光載無線分布式天線系統(tǒng)設(shè)計方案

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

　　然而，2G/3G 網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的支持有廣域低速的特征，為了實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，無線移動通信技術(shù)與技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生了無線局域網(wǎng)等無線接入技術(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。

　　為了進一步提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，實現(xiàn)信號的廣域覆蓋，提高通信的靈活性，運營商開始將目光轉(zhuǎn)向4G.考慮到多種移動通信系統(tǒng)將長期并存，因此為了提供更具有針對性的服務(wù)，中國移動提出了“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)點來實現(xiàn)微波信號的產(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)揮了無線靈活接入和光纖寬帶傳輸?shù)母髯詢?yōu)勢，可以實現(xiàn)單純無線技術(shù)和光纖技術(shù)難以完成甚至無法完成的信息處理與傳輸組網(wǎng)功能[2-3].由此可見，基于光載無線（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)光模塊將射頻信號調(diào)制到光載波上，經(jīng)過光纖傳輸至遠端天線單元，然后利用光/電轉(zhuǎn)換和放大器放大后直接由遠端天線單元的天線發(fā)射進行無線覆蓋。該方式具有成本低廉、覆蓋廣泛以及控制靈活等特點，在礦井、隧道和鐵路等工程領(lǐng)域，以及商場、機場和會議中心等公共熱點區(qū)域都具有廣泛的應(yīng)用市場，一些廠家已開始進行了模塊和系統(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)過電路設(shè)計和改進實現(xiàn)了低成本、寬帶的模擬光收發(fā)模塊，為光載無線分布式天線網(wǎng)絡(luò)的推廣應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。此外，光載無線鏈路中存在很多噪聲，光學(xué)損耗衰減了射頻信號功率同時增加了噪聲指數(shù)（NF）。為了提高系統(tǒng)的性能，研究光損耗對光載無線分布式天線網(wǎng)絡(luò)的影響，具有十分重要的意義。同時，鏈路中的受激布里淵散射

　　也對傳輸性能產(chǎn)生不利影響，需要對其進行分析和抑制，以提高網(wǎng)絡(luò)性能。針對點到多點的多業(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，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8 GHz,為低成本ROF 的傳輸帶來了新的機遇。因此，采取商用千兆以太網(wǎng)光器件來設(shè)計低成本、寬帶的光收發(fā)模塊將是一個非常重要的工作。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10 Gb/s 應(yīng)用、波長為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10 Gb/s 應(yīng)用、響應(yīng)度為的光電探測器。為了簡化設(shè)計，設(shè)計使用激光器驅(qū)動集成電路來提供偏置電流進行自動功率控制（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 將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。

　　匹配激光器和驅(qū)動器是大帶寬、低損耗模擬光發(fā)送模塊設(shè)計中巨大的挑戰(zhàn)。為了達到寬帶和易于實現(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，能夠很容易地實現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)，同時很大程度地提高調(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)以匹配探測器和放大器。探測之后，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）放大探測的射頻信號。項目研制的收發(fā)器模塊如圖2 所示。

　　測得光收發(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)用的光載無線分布式天線網(wǎng)絡(luò)需求。

　　2.光損耗對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，可以擴大覆蓋面積，提高系統(tǒng)容量，應(yīng)用于多種場所，如機場、商場、智能樓宇等。這種方法可以大大減少遠端天線單元的復(fù)雜性，并實現(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功率同時增加了噪聲指數(shù)（NF），使得信號被噪聲淹沒。

　　光載無線系統(tǒng)中的光損耗主要來自于網(wǎng)絡(luò)中的光學(xué)器件。在使用波分復(fù)用（WDM） 技術(shù)的光載無線分布式天線網(wǎng)絡(luò)的星型拓撲結(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].如果拓撲結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且沒有采用光放大器，光纖傳輸?shù)男盘枌⒈凰p到一個較低的水平，被光纖鏈路中的噪聲淹沒。因此，研究光損耗對光載無線分布式天線網(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光載無線分布式天線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腤i-Fi 信號的影響，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　項目使用改造的WLAN 接入點設(shè)備作為Wi-Fi 信號源。從產(chǎn)生的射頻信號經(jīng)光收發(fā)模塊調(diào)制到光載波，在單模光纖（SMF） 中傳輸后，在遠端經(jīng)光收發(fā)模塊轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)功率放大器（PA） 放大后，從天線輻射出去。對于上行鏈路，因為接收信號太弱，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.基于此系統(tǒng)，項目研究了上、下行鏈路的光損耗容限。

　　上行、下行鏈路中仿真信噪比和實際吞吐量與光損耗的關(guān)系如圖5所示。測量結(jié)果表明，下行鏈路的光損耗容限可以達到20 dB 以上。此外，當光損耗超過23 dB 時，測得的吞吐量將迅速下降5 Mb/s,這是由觸發(fā)開關(guān)引起的。因為射頻功率太低，無法觸發(fā)射頻開關(guān)，所以下行鏈路的光損失容限要高于測量結(jié)果。此外還測量了上行鏈路的光損耗容限，當光損耗低于25 dB 時，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.實驗結(jié)果符合ROF 系統(tǒng)中理論仿真的光損耗容限。