梁　瑞，劉瑞妮，梁計(jì)鋒

(西安翻譯學(xué)院,陜西 西安 710105)

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基于光載無(wú)線通信技術(shù)的RoFSO系統(tǒng)*

梁瑞，劉瑞妮，梁計(jì)鋒

(西安翻譯學(xué)院,陜西 西安 710105)

摘要：自由空間光載無(wú)線通信系統(tǒng)(Radio over Free-Space Optical，RoFSO)是基于光載無(wú)線技術(shù)(Radio over Fiber，RoF)的一種新興通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)將光纖通信與無(wú)線通信相結(jié)合，在不易敷設(shè)光纖的區(qū)域可實(shí)現(xiàn)短跳連接，彌補(bǔ)RoF網(wǎng)絡(luò)完全依賴光纖設(shè)施的不足。介紹了RoFSO系統(tǒng)的基本組成及功能，分析了RoFSO系統(tǒng)的波分復(fù)用接口技術(shù)和發(fā)射/接收終端的單模光纖耦合跟蹤技術(shù)，同時(shí)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。結(jié)果表明該系統(tǒng)可同時(shí)穩(wěn)定傳輸多種射頻信號(hào)，準(zhǔn)確性達(dá)90%以上，是RoF網(wǎng)絡(luò)跨帶接入很好的補(bǔ)充手段。

關(guān)鍵詞：RoF；RoFSO；無(wú)線通信；波分復(fù)用

0引言

對(duì)于目前的通信網(wǎng)絡(luò)而言，超高速度、超大容量、超長(zhǎng)距離是人們追求的目標(biāo)，光纖網(wǎng)絡(luò)是可以滿足這一需求的途徑之一。因此，出現(xiàn)了基于光纖網(wǎng)絡(luò)的光載無(wú)線通信(Radio over Fiber，RoF)技術(shù)、自由空間光通信(Free Space Optics，F(xiàn)SO)技術(shù)等。RoF技術(shù)是將射頻(Radio Frequency，RF)副載波調(diào)制到光載波上并通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)募夹g(shù)，具有低成本、衰減小、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。但RoF網(wǎng)絡(luò)依附于光纖光纜的基礎(chǔ)設(shè)施，需要大規(guī)模敷設(shè)光纖設(shè)備并且建立許多不同類型的接入點(diǎn)，在不易敷設(shè)和缺少光纖基礎(chǔ)設(shè)施光纖的區(qū)域，RoF技術(shù)的應(yīng)用受到限制。RoFSO系統(tǒng)是將RoF技術(shù)升級(jí)構(gòu)成的一種光載寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)，繼承了RoF技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)彌補(bǔ)了RoF網(wǎng)絡(luò)的不足之處，不但可以解決不易敷設(shè)光纖地區(qū)的通信問(wèn)題，而且可以降低成本。除此之外，該系統(tǒng)還使無(wú)線接入更安全，難以被攔截，可實(shí)現(xiàn)免費(fèi)許可操作，通信距離可以達(dá)到4km，且具有較高的傳輸速率。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的延伸，最后一公里接入，企業(yè)間連接都能發(fā)揮重要作用，因此RoFSO系統(tǒng)為RoF網(wǎng)絡(luò)跨帶訪問(wèn)提供了途徑。本文介紹RoFSO系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析該系統(tǒng)的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)穩(wěn)定性測(cè)試證實(shí)該系統(tǒng)的可用性。

1RoFSO系統(tǒng)框圖

RoFSO系統(tǒng)是建立在RoF基礎(chǔ)上的新型通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有RoF技術(shù)可以通過(guò)光纖鏈路同時(shí)傳輸多種無(wú)線信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)彌補(bǔ)了RoF在缺少光纖區(qū)域不能傳輸?shù)目瞻讌^(qū)，因此可使信號(hào)在地面任何地方無(wú)障礙傳輸。

1.1RoF技術(shù)

RoF技術(shù)是利用光纖鏈路傳輸微波信號(hào)的一種將光與微波相結(jié)合的通信技術(shù)。如圖1所示，RoF系統(tǒng)包括中心站(CS)，基站(BS)，光纖鏈路和用戶端四個(gè)部分。為了有效利用光纖的超大帶寬，RoF系統(tǒng)大多采用波分復(fù)用(WDM)技術(shù)，即將多束不同波長(zhǎng)的信號(hào)復(fù)用在一起同時(shí)通過(guò)光纖傳輸。因此在RoF系統(tǒng)中，多種服務(wù)信號(hào)如3G信號(hào)，WLAN信號(hào)，地面數(shù)字電視廣播信號(hào)以及其他新興先進(jìn)無(wú)線服務(wù)信號(hào)在中心站中進(jìn)行處理，中心站將射頻信號(hào)模擬調(diào)制到光載波上，即實(shí)現(xiàn)了電光轉(zhuǎn)換(E/O)，調(diào)制出RoF信號(hào)，然后利用WDM技術(shù)通過(guò)光纖鏈路發(fā)送至遠(yuǎn)端的目的基站?；窘拥焦庑盘?hào)后將其光電轉(zhuǎn)換(O/E)成可用于無(wú)線傳播的射頻信號(hào)，最后通過(guò)天線發(fā)射給用戶端。RoF技術(shù)具有大容量、低功耗、易安裝等優(yōu)點(diǎn)。但是，RoF技術(shù)依附于光纖網(wǎng)絡(luò)，因此，在不易敷設(shè)光纖的地區(qū)應(yīng)用受到限制。

圖1　RoF技術(shù)原理

1.2RoFSO系統(tǒng)

RoFSO系統(tǒng)與RoF系統(tǒng)唯一不同點(diǎn)即將傳輸過(guò)程中的一段光纖用發(fā)射終端與接收終端替代，即將不易敷設(shè)光纖的一段距離通過(guò)發(fā)射和接收終端進(jìn)行連接，跨過(guò)了不易敷設(shè)光纖的區(qū)域，如圖2所示，通過(guò)中心站調(diào)制后的RoF信號(hào)經(jīng)光纖傳輸?shù)絉oFSO系統(tǒng)的發(fā)射終端，發(fā)射終端直接將接收到的RoF信號(hào)發(fā)送到自由空間，然后通過(guò)RoFSO的接收終端接收該信號(hào)并傳輸?shù)竭h(yuǎn)程基站，基站接收到光信號(hào)后將其光電轉(zhuǎn)換(O/E)成可用于無(wú)線傳播的射頻信號(hào)，最后通過(guò)天線發(fā)射給用戶端?？梢钥闯觯l(fā)射終端之前與發(fā)射終端之后信號(hào)的處理方式與ROF系統(tǒng)相同，發(fā)射終端和接收終端實(shí)現(xiàn)了光纖的短跳連接。該系統(tǒng)發(fā)送終端與接收終端之間不能出現(xiàn)障礙物，否則無(wú)法通信，傳輸最遠(yuǎn)距離為4 km，數(shù)據(jù)傳輸速率小于10 Gbit/s[1-3]。

圖2　RoFSO系統(tǒng)

2RoFSO系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

RoFSO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中包括兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，分別為RoFSO波分復(fù)用接口技術(shù)和發(fā)射/接收終端的空間光單模光纖耦合跟蹤技術(shù)。RoFSO的接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)了RoF信號(hào)與發(fā)射/接收終端的無(wú)縫連接，而發(fā)射/接收終端中的空間光單模光纖耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了透明無(wú)線傳輸。

2.1RoFSO波分復(fù)用接口技術(shù)

RoFSO系統(tǒng)中的接口設(shè)備主要是上行鏈路中CS與發(fā)射終端的接口以及下行鏈路中接收終端與BS的接口。目前已有4種射頻-RoFSO接口(I/F)設(shè)備，分別在主頻2 GHz的3 G，2.4 G的WLAN(802.11g)，5 GHz的WLAN(802.11a)，以及采用UHF頻段的地面數(shù)字電視廣播(DTV)中實(shí)現(xiàn)了無(wú)線光信號(hào)的無(wú)縫連接。圖3為RoFSO I/F設(shè)備的方框圖。

圖3　RoFSO系統(tǒng)I/F設(shè)備

在CS中，四種類型的射頻信號(hào)分別對(duì)RoF發(fā)射機(jī)四個(gè)光載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，即E/O調(diào)制，圖3中λx表示ITU-T所建議的G.692 100-GHz格柵間隔中所定義的標(biāo)準(zhǔn)化的第x個(gè)光波長(zhǎng)。接著，這些光載波在光WDM多路復(fù)合器中進(jìn)行復(fù)合，經(jīng)過(guò)摻餌光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)進(jìn)行放大，然后傳輸?shù)桨l(fā)射終端。在BS中，三種類型無(wú)線電反向信號(hào)的三種WDM光載波(802.11a,11g和3G)被送入BS的接口，然后在具有自動(dòng)增益控制(AGC)功能的后EDFA處進(jìn)行放大，AGC的功能是使所檢測(cè)到的光功率保持在固定水平。EDFA輸出信號(hào)在WDM解復(fù)用器中進(jìn)行分離，至此可以獲得光檢測(cè)之后RoF接收機(jī)的輸出所得到的各個(gè)無(wú)線射頻信號(hào)[4-5]。

2.2發(fā)射/接收終端空間光單模光纖耦合跟蹤技術(shù)

在RoFSO系統(tǒng)中，RoF信號(hào)的發(fā)射/接收終端是整個(gè)系統(tǒng)的核心。發(fā)送時(shí)，直接將波分復(fù)用RoF信號(hào)從單模光纖(SMF)發(fā)送到自由空間；接收時(shí)，將收到的光束聚焦耦合到SMF10m的核芯處。如何將發(fā)射端的RoF信號(hào)準(zhǔn)確耦合到接收端的單模光纖中是技術(shù)難點(diǎn)，下面將詳細(xì)介紹該關(guān)鍵技術(shù)。

為了將RoF信號(hào)穩(wěn)定有效的耦合到接收端的單模光纖(SMF)中，需滿足以下幾個(gè)條件：①由聚焦透鏡形成的圖像中心應(yīng)當(dāng)與SMF模場(chǎng)一致；②聚焦光束的方向應(yīng)當(dāng)對(duì)準(zhǔn)SMF光軸；③焦點(diǎn)處的光斑直徑應(yīng)當(dāng)與SMF模場(chǎng)直徑相同。

為了滿足以上3個(gè)條件，該終端需要使用空間光單模光纖耦合跟蹤技術(shù)來(lái)檢測(cè)光束點(diǎn)水平和垂直方向上的誤差，從而使RoFSO鏈路與光纖鏈路具有相同的穩(wěn)定性和可靠性。

RoFSO系統(tǒng)中空間光單模光纖耦合跟蹤過(guò)程由兩個(gè)步驟完成：通過(guò)850 nm波段的信標(biāo)光束進(jìn)行粗略跟蹤；使用1550 nm波段的通信信號(hào)進(jìn)行精確跟蹤。信標(biāo)光束(850 nm)與用來(lái)粗略跟蹤和初始化校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)載波光束(1550 nm)相分離。該系統(tǒng)使用通信信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤，即通過(guò)光分束器提取一小部分通信信號(hào)光束用于檢測(cè)光束的到達(dá)角，其中通信信號(hào)和精確跟蹤光束比例為10：1。到達(dá)角水平和垂直方向上的誤差通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行分析計(jì)算，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)快速轉(zhuǎn)向鏡來(lái)抵消這一變化。圖4為發(fā)射/接收光束跟蹤終端光學(xué)結(jié)構(gòu)。

圖4　發(fā)射/接收光束跟蹤終端光學(xué)結(jié)構(gòu)

該發(fā)射接收裝置性能如下，光發(fā)射功率：20 dB/波；幾何損失：2.6 dB/1 km；光束角寬度：1.55 μm時(shí)47.3 μrad；空氣纖芯耦合損耗：小于5 dB；光束跟蹤速度：大于2 kHz；入射光束角波動(dòng)的抑制率：100 Hz時(shí)20 dB。RoFSO發(fā)射/接收器可應(yīng)用于1 km長(zhǎng)的自由空間光通道，損耗小于15 dB，對(duì)于傳輸WDM RoF信號(hào)，它與光纖具有相同的透明度和帶寬[6-8]。

3RoFSO系統(tǒng)的穩(wěn)定性

由于RoFSO鏈路本質(zhì)是模擬信道，通信質(zhì)量與數(shù)字系統(tǒng)相比更易惡化，同時(shí)發(fā)射/接收終端是一種視距技術(shù)，對(duì)天氣條件非常敏感，因此，系統(tǒng)的穩(wěn)定性顯得非常重要。RoFSO系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性主要由兩方面因素決定，一方面是天氣條件；另一方面是錯(cuò)誤跟蹤或者跟蹤機(jī)制補(bǔ)償度不足。以上兩個(gè)因素中天氣條件對(duì)RoFSO系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較大，例如，雨，雪，霧，塵埃粒子等，這些天氣現(xiàn)象都會(huì)影響鏈路的性能。

為了測(cè)試鏈路的穩(wěn)定性，連續(xù)收集24小時(shí)降雨量為2～3 mm/h下WLAN IEEE 802.11g吞吐量的測(cè)試結(jié)果如圖5所示，可以看出，在降雨期間，所接收到的光功率由最大值-7 dBm下降到-14 dBm，同時(shí)，RoFSO鏈路中接收光功率與降雨量和吞吐量性能相關(guān)聯(lián)，這一點(diǎn)可以由圖5發(fā)送和接收吞吐量的離散值得到證明。從中午開始，當(dāng)雨量減少，接收光功率得到提高，吞吐量性能也得到改善。從而可以看出天氣條件對(duì)鏈路性能影響巨大。在這一特定測(cè)試中，吞吐量(發(fā)射和接收)始終約高于12 Mb/s，這一結(jié)果證明，即使存在天氣影響，RoFSO系統(tǒng)依然穩(wěn)定，并能提供一致的TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸。

圖5　降雨期間WLAN IEEE 802.11g吞吐量與接收光功率性能

RoFSO穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果證實(shí)，在一般大氣湍流及其他惡劣天氣條件下，對(duì)于W-CDMA信號(hào)，RoFSO可以實(shí)現(xiàn)3GPP定義的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于地面數(shù)字電視廣播(ISDB-T)的傳輸測(cè)試中，RoFSO滿足CNR為35 dB的限制條件。因此，RoFSO的穩(wěn)定性測(cè)量結(jié)果表明整個(gè)RoFSO系統(tǒng)的可用性在90%以上[9-10]。

4結(jié)語(yǔ)

本文介紹了新型RoFSO通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)彌補(bǔ)了RoF網(wǎng)絡(luò)的不足，可在通信不健全或不易敷設(shè)光纖的地方完成快速配置，實(shí)現(xiàn)了一種短跳連接，大大降低由于安裝新網(wǎng)絡(luò)的高額費(fèi)用和難度。同時(shí)，該系統(tǒng)還可以與現(xiàn)有廣泛部署的光纖基礎(chǔ)設(shè)施兼容且靈活升級(jí)。

RoFSO系統(tǒng)采用的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)方案獨(dú)具特色，其中接口設(shè)備主要采用的WDM技術(shù)保證了RoF信號(hào)傳輸速度和質(zhì)量；單模光纖耦合跟蹤技術(shù)提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確率，為該系統(tǒng)提供了可靠的保障和應(yīng)用潛力。整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果表明多種信號(hào)在RoFSO系統(tǒng)中傳輸均是穩(wěn)定的。

目前，還沒(méi)有RoFSO相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化的研究，相信在未來(lái)，隨著通信需求的不斷增大和各種標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)會(huì)得到優(yōu)化，性能會(huì)有更大提高，并在光通信網(wǎng)絡(luò)中起到主導(dǎo)作用。

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RoFSO Systembased on RoF Communication Technology

LIANG Rui,LIU Rui-ni,LIANG Ji-feng

(Xi′an Fanyi University,Xi′an Shaanxi 710105,China)

Abstract：RoFSO (Radio over Free-Space Optical System) is a new communication system based on RoF (Radio over Fiber) technology.By combining optical and wireless communications,this system could implement short-hop connection in the areas which lack fiber optical facilities,thus overcoming the disadvantage that of RoF would entirely depend on fiber facilities.In this paper,the composition and function of RoFSO are described and the two key technologies analyzed in detail,including WDM interface technology and transmitting/receiving terminal single-mode fiber-coupled tracking technology.In addition,the stability of this system is verified.The experimental results show that RoFSO system could simultaneously transmit multiple RF signals,with an accuracy of more than 90%,and thus is a fairly good means to implement cross-band access.

Key words：RoF; RoFSO; wireless communication; WDM

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.02.008

* 收稿日期：2015-09-27；修回日期：2016-01-01Received date:2015-09-27；Revised date：2016-01-01

基金項(xiàng)目：西安翻譯學(xué)院2015年度教育教學(xué)改革基金 (No.J15B24)

Foundation Item:2015 Education Reform Fund，Xi'an FANYI University (No.J15B24)

中圖分類號(hào)：TN929.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-0802(2016)02-0159-04

作者簡(jiǎn)介：

梁瑞(1987—)，女，碩士，助教，主要研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ蹋?/p>

劉瑞妮(1982—)，女，碩士，講師，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制；

梁計(jì)鋒(1980—)，男，碩士，講師，主要研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)。