JLT：光-无线混合接入专刊
发布时间：2008-01-07 15:24:11 热度：3615
不支持该视频 1/7/2008,本期的JLT是一个以光-无线混合接入为主题的专刊报导。“光无线接入”是近年来才被广泛重视的研究问题，研究者提出这个命题的初衷应该是技术优势互补。光通讯的最大优势就是带宽大，而无线通讯的最大优势在于灵活，能够实现无处不在（Ubiquitous）的信息接入。将这两者的优势结合就是“光无线接入”最大的特点，即实现宽带灵活的信息接入。当然，光无线接入的优势还有许多，下文将详细论述。之前看过很多网上关于光无线接入的文章，发现很多作者直接把光无线接入技术等同于自由空间光通讯，我觉得这是一个不准确的概念。显然，光无线接入应该囊括更广泛的内容，凡是以实现光和无线通讯无缝对接为目标的技术都可以被纳入这一范畴。而目前来说研究最广泛的技术主要有两个，一个就是自由空间光通讯（FSO），另一个就是光纤无线通讯（ROF）。前者是光束信号在大气空间内传送，而后者则是利用光纤传输微波信号，两者都应该被视为光无线混合接入。本次专刊的编委谈到，共收到近５０篇稿件，按地区划分，亚太、北美和欧洲各占三分之一。最终专刊共出版了２７篇论文，基本涵盖了这一领域最新最前沿的一些研究内容。由于内容较多，且很多文章存在主题相似的问题，因此我打算将一些内容糅合在一起，不再按篇介绍。
一.基本概念与优势分析：
这一部分里，将结合包括Corning公司、California大学、Standford大学等研究机构研究者的六篇论文内容，试图给出光无线混合接入网络的一个一般性概念，并揭示出当前该领域的研究焦点问题。
光-无线混合接入网络结构示意图
既然是一个学科交叉的概念，首先有必要独立回顾一下光通讯和无线通讯两个概念起源。在光接入技术里，当前占绝对优势的当属无源光网络（PON）技术。基于当前的技术标准，从OLT到ONU，PON能实现最大20km的传输距离。以商用最广泛的时分复用TDM-PON为例，可以实现64个用户，1-10Gb/s的带宽。而对无线通讯而言，已存在的主要有无线保真(WiFi)、微波存取全球互通(WiMax)和蜂窝网络三种技术。当前最普遍应用的当属基于IEEE 802.11a/b/g标准的WiFi技术，而基于IEEE 802.16标准的WiMax技术由于扩展了最大可工作距离而成为最具潜力的无线通讯技术。以WiMax为例，该技术可实现最大单用户带宽为28Mb/s，最大工作距离15km。
而所谓的光无线混合接入就是结合两者的优势，在OLT到ONU的骨干网络部分，采用PON的组网形式，可以以时间或波长等形式复用信息，最后单通道信息通过分束器下载到相应的ONU。而在ONU到目标用户这一层次，则采用无线通讯最普遍采用的“网关路由”技术。
而从信息的上下载对比来看，可以发现在光无线混合网络里，信息下载是履行单播路由的模式，由一个特定网关将信息发送给确定的目标用户。而信息上载则是一个任播路由过程，因为存在带宽竞争问题，用户将根据实际情况将其数据包发送给任意一个网关（或ONU）。
从上面的简单介绍并对比图示可以详细总结光无线混合接入网络的一些优势：
a)首先当然是继承了光通讯的优势，能够具有比无线通讯大的多的带宽；
b)其次是秉承了无线通讯的优势，具有比光通讯更高的灵活性，真正实现anytime- anywhere的用户接入；
c)而对应用而言，最明显的是这种混合接入的性价比优势。如果要实现FTTH，高昂的安装和维护成本通常让普通用户难以承受。按照美国2001年的统计数据，无线通讯的整体运营成本只相当于FTTH的1/60到1/30。因此采用混合接入方式可以在利用光通讯技术优势的同时，也获得了无线通讯的成本优势；
d)这种混合网络再生性好，具有“自组织”的能力。这是一个典型的1+1>2的命题。光无线混合网不仅兼具了两者的优势，还产生了许多优于两者的优势。如图所示，如果采取全光网络的模式，一旦从OLT到某个分束器(splitter)的线路发生断裂，则该线路的终端用户将无法与OLT通讯。但在混合网络里，一旦该环节断裂，用户仍可以与其它ONU取得联系，继续维持信息通讯。这是该混合网明显优于全光网络的优势。
e)这种混合网络比起无线通讯则具有更好的可靠性，能够有效避免信息阻塞并降低损耗。
二.研究焦点问题：
光无线混合接入网是一个较新的技术概念，但由于其天生的技术优势，而受到众多研究者的关注，因此相关研究近来很多。这里将主要结合California大学、Corning公司、Ottawa大学等研究的近10篇论文做一个简要总结。
1．网络配置：
上面简单给出了一个光无线混合接入网络的示意图，但对一个现实的网络，高效的优化网络结构，合理配置ONU或无线网关的位置对最终网络性能具有决定性意义。目前对该混合网络较通用的资源配置算法主要有三种，即随机配置、Greedy算法配置以及全局优化配置。随机配置最简单，ONU根据需要被随机放置。而后两种方法则是对资源配置做一些优化。Greedy算法根据一些固定的用户分布来优化ONU分布，而全局优化顾名思义则是对ONU的位置结合多种因素做一个全面的优化选择，其中最普遍使用的算法是模拟退火算法。专刊里提到一个对California州Wildhorse地区商用网络的测试结果，作者采用不同的资源配置算法，测试工作情况。评价指标定义为用户能够获得信息接入的平均传输距离L。对上述三种算法，L的大小分别为236米、202米和197米。从数据看，经过后两种算法优化后的网络更有利于实现快速稳定的信息接入，但两种优化算法对这个实测网络而言，差别并不明显。此外需要指出的是并不一定全局优化的结果就一定好，因为考虑到网络的实际情况，可能会出现不收敛的情况，甚至导致错误的资源配置。
2．信息路由：
一旦在网络结构被确定后，如何有效路由信息便成为一个关键性问题。专刊里提到的信息路由名词有很多，但总结来看，每种方法都是针对某一个特定目标性能来优化选用已有资源。因此很难综合评价这些算法。专刊里提到一个对San Francisco实用光无线混合接入网络的测试结果，显示使用不同信息路由方法的性能比较。比如采用最小延时算法（DARA），虽然能够获得很低的接入延时，但数据包的损耗却明显增大。当使用信息流量优化算法的时候，损耗不高，但延时却相对明显。这也就是说对很难获得综合性能最佳的路由模式。这还是一个有待深入探讨的问题。
3．光纤传输方式的选择：
这个问题特别针对ROF技术而言，存在选用单模光纤和多模光纤组网的问题。两种光纤如何选用并不是难题，显然对长距离传输只能选择单模光纤。但是对短距离传输，多模光纤由于具有高装配公差（截面大）、低系统损耗、通用性强等显著优势而被广泛关注。而研究的焦点问题则在于可行性论证，即证明多模光纤是否能用在ROF系统里，实现光无线混合接入。专刊里Corning公司的研究者对这一问题做了较详细的论述。作者使用商用VCSEL激光器和商用接收器做实验研究，证明对850nm波段，使用多模光纤可以有效传输2.4GHz频带的信号。而对1300nm的长波段则对应5GHz波段工作。作者证明最大可获得的带宽会随着传输距离增加而快速降低。但当最大传输距离不超过1.14km时，仍可获得高于7GHz的带宽。此外作者证明当使用单模光纤时，最大传输距离则可以超过30km。
4．信号发生：
这里提到的信号发生是特别针对光无线混合接入应用，在光域发生射频信号，而不使用光-电-光转换的信号发生技术。举个例子，专刊里有个来自Ottawa大学，关于在光无线混合网络里，超宽带（UWB）信号发生的研究。这里的UWB是指频率范围从3.1到10.6GHz的无线信号传输，相对于通常的无线通讯，具有短时间周期、免疫多通道衰竭、大带宽、低谱密度等特征。而将UWB结合ROF技术更可以将接入距离从几十米扩展到20km。作者指出有五种方法可以实现光域UWB信号的发生，具体包括在色散媒介里进行相位调制到强度调制的转换；使用有两三个拍频，其中一个为负拍频的光子微波延时线滤波器做微波滤波调制；在色散媒介里做光谱整形操作；使用频率漂移键控调制器发生UWB信号；以及使用非线性偏压的Mach-Zehnder调制器做频谱调制等。这些方法各自有各自的优势，例如第一种操作最简单，第三种灵活性很好，易于发生各种谱形等，但所有这些方法都是只利用光纤器件就可以实现，易于封装集成。
一.基本概念与优势分析：
这一部分里，将结合包括Corning公司、California大学、Standford大学等研究机构研究者的六篇论文内容，试图给出光无线混合接入网络的一个一般性概念，并揭示出当前该领域的研究焦点问题。
光-无线混合接入网络结构示意图
既然是一个学科交叉的概念，首先有必要独立回顾一下光通讯和无线通讯两个概念起源。在光接入技术里，当前占绝对优势的当属无源光网络（PON）技术。基于当前的技术标准，从OLT到ONU，PON能实现最大20km的传输距离。以商用最广泛的时分复用TDM-PON为例，可以实现64个用户，1-10Gb/s的带宽。而对无线通讯而言，已存在的主要有无线保真(WiFi)、微波存取全球互通(WiMax)和蜂窝网络三种技术。当前最普遍应用的当属基于IEEE 802.11a/b/g标准的WiFi技术，而基于IEEE 802.16标准的WiMax技术由于扩展了最大可工作距离而成为最具潜力的无线通讯技术。以WiMax为例，该技术可实现最大单用户带宽为28Mb/s，最大工作距离15km。
而所谓的光无线混合接入就是结合两者的优势，在OLT到ONU的骨干网络部分，采用PON的组网形式，可以以时间或波长等形式复用信息，最后单通道信息通过分束器下载到相应的ONU。而在ONU到目标用户这一层次，则采用无线通讯最普遍采用的“网关路由”技术。
而从信息的上下载对比来看，可以发现在光无线混合网络里，信息下载是履行单播路由的模式，由一个特定网关将信息发送给确定的目标用户。而信息上载则是一个任播路由过程，因为存在带宽竞争问题，用户将根据实际情况将其数据包发送给任意一个网关（或ONU）。
从上面的简单介绍并对比图示可以详细总结光无线混合接入网络的一些优势：
a)首先当然是继承了光通讯的优势，能够具有比无线通讯大的多的带宽；
b)其次是秉承了无线通讯的优势，具有比光通讯更高的灵活性，真正实现anytime- anywhere的用户接入；
c)而对应用而言，最明显的是这种混合接入的性价比优势。如果要实现FTTH，高昂的安装和维护成本通常让普通用户难以承受。按照美国2001年的统计数据，无线通讯的整体运营成本只相当于FTTH的1/60到1/30。因此采用混合接入方式可以在利用光通讯技术优势的同时，也获得了无线通讯的成本优势；
d)这种混合网络再生性好，具有“自组织”的能力。这是一个典型的1+1>2的命题。光无线混合网不仅兼具了两者的优势，还产生了许多优于两者的优势。如图所示，如果采取全光网络的模式，一旦从OLT到某个分束器(splitter)的线路发生断裂，则该线路的终端用户将无法与OLT通讯。但在混合网络里，一旦该环节断裂，用户仍可以与其它ONU取得联系，继续维持信息通讯。这是该混合网明显优于全光网络的优势。
e)这种混合网络比起无线通讯则具有更好的可靠性，能够有效避免信息阻塞并降低损耗。
二.研究焦点问题：
光无线混合接入网是一个较新的技术概念，但由于其天生的技术优势，而受到众多研究者的关注，因此相关研究近来很多。这里将主要结合California大学、Corning公司、Ottawa大学等研究的近10篇论文做一个简要总结。
1．网络配置：
上面简单给出了一个光无线混合接入网络的示意图，但对一个现实的网络，高效的优化网络结构，合理配置ONU或无线网关的位置对最终网络性能具有决定性意义。目前对该混合网络较通用的资源配置算法主要有三种，即随机配置、Greedy算法配置以及全局优化配置。随机配置最简单，ONU根据需要被随机放置。而后两种方法则是对资源配置做一些优化。Greedy算法根据一些固定的用户分布来优化ONU分布，而全局优化顾名思义则是对ONU的位置结合多种因素做一个全面的优化选择，其中最普遍使用的算法是模拟退火算法。专刊里提到一个对California州Wildhorse地区商用网络的测试结果，作者采用不同的资源配置算法，测试工作情况。评价指标定义为用户能够获得信息接入的平均传输距离L。对上述三种算法，L的大小分别为236米、202米和197米。从数据看，经过后两种算法优化后的网络更有利于实现快速稳定的信息接入，但两种优化算法对这个实测网络而言，差别并不明显。此外需要指出的是并不一定全局优化的结果就一定好，因为考虑到网络的实际情况，可能会出现不收敛的情况，甚至导致错误的资源配置。
2．信息路由：
一旦在网络结构被确定后，如何有效路由信息便成为一个关键性问题。专刊里提到的信息路由名词有很多，但总结来看，每种方法都是针对某一个特定目标性能来优化选用已有资源。因此很难综合评价这些算法。专刊里提到一个对San Francisco实用光无线混合接入网络的测试结果，显示使用不同信息路由方法的性能比较。比如采用最小延时算法（DARA），虽然能够获得很低的接入延时，但数据包的损耗却明显增大。当使用信息流量优化算法的时候，损耗不高，但延时却相对明显。这也就是说对很难获得综合性能最佳的路由模式。这还是一个有待深入探讨的问题。
3．光纤传输方式的选择：
这个问题特别针对ROF技术而言，存在选用单模光纤和多模光纤组网的问题。两种光纤如何选用并不是难题，显然对长距离传输只能选择单模光纤。但是对短距离传输，多模光纤由于具有高装配公差（截面大）、低系统损耗、通用性强等显著优势而被广泛关注。而研究的焦点问题则在于可行性论证，即证明多模光纤是否能用在ROF系统里，实现光无线混合接入。专刊里Corning公司的研究者对这一问题做了较详细的论述。作者使用商用VCSEL激光器和商用接收器做实验研究，证明对850nm波段，使用多模光纤可以有效传输2.4GHz频带的信号。而对1300nm的长波段则对应5GHz波段工作。作者证明最大可获得的带宽会随着传输距离增加而快速降低。但当最大传输距离不超过1.14km时，仍可获得高于7GHz的带宽。此外作者证明当使用单模光纤时，最大传输距离则可以超过30km。
4．信号发生：
这里提到的信号发生是特别针对光无线混合接入应用，在光域发生射频信号，而不使用光-电-光转换的信号发生技术。举个例子，专刊里有个来自Ottawa大学，关于在光无线混合网络里，超宽带（UWB）信号发生的研究。这里的UWB是指频率范围从3.1到10.6GHz的无线信号传输，相对于通常的无线通讯，具有短时间周期、免疫多通道衰竭、大带宽、低谱密度等特征。而将UWB结合ROF技术更可以将接入距离从几十米扩展到20km。作者指出有五种方法可以实现光域UWB信号的发生，具体包括在色散媒介里进行相位调制到强度调制的转换；使用有两三个拍频，其中一个为负拍频的光子微波延时线滤波器做微波滤波调制；在色散媒介里做光谱整形操作；使用频率漂移键控调制器发生UWB信号；以及使用非线性偏压的Mach-Zehnder调制器做频谱调制等。这些方法各自有各自的优势，例如第一种操作最简单，第三种灵活性很好，易于发生各种谱形等，但所有这些方法都是只利用光纤器件就可以实现，易于封装集成。
