面向2G/3G/4G/WLAN融合接入應(yīng)用的光載無(wú)線分布式天線系統(tǒng)

隨著話音業(yè)務(wù)的成熟，對(duì)IP 和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持已經(jīng)成為移動(dòng)通信系統(tǒng)演進(jìn)的方向，也成為第代移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)特征。

然而，2G/3G 網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持有廣域低速的特征，為了實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)與技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生了無(wú)線局域網(wǎng)等無(wú)線接入技術(shù)，其應(yīng)用已經(jīng)成為高速數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的傳輸速率，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的廣域覆蓋，提高通信的靈活性，運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始將目光轉(zhuǎn)向4G�？紤]到多種移動(dòng)通信系統(tǒng)將長(zhǎng)期并存，因此為了提供更具有針對(duì)性的服務(wù)，中國(guó)移動(dòng)提出了“2G、3G、4G、”四網(wǎng)協(xié)同的發(fā)展戰(zhàn)略[1]。四網(wǎng)業(yè)務(wù)的融合對(duì)接入網(wǎng)的帶寬和性能有了更高的要求，傳統(tǒng)的接入網(wǎng)已無(wú)法滿足用戶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(xiàn)微波信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸、處理和控制，以此為基礎(chǔ)的微波光波融合系統(tǒng)充分發(fā)揮了無(wú)線靈活接入和光纖寬帶傳輸?shù)母髯詢?yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)單純無(wú)線技術(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(ROF) 系統(tǒng)的分布式天線網(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分布式天線網(wǎng)絡(luò)的一般結(jié)構(gòu)如圖1 所示。利用模擬直調(diào)光模塊將射頻信號(hào)調(diào)制到光載波上，經(jīng)過(guò)光纖傳輸至遠(yuǎn)端天線單元，然后利用光/電轉(zhuǎn)換和放大器放大后直接由遠(yuǎn)端天線單元的天線發(fā)射進(jìn)行無(wú)線覆蓋。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(jī)場(chǎng)和會(huì)議中心等公共熱點(diǎn)區(qū)域都具有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)，一些廠家已開(kāi)始進(jìn)行了模塊和系統(tǒng)的研制與推廣應(yīng)用。

然而，目前的光載無(wú)線分布式天線系統(tǒng)成本較高。成本主要取決于系統(tǒng)中使用的光收發(fā)模塊。為了降低系統(tǒng)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(shè)計(jì)和改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了低成本、寬帶的模擬光收發(fā)模塊，為光載無(wú)線分布式天線網(wǎng)絡(luò)的推廣應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。此外，光載無(wú)線鏈路中存在很多噪聲，光學(xué)損耗衰減了射頻信號(hào)功率同時(shí)增加了噪聲指數(shù)(NF)。為了提高系統(tǒng)的性能，研究光損耗對(duì)光載無(wú)線分布式天線網(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(duì)傳輸性能產(chǎn)生不利影響，需要對(duì)其進(jìn)行分析和抑制，以提高網(wǎng)絡(luò)性能。針對(duì)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(yīng)用的副載波復(fù)用和波分復(fù)用(SCM-WDM)結(jié)合技術(shù)。

1.低成本、寬帶的光收發(fā)模塊研制

隨著無(wú)線業(yè)務(wù)不斷增加的需求，下一代的ROF 應(yīng)用需要支持更高的工作頻率和更大的帶寬。同時(shí)，系統(tǒng)中，光收發(fā)模塊成本較高，是大規(guī)模應(yīng)用的主要限制因素[4]；另一方面，隨著千兆以太網(wǎng)(GbE) 技術(shù)的發(fā)展，商用千兆以太網(wǎng)光器件的調(diào)制帶寬高達(dá)8 GHz，為低成本ROF 的傳輸帶來(lái)了新的機(jī)遇。因此，采取商用千兆以太網(wǎng)光器件來(lái)設(shè)計(jì)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(duì)10 Gb/s 應(yīng)用、波長(zhǎng)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(duì)10 Gb/s 應(yīng)用、響應(yīng)度為的光電探測(cè)器。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)使用激光器驅(qū)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)器的線性度，移去商用中線性度較差的轉(zhuǎn)阻放大器，并使用了100 Ω 的高精度電阻Rd 將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。

匹配激光器和驅(qū)動(dòng)器是大帶寬、低損耗模擬光發(fā)送模塊設(shè)計(jì)中巨大的挑戰(zhàn)。為了達(dá)到寬帶和易于實(shí)現(xiàn)的目的，在TOSA 中采用了25 Ω的傳輸線系統(tǒng)以匹配激光器和驅(qū)動(dòng)器。首先，切比雪夫多節(jié)傳輸線用于在頻率0.3 GHz～范圍內(nèi)，將50 Ω 系統(tǒng)匹配到25 Ω 子系統(tǒng)。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(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)很大程度地提高調(diào)制效率。此外，在接收端的光學(xué)子組件中，采用100 Ω的傳輸線系統(tǒng)以匹配探測(cè)器和放大器。探測(cè)之后，將100 Ω的子系統(tǒng)匹配到50 Ω，并使用寬帶的低噪放大器(LNA)放大探測(cè)的射頻信號(hào)。項(xiàng)目研制的收發(fā)器模塊如圖2 所示。

測(cè)得光收發(fā)模塊的頻率響應(yīng)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，能夠滿足面向2G/3G/4G/WLAN 四網(wǎng)融合接入應(yīng)用的光載無(wú)線分布式天線網(wǎng)絡(luò)需求。

2.光損耗對(duì)傳輸性能影響的分析

系統(tǒng)與分布式天線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，可以擴(kuò)大覆蓋面積，提高系統(tǒng)容量，應(yīng)用于多種場(chǎng)所，如機(jī)場(chǎng)、商場(chǎng)、智能樓宇等。這種方法可以大大減少遠(yuǎn)端天線單元的復(fù)雜性，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)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(hào)功率同時(shí)增加了噪聲指數(shù)(NF)，使得信號(hào)被噪聲淹沒(méi)。

光載無(wú)線系統(tǒng)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(fù)用(WDM) 技術(shù)的光載無(wú)線分布式天線網(wǎng)絡(luò)的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，陣列波導(dǎo)光柵(AWG)具有很大的插入損耗[5]。在其他的總線型或樹(shù)型結(jié)構(gòu)中，光耦合器和光分插復(fù)用器也將引入大量的光損耗[6]。如果拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且沒(méi)有采用光放大器，光纖傳輸?shù)男盘?hào)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(duì)光載無(wú)線分布式天線網(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(duì)光載無(wú)線分布式天線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腤i-Fi 信號(hào)的影響，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

項(xiàng)目使用改造的WLAN 接入點(diǎn)設(shè)備作為Wi-Fi 信號(hào)源。從產(chǎn)生的射頻信號(hào)經(jīng)光收發(fā)模塊調(diào)制到光載波，在單模光纖(SMF) 中傳輸后，在遠(yuǎn)端經(jīng)光收發(fā)模塊轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)功率放大器(PA) 放大后，從天線輻射出去。對(duì)于上行鏈路，因?yàn)榻邮招盘?hào)太弱，先由40 dB 增益的低噪放大器(LNA) 放大，然后調(diào)制到光載波上并被傳送到AP 端。為了補(bǔ)償光電和電光轉(zhuǎn)換的損耗，光收發(fā)模塊中的功率放大器增益設(shè)置為，從而使得光鏈路的整體增益為0 dB�；�于此系統(tǒng)，項(xiàng)目研究了上、下行鏈路的光損耗容限。

上行、下行鏈路中仿真信噪比和實(shí)際吞吐量與光損耗的關(guān)系如圖5所示。測(cè)量結(jié)果表明，下行鏈路的光損耗容限可以達(dá)到20 dB 以上。此外，當(dāng)光損耗超過(guò)23 dB 時(shí)，測(cè)得的吞吐量將迅速下降5 Mb/s，這是由觸發(fā)開(kāi)關(guān)引起的。因?yàn)樯漕l功率太低，無(wú)法觸發(fā)射頻開(kāi)關(guān)，所以下行鏈路的光損失容限要高于測(cè)量結(jié)果。此外還測(cè)量了上行鏈路的光損耗容限，當(dāng)光損耗低于25 dB 時(shí)，數(shù)據(jù)的吞吐量保持在24 Mb/s 附近，而隨著光損耗的增加，吞吐量跳變到18 Mb/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合ROF 系統(tǒng)中理論仿真的光損耗容限。

3.受激布里淵散射對(duì)傳輸性能影響的分析和抑制

光纖中受激布里淵散射(SBS) 效應(yīng)所帶來(lái)的負(fù)面影響限制了光纖輸入端口所能夠容忍的最大輸入光功率，當(dāng)輸入光功率超過(guò)SBS 閾值一定程度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生功率飽和效應(yīng)，導(dǎo)致接收端口難以獲取相應(yīng)的光功率，并且受激布里淵散射會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)的噪聲急劇增大，導(dǎo)致鏈路性能的惡化[7]。

本文提出了一種基于菲涅爾反射和抑制載波調(diào)制的SBS 增益譜/損耗譜的測(cè)量方法[8]，具有高精度、單端測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)如圖6 所示�？烧{(diào)諧光源(TLS)產(chǎn)生線寬低于300 kHz 的直流光，微波源產(chǎn)生頻率可控的微波，并以載波抑制(OCS) 的方式調(diào)制到光載波上。通過(guò)控制微波的頻率可以得到頻率間隔可調(diào)的雙邊帶信號(hào)，經(jīng)放大后，進(jìn)入到被測(cè)光纖。由于光纖端面會(huì)產(chǎn)生菲涅爾反射現(xiàn)象，反射光將背向進(jìn)入到被測(cè)光纖。這兩部分光在被測(cè)光纖中逆向傳輸，當(dāng)雙邊帶的頻率間隔正好等于被測(cè)光纖的布里淵頻移，并且前向泵浦光功率高于SBS 閾值的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)效應(yīng)。泵浦光的上邊帶對(duì)探測(cè)光的下邊帶有放大作用，而泵浦光的下邊帶對(duì)探測(cè)光的上邊帶有衰減作用。因此只要通過(guò)調(diào)節(jié)微波源頻率，并且分別檢測(cè)上下邊帶的光功率，就可以很容易的得到SBS 的增益譜和損耗譜。

用這種測(cè)量方法，分別得到了標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SSMF) 和高非線性光纖(HNLF)中SBS 效應(yīng)的增益譜和損耗譜，如圖7 所示。圖給出了TLS 波長(zhǎng)為1 552.84 nm 時(shí)的增益譜，從譜線形狀來(lái)看，實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好的吻合了理論上的洛侖茲線型，并且不同泵浦功率對(duì)應(yīng)的布里淵增益系數(shù)峰值也不同。同樣，當(dāng)波長(zhǎng)調(diào)到1 552.71 nm 的時(shí)候，可以測(cè)得如圖7(b) 所示的SBS 損耗譜，并且布里淵損耗系數(shù)峰值也會(huì)隨著泵浦功率的增加而增加。

目前抑制SBS 效應(yīng)的方法主要有增加激光器線寬。為了研究激光器線寬對(duì)SBS 閾值的影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了信號(hào)在鏈路中傳輸時(shí)鏈路中光功率的監(jiān)測(cè)情況，測(cè)試結(jié)構(gòu)圖如圖所示。矢量信號(hào)分析儀產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，調(diào)制到光載波上傳輸，摻鉺光纖放大器(EDFA)用來(lái)調(diào)節(jié)入纖光功率。光信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)行器和耦合器進(jìn)入被測(cè)光纖中傳輸，被探測(cè)器接收恢復(fù)出電信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中直調(diào)激光器的線寬約為10 MHz，而窄線寬光纖激光器的線寬約為50 kHz。實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了鏈路各監(jiān)測(cè)點(diǎn)光功率的變化情況，在環(huán)行器后用PM1 來(lái)監(jiān)測(cè)入纖光功率，經(jīng)過(guò)被測(cè)光纖后用監(jiān)測(cè)透射光功率，利用PM3 監(jiān)測(cè)光纖背向散射光的光功率。

測(cè)試結(jié)果如圖9 所示，其中，圖8和圖9(b)分別對(duì)應(yīng)于激光器線寬為的直接調(diào)制和50 kHz 的外調(diào)制。由圖9(a) 可以看出，當(dāng)入纖光功率低于13.5 dBm 的時(shí)候，光纖反射光功率和透射光功率緩慢增加，當(dāng)入纖光功率高于13.5 dBm 的時(shí)候，其中反射光功率發(fā)生急劇變化，快速增加，并且在17.5 dBm 的時(shí)候與透射光功率均等，可以看出單模光纖的SBS 閾值約為13.5 dBm。由圖9(b) 可以看出，激光器線寬為50 kHz 條件下，閾值在9.5 dBm 附近，比10 MHz 線寬時(shí)降低了4 dB 左右。

4. 2G/3G/4G/WLAN 多業(yè)務(wù)分布式傳輸?shù)腟CM-CWDM技術(shù)

隨著中國(guó)移動(dòng)推出四網(wǎng)協(xié)同的發(fā)展戰(zhàn)略，無(wú)線業(yè)務(wù)應(yīng)用正趨于多樣化。2G 網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)向低端用戶提供移動(dòng)語(yǔ)音業(yè)務(wù)，3G 網(wǎng)絡(luò)在全球范圍內(nèi)正得到大規(guī)模部署，同時(shí)能夠支持更高無(wú)線接入速率的4G 網(wǎng)絡(luò)也在逐漸鋪開(kāi)。此外，WLAN 作為低成本高效率的流量承載解決方案，正進(jìn)入快速發(fā)展的時(shí)期。通過(guò)不同的網(wǎng)絡(luò)向多個(gè)基站配置多制式的無(wú)線業(yè)務(wù)，將導(dǎo)致大量的資本輸出(CAPEX)和運(yùn)營(yíng)支出(OPEX)。針對(duì)這一問(wèn)題，光載無(wú)線分布式天線系統(tǒng)是最有吸引力的解決方案[9]。前面已經(jīng)介紹了實(shí)現(xiàn)低成本、高性能的光載無(wú)線分布式天線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，為了面向四網(wǎng)融合接入應(yīng)用，項(xiàng)目采用副載波復(fù)用(SCM) 和波分復(fù)用技術(shù)的結(jié)合[10]，充分利用了光纖的寬帶特性。

副載波復(fù)用系統(tǒng)，在發(fā)送端將各路待傳遞的信息分別調(diào)制在不同的射頻(即副載波)上，然后將各個(gè)帶有信號(hào)的副載波合起來(lái)，調(diào)制一個(gè)光載波；在接收端，經(jīng)光電檢測(cè)得到全部的副載波，然后用電學(xué)的方法將各路副載波分開(kāi)。

SCM技術(shù)非常容易實(shí)現(xiàn)寬帶傳輸，它可以同時(shí)傳輸?shù)退�、高速�?shù)據(jù)以及模擬視頻信號(hào)。SCM 光纖通信技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)，價(jià)格低廉，可與現(xiàn)有的各種通信網(wǎng)兼容，且容易實(shí)現(xiàn)寬帶及插入業(yè)務(wù)方便，是實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)融合接入的理想選擇。然而，SCM 技術(shù)仍然局限于點(diǎn)到點(diǎn)的傳輸，不能夠滿足在復(fù)雜結(jié)構(gòu)下的低成本組網(wǎng)需求。

正因如此，本文提出了一種副載波復(fù)用結(jié)合粗波分復(fù)用方式的多業(yè)務(wù)、分布式傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10 所示。

該系統(tǒng)主要由星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成，中心局(CO) 通過(guò)WDM 設(shè)備連接到多個(gè)遠(yuǎn)端天線單元(RAU)。對(duì)于一個(gè)遠(yuǎn)端天線單元，使用SCM 技術(shù)，每個(gè)波長(zhǎng)承載多制式的無(wú)線業(yè)務(wù)，如2G/3G/4G/WLAN。在中心局，多制式的無(wú)線業(yè)務(wù)通過(guò)低成本直調(diào)的光收發(fā)模塊調(diào)制到光載波上，然后粗波分復(fù)用器(CWDM) 將各路信號(hào)復(fù)用到一根標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SMF) 中傳輸。在遠(yuǎn)端天線單元(RAU)，多路信號(hào)經(jīng)解復(fù)用器后分配到光收發(fā)模塊轉(zhuǎn)換成射頻信號(hào)，再經(jīng)過(guò)電放大器放大后由天線發(fā)射。同樣，上行信號(hào)被天線接收后注入到光收發(fā)模塊，并由粗波分復(fù)用(CWDM) 進(jìn)入光纖，回傳到中心控制局，控制局內(nèi)光收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換，得到射頻信號(hào)再進(jìn)行后續(xù)處理。

基于SCM-WDM 的光載無(wú)線分布式天線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)WDM 技術(shù)，將大量的遠(yuǎn)端天線單元連接到中心局，增加了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，而且很大程度降低了無(wú)線接入網(wǎng)的成本。

為了評(píng)估SCM-WDM 系統(tǒng)的傳輸性能，項(xiàng)目建立了基于四信道的結(jié)構(gòu)和四制式的無(wú)線業(yè)務(wù)副載波復(fù)用的ROF-DAS 系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖11 所示。四種信號(hào)分別是的EDGE-8PSK 信號(hào)、的WCDMA-QPSK 信號(hào)、2.3 GHz 的信號(hào)和2.412 GHz 的信號(hào)。

圖12 給出了測(cè)得的每種業(yè)務(wù)傳輸?shù)恼`差向量幅度(EVM) 值，包括使用SCM 技術(shù)和未使用SCM 技術(shù)的情況。由圖12 可以看出，上、下行鏈路的性能之間沒(méi)有明顯差別，同時(shí)四種業(yè)務(wù)的EVM 曲線是相似的。在射頻輸入功率較低時(shí)，隨著功率的增加，性能得到提高，當(dāng)功率增加到一定值是，由于非線性的引入，EVM 性能將會(huì)隨著功率的增加而惡化。在的輸入功率，802.11g 64QAM、、WCDMA 和EDGE 實(shí)現(xiàn)了最好的EVM 值，分別是0.75% 、、1.1% 和0.5% ，符合無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定。表明基于SCM-WDM 技術(shù)的光載無(wú)線分布式天線網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)多制式無(wú)線業(yè)務(wù)上下行鏈路的高性能傳輸。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了低成本、高性能、寬帶光載無(wú)線系統(tǒng)的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：低成本、寬帶的光收發(fā)模塊電路設(shè)計(jì)與研制，鏈路中光損耗和受激布里淵散射效應(yīng)對(duì)信號(hào)傳輸性能的分析。針對(duì)面向2G/3G/4G/WLAN 四網(wǎng)融合接入的應(yīng)用需求，本文提出了副載波復(fù)用結(jié)合波分復(fù)用的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多制式無(wú)線業(yè)務(wù)點(diǎn)到多點(diǎn)的分布式混合傳輸。為光載無(wú)線分布式天線系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提供了有力的支撐和推動(dòng)。

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