ROF技术在光无线网络融合中的应用

2008/3/31，（北邮SPIE学生俱乐部 孙小强）当前，基于PON技术的FTTH在一些试点城市进行得如火如荼，同时，WiMAX也异军突起并顺利成为3G标准中一员。在骨干光网络已趋于饱和的情况下，接入网领域的巨大市场份额无疑会成为各大运营商争相投资的动力。光纤接入和无线接入分别有着各自的优势，光纤具有低损耗、高带宽、防电磁干扰等特点，而无线接入则可以给用户带来无处不在的方便快捷服务，且免去了铺设光纤的昂贵费用，于是，人们就想能不能用一种技术将有线与无线接入融合起来。Radio Over Fiber(ROF)技术就是应这种需求而出现，并且成为越来越多人研究的热点。 
    2008年伊始，国内电信业重组成为人们讨论的焦点，就人们已经预测的重组方案来说，未来的运营商都将拥有自己的固定和移动网络，并且兼营两部分业务，为了成本的最低化、网络的最优化，运营公司必定会选择网络的融合。另外，从市场上看，有调研机构调查显示，在调查对象中，有60.6%认为在未来5年中主要出现的情景将是无线和有线的融合（FMC），大多数用户将拥有1部多模电话机，并通过最适合的网络(可以是固定网，也可以是无线网)来进行呼叫。
    所以，无论从技术、政策还是市场驱动上看，融合必定成为今后电信业的主旋律和必然趋势，技术将趋于融合，网络将趋于融合，业务也将趋于融合，ROF技术也必将在未来网络融合中发挥巨大的作用。

1．ROF技术介绍
    ROF技术是应高速大容量无线通信需求，新兴发展起来的将光纤通信和无线通信相结合起来的无线接入技术。ROF系统中运用光纤作为基站(BS)与中心站(CS)之间的传输链路，直接利用光载波来传输射频信号。光纤仅起到传输的作用，交换、控制和信号的再生都集中在中心站，基站仅实现光电转换，这样，可以把复杂昂贵的设备集中到中心站点，让多个远端基站共享这些设备，减少基站的功耗和成本。
光纤传输的射频（或毫米波）信号提高了无线带宽，但天线发射后在大气中的损耗会增大，所以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少蜂窝覆盖面积，从而使组网更为灵活，大气中无线信号的多经衰落也会降低；另外，利用光纤作为传输链路，具有低损耗、高带宽和防止电磁干扰的特点。正是这些优点，使得ROF技术在未来无线宽带通信、卫星通信以及智能交通系统等领域有着广阔的应用前景。

2．ROF技术当前研究的现状
    在ROF系统中，由于光载波上承载的是模拟的微波信号，与传统的数字光纤传输链路相比，其系统对光器件的性能以及链路自身的色散、非线性效应等都有了更为苛刻的要求。目前，对于ROF技术的研究仍然集中在物理层上，例如基于微波光子学的毫米波信号源产生，光调制器、滤波器的特性分析与改进，光纤链路的色散控制，以及基站中光载波的再利用等系统设计与优化。
    其中，以毫米波信号源的产生技术为例，传统的高频信号发生源需要昂贵的本振源，可以利用光波的外差混频技术来得到高频载波。在雷达或光纤无线电（ROF）通信系统中，在光域里对中频微波信号进行上变频，可以得到承载高数据率的毫米波信号，目前比较成熟的技术有，基于强度调制器、基于EAM中XAM效应、基于SOA中XGM效应、基于高非线性光纤中的XPM或FWM效应的全光频率上变换技术。
    目前，IEEE收录的电子期刊以及其他光学权威期刊Optics Letters、Optics Express等都刊载了大量关于ROF的文章，但是，这些研究都停留在对信号处理技术以及链路系统研究的层面上，对网络层次的研究成果较少。一种技术的成熟必定要依赖于市场的驱动进而产生利润。ROF技术要在实际通信系统中应用，还有许多现实的问题需要研究。例如：网络融合中的接口问题，MAC协议的问题，天线的更高增益问题以及高速移动在微微蜂窝中频繁切换的问题和多普勒效应问题等等。
    在研究领域，美国乔治亚理工大学的张教授研究组对40G/60G射频ROF系统作了大量的研究，并且搭建出了一套光无线传输系统，将DVD存储的高清晰电视数据源调制到40G的微波上，然后经过调制到光载波上传输，经过探测接收并由天线发射，并在接收端将信号送给高清晰电视进行播放，得到很好的实验效果。但是，发射天线和接收天线的距离很近并且容易受水蒸气的干扰。
   不久前，OFC 2008会议在美国加州圣地亚哥成功举行，网络融合成为一个热点话题，关于ROF技术的文章也有很多被收录其中，与以往不同，这次收录的ROF论文都趋向于对应用的研究。其中比较典型的文章有：将正交频分复用(OFDM)应用于ROF系统，来增加频谱利用率并减小码间干扰；研究在上行传输时光波长再利用技术，从而去掉基站的光源；基于WiMAX或WiFi与ROF技术结合的研究；基于光分叉复用器(OADMs)的ROF系统环形网络的研究；基于多模光纤和塑料光纤的ROF系统。

3．ROF技术在网络融合中的应用
    在移动通信中，丰富的传输带宽、无缝的覆盖范围、大容量、低功耗等优点均使得ROF系统光无线网络融合中有较大的发展空间。另外，它对信号的调制格式具有透明性，它只提供一个物理传输的媒介，可以把它看成天线到中心控制局之间点到点的透明链路。通过它与现有网络的融合，可以达到集中控制、共享昂贵器件、动态分配网络容量、降低成本的目的。下面介绍ROF与现有多个不同网络的融合的成功案例。

3.1 与GSM或WCDMA网络的融合
     2000年的奥运会在澳大利亚悉尼举行，利用ROF技术建立了Tekmar BriteCellTM网络。它解决了奥运会期间，大量移动电话同时呼叫的连接问题，实现了宽带传输，避免了拥塞的发生，且在奥运会开幕式时，成功连接了500000无线电话的呼叫。该网络综合了3个GSM运营商的系统；采用多标准的无线通信协议；拥有大于500个远端天线单元；采用低射频功率分布式天线系统；可以动态的分配网络容量。
     在日本，ROF已经应用在了现有的蜂窝系统——个人数字通信(PDC，personal digital communication)系统和宽带码分多址接入 (WCDMA，Wideband Code Division Multiple Access) 系统中。NTT DoCoMo作为日本蜂窝系统运营商之一，将ROF技术运用于微蜂窝和微微蜂窝的信号传输微波链路中。它将很小的基站（接入单元）设置在室内天花板上，然后通过光纤与一个主基站连接在一起。

3.2 接入网与PON的融合
    下图为ROF与无源光网络(PON，Passive Optical Network)融合的系统结构框图。该结构中，无线和有线业务均在光纤上传输，其中下行信号在远端接入点(RN）分别送到光网络单元(ONU)和无线接入点(WAP)，实现有线信号和无线信号的分离。在中心局端，中心基站(BTS)和光线路终端(OLT)分别进行信号的集中处理。这种结构的优点是利用了目前FTTH已铺设的光纤，降低了无线接入的成本并可以扩容。
         
                 ROF与GE-PON相结合的系统框图

3.4 轨道交通中与WiMax的融合
    ROF在高速铁路交通的应用早有报道，例如在日本该技术不仅用于轨道交通，而且被应在高速公路的智能交通系统中。在轨道交通中运用ROF技术，利用沿路分布的天线，可以形成沿铁道无缝覆盖的无线网络，每个天线形成微微蜂窝，直径约100m。由于单元蜂窝很小的覆盖范围，火车高速的行驶速度(120km/h)，于是切换成为一个很头疼的问题，每隔3s钟便要实现一次切换。并且，如果相邻两蜂窝的重叠范围为10m，则0.3s就要切换一次。为了解决切换问题，可以引进WiMax技术，实现与ROF技术的融合。WiMax技术增加了蜂窝的覆盖面积，但同时降低了有效利用的覆盖面积。可以在每个大基站用ROF技术实现射频拉远，该技术总体上提高覆盖面积的有效利用率并且将切换问题简单化。
    另外，在下一代网络中，在一些热点区域，如商场，机场等，ROF都将具有诱人的应用前景。例如在国外，基于ROF技术的分布式天线系统(DAS)已经应用于许多热点区域。总之，ROF技术在未来光无线融合的潮流中必将扮演越来越重要的角色。
    总之，尽管ROF技术距离大规模的商用还有很长的路要走，也有很多关键技术要攻克，但是，科学研究始终是走在技术产业化的前面，同时，光无线融合的大趋势是无法阻挡的，无论在现在还是将来，ROF都将是研究人员和运营商最为关注的一项技术。而对于ROF技术的研究，人们的目光也会由理论研究转向实际的应用，向更低成本，更高集成化努力。