面向2G/3G/4G/WLAN融合接入应用的光载无线分布式天线

随着话音业务的成熟，对IP和高速数据业务的支持已经成为移动通信系统演进的方向，也成为第3代移动通信系统的主要业务特征。然而，2G/3G网络对数据业务的支持有广域低速的特征，为了实现高速数据传输，无线移动通信技术与Internet技术相结合产生了无线局域网(WLAN)等无线接入技术，其应用已经成为高速数据业务的重要接入手段。但是，WLAN的覆盖范围小，只能提供短距离(100m左右)的覆盖。为了进一步提高数据的传输速率，实现信号的广域覆盖，提高通信的灵活性，运营商开始将目光转向4G。考虑到多种移动通信系统将长期并存，因此为了提供更具有针对性的服务，中国移动提出了"2G、3G、4G、WLAN"四网协同的发展战略^[1]。四网业务的融合对接入网的带宽和性能有了更高的要求，传统的接入网已无法满足用户不断提高的带宽和性能需求。

微波光子学充分利用光子学宽带、高速、低功耗等优点来实现微波信号的产生、传输、处理和控制，以此为基础的微波光波融合系统充分发挥了无线灵活接入和光纤宽带传输的各自优势，可以实现单纯无线技术和光纤技术难以完成甚至无法完成的信息处理与传输组网功能^[2-3]。由此可见，基于光载无线(ROF)系统的分布式天线网络将在2G/3G/4G/WLAN四网融合的接入中发挥极其重要的作用。

ROF分布式天线网络的一般结构如图1所示。利用模拟直调光模块将射频信号调制到光载波上，经过光纤传输至远端天线单元，然后利用光/电转换和放大器放大后直接由远端天线单元的天线发射进行无线覆盖。该方式具有成本低廉、覆盖广泛以及控制灵活等特点，在矿井、隧道和铁路等工程领域，以及商场、机场和会议中心等公共热点区域都具有广泛的应用市场，一些厂家已经开始进行了模块和系统的研制与推广应用。

CO：中心局
RAU：远端天线单元
图1 光载无线分布式天线网络的一般结构图

然而，目前的光载无线分布式天线系统成本较高。成本主要取决于系统中使用的光收发模块。为了降低系统成本，我们基于商用的千兆以太网光组件，经过电路设计和改进实现了低成本、宽带的模拟光收发模块，为光载无线分布式天线网络的推广应用打下了基础。此外，光载无线(ROF)链路中存在很多噪声，光学损耗衰减了射频信号功率同时增加了噪声指数(NF)。为了提高系统的性能，研究光损耗对光载无线分布式天线网络的影响，具有十分重要的意义。同时，链路中的受激布里渊散射也对传输性能产生不利影响，需要对其进行分析和抑制，以提高网络性能。针对点到多点的多业务融合接入及分布式传输需求，本文提出了面向2G/3G/4G/WLAN四网融合接入应用的副载波复用和波分复用(SCM-WDM)结合技术。

1 低成本、宽带的光收发模块研制

随着无线业务不断增加的需求，下一代的ROF应用需要支持更高的工作频率和更大的带宽。同时，ROF系统中，光收发模块成本较高，是大规模应用的主要限制因素^[4]；另一方面，随着千兆以太网(GbE)技术的发展，商用千兆以太网光器件的调制带宽高达8 GHz，为低成本ROF的传输带来了新的机遇。因此，采取商用千兆以太网光器件来设计低成本、宽带的光收发模块将是一个非常重要的工作。本文提出了一种基于商用千兆以太网光器件的低成本、宽带ROF收发模块。

收发模块主要由光学组件，射频放大和偏置控制电路组成。发送端光学子组件(TOSA)是针对10 Gb/s应用、波长为1 310 nm、斜率效率为0.04 W/A的分布反馈式(DFB)激光器。接收端光学子组件(ROSA)是针对10 Gb/s应用、 响应度为0.85 A/W的光电探测器(PIN)。为了简化设计，设计使用激光器驱动集成电路来提供偏置电流进行自动功率控制(APC)。为了提高收发器的线性度，移去商用ROSA中线性度较差的转阻放大器(TIA)，并使用了100 Ω的高精度电阻Rd将电流信号转换成电压信号。

匹配激光器和驱动器是大带宽、低损耗模拟光发送模块设计中巨大的挑战。为了达到宽带和易于实现的目的，在TOSA中采用了25 Ω的传输线系统以匹配激光器和驱动器。首先，切比雪夫多节传输线用于在频率0.3 GHz～4.3 GHz范围内，将50 Ω系统匹配到25 Ω子系统。然后串联一个20 Ω的电阻作为匹配电阻连接到激光器以吸收反射的能量。以这种方式，能够很容易地实现匹配网络，同时很大程度地提高调制效率。此外，在接收端的光学子组件中，采用100 Ω的传输线系统以匹配探测器和放大器。探测之后，将100 Ω的子系统匹配到50 Ω，并使用宽带的低噪放大器(LNA)放大探测的射频信号。项目研制的收发器模块如图2所示。

图2 项目研制的收发器模块

测得光收发模块的频率响应如图3所示。端到端的ROF链路增益是-34 dB，3 dB带宽是4.3 GHz，能够满足面向2G/3G/4G/WLAN四网融合接入应用的光载无线分布式天线网络需求。

图3 光收发模块的频率响应

2 光损耗对传输性能影响的分析

ROF系统与分布式天线网络(DAS)的结合，可以扩大覆盖面积，提高系统容量，应用于多种场所，如机场、商场、智能楼宇等。这种方法可以大大减少远端天线单元的复杂性，并实现系统的集中式管理。然而，ROF链路中存在很多噪声，光学损耗衰减了射频信号功率同时增加了噪声指数(NF)，使得信号被噪声淹没。

光载无线系统中的光损耗主要来自于网络中的光学器件。在使用波分复用(WDM)技术的光载无线分布式天线网络的星型拓扑结构中，阵列波导光栅(AWG)具有很大的插入损耗^[5]。在其他的总线型或树型结构中，光耦合器和光分插复用器(OADM)也将引入大量的光损耗^[6]。如果拓扑结构较为复杂，且没有采用光放大器，光纤传输的信号将被衰减到一个较低的水平，被光纤链路中的噪声淹没。因此，研究光损耗对光载无线分布式天线网络传输性能的影响，具有十分重要的意义。本文研究了光损耗对光载无线分布式天线网络传输的Wi-Fi信号的影响，系统结构如图4所示。

AP：接入点
BDA：双向放大器
E/O：电光转换
LNA：低噪放大器
O/E：光电转换
PA：功率放大器
RF：射频
SMF：单模光纤
图4 研究光损耗对光载Wi-Fi信号影响的系统图

项目使用改造的WLAN接入点(AP)设备作为Wi-Fi信号源。从AP产生的射频信号经光收发模块调制到光载波，在单模光纤(SMF)中传输100 m后，在远端经光收发模块转换为电信号，经功率放大器(PA)放大后，从天线辐射出去。对于上行链路，因为接收信号太弱，它首先由40 dB增益的低噪放大器(LNA)放大，然后调制到光载波上并被传送到AP端。为了补偿光电和电光转换的损耗，光收发模块中的功率放大器增益设置为27 dB，使得光链路的整体增益为0 dB。基于此系统，项目研究了上、下行链路的光损耗容限。

(a)下行链路
(b)上行链路
RIN：相对强度噪声
SNR：信噪比
图5 仿真信噪比和实际吞吐量与光损耗的关系

上行、下行链路中仿真信噪比和实际吞吐量与光损耗的关系如图5所示。测量结果表明，下行链路的光损耗容限可以达到20 dB以上。此外，当光损耗超过23 dB时，测得的吞吐量将迅速下降5 Mb/s，这是由触发开关引起的。因为射频功率太低，无法触发射频开关，所以下行链路的光损失容限要高于测量结果。此外还测量了上行链路的光损耗容限，当光损耗低于25 dB时，数据的吞吐量保持在24 Mb/s附近，而随着光损耗的增加，吞吐量跳变到18 Mb/s。实验结果符合ROF系统中理论仿真的27 dB光损耗容限。

3 受激布里渊散射对传输性能影响的分析和抑制

光纤中受激布里渊散射(SBS)效应所带来的负面影响限制了光纤输入端口所能够容忍的最大输入光功率，当输入光功率超过SBS阈值一定程度时，就会产生功率饱和效应，导致接收端口难以获取相应的光功率，并且SBS会导致接收信号的噪声急剧增大，导致链路性能的恶化^[7]。因此在ROF分布式系统中需要抑制SBS效应的不利影响，这就要求熟悉SBS效应的产生机理，并对其增益谱和损耗谱有更深入的认识。

本文提出了一种基于菲涅尔反射和抑制载波调制的SBS增益谱/损耗谱的测量方法^[8]，具有高精度、单端测量等优点，结构如图6所示。可调谐光源(TLS)产生线宽低于300 kHz的直流光，微波源产生频率可控的微波，并以载波抑制(OCS)的方式调制到光载波上。通过控制微波的频率可以得到频率间隔可调的双边带信号，经放大后，进入到被测光纤。由于光纤端面会产生菲涅尔反射现象，反射光将背向进入到被测光纤。这两部分光在被测光纤中逆向传输，当双边带的频率间隔正好等于被测光纤的布里渊频移，并且前向泵浦光功率高于SBS阈值的时候，就会出现SBS效应。泵浦光的上边带对探测光的下边带有放大作用，而泵浦光的下边带对探测光的上边带有衰减作用。因此只要通过调节微波源频率，并且分别检测上下边带的光功率，就可以很容易的得到SBS的增益谱和损耗谱。

EDFA：掺铒光纤放大器
FBG：光纤布拉格光栅
MZM：马赫曾德尔调制器
PC：偏振控制器
TLS：可调谐光源
图6 基于菲涅尔反射的SBS增益谱/损耗谱测量结构图

用这种测量方法，分别得到了20 km标准单模光纤(SSMF)和2.7 km高非线性光纤(HNLF)中SBS效应的增益谱和损耗谱，如图7所示。图7(a)给出了TLS波长为1 552.84 nm时的SBS增益谱，从谱线形状来看，实验结果很好的吻合了理论上的洛仑兹线型，并且不同泵浦功率对应的布里渊增益系数峰值也不同。同样，当TLS波长调到1 552.71 nm的时候，可以测得如图7(b)所示的SBS损耗谱，并且布里渊损耗系数峰值也会随着泵浦功率的增加而增加。

(a)增益谱
(b)损耗谱
HNLF：高非线性光纤
SSMF：标准单模光纤
图7 不同泵浦功率下的20 km SSMF和2.7 km HNLF的增益谱、损耗谱

目前抑制SBS效应的方法主要有增加激光器线宽，为了研究激光器线宽对SBS阈值的影响，实验测试了Wi-Fi信号在链路中传输时链路中光功率的监测情况，测试结构图如图8所示。矢量信号分析仪产生IEEE 802.11g标准信号，调制到光载波上传输，掺铒光纤放大器(EDFA)用来调节入纤光功率。光信号经过环行器和耦合器进入被测光纤中传输，被探测器接收恢复出电信号。实验中直调激光器的线宽约为10 MHz，而窄线宽光纤激光器的线宽约为50 kHz。实验中测试了链路各监测点光功率的变化情况，在环行器后用PM₁来监测入纤光功率，经过被测光纤后用PM₂监测透射光功率，利用PM₃监测光纤背向散射光的光功率。

BPF：带通滤波器
EDFA：掺铒光纤放大器
LD：直调激光器
MZM：马赫曾德尔调制器
OC：光分路器
PC：偏振控制器
PM：相位调制器
TLS：可调谐光源
图8 直调和外调方式激光器线宽对于SBS阈值影响的测试结构图

测试结果如图9所示，其中，图9(a)和图9(b)分别对应于激光器线宽为10 MHz的直接调制和50 kHz的外调制。由图9(a)可以看出，当入纤光功率低于13.5 dBm的时候，光纤反射光功率和透射光功率缓慢增加，当入纤光功率高于13.5 dBm的时候，其中反射光功率发生急剧变化，快速增加，并且在17.5 dBm 的时候与透射光功率均等，可以看出单模光纤的SBS阈值约为13.5 dBm。由图9(b)可以看出，激光器线宽为50 kHz条件下，SBS阈值在9.5 dBm附近，比10 MHz线宽时降低了4 dB左右。

(a)10 MHz线宽
(b)50 kHz线宽
图9 透射和反射光功率变化图

4 2G/3G/4G/WLAN多业务、分布式传输的SCM-CWDM技术

随着中国移动推出四网协同的发展战略，无线业务应用正趋于多样化。2G网络继续向低端用户提供移动语音业务，3G网络在全球范围内正得到大规模部署，同时能够支持更高无线接入速率的4G网络也在逐渐铺开。此外，WLAN作为低成本高效率的流量承载解决方案，正进入快速发展的时期。通过不同的网络向多个基站配置多制式的无线业务，将导致大量的资本输出(CAPEX)和运营支出(OPEX)。针对这一问题，光载无线分布式天线系统是最有吸引力的解决方案^[9]。前面已经介绍了实现低成本、高性能的光载无线分布式天线网络的关键技术，为了面向2G/3G/4G/WLAN四网融合接入应用，项目采用副载波复用(SCM)和波分复用(WDM)技术的结合^[10]，充分利用了光纤的宽带特性。

副载波复用系统，在发送端将各路待传递的信息分别调制在不同的射频(即副载波)上，然后将各个带有信号的副载波合起来，调制一个光载波；在接收端，经光电检测得到全部的副载波，然后用电学的方法将各路副载波分开。SCM技术非常容易实现宽带传输，它可以同时传输低速、高速数据以及模拟视频信号。SCM光纤通信技术容易实现、价格低廉、可与现有的各种通信网兼容，且容易实现宽带及插入业务方便，是实现多业务融合接入的理想选择。然而，SCM技术仍然局限于点到点的传输，不能够满足在复杂结构下的低成本组网需求。正因如此，本文提出了一种副载波复用结合粗波分复用方式的多业务、分布式传输系统，系统结构如图10所示。

RAU：远端天线单元
RF：射频
WLAN：无线局域网
图10 基于SCM-CWDM技术的多制式无线业务传输的ROF-DAS

该系统主要由星型网络拓扑结构组成，中心局(CO)通过WDM设备连接到多个远端天线单元(RAU)。对于一个远端天线单元，使用SCM技术，每个波长承载多制式的无线业务，如2G/3G/4G/WLAN。在中心局，多制式的无线业务通过低成本直调的光收发模块调制到光载波上，然后粗波分复用器(CWDM)将各路信号复用到一根标准单模光纤(SMF)中传输。在远端天线单元(RAU)，多路信号经解复用器后分配到光收发模块转换成射频信号，再经过电放大器放大后由天线发射。同样，上行信号被天线接收后注入到光收发模块，并由粗波分复用(CWDM)进入光纤，回传到中心控制局，控制局内光收发模块实现光/电转换，得到射频信号再进行后续处理。基于SCM-WDM的光载无线分布式天线网络，通过WDM技术，将大量的远端天线单元连接到中心局，增加了网络的覆盖范围，而且很大程度降低了无线接入网的成本。

为了评估SCM-WDM系统的传输性能，项目建立了基于四信道的CWDM结构和四制式的无线业务副载波复用的ROF-DAS系统，系统结构如图11所示。四种信号分别是1.8 GHz的EDGE-8PSK信号、2.1 GHz的WCDMA-QPSK信号、2.3 GHz的LTE-FDD 64QAM信号和2.412 GHz的WLAN 802.11g 64QAM信号。

CO：中心局
CWDM：粗波分复用
LD：直调激光器
RAU：远端天线单元
PD：光电探测器
VSA：矢量信号分析器
VSG：矢量信号发生器
图11 基于SCM-CWDM技术的ROF-DAS性能测试原理图

图12给出了测得的每种业务传输的误差向量幅度(EVM)值，包括使用SCM技术和未使用SCM技术的情况。由图12可以看出，上、下行链路的性能之间没有明显差别，同时四种业务的EVM曲线是相似的。在射频输入功率较低时，随着功率的增加，EVM性能得到提高，当功率增加到一定值是，由于非线性的引入，EVM性能会随着功率的增加而恶化。在4 dBm的输入功率，802.11g 64QAM、LTE-FDD 64QAM、WCDMA和EDGE实现了最好的EVM值，分别是0.75%、0.9%、1.1%和0.5%，符合无线标准的相关规定。表明基于SCM-WDM技术的光载无线分布式天线网络能够实现多制式无线业务上下行链路的高性能传输。

(a)802.11g 64QAM
(b)LTE-FDD 64QAM
(c)WCDMA
(d)EDGE
EVM：误差向量幅度
QAM：正交幅度调制
SCM：副载波复用
图12 实验测得的EVM值

5 结束语

本文主要介绍了低成本、高性能、宽带光载无线系统的几项关键技术：低成本、宽带的光收发模块电路设计与研制，链路中光损耗和受激布里渊散射效应对信号传输性能的分析。针对面向2G/3G/4G/WLAN四网融合接入的应用需求，本文提出了副载波复用结合波分复用的技术，实现了多制式无线业务点到多点的分布式混合传输。为光载无线分布式天线系统的广泛应用提供了有力的支撑和推动。

6 参考文献

[1] 王少波, 冯传奋, 付宏志, 等. GSM/TD与WLAN网络深度融合方案研究[J]. 电信工程技术与标准化, 2011(2):32-35.
[2] Seeds a j, Williams k j. Microwave Photonics [J].Journal of Lightwave Technology, 2006, 24(12): 4628-4641.
[3] Tavik G C, Hilterbrick c l, Evins J B,et al. The advanced multifunction RF concept [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2005,53(3-2): 1009-1020.
[4] Sauer M, Kobyakov a. Low-cost radio-over-fiber links [C]//Proceedings of the 20th Annual Meeting of the IEEE Lasersand Electro-optics Society (LEOS’07), Oct 21-25, 2007, Lake Buena Vista,FL,USA.Piscataway, NJ,USA: IEEE, 2007:333-334.
[5] SUN Xiaoqiang, XU Kun, SHEN Xi, et al. New hierarchical architecture for ubiquitous wireless sensing and access with improved coverage using CWDM-ROF links [J]. IEEE/OSA Journal Optical Communications Networking, 2011,3(10): 790-796.
[6] Zhang Xiupu, Liu Baozhu, Yao jianping, et al. A novel millimeter-wave-band radio-over-fiber system with dense wavelength-division multiplexing bus architecture [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2006, 54(8): 929-937.
[7]Le Bras h, Moignard m, Charbonnier b. Brillouin scattering in radio over fiber transmission [C]//Proceedings of the Optical Fiber Communication Conference& Exposition Optical Fiber Communication Conference (OFC’07), Mar 25-29, 2007, Anaheim, CA,USA. Piscataway, NJ,USA: IEEE, 2007:3p.
[8] SUNXiaoqiang, XU Kun, PEI Yinqing, et al. Characterization of SBS gain and loss spectra using  Fresnel reflections and interaction of two sidebands [C]//Proceedings of the Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference(OFC/NFOEC’10),Mar 21-25, 2010, San Diego,CA,USA. Piscataway, NJ,USA: IEEE, 2010:3p.
[9]Attar a, Li h, Leung v C M.Applications of fiber-connected distributed antenna systems in broadband wireless access [C]//Proceedings of the International Conference on Computing, Networking and Communications(ICNC’12), Jan 30- Feb 2, 2012, Maui, HI,USA.Piscataway, NJ,USA: IEEE, 2012:623-627.
[10]Morant m, Quinlan t, Llorente r, et al. Full standard triple-play bi-directional and fullduplex CWDM transmission in passive optical networks [C]//Proceedings of the Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC’11), Mar 6-11, 2011,Los Angeles, CA,USA.Piscataway, NJ,USA: IEEE, 2011:3p.

作者：徐坤、纪越峰、戴一堂  中兴通讯技术