面向2G/3G/4G/WLAN融合接入應(yīng)用的光載無線分布

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(jìn)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(shí)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(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，實(shí)現(xiàn)信號的廣域覆蓋，提高通信的靈活性，運(yùn)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(diǎn)來實(shí)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(shí)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(yuǎn)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(yuǎn)端天線單元的天線發(fā)射進(jìn)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(diǎn)，在礦井、隧道和鐵路等工程領(lǐng)域，以及商場、機(jī)場和會議中心等公共熱點(diǎn)區(qū)域都具有廣泛的應(yīng)用市場，一些廠家已開始進(jìn)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(jì)和改進(jìn)實(shí)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(jìn)行分析和抑制，以提高網(wǎng)絡(luò)性能。針對點(diǎn)到多點(diǎn)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(dá)8 GHz，為低成本ROF 的傳輸帶來了新的機(jī)遇。

因此，采取商用千兆以太網(wǎng)光器件來設(shè)計(jì)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(jì)，設(shè)計(jì)使用激光器驅(qū)動集成電路來提供偏置電流進(jìn)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(jì)中巨大的挑戰(zhàn)。為了達(dá)到寬帶和易于實(shí)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(shí)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(xiàng)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(kuò)大覆蓋面積，提高系統(tǒng)容量，應(yīng)用于多種場所，如機(jī)場、商場、智能樓宇等。這種方法可以大大減少遠(yuǎn)端天線單元的復(fù)雜性，并實(shí)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?fù)浣Y(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?fù)浣Y(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。