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ROF技术

     光纤接入具有传输速率高和距离远等优点,但是不够灵活;无线接入简单方便,但是在低频区域的频谱资源紧张,难以支持超宽带业务。光载无线(RoF)技术即是应高速大容量无线通信需求而发展起来的有线/无线融合接入技术。它利用光纤传输射频信号(RadiooverFiber),融合了光纤通信和无线通信的优势。
光载无线技术
       由于低频区域的频谱紧张,使得高频区域的毫米波(30〜300GHz)备受关注。毫米波无线通信系统具有传输容量大、设备轻便和抗干扰能力强等优点,能够支持多种超宽带业务,而且其中40〜60GHz的毫米波频段不需要授权即可使用。但是毫米波信号在空气中的损耗很大,难以实现长距离传送。在RoF技术中和光纤通信相结合,则可以拉远基站、减小基站覆盖范围,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。
       图26给出了一个典型的ROF系统的基本结构,主要由中心局CO、基站BS、光纤网络以及用户端四个部分组成。以射频光纤传输方式(即将射频信号调制在光载波信号上)为例说明其工作原理。中心局负责基带信号的调制、解调和网络连接等工作,如发送时将数字基带信号通过射频副载波调制到光载波上。中心局和基站通过光纤网络进行双向光通信,注意其光载波上承载的是射频信号。基站位于用户的接入点附近,将中心局发来的光信号通过光电转换恢复出射频信号,放大后通过天线发送给用户;同时将用户发来的信号调制到光载波上,再通过光纤网络送回中心站。
 
 RoF系统的基本结构
图26     RoF系统的基本结构
       根据对光载波进行调制的信号的频率不同,可以将RoF系统分为基带光纤传输系统、中频光纤传输系统和射频光纤传输系统三种。其中前两者可以不同程度地利用现有的射频和数学信号处理器件,但它们都需要在基站进行频率变换。后者将复杂昂贵的射频设备置于中心局,由多个远端基站共享,可减少基站功耗和成本;同时,光纤传输的射频信号提高了无线带宽;由于射频信号经天线发射后在空中损耗很大,因此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小其覆盖面积,从而使得组网更为灵活,减小了移动环境的复杂性,多径衰落的影响以及多径引起的码间干扰也会减小;另外,光纤作为传输媒质具有低损耗、高带宽和防止电磁干扰的特点。因此射频光纤传输系统最能体现RoF的技术优势,受到了学术界的广泛关注。
1. RoF网络体系结构技术
       结合RoF和其他热点技术(如Wi-Fi、PON)的特点,构建新型RoF网络体系结构是RoF走向实用化需要首先考虑的关键问题之一。目前主流的看法是将RoF网络体系结构分为三层,由下往上分别是以基站为主的无线接入层、以光交换节点为主的光网络层和以中心局为主的中心集总层。同时.随着低成本Wi-Fi的大范围覆盖、光纤到家的大规模部署、物联网应用的迅速普及和可见光通信的新兴发展,结合这类新技术新应用的RoF具体网络架构成为研究的热点。
2. RoF网络智能资源管理技术
       智能化资源管理是任何一个网络都需要解决的关键问题之一。在RoF网络中,智能化的资源管理主要体现为如何在低能耗和高效率的约束条件下实现资源的发现、共享和调度。例如,智能RoF网络在媒体访问控制(MAC)层协议方面还没有统一的标准,目前的研究工作集中在对Wi-Fi和WiMax的MAC层协议改进上,包括改进响应时间等参数以抵消光纤引入的时延;将光纤引入的时延考虑进MAC层协议设计中,利用时间同步补偿技术实现各远端基站的逻辑准同步等。智能RoF网络在资源调度方面需要同时考虑有线和无线资源,涉及多种路由算法和MAC协议。
3. RoF光生毫米波技术
       毫米波RoF系统中的关键技术之一是如何简单而又低成本地产生高性能的毫米波。利用传统电学方法产生毫米波成本很高,且产生的信号在电域难以处理,因此普遍倾向于用光学方法产生毫米波信号。目前常见的光生毫米波技术方案主要有直接调制技术、上变频调制技术和光外差技术。直接调制技术通常是在中心局产生毫米波;上变频调制技术可以在中心局也可以在基站产生毫米波;光外差调制技术则通常是在基站产生毫米波。这些方法的基本原理都是相同的,都是用光学方法产生两个不同频率成分的相干光波,将它们在平方律探测器中进行拍频,检测后得到的电信号即是频率为参与拍频的两光波频率之差的射频信号。两个不同频率的光波可以来自同一个激光器,也可以来自不同的激光器。后者由于两个光波的相干性较差,需要采取相应的锁相措施。
ROF关键器件技术
4. RoF关键单元器件技术
       在RoF射频光纤传输系统中,复杂功能配置和重要的光电域转换(如光生毫米波)在中心局完成,因此需要相关的关键单元器件技术。例如.通过研究光调制格式(如单边带调制SSB,双边带调制DSB和光载波抑制OCS)和电调制格式(如正交频分复用OFDM),为不同RoF提供合适的解决方案;通过研究微波和光波的两级滤波方式,结合数字信号处理技术实现RoF信号的频谱感知;通过研究抽样、量化和编码均在光域进行的全光模数转换器,克服传统电域模数转换器在性能和复杂度方面的缺陷;通过研究改进天线结构设计实现波束赋形,为智能天线提供技术支撑等。
5.RoF色散致功率衰落效应
       在RoF系统中,色散不仅会导致脉冲展宽和出现码间干扰,还会造成射频信号功率随传输距离发生周期性衰落的现象。在小信号调制情况下,射频或中频信号对光波进行强度调制后,通常为双边带调制。经过光纤网络传输后,在接收端进行光电变换,这时光载波和两个一阶边带会在平方律探测器中进行拍频。理论推导证明检测后的一次谐波信号(即频率为射频或中频的信号)的功率随传输距离呈现周期性衰落,其衰落周期与射频或中频信号的频率平方成反比,即频率越高,接收端检测出的电信号功率衰落周期越明显。这点对于射频光纤传输系统的影响尤为明显.需要进一步研究改善。