光载无线电（RoF）网络技术

李秀娟

0 引言

在移动通信早期，全球移动通信系统GSM、通用分组无线服务技术GPRS的数据传输速率很低，目前，用户要求通信系统提供给他们一个在任何时候任何地方、传输快速、使用灵活的多媒体信息服务。例如全球微波互联接入WiMax和全球互连城域网WiMAN技术，使用1 GHz带宽，覆盖面积也很广泛。然而，持续增加的用户数量对数据通信的要求越来越高，一个有效的解决方案是减小蜂窝范围以便容纳更多的用户，这就是所谓的微蜂窝、微微蜂窝的概念。另一个解决方案是利用新的运营频带，目前，许多研究者倾向于利用毫米波作为新的运营频带[1]，它的频率范围是40～90 GHz，这个波段可提供更高的带宽。然而使用这些方法将引发其他的问题，减小蜂窝就要增加基站 BS的数量，拓展频率对设备性能要求很高，安装和维护的费用也随之提高。在这种情况下，RoF技术应运而生，RoF技术是无线通信和光纤通信的集成，不仅能实现宽带移动服务、扩展网络覆盖范围，而且能提供更大的容量，更快的速率，更高的灵活性[2]。

1 RoF技术简介

RoF技术是把射频或毫米波信号调制到光载波上，通过光纤链路传输以实现无线接入。在常规的光网络中，传输的是数字信号。RoF通信基本上是一个模拟的传输系统，因为它传输的是模拟射频信号，直接把射频信号从中心站CS传输到基站[3]。而射频信号本身是经数字信号调制的，调制射频信号的数字信号格式为正交振幅调制QAM、正交频分复用OFDM。RoF系统包括发射系统和接收系统，通过光纤链路连接在一起。在发射端，电信号(被调制的射频信号)被用来调制光源(激光器)，调制后的光信号通过光纤传输到接收端，在接收端，由光电探测器把光信号还原成电信号。

RoF系统的基本结构如图1所示，在RoF系统中，信号的处理、路由选择和调制等都由中心站来完成，而不是由基站来完成的。在基站，仅实现简单的光电转换和无线信号的发射，这样，可以把复杂昂贵的设备集中到中心站，让多个远端基站共享这些设备，减少基站的功耗和成本。如图2所示是大楼内的RoF系统，其中光纤作为大楼的骨干传输网。

图1 RoF系统组成

图2 用光纤实现楼内有线无线通信系统集成

2 RoF技术的优势和限制

RoF技术的优势和限制如下。

（1）优势

通过光纤传输无线信号有很多优势，因为光纤提供了巨大的带宽，几乎达到THz，许多数字信号如视频、数据、电话等，通过一根光纤就可传输。光纤的高带宽还使高速信号的处理成为可能，这是电信号很难或者说不能实现的。此外，光纤的传输损耗低，波长1550 nm为0.3 dB，这对传输无线数字信号非常有利。有3个波段损耗最低，分别是850 nm、1310 nm、1550 nm，将这3个波段结合起来，可利用的带宽相当巨大，同时使毫米波技术成为切实可行的解决方案。RoF系统信号以光的形式传播，因此不受无线信号的干扰，提高了系统的安全性。在硬件方面，复杂和昂贵的设备全部集中在中心站，基站使用远端天线，它结构简单、体积小重量轻，安装简便，维护方便，减少了系统的费用。在管理层实现集中控制，使带宽资源的分配更合理[4]。

（2）限制

和其他传输系统一样，RoF受噪声和失真的影响，形成原因主要是链路中器件的非线性，例如激光器的非线性效应[5]，这些因素限制了射频信号传输系统的噪声图和动态范围，而这两个参数在无线通信系统中是非常重要的。为了降低噪声、改善信号动态范围，必须采取措施减少噪声和信号的失真。除此之外，光纤链路本身也有限制，在单模光纤中，材料色散限制了光纤链路的长度，还可能增加射频信号的噪声。在多模光纤中，模式色散限制了带宽和传输距离。

3 RoF系统关键技术

在RoF系统中，有几项关键的光学技术，例如信号的调制解调，主要有两种形式，第1种是强度调制直接探测(IM-DD,Intensity Modulation-Direct Detection)方式[6]，第2种是远端光外差探测(RHD,Remote Heterodyne Detection)[7]，在中心站，电信号的调制形式有3种，一是基带形式，即光纤基带传输，二是光纤频带传输，三是光纤射频传输。

（1）IM-DD

这项技术是用射频信号直接调制光源的强度，光电探测器直接探测，并恢复射频信号。光源的调制有两种方法，第1种，光源由射频信号直接调制，调制信号作为驱动激光器的偏置电流，如图 3(a)所示。第2种方法是用连续波驱动激光器，用外调制的方法，例如马赫-曾德尔调制器(MZM,Mach-Zehnder Modulator)调制光的强度，如图3(b)所示，如果用PIN光电二极管探测，所得到的光电流的变化规律与发射端调制的射频信号的变化规律相同。

图3 IM-DD技术

（2）RHD

甚高频信号的光纤传输要求发射系统和接收系统要有良好的性能，所有的信号处理都必须达到很高的线性要求，为了满足需要，被调制的射频信号由光外差方法产生，如图4所示。用两个窄谱线宽的激光二极管发光，它们所发射的两束光的频率差等于射频信号的频率。其中一束光用数据信号进行强度调制，另一束为连续的光信号，两束光叠加后通过光纤传输。在接收端，光电二极管 PD用光外差方式检测，两束光信号在光电二极管上拍频产生所需的射频信号，经数据信号进行振幅调制后，通过天线发射出去。

图4 双激光器RHD系统

单激光器RHD系统如图5所示，用马赫-曾德尔干涉仪(MZI,Mach-Zehnder Interferometer)作调制器，它被偏置在其调制特性曲线的峰值点或最低点，并由一个正弦信号驱动，正弦信号的频率约为射频信号频率的一半，这样在马赫-曾德尔干涉仪的输出端，伴随着光载波传输的是两个信号，两个信号的频率差等于射频信号的频率。当用数字信号对光源LD进行强度调制时，接收端的光电二极管用自外差方法解调出被调制的射频信号[8]。

图5 单激光器RHD系统

4 结语

通过对 RoF技术的介绍以及对其关键技术的分析，可以看出RoF技术可以应用于很多通信系统中，例如无线局域网WLAN技术、卫星通信和移动宽带服务等。由于RoF系统高带宽、低损耗、设计灵活等优点，因此是满足人们对宽带业务需求的具有竞争力的解决方案。尽管 RoF系统还面临降低成本的问题，也有很多关键技术要攻克，但有理由相信，随着研究的不断深入以及各种标准的不断完善，RoF系统在未来电子战、电子对抗、网络融合以及其他远程通信和电子系统中[9]，有着广泛的应用前景。

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