成一个网络化模型。沿路铺设的基站没有传统基站所具有的控制等功能，只提 供光信号和电信号之间转换，放大，毫米波信号发射和接收等简单功能，诸如资源 分配，路由算法等功能全部在中心站完成，光纤仅起到传输信号的作用，这样便降 低了系统成本，提高系统性价比。车载智能终端与相应区域的基站通过毫米波相连， 从而接入系统进行数据传输和交换。不同小区利用不同的频率发射和接收信息，终 端从一个小区运行到另一个小区要进行越区切换，当车辆高速行驶时，要进行频繁 的切换。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 3 2i t s 基站布局分析 一方面毫米波段的高带宽为i t s 大信息量传输提供了保证，另一方面毫米波