ROF技術(shù)的FTTH在光無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合中的應(yīng)用

    當(dāng)前，基于PON技術(shù)的FTTH在一些試點(diǎn)城市進(jìn)行得如火如荼，同時(shí)，WiMAX也異軍突起并順利成為3G標(biāo)準(zhǔn)中一員。在骨干光網(wǎng)絡(luò)已趨于飽和的情況下，接入網(wǎng)領(lǐng)域的巨大市場(chǎng)份額無(wú)疑會(huì)成為各大運(yùn)營(yíng)商爭(zhēng)相投資的動(dòng)力。光纖接入和無(wú)線(xiàn)接入分別有著各自的優(yōu)勢(shì)，光纖具有低損耗、高帶寬、防電磁干擾等特點(diǎn)，而無(wú)線(xiàn)接入則可以給用戶(hù)帶來(lái)無(wú)處不在的方便快捷服務(wù)，且免去了鋪設(shè)光纖的昂貴費(fèi)用，于是，人們就想能不能用一種技術(shù)將有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)接入融合起來(lái)。RadioOverFiber(ROF)技術(shù)就是應(yīng)這種需求而出現(xiàn)，并且成為越來(lái)越多人研究的熱點(diǎn)。    

    2008年伊始，國(guó)內(nèi)電信業(yè)重組成為人們討論的焦點(diǎn)，就人們已經(jīng)預(yù)測(cè)的重組方案來(lái)說(shuō)，未來(lái)的運(yùn)營(yíng)商都將擁有自己的固定和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，并且兼營(yíng)兩部分業(yè)務(wù)，為了成本的最低化、網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化，運(yùn)營(yíng)公司必定會(huì)選擇網(wǎng)絡(luò)的融合。另外，從市場(chǎng)上看，有調(diào)研機(jī)構(gòu)調(diào)查顯示，在調(diào)查對(duì)象中，有60.6%認(rèn)為在未來(lái)5年中主要出現(xiàn)的情景將是無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)的融合（FMC），大多數(shù)用戶(hù)將擁有1部多模電話(huà)機(jī)，并通過(guò)最適合的網(wǎng)絡(luò)(可以是固定網(wǎng)，也可以是無(wú)線(xiàn)網(wǎng))來(lái)進(jìn)行呼叫。   

    所以，無(wú)論從技術(shù)、政策還是市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)上看，融合必定成為今后電信業(yè)的主旋律和必然趨勢(shì)，技術(shù)將趨于融合，網(wǎng)絡(luò)將趨于融合，業(yè)務(wù)也將趨于融合，ROF技術(shù)也必將在未來(lái)網(wǎng)絡(luò)融合中發(fā)揮巨大的作用。   

    1．ROF技術(shù)介紹   

    ROF技術(shù)是應(yīng)高速大容量無(wú)線(xiàn)通信需求，新興發(fā)展起來(lái)的將光纖通信和無(wú)線(xiàn)通信相結(jié)合起來(lái)的無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)。ROF系統(tǒng)中運(yùn)用光纖作為基站(BS)與中心站(CS)之間的傳輸鏈路，直接利用光載波來(lái)傳輸射頻信號(hào)。光纖僅起到傳輸?shù)淖饔茫粨Q、控制和信號(hào)的再生都集中在中心站，基站僅實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，這樣，可以把復(fù)雜昂貴的設(shè)備集中到中心站點(diǎn)，讓多個(gè)遠(yuǎn)端基站共享這些設(shè)備，減少基站的功耗和成本。   

    光纖傳輸?shù)纳漕l（或毫米波）信號(hào)提高了無(wú)線(xiàn)帶寬，但天線(xiàn)發(fā)射后在大氣中的損耗會(huì)增大，所以要求蜂窩結(jié)構(gòu)向微微小區(qū)轉(zhuǎn)變，而基站結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化有利于增加基站數(shù)目來(lái)減少蜂窩覆蓋面積，從而使組網(wǎng)更為靈活，大氣中無(wú)線(xiàn)信號(hào)的多經(jīng)衰落也會(huì)降低；另外，利用光纖作為傳輸鏈路，具有低損耗、高帶寬和防止電磁干擾的特點(diǎn)。正是這些優(yōu)點(diǎn)，使得ROF技術(shù)在未來(lái)無(wú)線(xiàn)寬帶通信、衛(wèi)星通信以及智能交通系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。   

    2．ROF技術(shù)當(dāng)前研究的現(xiàn)狀   

    在ROF系統(tǒng)中，由于光載波上承載的是模擬的微波信號(hào)，與傳統(tǒng)的數(shù)字光纖傳輸鏈路相比，其系統(tǒng)對(duì)光器件的性能以及鏈路自身的色散、非線(xiàn)性效應(yīng)等都有了更為苛刻的要求。目前，對(duì)于ROF技術(shù)的研究仍然集中在物理層上，例如基于微波光子學(xué)的毫米波信號(hào)源產(chǎn)生，光調(diào)制器、濾波器的特性分析與改進(jìn)，光纖鏈路的色散控制，以及基站中光載波的再利用等系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。   

    其中，以毫米波信號(hào)源的產(chǎn)生技術(shù)為例，傳統(tǒng)的高頻信號(hào)發(fā)生源需要昂貴的本振源，可以利用光波的外差混頻技術(shù)來(lái)得到高頻載波。在雷達(dá)或光纖無(wú)線(xiàn)電（ROF）通信系統(tǒng)中，在光域里對(duì)中頻微波信號(hào)進(jìn)行上變頻，可以得到承載高數(shù)據(jù)率的毫米波信號(hào)，目前比較成熟的技術(shù)有，基于強(qiáng)度調(diào)制器、基于EAM中XAM效應(yīng)、基于SOA中XGM效應(yīng)、基于高非線(xiàn)性光纖中的XPM或FWM效應(yīng)的全光頻率上變換技術(shù)。

    目前，IEEE收錄的電子期刊以及其他光學(xué)權(quán)威期刊OpticsLetters、OpticsExpress等都刊載了大量關(guān)于ROF的文章，但是，這些研究都停留在對(duì)信號(hào)處理技術(shù)以及鏈路系統(tǒng)研究的層面上，對(duì)網(wǎng)絡(luò)層次的研究成果較少。一種技術(shù)的成熟必定要依賴(lài)于市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生利潤(rùn)。ROF技術(shù)要在實(shí)際通信系統(tǒng)中應(yīng)用，還有許多現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題需要研究。例如：網(wǎng)絡(luò)融合中的接口問(wèn)題，MAC協(xié)議的問(wèn)題，天線(xiàn)的更高增益問(wèn)題以及高速移動(dòng)在微微蜂窩中頻繁切換的問(wèn)題和多普勒效應(yīng)問(wèn)題等等。   

    在研究領(lǐng)域，美國(guó)喬治亞理工大學(xué)的張教授研究組對(duì)40G/60G射頻ROF系統(tǒng)作了大量的研究，并且搭建出了一套光無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)，將DVD存儲(chǔ)的高清晰電視數(shù)據(jù)源調(diào)制到40G的微波上，然后經(jīng)過(guò)調(diào)制到光載波上傳輸，經(jīng)過(guò)探測(cè)接收并由天線(xiàn)發(fā)射，并在接收端將信號(hào)送給高清晰電視進(jìn)行播放，得到很好的實(shí)驗(yàn)效果。但是，發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)的距離很近并且容易受水蒸氣的干擾。   

    不久前，OFC2008會(huì)議在美國(guó)加州圣地亞哥成功舉行，網(wǎng)絡(luò)融合成為一個(gè)熱點(diǎn)話(huà)題，關(guān)于ROF技術(shù)的文章也有很多被收錄其中，與以往不同，這次收錄的ROF論文都趨向于對(duì)應(yīng)用的研究。其中比較典型的文章有：將正交頻分復(fù)用(OFDM)應(yīng)用于ROF系統(tǒng)，來(lái)增加頻譜利用率并減小碼間干擾；研究在上行傳輸時(shí)光波長(zhǎng)再利用技術(shù)，從而去掉基站的光源；基于WiMAX或WiFi與ROF技術(shù)結(jié)合的研究；基于光分叉復(fù)用器(OADMs)的ROF系統(tǒng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的研究；基于多模光纖和塑料光纖的ROF系統(tǒng)。   

    3．ROF技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)融合中的應(yīng)用   

    在移動(dòng)通信中，豐富的傳輸帶寬、無(wú)縫的覆蓋范圍、大容量、低功耗等優(yōu)點(diǎn)均使得ROF系統(tǒng)光無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合中有較大的發(fā)展空間。另外，它對(duì)信號(hào)的調(diào)制格式具有透明性，它只提供一個(gè)物理傳輸?shù)拿浇椋梢园阉闯商炀€(xiàn)到中心控制局之間點(diǎn)到點(diǎn)的透明鏈路。通過(guò)它與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的融合，可以達(dá)到集中控制、共享昂貴器件、動(dòng)態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)容量、降低成本的目的。下面介紹ROF與現(xiàn)有多個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)的融合的成功案例。   

    3.1與GSM或WCDMA網(wǎng)絡(luò)的融合   

    2000年的奧運(yùn)會(huì)在澳大利亞悉尼舉行，利用ROF技術(shù)建立了TekmarBriteCellTM網(wǎng)絡(luò)。它解決了奧運(yùn)會(huì)期間，大量移動(dòng)電話(huà)同時(shí)呼叫的連接問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了寬帶傳輸，避免了擁塞的發(fā)生，且在奧運(yùn)會(huì)開(kāi)幕式時(shí)，成功連接了500000無(wú)線(xiàn)電話(huà)的呼叫。該網(wǎng)絡(luò)綜合了3個(gè)GSM運(yùn)營(yíng)商的系統(tǒng)；采用多標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議；擁有大于500個(gè)遠(yuǎn)端天線(xiàn)單元；采用低射頻功率分布式天線(xiàn)系統(tǒng)；可以動(dòng)態(tài)的分配網(wǎng)絡(luò)容量。   

    在日本，ROF已經(jīng)應(yīng)用在了現(xiàn)有的蜂窩系統(tǒng)——個(gè)人數(shù)字通信(PDC，personaldigitalcommunication)系統(tǒng)和寬帶碼分多址接入(WCDMA，WidebandCodeDivisionMultipleAccess)系統(tǒng)中。NTTDoCoMo作為日本蜂窩系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商之一，將ROF技術(shù)運(yùn)用于微蜂窩和微微蜂窩的信號(hào)傳輸微波鏈路中。它將很小的基站（接入單元）設(shè)置在室內(nèi)天花板上，然后通過(guò)光纖與一個(gè)主基站連接在一起。   

    3.2接入網(wǎng)與PON的融合   

    下圖為ROF與無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PON，PassiveOpticalNetwork)融合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。該結(jié)構(gòu)中，無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)業(yè)務(wù)均在光纖上傳輸，其中下行信號(hào)在遠(yuǎn)端接入點(diǎn)(RN）分別送到光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)和無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)(WAP)，實(shí)現(xiàn)有線(xiàn)信號(hào)和無(wú)線(xiàn)信號(hào)的分離。在中心局端，中心基站(BTS)和光線(xiàn)路終端(OLT)分別進(jìn)行信號(hào)的集中處理。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是利用了目前FTTH已鋪設(shè)的光纖，降低了無(wú)線(xiàn)接入的成本并可以擴(kuò)容。   

    3.4軌道交通中與WiMax的融合   

    ROF在高速鐵路交通的應(yīng)用早有報(bào)道，例如在日本該技術(shù)不僅用于軌道交通，而且被應(yīng)在高速公路的智能交通系統(tǒng)中。在軌道交通中運(yùn)用ROF技術(shù)，利用沿路分布的天線(xiàn)，可以形成沿鐵道無(wú)縫覆蓋的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)天線(xiàn)形成微微蜂窩，直徑約100m。由于單元蜂窩很小的覆蓋范圍，火車(chē)高速的行駛速度(120km/h)，于是切換成為一個(gè)很頭疼的問(wèn)題，每隔3s鐘便要實(shí)現(xiàn)一次切換。并且，如果相鄰兩蜂窩的重疊范圍為10m，則0.3s就要切換一次。為了解決切換問(wèn)題，可以引進(jìn)WiMax技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與ROF技術(shù)的融合。WiMax技術(shù)增加了蜂窩的覆蓋面積，但同時(shí)降低了有效利用的覆蓋面積?？梢栽诿總€(gè)大基站用ROF技術(shù)實(shí)現(xiàn)射頻拉遠(yuǎn)，該技術(shù)總體上提高覆蓋面積的有效利用率并且將切換問(wèn)題簡(jiǎn)單化。   

    另外，在下一代網(wǎng)絡(luò)中，在一些熱點(diǎn)區(qū)域，如商場(chǎng)，機(jī)場(chǎng)等，ROF都將具有誘人的應(yīng)用前景。例如在國(guó)外，基于ROF技術(shù)的分布式天線(xiàn)系統(tǒng)(DAS)已經(jīng)應(yīng)用于許多熱點(diǎn)區(qū)域。總之，ROF技術(shù)在未來(lái)光無(wú)線(xiàn)融合的潮流中必將扮演越來(lái)越重要的角色。   

    總之，盡管ROF技術(shù)距離大規(guī)模的商用還有很長(zhǎng)的路要走，也有很多關(guān)鍵技術(shù)要攻克，但是，科學(xué)研究始終是走在技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的前面，同時(shí)，光無(wú)線(xiàn)融合的大趨勢(shì)是無(wú)法阻擋的，無(wú)論在現(xiàn)在還是將來(lái)，ROF都將是研究人員和運(yùn)營(yíng)商最為關(guān)注的一項(xiàng)技術(shù)。而對(duì)于ROF技術(shù)的研究，人們的目光也會(huì)由理論研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H的應(yīng)用，向更低成本，更高集成化努力。