张燕-RoF技术的应用探析.doc

张燕-RoF技术的应用探析 作者： 日期：RoF技术的应用探析张燕（电子科技大学成都学院，四川 成都，610031）摘要：光纤无线融合是未来接入网的一大发展方向。本文简要介绍了光载无线电(RoF)技术的特点，对RoF常见的网络融合方案做了简单介绍，展现了RoF网络融合技术的广阔应用前景。关键字：RoF，PON，网络融合Abstract: The convergence of optical and wireless networking is a promising development for future access network architecture. In this paper, the recent development of RoF technologies and its distinguishing feature are introduced. The wide applications of RoF technologies for network convergence are represented.Key words: RoF, PON, Network convergence 随着对高速多媒体移动通信的需求不断增加，无线通信系统对宽带传输能力的要求也越来越高，同时伴随着无线通信系统容量的快速增长，多种无线标准的存在又要求接入系统具备多业务操作的能力。无线接入技术正面临着空前的挑战。光纤接入和无线接入分别有着各自的优势，光纤具有低损耗、高带宽、防电磁干扰等特点，而无线接入则可以给用户带来无处不在的方便快捷服务，且免去了铺设光纤的昂贵费用，于是，人们就想能不能用一种技术将有线与无线接入融合起来。光载无线电(RoF, Radio over Fiber)技术就是应这种需求而出现，并且成为越来越多人研究的热点。1. RoF技术介绍RoF技术是应高速大容量无线通信需求，新兴发展起来的将光纤通信和无线通信相结合起来的无线接入技术。将射频信号调制到光波载波上实现基于光网络分布的无线通信技术即为RoF技术。RoF系统中直接利用光载波来传输射频信号，运用光纤作为基站与中心站之间的传输链路。光纤仅起到传输的作用，大部分功能，如交换、控制和信号的再生都集中在中心站，基站仅由光电转换器件和放大器构成。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，可以更好地实现设备共享、动态资源分配和更有效的管理，同时可以有效降低远端基站的功耗和成本，并使其小巧宜于安装。光纤传输的射频（或毫米波）信号提高了无线带宽，但天线发射后在大气中的损耗会增大，所以要求蜂窝结构向微微小区转变，而基站结构的简化有利于增加基站数目来减少蜂窝覆盖面积，从而使组网更为灵活，大气中无线信号的多径衰落也会降低；另外，利用光纤作为传输链路，具有低损耗、高带宽和防止电磁干扰的特点。正是这些优点，使得RoF技术在未来无线宽带通信、卫星通信以及智能交通系统等领域有着广阔的应用前景。 2. RoF系统技术特点RoF技术降低了天线的复杂度，因而具有了以下几个优点:首先，从通信损耗和容量来看。光纤传输具有低损耗、大带宽的特点。目前商用的单模光纤在1550nm和1310nm波长的传输衰减分别小于0.2dB/km和0.5dB/km，远低于同轴电缆的损耗，因此通过光纤传输微波信号可以在减小传输功率的同时增大传输距离。同时，光纤的三个低损耗窗口提供了高达50THz的带宽，再结合密集型光波复用(DWDM: Dense Wavelength Division Multiplexing)等技术就可以使光纤传输容量利用率大为增加。射频信号在传输时伴随着较高的传输损耗，如果采用同轴电缆传输则需要较多的再生中继设备，从而增加了系统成本。利用RoF技术则可以实现低损耗的毫米波传输因而不必采用再生中继设备，同时也简化了远端天线单元( RAUs ,remote antenna unites)的结构。其次，从成本角度看，RoF技术可以降低安装和场地租赁成本、维护成本以及电子处理成本。采用RoF技术时，其信号处理等复杂设备均集中于中心站，就大大简化了RAU的结构。这就带来了两个优势:RoF系统的电子器件的选择不必考虑天气等复杂环境因素;同时天线单元小巧轻便，在场地受限制无法配备其他系统的地方仍然可以安装RoF系统，RoF技术成为许多情况下的必然选择，同时由于设备简单环境温和也使维护成本降低。再次，从业务的角度看，RoF系统具有动态容量分配功能、多业务操作能力、透明性等优势。RoF链路实现了信号格式的透明化，因此通过采用RoF链路可同时传输多路不同频率的信号，实现多操作、多业务的并行操作平台。由于交换机、调制设备等均位于中心站，所以可方便地对系统进行升级等操作，也实现了容量分配的动态化，即将资源和容量配置到需求多的地方，比如展厅、公交和班车车站等处。最后，RoF系统的抗电子干扰特性好，良好的抗电子干扰特性对于无线微波通信是一个具有吸引力的优势。这是由于光纤具有良好的抗电磁干扰、防窃听等特性，也基本上不产生电磁辐射环境和电磁辐射生物效应。同时，天线单元的结构简化也带来了能耗和电磁辐射强度的降低。3. RoF系统在网络融合中的应用丰富的传输带宽、无缝的覆盖范围、大容量、低功耗等优点均使得RoF系统光无线网络融合中有较大的发展空间。另外，它对信号的调制格式具有透明性，它只提供一个物理传输的媒介，可以把它看成天线到中心控制局之间点到点的透明链路。通过它与各种网络(2G、3G、4G、UWB、WPAN、WLAN、WIMAX、ITS、CATV等)的融合，可以达到集中控制、共享昂贵器件、动态分配网络容量、降低成本的目的。(1) 与2G/3G移动通信网络的融合 在与现有的2G/3G移动通信系统的融合中，RoF主要应用于微小区和室内覆盖，作为现有移动通信网络的补充。伴随着无线通信系统容量的快速增长，小区半径越来越小，微小区、微微小区数目迅速增加，在需要较高容量的区域，比如在人口比较密集的城市可以采用RoF的微小区技术以获得较高的系统容量。利用RoF技术在中心基站和一定数目的小区天线之间进行数据传输。此外，在大型购物中心，机场大厅，展览中心等大型建筑中，如何解决建筑物内的无线高速数据传输和无线接入覆盖问题已成为迫切需要解决的技术关键。采用RoF技术进行室内覆盖，在室内建立无线基站并结合分布天线系统(DAS， distributed antenna systems)，可有效提高覆盖率并增加系统容量。DAS使用高频模拟传输系统将微波信号从中心站传输至各个分布天线。由于RoF具有附加损耗低以及体积小重量轻等优点，因此对于DAS传输系统，RoF技术是一个理想的选择。目前RoF技术已经占据了DAS传输系统市场的10%-20%份额，但是，相对昂贵的光器件使RoF的成本增加影响了市场份额的进一步提高。随着新技术的采用，RoF系统成本还会进一步降低，它的市场份额也会进一步地增加。RoF与2G/3G移动通信的融合在实际中已有一些应用实例。如2000年的悉尼奥运会，利用RoF技术建立了Tekmar Brite-Cell TM网络。该网络综合了3个GSM运营商的系统，采用多标准的无线通信协议，低射频功率分布式天线系统，动态的分配网络容量，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。此外，在日本，RoF也已经应用在了现有的蜂窝系统个人数字通信(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。 (2) 与未来4G移动通信网络的融合 在未来的4G无线接入网中，正交频分复用(OFDM , Orthogonal Frequency Division Multiplexing)作为优选方案，具有高频谱利用率和可靠性，良好的抗多径衰落能力等优点，适用于高速的数据传输。RoF技术则充分结合光纤和高频无线电波传输的特点，使基站简化，将传统基站集中的天线结构变为分布式天线结构，基站天线与中心站间使用光纤连接，为基站与中心站之间提供低损耗、高带宽、可靠的信息传输，能实现大容量、低成本的射频信号有线传输和超宽带无线接入。将RoF技术与OFDM技术融合在一起构成的OFDM-RoF系统，具有这两种技术各自的优点，既能有效降低系统成本，又能大大增加通信系统容量，如果天线单元采用多进多出技术，还可进一步加大系统容量和提高传输速率。目前基于OFDM 的RoF 技术是一个最近比较热门的研究领域，它涵盖光纤通信和无线通信领域，它具有其它系统无法比拟的优势，比如受电磁波干扰小，覆盖范围大，容量大，远端基站模块成本低，系统部署灵活简单、延伸性好，易于集中升级管理等等。(3) 与无源光网络(PON)的融合 伴随着光纤敷设到户(FTTH)趋势的日益深入化，无源光网络(PON，Passive Optical Network)以其低成本、高带宽等优势得到越来越广泛的应用， EPON、GPON和WDM-PON已经进入了接入市场。另外一方面，宽带无线接入 (BWA)技术正变得流行，它们的优势在于更具拓展性和灵活性。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，RoF与PON融合成为一种很有前途的架构。该结构中，无线和有线业务均在光纤上传输，其中下行信号在远端接入点(RN）分别送到光网络单元(ONU)和无线接入点(WAP)，实现有线信号和无线信号的分离, 信号能同时传送到有线和无线用户处。在中心局端，中心基站(BTS)和光线路终端(OLT)分别进行信号的集中处理。这种结构的优点是利用了目前FTTH已铺设的光纤，降低了无线接入的成本并可以扩容。 (4) 与轨道交通系统的融合 RoF在高速铁路交通的应用早有报道，例如在日本该技术不仅用于轨道交通，而且被应在高速公路的智能交通系统（Intelligent Transport system，简称ITS)中。在轨道交通中运用RoF技术，利用沿路分布的天线，可以形成沿铁道无缝覆盖的无线网络。在具体实现上可结合WiMax等技术，在每个大基站用RoF技术实现射频拉远，提高覆盖面积的有效利用率并且将切换问题简单化。现已有一些操作于微波波段的ITS通信系统，能够宽带接入并提供多种业务，同时具有安装简单、成本低的特点，展示了RoF接入网络的优势。(5) 与有线电视系统的融合有线电视(CATV)业务一直是促使光纤在本地环中应用的有力推动者，CATV网络在数字电视技术尚未发展的时期就开始采用光纤取代同轴。随着数字电视技术的发展和普及，除了固定的CATV业务，在很多地区也提出了移动CATV业务，同时也不断开展其他宽带广播业务、提供便利的通信服务，如话音和Internet接入。将RoF技术与已有的CATV网络结合，在利用原有光纤资源基础上，RoF技术可以实现多种业务的接入，并且具有接入设备简单、组网快捷的特点。随着RoF的发展，近来将CATV和微波射频信号同时加载在光纤中一起传输，受到越来越多研究者的关注。4. 结束语总的说来，网络融合是未来的一大发展方向。在下一代网络中， RoF具有诱人的应用前景，尽管RoF技术距离大规模的商用还有很长的路要走，也有很多关键技术要攻克，但是，科学研究始终是走在技术产业化的前面，同时，光无线融合的大趋势是无法阻挡的，无论在现在还是将来，RoF都将是研究人员和运营商最为关注的一项技术。而对于RoF技术的研究，人们的目光也会由理论研究转向实际的应用，向更低成本，更高集成化努力。RoF在未来光无线融合的潮流中必将扮演越来越重要的角色。参考文献1 Luo Yuanqiu，Wang Ting，Weinstein Steve，et al. Integrating optical and wireless services in the access network. 2006 Optical Fiber Communication Conference， and the 2006 National Fiber Optic Engineers Conference，2006，p16369542 Liu Qingchong，Qiao Chunming，Mitchell Gregory，et al. Optical wireless communication networks for first-and last- mile broadband access Invited. Journal of Optical Networking，v4，n12，December，2005，p807-8283 Rockwell，David A，Mecherle G. Optical