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光纤无线系统中光毫米波的产生和全双工通信研究 摘要 光纤无线通信技术采用光纤链路来传输无线电信号，有机结合了光纤通信的 超宽带、抗电磁干扰以及无线通信的高度灵活等优势，无疑将在未来宽带无线通 信中扮演重要的角色。本文正是基于这样的一种考量，对光纤无线通信系统中毫 米波信号的光学产生和传输、基于波长重用技术的无光源基站设计和全双工通信 的实现展开了较全面的研究，主要内容包括： 第一，提出了一种采用单电极马赫一曾德尔调制器和马赫一曾德尔干涉型全 光纤交错复用器产生光毫米波信号的新方案，建立了光毫米信号在色散光纤中传 输的理论模型。分析了调制信号频率与光纤交错复用器的自由频谱范围不匹配问 题。基于建立的模型，实验生成4 0 g h z 光毫米载波，并利用该毫米载波成功实现 了2 5 g b s 基带数据信号的4 0 k m 光纤传输。 第二，建立了基于光相位调制器和载波滤除技术的毫米波光纤链路模型，推 导出了表示毫米波信号的简练通用解析式，该解析式能精确表示任意阶高次谐波 信号。讨论了调制系数、色散光纤距离以及载波抑制功率等因素对毫米波信号以 及各次谐波传输性能的影响。分析发现，小信号调制和高载波抑制功率产生的二 次谐波能够有效克服光纤色散的影响。对这一结论进行了仿真和实验验证，采用 2 0 g h z 本振信号生成了4 0 g h z 的光毫米波信号，该光毫米波经6 0 k m 传输后的功率 代价仅为2 d b 。 第三，研究了毫米波光纤链路中色散对基带信号码元波形的影响。揭示了利 用光相位调制器产生双边带、载波抑制双边带光毫米波的光纤传输链路中，调制 在直流信号、一次谐波和二次谐波上的基带数据信号的码元波形变化规律。为了 克服色散导致的码元失真，我们提出了一种新的光毫米波产生及基带信号调制方 案。该方案只采用载波抑制光毫米波的一个边带传输基带数据信号，通过该方案 提高了毫米波信号的传输距离。最后通过仿真和实验验证了该方案的可行性。 第四，基于波长重用技术，提出并实验研究了两个新颖的全双工光纤无线通 信方案，成功实现了4 0 k i n 传输距离、数据速率达2 5 g b i t s 的双向通信。 第一个方案使用载波抑制光毫米波的一个边带传输下行数据，而另外一个边 带传输至基站作为上行链路的光载波使用。该方案不仅产生了2 倍于调制信号频 率的毫米波信号，而且实现了上行链路的波长重用。由于采用一个边带调制下行 i i 博 学位论文 基带信号，因此该方案还可以有效地克服光纤色散引起的基带信号码间干扰问题。 第二个方案利用光学交错复用器分离单电极马赫一曾德尔调制器产生的双边带光 信号的中心载波和上下边带，利用上下边带传输下行基带数据，而中心载波作 为上行链路的光载波实现波长重用。该方案采用了双边带光信号中较高功率的中 心载波作为上行链路的光载波，从而使光信号的全部功率都得到了合理利用。 第五，研究采用直接调制激光器产生和传输光毫米波信号。提出了采用直接 调制激光器和外部调制器产生和传输载波抑制光毫米波信号的新方案。该方案充 分利用了载波抑制光毫米波的抗色散性能和直接调制激光器的低成本优势。提出 了一种基于单一直接调制激光器的全双工光纤无线通信方案。该方案在中心站采 用本振信号与下行基带信号的混频信号驱动直接调制激光器产生双边带光信号， 在基站将分离上下边带拍频产生电毫米波信号，而中心载波作为上行链路的光载 波重用。该方案不仅充分利用了光毫米波信号的全部功率，并且简化了光毫米波 的产生配置。 关键词：光纤无线系统；光毫米波；马赫一曾德尔干涉型全光纤交错复用器；光 相位调制器；波长重用；直接调制激光器；光纤色散 i l l a b s t r a c t r o f ( r a d i oo v e rf i b e r ) t e c h n i q u e ，w h i c hu s e sf i b e r o p t i cl i n k st ot r a n s m i ta n d d i s t r i b u t er a d i os i g n a l s ，c o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fm o b i l e ，p o i n t - t o m u l t i p o i n t s a c c e s st e c h n o l o g yp r o v i d e db yu l t r aw i d e b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n d h i g h b a n d w i d t h ，h i g h l yr e l i a b l ec o n n e c t i o np r o v i d e db yo p t i c a ln e t w o r k s i tw i l lp l a y av e r yi m p o r t a n tr o l ei nf u t u r ew i d e b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s b a s e do nt h e c o n s i d e r a t i o n s ，w e h a v ei n v e s t i g a t e dt h eo p t i c a lg e n e r a t i o na n dd i s t r i b u t i o no f m i l l i m e t e r w a v e ( m m w a v e ) s i g n a l ，s i m p l i f i e d b a s es t a t i o nd e s i g nb a s e do n w a v e l e n g t h r e u s e t e c h n i q u e a n d f u l l d u p l e x c o m m u n i c a t i o ni nr o fs y s t e m s ， s p e c i f i c a l l yi n c l u d i n g ： f i r s t l y ，an o v e lr o fs y s t e me m p l o y i n gas i n g l e e l e c t r i cm a c h - z e h n d e r m o d u l a t o r ( m z m ) a n do p t i c a l m a t h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r ( m z i ) i n t e r l e a v e rt og e n e r a t e o p t i c a lm m w a v e i sp r o p o s e da n de x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e d t h et r a n s m i s s i o n p e r f o r m a n c eo fo p t i c a lm m w a v eo v e rd i s p e r s i o nf i b e rh a sb e e ni n v e s t i g a t e d ，a n dt h e u n m a t c hp r o b l e mo ff r e q u e n c yb e t w e e nm o d u l a t i o ns i g n a la n df r e es p e c t r u mr a n g e f f s r ) o fo p t i c a lm z ii n t e r l e a v e ri s a l s od i s c u s s e d o nt h eb a s i so ft h et h e o r yf o r o p t i c a lm m w a v eg e n e r a t i o n ，t h e2 5 g b i t sb a s e b a n dd a t ac a r r i e db y4 0 g h zo p t i c a l m m w a v ei ss u c c e s s f u l l yt r a n s m i t t e do v e r4 0 k ms t a n d a r ds i n g l em o d ef i b e r ( s m f ) s e c o n d l y ，an e we x a c ta n a l y t i c a lm o d e li sp r e s e n t e dt oa n a l y z et h ed i s p e r s i v e t r a n s m i s s i o ni nm m w a v ef i b e r o p t i c l i n k su s i n ga no p t i c a lp h a s em o d u l a t o ra n d o p t i c a lf i l t e r i n g ac o m p a c ta n dc l o s e d - f o r me x p r e s s i o n o fa l l - o r d e rg e n e r a t e d h a r m o n i c sa tt h eo u t p u to ft h em m w a v ef i b e r - o p t i cl i n ki sd e r i v e d t h ee f f e c to f t h r e e p a r a m e t e r s s u c ha sm o d u l a t i o ni n d e x ，d i s p e r s i o n d i s t a n c ea n do p t i c a lc a r r i e r s u p p r e s s i o nr a t i oi sa l s od i s c u s s e d i tc a nb ei n d u c e dt h a t ，u n d e rt h ec o n d i t i o no f s m a l l s i g n a l m o d u l a t i o na n dh i g hc a r r i e rs u p p r e s s i o nr a t i o ，t h eg e n e r a t e d s e c o n d o r d e rh a r m o n i cc a nb eo v e r c o m et h ef i b e rd i s p e r s i o n a c c o r d i n gt o t h i s a n a l y s i s ，t h e4 0 g h zo p t i c a lm m w a v ei se x p e r i m e n t a l yg e n e r a t e db ya no p t i c a lp h a s e m o d u l a t o rd r i v e nb ya2 0 g h zr fs i g n a l t h ep o w e rp e n a l t yo ft h e4 0 - g h zr fs i g n a l s c a r r y i n gt h e2 5 g b i t sb a s e b a n ds i g n a lt h r o u g ht r a n s m i s s i o no v e ra6 0 - k ms m fi s o n l y2d b t h i r d l y , w eh a v et h e o r e t i c a l l yi n v e s t i g a t e dt h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo f t h e i v 博j j 学位论文 b a s e b a n ds i g n a l ，w h i c hc a r r i e db yo p t i c a lm i l l i m e t e r - w a v eg e n e r a t e df r o ma no p t i c a l p h a s em o d u l a t o r ，w i t ht h ed o u b l es i d e b a n d s ( d s b ) a n do p t i c a lc a r r i e rs u p p r e s s i o n ( o c s ) s c h e m e s a c c o r d i n gt oo u rt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，f i b e rc h r o m a t i cd i s p e r s i o n l e a d st of a d i n ge f f e c ta n dt i m es h i f t i n go ft h ec o d e s ；t h e r e f o r e ，s i g n a l sa r eg r e a t l y d e g r a d e d t h ed e t a i lc h a n g ed e s c r i p t i o no fb a s e b a n dd a t a s i g n a lc a r r i e db yd c ， f i r s t o r d e rh a r m o n i ca n ds e c o n d o r d e rh a r m o n i ci si l l u m i n a t e d f u r t h e r m o r e w eh a v e p r o p o s e dan o v e ls y s t e mc o n f i g u r a t i o nt oo v e r c o m et h ed i s p e r s i o na f f e c t i o na n dt h u s e x t e n dt h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c e ，i nw h i c ho n l yo n es i d e b a n di su s e dt om o d u l a t e d b a s e b a n dd a t as i g n a l e x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t e dr e s u l t sc o n f i r mt h ef e a s i b i l i t yo f t h ep r o p o s e ds y s t e m f o u r t h l y , b yu s i n gw a v e l e n g t hr e u s et e c h n i q u e ，w eh a v e p r o p o s e d a n d e x p e r i m e n t a ld e m o n s t r a t e dt w on o v e lf u l l - d u p l e xr o fc o m m u n i c a t i o ns c h e m e s i n t h e s et w os c h e m e s ，t h ed i r e c t i o n a l2 5 g b i f f sd a t as i g n a l sa r es u c c e s s f u l l yt r a n s m i t t e d o v e r4 0 k ms m f i nt h ef i r s ts c h e m e ，o n l yo n eo ft h ef i r s t o r d e r o p t i c a ls i d e b a n d so ft h eo c s o p t i c a lm m - w a v ei su s e dt oc a r r yd o w n l i n kd a t a ，w h i l et h eo t h e rf i r s t o r d e rs i d e b a n d i sr e u s e df o ru p l i n ko p t i c a lc a r r i e r i nt h es e c o n ds c h e m e ，a no p t i c a li n t e r l e a v e ri s u s e dt os e p a r a t et h es p e c t r u mo ft h eo t p i c a ld s b s i g n a l sg e n e r a t e db yas i n g l e e l e c t r i c m z m t h es e p a r a t e df i r s t - o r d e ro p t i c a ls i d e b a n d sa r eu s e dt o g e n e r a t eo p t i c a l m i l l i m e t e r - w a v ew i t hd o u b l er ff r e q u e n c y , w h i l et h es e p a r a t e do p t i c a lc a r r i e ri s r e u s e df o ru p l i n kc o n n e c t i o n f i f t h l y , b a s e do nt h ed i r e c tm o d u l a t i o nl a s e r ( d m l ) ，w eh a v ep r o p o s e da n d e x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e dt w or o fs y s t e m s i nt h ef i s r ts y t e m ，ad m l a l o n gw i t h a no p t i c a le x t e r n a lm o d u l a t o ri su s e dt og e n e r a t eo c sm m w a v es i g n a l t h ea b l i l i t yt o o v e r c o m ef i b e rd i s p e r s i o no fo c ss i n g a la n dl o wc o s t c o n f i g u r a t i o no fd m la r e u t i l i z e di nt h i ss y s t e m i nt h es e c o n ds y s t e m ，t h eo p t i c a ld s b s i g n a li sg e n e r a t e db y u s i n go n l yo n ei n e x p e n s i v eb r o a d b a n dd m l ，t ow h i c ham i x i n gr fs i g n a li sa p p l i e d a no p t i c a li n t e r l e a v e ri st h e nu s e dt os e p a r a t et h ef i r s t o r d e ro p t i c a ls i d e b a n d sf r o m t h eo p t i c a lc a r r i e ro fo p t i c a ld s b s i g n a l t h es e p a r a t e df i r s t o r d e ro p t i c a ls i d e b a n d s a r eb e a tt og e n e r a t em m - w a v es i g n a lt h a th a sd o u b l et h ef r e q u e n c yo ft h er fd r i v e s i g n a l ，w h i l et h es e p a r a t e do p t i c a lc a r r i e ri sr e u s e da sl i g h ts o u r c et or e m o d u l a t e u p l i n ks i g n a l b yt h i ss y s t e m ，a l lp o w e ro fo p t i c a lm m - w a v es i g n a l si sf u l l yu t i l i z e d ， a n dt h ec o n f i g u r a t i o ni sf u r t h e r l ys i m p l i f i e d v 光纤无线系统中光毫米波的产生和伞双t 通信研究 k e y w o r d s ：r a d i o o v e r f i b e r ；o p t i c a lm i l l i m e t e r - w a v e ；o p t i c a lm a c h z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e ri n t e r l e a v e r ：o p t i c a lp h a s em o d u l a t o r ：w a v e l e n g t hr e u s e ； d i r e c tm o d u l a t i o nl a s e r ；f i b e rd i s p e r s i o n v i 光纤无线系统中光毫米波的产生和伞双t 通信研究 插图索引 图1 1典型的r o f 系统2 图1 2r o f 系统的物理层结构3 图1 3应用在悉尼奥运会的r o f 系统4 图1 4r o f 技术在3 g 4 g 移动通信中的应用5 图1 5 应用r o f 技术的智能交通系统5 图1 6 应用r o f 技术的室内通信系统6 图1 7r o f 系统与无源光网络的融合6 图1 8 直接强度调制原理一7 图1 9 双边带调制原理8 图1 1 0 单边带调制原理一9 图1 1 1 光相位调制器结合滤波技术产生毫米波1 0 图1 1 2 光外差法产生毫米波原理图l l 图2 1m a t h z e h n d e r 干涉仪的结构示意图1 8 图2 2m z i 的脉冲响应曲线2 0 图2 3频率为调制信号频率偶数倍的毫米波信号产生的系统模型一2 0 图2 4 输入光信号经光交错复用器后奇偶边带被分离2 2 图2 5m z i 的传输频谱和强度调制器的输出信号光谱2 5 图2 6交错复用器两端口输出的偶数边带和奇数边带的光谱一2 5 图2 7 偶数边带和奇数边带产生的电毫米波信号频谱2 5 图2 8二次谐波功率一传输距离变化曲线2 6 图2 9 基于单电极m z 调制器和m z i 产生载波抑制光毫米波的原理2 7 图2 1 0 双边带光毫米波通过m z i 产生载波抑光毫米波的频谱变换原理2 8 图2 1 1 载一边抑制功率与归一化频率比占的关系3 0 图2 1 2 基于单电极m z 调制器产载波抑制光毫米波的r o f 系统装置3 1 图2 1 32 5 5 0 g h z 交错复用器和产生的4 0 g h z 电毫米波信号频谱3 2 图2 1 4 单电极m z 调制器和交错复用器端口2 输出的光信号频谱3 3 图2 1 5 背靠背和5 0 k m 光纤传输后的基带信号眼图3 3 图2 1 6 光纤传输后的载波抑制双边带信号眼图3 4 图2 1 7 误码率接收功率曲线3 4 图3 1相位调制器输出光信号的离散谱3 8 图3 2光相位调制和检测过程对应的电信号频谱3 8 图3 3基于相位调制器和载波抑制技术的毫米波光纤链路模型3 9 x 博 j 学位论文 3 4 载波抑制相位调制光信号的离散光谱一4 0 3 5载波抑制相位调制光信号经色散光纤传输后的离散光谱4 l 3 6 公式( 3 2 3 ) 5 b 参数的相互关系图4 2 3 7 不同调制系数时各次谐波信号的归一化功率一传输距离曲线4 4 3 8 不同调制系数时一次谐波的归一化功率一调制频率和一距离曲线4 4 3 9 不同调制系数时时各次谐波的归一化功率一传输距离曲线4 6 3 1 0 不同调制系数时二次谐波的归一化功率一调制频率和一距离曲线4 6 3 1 1 不同载波抑制率条件下的归一化二次谐波功率一传输距离曲线4 7 3 1 2 载波抑制率为1 0 d b 和4 0 d b 时的各次谐波功率一距离曲线4 7 3 1 3 一次及二次谐波的归一化功率一调制频率和功率一距离曲线4 8 3 1 4 采用相位调制器和载波抑制技术产生载波抑制光毫米波的原理4 9 3 1 5 采用相位调制器和滤波技术产生载波抑制光毫米波的实验装置5 l 3 1 6 双边带光毫米波和载波抑制双边带光毫米波的光谱5 2 3 17 单电极m z 调制器输出和光相位调制器输出信号的时域波形一5 2 3 1 8 载波抑制光毫米波经过光纤传输后的眼图一5 3 3 1 9 光纤传输后解调出的基带信号眼图5 4 3 2 0 不同距离光纤传输后基带信号的误码曲线5 5 4 1采用光相位调制产生光毫米波的光纤链路模型5 7 4 2 光纤色散引起调制在光毫米波上的基带数据信号延时6 0 4 3d s b 光毫米波的直流信号的包络随光纤传输距离变化6 l 4 4d s b 光毫米波的直流信号的包络变化仿真结果6 2 4 5o c s 光毫米波的直流信号的包络随光纤传输距离变化6 2 4 6o c s 光毫米波的直流信号包络变化的仿真结果6 3 4 7 等式( 4 2 8 ) 第一项表示的基带信号的包络随光纤传输距离变化一6 4 4 8 等式( 4 2 8 ) 第二项表示的基带信号的包络随光纤传输距离变化一6 6 4 9调制在一次谐波上基带信号的包络变化仿真结果6 6 4 1 0d s b 光毫米波的l 上的基带信号包络随光纤传输距离变化6 7 4 1 1d s b 光毫米波，2 。上的基带信号包络随光纤传输距离变化6 7 4 1 2d s b 光毫米波的厶。上的基带信号包络变化仿真结果6 8 4 1 3 抑制色散导致码元退化的r o f 系统方案6 9 4 1 4 加载在下边带的基带数据信号因光纤色散影响而延时7 0 4 1 5 抑制色散导致码元退化的r o f 系统实验装置7 0 4 1 6 不同测试点的光谱图7 l 4 17 基于直流分量解调出的基带信号经光纤传输后的眼图变化7 2 4 1 8 基于毫米波，。解调出的基带信号经光纤传输后的眼图变化7 2 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 光纤无线系统中光毫米波的产生和伞双t 通信研究 4 1 9 误码率接收功率曲线7 3 5 1基于边带重用技术的全双工r o f 系统原理7 5 5 2 基于边带重用技术的全双工r o f 系统实验装置7 7 5 3 相位调制器输出信号和4 0 g h z 载波抑制光毫米波的时域波形一7 7 5 4 下行链路的光毫米波眼图和链路的光载波波形7 8 5 5下行链路和上行链路解调后的基带信号眼图7 8 5 6 不同测试点的光谱图7 9 5 7 下行和上行传输信号的误码率接收功率曲线一8 0 5 8 基于中心载波重用的全双工r o f 系统原理8 l 5 9 基于中心载波重用的全双工r o f 系统实验装置一8 2 5 1 0 不同测试的信号波形8 3 5 1 1 载波抑制光毫米波和上行光载波经光纤传输后的眼图8 4 5 1 2 不同测试点的光谱图8 5 5 1 3 下行和上行传输信号的误码率接收功率曲线8 6 6 1基于直接调制激光器和载波抑制调制产生光毫米波原理8 8 6 2基于直接调制激光器和载波抑制调制产生光毫米波实验装置8 9 6 3直接调制激光器和双电极m z 调制器的输出信号光谱9 0 6 4直接调制激光器输出和接收端解调出的信号眼图9 0 6 5载波抑制光毫米波经光纤传输后的眼图9 1 6 6 误码率一接收功率曲线9 1 6 7基于单一直接调制激光器产生光毫米波的全双工r o f 系统原理9 2 6 8基于单一直接调制激光器产生光毫米波的全双工r o f 系统装置9 3 6 1 0 载波抑制光毫米波经光纤传输后的眼图9 3 6 1 l 上行链路中的光信号和下行链路的基带信号眼图9 4 6 1 2 测量r o f 实验系统不同位置的光谱图9 4 6 1 3 下行和上行传输信号的误码率接收功率曲线9 5 x i i 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 博上学位论文 附表索引 表1 1 基于外部调制器的三种方案比较1 l 表2 1 关键器件的参数一3 2 x i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律后 果由本人承担 作者签名：痧日期：嘶，月溯 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书 2 、不保密团 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：c 三扩 导师签名： 日期：可口占年，月近日 日期：棒r 乙月t 日 博士学位论文 1 1 选题背景与意义 第1 章绪论 随着i n t e r n e t 业务和i p 电视( i p t v ) 、视频点播( v o d ) 等交互式多媒体业务的 迅速发展，无线通信系统已由传统的语音话务服务发展到了一个崭新的阶段。人 们迫切需要能提供任何时间、任何地点、任何媒体的简单、可靠并且廉价的无线 通信系统。此外，随着新用户的不断增加，现有可利用的无线频谱资源已接近极 限。因此，宽带无线通信技术必须要向更高频率发展。毫米波无线信号无疑是理 想的选择，我们知道频率为6 0 g h z 的毫米波信号可以提供3 g h z 的频率带宽。 然而，毫米波无线通信也有其自身的缺点一自由空间中由于受多径衰落等影响而 导致信号衰减严重，其作用距离只能达到1 0 0 m 左右，远远小于现有的无线蜂窝。 另一方面，光纤通讯中大量的己铺设光纤光缆并未得到充分利用，目前已使用的 带宽不到光纤带宽的干分之一，造成了严重的带宽资源闲置。同时这些频率资源 的费用又非常廉价，每线成本不到1 0 0 美元。因此，如何充分利用这些廉价的闲 置资源，并解决无线通信的频带紧张问题，已成为加快全球通信技术发展的关键 问题。 为解决这些问题，人们提出了用光纤链路传输微波毫米波等无线电信号，即 光纤无线通信( r a d i o o v e r f i b e r ，简称为r o f ) 技术。该技术将宽带无线通信的可 移动性、点对多点接入等特点与光纤通信的超带宽、高可靠性有机结合起来，为 大容量、低成本的无线电信号有线传输和超过1 g b i t s 的超宽带无线接入提供了理 想的解决方案。近几年来正受到世界各国的高度关注n 3 1 。r o f 系统具备大容量、 低成本、低功耗、易于安装与维护等多种优势，可以满足未来无线通信的宽带业 务要求。这种技术可以使用在无线信号遭到屏蔽的地方，如地下隧道、商业大厦、 机场候车室等场所。另外，下一代蜂窝移动通信将大量采用微蜂窝或微微蜂窝结 构以允许更多用户以更宽的带宽、更高的速率接入，这种互联同样可以利用大容 量的r o f 技术的低成本方式来实现。此外，r o f 技术可以实现流量控制及网络资源 灵活地动态分配等业务。特别重要的是，r o f 技术可以将无线接入的灵活性与光 纤提供的大容量与低成本优势有机结合在一起，无疑将在未来宽带无线接入技术 中扮演重要的角色。 1 2 光纤无线通信概述 1 2 1 光纤无线系统的基本结构及特点 所谓r o f 技术就是通过光纤传输高频无线电信号，特别是微波毫米波信号。 兰篓耋兰量垫兰兰篓兰些呈耋：；竺耋窒! 些篁! ! 兰 暂 j ： 图1 1 典型的r o f 系统 典型的r o f 系统由中心站( c e n t r a ls t a t i o n ，缩写为c s ) 、牲站( b a s es t a t i o n ， 缩i 为b s ) 、光纤链路以及移动终端( m o b i l e t e r m i n a l ，缩写为m t ) 阳个部分组 成。光纤链路连接一i 心站和各个基站单元。在整个系统中，几乎所有的信寸处理 l 作都在中心站完成，包括编码、复用、无线频率1 - f 变换和光调制等。基站尽 管看上去和传统的无线通信系统的蜂窝类似，但不同的是基站不需要对接收到的 无线电信呼进行调制和解调仅仅执行光电转换和无线电信号的接收发送功能。 这与传统的无线通信不同，由于并移动终端共享中心站，并且所肯昂贵、复杂的 光电器件和设备都集中在中心站，从而使基站结构得到仃效简化。因此具有大容 量、低成本、低功耗、易于安装与维护等多种技术优势。 r o f 系统的基本实现策略是“：在下行链路，f 行传输的电信呼( 可以基带数 7 一信号、t ，频信号和射频信号) 调制到光载波上，通过光纤传输给肇站单元，基 站单兀将接收到的光信号转换成电信号通过天线发送给移动终端：在上行链路， 基站接收到移动终端的无线电信号，同样被调制到光载波上，通过光纤传送叫中心 站。来自不同肇站的上行光信号可汇合在起，送到中心站，得到处理。 从网络结构考虑，r o f 系统由传统的无线物理层和光学两物理层杜j 成，如图 12 所不。根据光纤链路结构的不同，r o f 系统的网络拓扑结构可以分为星形结 构、串 r 结构和耳形结构。星形结构在通信系统中较为常见，因为其结构简单、 易于维护、柏较高的可靠性。但山丁建设 个基站就需要铺设条光缆，凼而增 加r 系统的配置成本。而儿在要求蜂窝分裂时增加基站数口比较困难。而采用环 形或者串行结构则可以降低光缆的使用数量，增建基站对r o f 系统进行扩展也较 为容易。随着用户的增加，r o f 系统需要增基站的数量，凼此刚络的可扩雠性显 得尤其重要。对于室内无线接入，r o f 系统的完活性或者仅町能少铺设光缆镀得 非常屯要，h 为山jm 络的童构m 重新铺设光缆比较费时、费力，也比较浪费。 】玉| 此孔r o f 系统c ，应尽埘多采川环形或者串仃结构， 博士学位论文 靖 图1 2r o f 系统的物理层结构 相对于传统的无线通信，光纤无线通信具有以下特点1 ： 光纤的极低损耗，使得小区的范围仅仅取决于毫米波信号的传输距离和传 输环境。此外，光纤通信技术业已成熟，无论在经济上还是技术上，都较双绞线、 同轴线之类的电传输系统更具竞争力。 光纤传输链路对于所有射频信号是“透明”的，也就是说系统具有很大的 灵活性，可在不对传输链路进行改造的基础上，方便地对每个小区的调制方式或 载波频率进行改变。 系统的网管功能，如频率的分配、调制解调的选择，全部由中心站完成， 这既降低了信号处理的难度，也大大简化了基站单元的设计。完全按照基站所需 要的发射频率来下行传输信号，其目的也是为了简化基站的功能，把任务尽量交 给中心基站来完成。基站最主要的功能就是电光、光电的转换和射频信号的放 大及发射与接收。完成这些功能，均涉及到模拟、微波电路。可以采取大规模集 成技术构成基站的硬件设备，既简化了结构，也使基站造价大为降低。系统造价 的减少，是无线通信系统得以广泛应用的一个最关键因素。 副载波频率高，毫米波频率约在3 0 - 3 0 0 g h z 范围内，可以传送大量的视 频及语音信号。例如，4 2 m h z 的n t s c 制f m 视频信号，需要3 0 m h z 的传输带宽。 如果频道以4 0 m h z 戈) j 分，传送1 0 0 路信号所需带宽为4 g h z ，若选用6 0 g h z 的毫米 波副载波，仅占带宽的7 。 毫米波很容易被氧和水分子吸收，信号衰减很大。大气中的氧对6 0 g h z 的毫 米波吸收峰为1 6 d b k m 。这么大的衰减可以有效限制毫米波信号的传输距离，缩 小小区范围，形成所谓微蜂窝( 直径小于几百米) 。不相邻的小区可以重复使用同 一频率。而重复使用频率的距离的缩短，使频率的利用率大为提高。 1 2 2 光纤无线系统的应用 丰富的传输带宽、无缝的覆盖范围、大容量、低功耗等一系列优点均使得r o f 系统具有广阔的应用空间。另外，由于r o f 对信号调制格式具有透明性，它仅仅 提供一个物理传输的媒介，因此可以将其看作成移动终端与控制局之间点到点的 3 透明链路。r o f 与现有网络的融合，无疑会达到集中控制、共享昂贵器件、动态 分配州络容量、降低成本的效果。1 9 8 0 年代初，美国首次将光纤无线通信用于军 事用途。自19 9 0 年c o o p e r 等人提出将r o f 系统用于无线通信，r o f 技术不断发展， 其应用领域也越米越“，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。 夺3 g 4 g 移动通信系统” 2 0 0 0 年的悉尼奥运会，利用r o f 技术建立了t e k m a rb r i t e c e l i t m | 呵络。它 解决了奥远会期间，大量移动电话同时呼叫的连接曰题，实现了宽带传输，避免 了拥睾的发隹，且在奥运会开幕式时，成功连接了5 0 0 0 0 0 无线电话的呼叫。法 刚络综合了3 个g s m 运营商的系统，采用多标准的尤线通信协议拥有人于5 0 0 个远端天线单元采用低射频功率分布式天线系统町以动态的分酉己网络容量。在 h 本，r o f 已经应川在r 现有的蜂窝系统个人数字通信( p d c ，p e r s o n a ld i g i t a l c o m m u n i c a t i o n ) 系统和宽带码分多址接八( w c d m a ，w i d e b a n dc o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 系统中。n t t d o c o m o 作为n 本蜂窝系统运营商之 ，将r o f 技术运用j 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l ，然后通过光纤与个主基站连接在一起。 图13 应用在悉尼奥运会的r o f 系统 未来的蜂窝移动通信网络为了能够给用户提供更大的带宽，必须提高其载波 频年并减小每个基站所覆盖的范围。r o f 技术不仅可以解决高频信号的传输问题 而f l 还口j 以有效降低基站( b s ) 建设的成本羽】复杂棵度，所以被认为在未柬的4 g 无线接入网中占有重要的地位。1 。r o f 技术将传统b s 结构改为分布式结构b s 与巾心站之问光纤传输高频的射频信号。处理和控制的功能都在c s 实现，远程 的b s 只负责射频信号的收发和光电转换无需对信号进行调制和解调，大大简化 了b s 的结构，使得实现b s