面向2G/3G/4G/WLAN融合接入應用的光載無(wú)線(xiàn)分布

隨著(zhù)話(huà)音業(yè)務(wù)的成熟，對IP 和高速數據業(yè)務(wù)的支持已經(jīng)成為移動(dòng)通信系統演進(jìn)的方向，也成為第代移動(dòng)通信系統的主要業(yè)務(wù)特征。

然而，2G/3G 網(wǎng)絡(luò )對數據業(yè)務(wù)的支持有廣域低速的特征，為了實(shí)現高速數據傳輸，無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信技術(shù)與技術(shù)相結合產(chǎn)生了無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)等無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)，其應用已經(jīng)成為高速數據業(yè)務(wù)的重要接入手段。但是，WLAN 的覆蓋范圍小，只能提供短距離(100 m 左右) 的覆蓋。

為了進(jìn)一步提高數據的傳輸速率，實(shí)現信號的廣域覆蓋，提高通信的靈活性，運營(yíng)商開(kāi)始將目光轉向4G?？紤]到多種移動(dòng)通信系統將長(cháng)期并存，因此為了提供更具有針對性的服務(wù)，中國移動(dòng)提出了“2G、3G、4G、”四網(wǎng)協(xié)同的發(fā)展戰略[1]。四網(wǎng)業(yè)務(wù)的融合對接入網(wǎng)的帶寬和性能有了更高的要求，傳統的接入網(wǎng)已無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)不斷提高的帶寬和性能需求。

微波光子學(xué)充分利用光子學(xué)寬帶、高速、低功耗等優(yōu)點(diǎn)來(lái)實(shí)現微波信號的產(chǎn)生、傳輸、處理和控制，以此為基礎的微波光波融合系統充分發(fā)揮了無(wú)線(xiàn)靈活接入和光纖寬帶傳輸的各自?xún)?yōu)勢，可以實(shí)現單純無(wú)線(xiàn)技術(shù)和光纖技術(shù)難以完成甚至無(wú)法完成的信息處理與傳輸組網(wǎng)功能[2-3]。由此可見(jiàn)，基于光載無(wú)線(xiàn)(ROF) 系統的分布式天線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將在四網(wǎng)融合的接入中發(fā)揮極其重要的作用。

ROF分布式天線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的一般結構如圖1 所示。利用模擬直調光模塊將射頻信號調制到光載波上，經(jīng)過(guò)光纖傳輸至遠端天線(xiàn)單元，然后利用光/電轉換和放大器放大后直接由遠端天線(xiàn)單元的天線(xiàn)發(fā)射進(jìn)行無(wú)線(xiàn)覆蓋。該方式具有成本低廉、覆蓋廣泛以及控制靈活等特點(diǎn)，在礦井、隧道和鐵路等工程領(lǐng)域，以及商場(chǎng)、機場(chǎng)和會(huì )議中心等公共熱點(diǎn)區域都具有廣泛的應用市場(chǎng)，一些廠(chǎng)家已開(kāi)始進(jìn)行了模塊和系統的研制與推廣應用。

然而，目前的光載無(wú)線(xiàn)分布式天線(xiàn)系統成本較高。成本主要取決于系統中使用的光收發(fā)模塊。為了降低系統成本，我們基于商用的千兆以太網(wǎng)光組件，經(jīng)過(guò)電路設計和改進(jìn)實(shí)現了低成本、寬帶的模擬光收發(fā)模塊，為光載無(wú)線(xiàn)分布式天線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的推廣應用打下了基礎。此外，光載無(wú)線(xiàn)鏈路中存在很多噪聲，光學(xué)損耗衰減了射頻信號功率同時(shí)增加了噪聲指數(NF)。

為了提高系統的性能，研究光損耗對光載無(wú)線(xiàn)分布式天線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的影響，具有十分重要的意義。同時(shí)，鏈路中的受激布里淵散射

也對傳輸性能產(chǎn)生不利影響，需要對其進(jìn)行分析和抑制，以提高網(wǎng)絡(luò )性能。針對點(diǎn)到多點(diǎn)的多業(yè)務(wù)融合接入及分布式傳輸需求，本文提出了面向2G/3G/4G/WLAN 四網(wǎng)融合接入應用的副載波復用和波分復用(SCM-WDM)結合技術(shù)。

1.低成本、寬帶的光收發(fā)模塊研制

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)不斷增加的需求，下一代的ROF 應用需要支持更高的工作頻率和更大的帶寬。同時(shí)，系統中，光收發(fā)模塊成本較高，是大規模應用的主要限制因素[4];

另一方面，隨著(zhù)千兆以太網(wǎng)(GbE) 技術(shù)的發(fā)展，商用千兆以太網(wǎng)光器件的調制帶寬高達8 GHz，為低成本ROF 的傳輸帶來(lái)了新的機遇。

因此，采取商用千兆以太網(wǎng)光器件來(lái)設計低成本、寬帶的光收發(fā)模塊將是一個(gè)非常重要的工作。本文提出了一種基于商用千兆以太網(wǎng)光器件的低成本、寬帶收發(fā)模塊。

收發(fā)模塊主要由光學(xué)組件，射頻放大和偏置控制電路組成。發(fā)送端光學(xué)子組件(TOSA) 是針對10 Gb/s 應用、波長(cháng)為1 310 nm、斜率效率為的分布反饋式(DFB) 激光器。接收端光學(xué)子組件(ROSA) 是針對10 Gb/s 應用、響應度為的光電探測器。為了簡(jiǎn)化設計，設計使用激光器驅動(dòng)集成電路來(lái)提供偏置電流進(jìn)行自動(dòng)功率控制(APC)。為了提高收發(fā)器的線(xiàn)性度，移去商用中線(xiàn)性度較差的轉阻放大器，并使用了100 Ω 的高精度電阻Rd 將電流信號轉換成電壓信號。

匹配激光器和驅動(dòng)器是大帶寬、低損耗模擬光發(fā)送模塊設計中巨大的挑戰。為了達到寬帶和易于實(shí)現的目的，在TOSA 中采用了25 Ω的傳輸線(xiàn)系統以匹配激光器和驅動(dòng)器。

首先，切比雪夫多節傳輸線(xiàn)用于在頻率0.3 GHz～范圍內，將50 Ω 系統匹配到25 Ω 子系統。然后串聯(lián)一個(gè)20 Ω的電阻作為匹配電阻連接到激光器以吸收反射的能量。以這種方式，能夠很容易地實(shí)現匹配網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)很大程度地提高調制效率。

此外，在接收端的光學(xué)子組件中，采用100 Ω的傳輸線(xiàn)系統以匹配探測器和放大器。探測之后，將100 Ω的子系統匹配到50 Ω，并使用寬帶的低噪放大器(LNA)放大探測的射頻信號。項目研制的收發(fā)器模塊如圖2 所示。

測得光收發(fā)模塊的頻率響應如圖3 所示。端到端的ROF 鏈路增益是-34 dB，3 dB 帶寬是4.3 GHz，能夠滿(mǎn)足面向2G/3G/4G/WLAN 四網(wǎng)融合接入應用的光載無(wú)線(xiàn)分布式天線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )需求。

2.光損耗對傳輸性能影響的分析

系統與分布式天線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的結合，可以擴大覆蓋面積，提高系統容量，應用于多種場(chǎng)所，如機場(chǎng)、商場(chǎng)、智能樓宇等。這種方法可以大大減少遠端天線(xiàn)單元的復雜性，并實(shí)現系統的集中式管理。

然而，鏈路中存在很多噪聲，光學(xué)損耗衰減了射頻信號功率同時(shí)增加了噪聲指數(NF)，使得信號被噪聲淹沒(méi)。

光載無(wú)線(xiàn)系統中的光損耗主要來(lái)自于網(wǎng)絡(luò )中的光學(xué)器件。在使用波分復用(WDM) 技術(shù)的光載無(wú)線(xiàn)分布式天線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的星型拓撲結構中，陣列波導光柵(AWG)具有很大的插入損耗[5]。

在其他的總線(xiàn)型或樹(shù)型結構中，光耦合器和光分插復用器也將引入大量的光損耗[6]。如果拓撲結構較為復雜，且沒(méi)有采用光放大器，光纖傳輸的信號將被衰減到一個(gè)較低的水平，被光纖鏈路中的噪聲淹沒(méi)。

因此，研究光損耗對光載無(wú)線(xiàn)分布式天線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸性能的影響，具有十分重要的意義。本文研究了光損耗對光載無(wú)線(xiàn)分布式天線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸的Wi-Fi 信號的影響，系統結構如圖4所示。