无线-光混合接入技术和光纤无线技术方案研究

韩丙辰，卢玉和，吕仕儒，仝庆华，杨成全

(山西大同大学物理与电子科学学院，山西 大同 037009)

无线-光混合接入技术和光纤无线技术方案研究

韩丙辰，卢玉和，吕仕儒，仝庆华，杨成全

(山西大同大学物理与电子科学学院，山西 大同 037009)

基于无线接入和光纤技术的特点，介绍了目前无线-光混合接入技术和光纤无线技术的研究现状，并针对每种研究方案进行了分析与比较。同时，提出了基于用户端上变频技术的无线-光混合接入方案，从而为无线-光混合接入技术的研究提供一些参考。

无线-光混合接入；光纤无线技术；上变频

无线接入的灵活性和个人化的特点决定了它是面向最终用户的一个不错的选择。但是，传统的微波传输介质在长距离传输时具有很大损耗，尤其在高频段，并不适合长距离通信。而光纤系统恰好具有低损耗、高带宽特性。在这样的背景下，将信号通过光纤网络传到距离最终用户足够近的发射点上，再通过无线传输给最终的用户成为一种非常有吸引力的接入方案。因此，构建高速宽带的无线-光混合接入网，可为用户提供高速、宽带、灵活、无处不在的接入，必将成为接入技术未来的发展方向。

1 国际研究现状

美国、欧盟、日本、澳大利亚等国家的信息研究机构、大学均在光/无线混合(光载无线)系统和微波光子技术上投入了巨资进行研究，使光子微波和光纤无线(RoF)技术成为前沿研究热点。比较典型的有：欧盟委员会于2007年1月1日启动第七个科技框架计划(FP7，2007～2013)，其中的FUTON[1]项目中一个主要方向就是光载无线网络技术。在企业方面，存在着以LG、松下、NEC、三星、索尼以及东芝等公司组成的WirelessHD联盟和以思科、英特尔和华为等通信与网络公司组成的WiGig联盟正在着力于短距无线宽带技术的研发。其中，WirelessHD联盟目前的1.1版标准为在60 GHz载频上提供高至28 Gb/s的无线数据传输[2]；WiGig的标准(IEEE 802.11 ad)为以60 GHz毫米波为载频提供在10m以上距离的7 Gb/s数据传输率[3]，主要应用于室内慢速移动设备之间的连接。

在2011年的OFC会议上，美国NEC实验室等提出了一种WDM-OFDM-PON和OFDM-m-QAM混合传输的光载无线网络系统[4]。该方案实现了11.29 Gb/s的OFDM-16-QAM信号下行传输、5.65 Gb/s的OFDM-QPSK数据上行传输和如WiMAX和LTE等无线信号的上下行同时传输。此外在2010年，加拿大Concordia大学报道了他们采用两个双驱MZM调制器级联，在30GHz载波上实现了三个子载波的多频段正交频分复用(multi-band orthogonal frequency-division-multiplexing，MBOFDM)UWB信号的光载传输[5]。

同样在2011年，日本NTT公司提出了兼容WDM-PON网络的光载无线分布式天线(distributed antenna system，DAS)网络结构。该方案通过在WDM-PON系统中采用时分复用技术实现了1Gb/s的无线数据(两个802.11n信号)的传输[6]。在韩国，光州科学技术学院于2011年报道了基于非线性半导体光放大器(SOA)中相干布局数效应(coherent population oscillation effects，CPO)的光载单边带微波信号生成的实验，实现了155M/s的DPSK信号调制在26.5GHz的光载微波信号上传输[7]。

2 国内研究现状

2012年1月，中国科技部重点基础研究发展计划(973计划)支持的“面向宽带泛在接入的微波光子器件与集成系统基础研究”[8]正式启动，该项目旨在解决光子与微波集成化方面的问题，这正是光载无线系统需要重点突破的领域。此外，主要有台湾国立大学、清华大学、北京大学、北京邮电大学、上海交通大学、复旦大学、浙江大学、湖南大学、中国电子科技大学、上海大学、华中科技大学、天津大学等的一批科研院所对光纤无线传输方面开展了相关的研究。为了有效利用光纤带宽资源，实现宽带多业务网络系统、无线网络与有线网络无缝连接，对支持宽带无线多业务的RoF系统的研究越来越受到人们关注。

台湾国立交通大学联合美国康宁公司在2012年OFC上报道了对称40 Gb/s OFDM信号加载到60G Hz光载毫米波上，成功完成了10 m的无线传输实验[9]。清华大学提出了一种通过不同的调制方案在光纤系统中可重构高速脉冲无线电超宽带，用于产生Gb/s极性、形状和位置可切换的超宽带脉冲[10]。复旦大学提出使用复杂度简化的接收机实现一种新型交叉分割多路接入技术，32路1.25Gb/s多用户的波分复用、偏振复用的无源光网络方案兼容于40G Hz的RoF系统，实现了32路用户数据中28路以1.25 Gb/s进行2m无线和40 km单模光纤的下行传输，4路以5 Gb/s开关键控的编码方式进行了上行传输[11]。

天津大学在2010年发表了无本振光子微波上变频这一新现象[12]。此外，在光子微波振荡器，利用光纤中受激布里渊散射(SBS)实现微波倍频，以及在光载超宽带信号的产生技术方面开展了一系列研究工作。

3 基于用户端上变频技术的无线-光混合接入方案

对于无线-光混合接入网络而言，直接利用目前已有的并正在大量建设的各种光接入网，作为其中的光纤传输网络无疑是一个理所当然的选择。但此时的问题在于：传统的光接入网络中传输的是基带数字信号，而要将数字信号变成可无线发射的信号必然要经过上变频等处理过程。

如果不改变光纤接入网的基本架构，则这一过程必然要在临近用户的发射点(ONU)完成(现有的移动基站就是这样实现的)。但是问题在于，对于高频信号而言，完成上变频所需的本振、混频器、滤波器等器件成本非常昂贵。大大制约了无线接入技术的推广和发展。

为了避免这个问题，出现了光纤无线(RoF)技术。具体讲就是将微波信号在局端(OLT)处统一产生，再通过光纤网络传输到各个用户端(ONU)，这样可以大大降低了用户端的成本，如图1所示。

图1 基于RoF技术的无线-光混合接入解决方案

但是这种方案又带来了新的问题：

①由于在混合接入网络中存在着有线和无线用户，而微波信号是在局端产生，这就要求局端必须明确区分有线/无线用户，增加了管理的难度，同时与现有的网络架构是完全不兼容的。

②对于希望使用不同接入技术的用户而言，这需要在局端设置多套微波设备，增加了系统的难度。

③RoF并不能直接在现有的光接入网络上应用，必须对现有网络进行改造。

④高频率的光微波信号在光纤传输中的传输损伤要比传输基带信号严重得多，尤其是在传输目前无线中广泛使用的QAM、OFDM等格式的信号时问题将变得更严重。

综上，如果能够找到一种低成本的将光基带信号变成高频信号的解决方案，将无线信号的处理部分移动至用户端(ONU)。如此，可以在不改变现有的网络架构和硬件的基础上实现无线和有线接入网的无缝融合，而用户的灵活性也会大大增加，是一种理想的解决方案。基于以上分析提出的一个光-无线融合PON网络结构设计方案，如图2所示。

图2 基于用户端上变频技术的无线-光混合接入方案

4 结束语

通过前面的方案比较可知，尽管研究者们已经提出了多种无线-光混合接入方案，每种方案都具有独特的优缺点，但是核心的光子微波技术，其结构将过于复杂。现有方案大都需要一个相对低频的微波本振，利用光电子器件(或光纤)的非线性实现对微波本振的倍频和上变频，同时该微波倍频信号的产生和光子上变频过程需要再两个独立器件中完成。因此如何实现将以上两个过程在一个器件中实现将是今后的重要研究内容。

[1]FUTON.Fibre-Optic Networks for Distributed Extendible Heterogeneous Radio Architectures and Service[DB/OL].http：//www.ict-futon.eu/2008.

[2]WirelessHD.Specification Summary[E B/OL].http：//www.wirelesshd.org/about/specification-summary/2010.

[3]WiGig.Specifications[E B/OL].http：//wirelessgigabitalliance.org/specifications/2012-6-5.

[4]Liu C，Chien H，Gao Z，et al.Multi-band 16QAM-OFDM Vector Signal Delivery over 60-GHz DSB-SC Optical Millimeter-Wave through LO Enhancement[C].America：Optical Fiber Communication Conference，2011，OThJ2.

[5]Mohamed M，Xiupu Zhang，Hraimel B，et al.Optical Generation of Millimeter-Wave Multiband OFDM Ultra-Wideband Wireless Signal and Distribution Over Fiber[J].Photonics Technology Letters，2010，22(15)：1180-1182.

[6]Tashiro T，Miyamoto K，Hara K，etal.Broadband Ubiquitous Network Based on RoF-DASoverWDM-PON[C].America：Optical Fiber Communication Conference，2011，OWT2.

[7]Minho Park，Kyu-Cheol Kim，Jong-In Song.Generation and Transmission of a Quasi-Optical Single Sideband Signal for Radio-Over-Fiber Systems[J].Photonics Technology Letters，2011，23(6)：383-385.

[8]科技部.科技部公布973计划立项项目清单[E B/OL].http：//news.sciencenet.cn/htm lnews/2011/8/251643.

[9]Wen-Jr Jiang，Hejie Yang，Yi-Ming Yang，etal.40 Gb/s RoF Signal Transmission with 10m Wireless Distance at 60 GHz[C].America：Optical Fiber Communication Conference，2012，1-3.

[10]Pengxiao Li，Hongwei Chen，Minghua Chen，et al.Gigabit/s Photonic Generation，Modulation，and Transmission for a Reconfigurable Impulse[J].IEEE Photonics Journal，2012，4(3)：805-616.

[11]Jingyuan Fan，Yufeng Shao，Nan Chi.Novel 32×1.25-Gb/s WDM-PoMUX-IDMA Multiuser RPON Scheme and Its EXIT Analysis[J].Photonics Technology Letters，2012，24(23)：2183-2186.

[12]Bo Wu，Jinlong Yu，Zs Zhang，et al.A Novel and Tunable Frequency-Upconversion Based on FP-LD Injection of One Low Bit-Rate Signalwithout Any RF Local Oscillator[J].Photonics Technology Letters，2010，22(14)：1027-1029.

Research on Wireless-photonics Hybrid Access and O ptical-fiber Wireless Technology Solutions

HAN Bing-chen，LU Yu-he，LU Shi-ru，TONG Qing-hua，YANG Cheng-quan
(School of Physics and Electronic Science，ShanxiDatong University，Datong Shanxi，037009)

Based on the characteristics of the wireless access and fiber optic technology，This paper introduces w irelessphotonics hybrid access technology and optical-fiber wireless technology.Research is described in detail，analyzed and compared for each research program.Wireless-photonics hybrid access solutions is proposed based on the client up-conversion technology，which provides some reference forwireless-photonics hybrid access technology.

wireless-photonics hybrid access technology；optical-fiberwireless technology；up-conversion〔责任编辑 李海〕

1674－0874（2013）03－0023－02

TN915

A

2013-04-15

国家自然基金[61205061]；山西省青年科技研究基金[2011021018]；山西大同大学博士启动基金[2010B03]作者简介：韩丙辰(1976-)，男，山西侯马人，博士，副教授，研究方向：光纤通信和高速光信号处理。