基于光纤无线融合的射频无源光网络

随着高清电视、立体电视、交互式多媒体游戏、虚拟现实以及远程办公等网络需求的增长，全球网络流量保持着爆炸性的增长速度[1-2]。据美国思科公司统计，2009 年产生的多媒体网络流量相当于时长约5 万年的DVD 质量的视频，而2012 年这一数据将达到2009 年的5 倍。这些数据都明确表明，多媒体接入网络扩容已经迫在眉梢。近年来，多媒体接入网络建设在世界各国的发展势头迅猛，美国、欧盟和日韩都已经提出了自己的宽带计划，中国工信部出台了"宽带中国"战略。

现有的多媒体业务接入技术主要分为无源光网络接入网络[3]和光载射频接入网络[4-5]，其中，无源光网络技术有着较好的服务质量(QoS)性能，但灵活性、移动性较差，无法满足用户端多样化的需求，而且光缆资源十分有限，增大覆盖范围的成本较高；光载射频接入技术虽然有着较好的灵活度和移动性，但其QoS 性能较差，缺少成熟的操作、管理和维护(OAM)，无法满足"宽带中国"计划对光接入网容量、多业务承载和融合及可信通信的高要求，故亟待发展能够满足宽带多媒体业务接入需求的下一代接入网技术。

本文针对动态灵活的宽带多媒体业务接入需求，融合无源光网络技术低成本、易管控和光载射频技术灵活度高、移动性好等优势，创新地提出了适合楼内/室内应用的基于光纤无线融合的射频无源光网络(RPON)。该系统通过光生毫米波和波分复用的方式，通过对多个远端无

线终端实行时分复用的动态时隙和带宽分配方式实现了每个光无线单元支持8 个远端无线终端的业务并发。该系统能够支持高清电视、交互式多媒体游戏等射频新业务应用，并带有QoS 管理、OAM 管理和设备管理系统(EMS)功能，能够满足未来"宽带中国"的技术需求。

1 基于光纤无线融合的无源光网络架构

RPON 系统旨在利用无源光网络承载毫米波无线通信信号，融合接入宽带移动视频、数据和语音业务。RPON 系统网络架构上保留WDM-PON 原有拓扑结构作为前段网络，并通过无线接入技术解决最后5~10 m 移动接入，其网络架构具备灵活的全业务接入能力。RPON 系统总体架构如图1 所示，其主要由局端的光无线终端(OWT)、用户端的光无线单元(OWU) 和远端无线终端(RWT) 以及光分配网络(ODN) 组成。RPON 系统使用频分的方式实现单向多播数据业务(如数字电视、立体电视等)和双向多媒体数据业务的合并传输。OWT 主要由综合业务接入网关和光生毫米波发射机组成，其中，综合业务接入网关采用频分复用的方式将各多播业务的流媒体数据包合并成光生毫米波发射机可接受的数据流；同时接收由RWT 发送的上行数据信号并进行解调。而光生毫米波发射机主要负责光载毫米波信号的产生。OWU 则负责下行光载毫米波信号的无线发射，同时还将上行用户数据注入电- 光转换模块并经ODN 上传到OWT。而RWT 负责接收下行毫米波信号并下变频后发送给用户，同时接收用户的上行业务数据并发送至OWU。 

图1 基于光纤无线融合的射频无源光网络架构

RPON 系统中无线接入信号下行波载波频率为60 GHz，上行载波频率为2.4 GHz；分别使用C/L 波段承载下/上行光波，并利用周期无热阵列波导光栅(AWG)实现双向波分复用。

C 波段下行信号的通道间隔为50 GHz，其中奇数通道承载宽带综合业务调制信号，偶数通道为闲频光，作为拍频光生毫米波之用；奇/偶两组波长光利用高相干宽谱光源进行光谱分割得到。

上行信号采用对应C 波段奇数通道的L 波段通道，间隔100 GHz；上行信号由局端多波长光源供光并在OWU 进行远程光调制后回传，具有"无色"特性。OWU 采用低成本低功耗设计方案，其中C 波段光纤下行奇/偶通道两两分波由行波光电探测器转换为60 GHz 的毫米波信号并由天线发送；天线接收上行2.4 GHz 射频信号并调制驱动局端L 波段供光产生上行光信号，经由光纤回传。需要强调的是，在上行方向( 从RWT 到OWT)，各OWU 通过波分复用方式共享光纤媒质，RWT 通过OWU 向OWT发送带宽分配请求信令，在得到OWT分配的上行时隙之后，RWT 将承载业务的射频信号发送至OWU，OWU 将光载射频信号经ODN 发送到OWT 完成上行传输。在该系统中，局端OWT下行数据速率能达到1 Gb/s，OWU 上行数据速率1 Gb/s，能够支持业务类型包括语音、网络电视(IPTV)、高清电视、立体电视、交互式多媒体游戏、虚拟现实以及远程办公等等，接入业务并发数大于8 个，并具备可扩展性，同时OWT 还支持GE 接口，并支持OAM 和EMS，故整个RPON 网络可管可控。

2 RPON 系统关键技术

2.1 光生毫米波技术

现有的光生毫米波技术有如下几种方案[6-10]：利用光纤或器件的非线性效应实现光生毫米波，采用激光器直接调制方式实现光生毫米波，双波长光外差方式实现光生毫米波，基于外部调制器实现光生毫米波。但这些方案中数据和高频率载波混频的效率都很低。为了解决这些问题并结合本系统的特点，本文提出并实现了两种光生毫米波技术：

2.1.1 基于多波长高相干光源的光生毫米波技术

如图2 所示，此方案采用10 GHz脉冲激光做种子光源，利用高非线性光子晶体光纤的非线性效应产生超连续谱激光，使用N 对中心波长分别为{λi ，λi +Δλ} 的光纤布拉格光栅(FBG) 做光谱分割，得到N 对间隔为Δλ的光边带序列。选出的光毫米波双边带序列通过解复用器分成N 个信道，可分别加载各个通道所承载的多媒体业务。其中，间隔为100 GHz的奇数波长经阵列波导光栅分离后，加载业务；而偶数波长光源作为闲频光，与加载了信息的奇数波长耦合后入纤传输。此方案主要有以下几个有点：

(1)超连续谱的宽度横跨C 与L 波段，且在带宽达到标准时，光谱的平坦度仍能保持。虽然产生的超连续谱信号功率较低，但本方案使用了大功率的C+L 波段掺饵光纤放大器，放大后仍可以保持良好的相干性。
(2) 本方案采用L 波段光源作为上行载波，从而避免了光纤端面反射以及受激布里渊散射的影响。
(3) 由于本方案采用高相干性双载波承载毫米波，可最大限度的抑制链路中色散以及非线性效应的影响。此外，本方案采用偏振控制技术保持了双载波间的相干性，从而减小了拍频后所产生的相位噪声。

图2 基于多波长高相干光源的光生毫米波技术 

2.1.2 基于光载波抑制的光生毫米波技术

此方案中光源采用N 路100 GHz间隔多波长激光器，利用30 GHz 射频源驱动处于半波电压偏置点的马赫-曾德尔调制器(MZM)产生60 GHz 间隔的载波抑制信号，并采用交织器进行奇、偶边带分离，同时进一步抑制光载波。然后在偶边带上调制各个波长所承载的多媒体业务。基于光载波抑制(OCS) 的光生毫米波技术示意图如图3 所示。与基于多波长高相干光源的光生毫米波技术的方案相比，本方案技术更为成熟，系统稳定性高。但还是存在一些缺点：

(1) 此方案采用多波长激光器作光源，成本较高。
(2) 通过一个调制器的光载波抑制效应实现毫米波的产生，相对于多个法布里- 珀罗(FP) 腔滤波器，方法更为简单，技术更为成熟，性能更为稳定。但此方案使用了25 GHz 的射频源，而且成本较高，体积偏大，不利于集成。
(3)采用的光载波抑制技术，在获得正负一阶边带的同时，必然激发出2 阶以及高阶边带，这会使得毫米波间有一定互扰。

图3 基于OCS 的光生毫米波技术 

2.2 光纤远端射频光收发技术

2.2.1 毫米波无线链路-发射机系统

OWT 内的无线链路发射机由射频块、基带块、功率/控制块和天线构成。其中射频块由发射机模块、功率放大器模块和锁相振荡器(PLO) 构成。结构如图4 和图5 所示。发射机模块使用了0.1 μm 门电路磷化铟(InP) 单片微波集成电路(MMIC)，它包括倍频器、振幅偏移键控模块和放大器。由PLO 产生的15.625 GHz 信号在MMIC 中经3 级倍频得到125 GHz。我们利用功率放大(PA) 模块将发射机的输出功率增加到10 mw。PA MMIC在125 GHz 处具有10 dB 左右的增益。两个MMIC 都被集成到波导模块包上。基带块由光- 电转换器(O/E)、时
钟和数据恢复(CDR) 电路、时钟发生器和限制放大器构成。从光纤进入的数据通过O/E 转换器被转化成电信号，然后进入CDR 电路和限制放大器。时钟发生器产生4 种频率作为CDR 电路的参考时钟。在发射机和接收机中，功率/控制块将外部直流电转化为可用于元件的电压，同时它可以监控系统参数，例如电压、电流、温度和湿度。

图4 毫米波宽带发射机的结构图

图5 毫米波宽带波导发射模块

2.2.2 毫米波无线链路-接收机系统

OWT 内低成本接收机结构图如图6 所示，接收机中，射频块由MMIC接收机模块构成，接收机模块包括低噪声放大器(LNA)和解调器。接收机MMIC 集成到一个波导模块包上。经过受限放大器的解调信号进入CDR电路和电- 光转换器(E/O)，最后输出到外部光纤中。自动增益控制(AGC) 电路用于监控解调信号和控制低噪声放大器的门电压，这样额外的功率就无法进入放大器从而避免了超载。

图6 60 GHz 带宽接收机的结构图

3 RPON 系统的网络控制与管理维护

RPON 系统的协议分层以及与ISO/IEC OSI 参考模型之间的关系如图7 所示。RPON 系统中的OWU 不具备网络层处理功能，其只需在物理层完成光- 电- 光的转换与传送，这也使得RPON 的协议控制更加灵活与便捷。在RPON 系统中OWT 和OWU 为波分复用方式的点到点连接，故每个波长对应一个OWU，同时每个OWU可以通过无线连接多个RWT。具体的控制方式与EPON的多点控制协议(MPCP) 类似[11]，即OWT内部运行着多个MAC客户端及多点MAC 控制程序，系统中每个RWT 通过OWU 向OWT 发送带宽分配请求信令，在得到OWT分配的上行时隙之后，RWT 将承载业务的射频信号发送至OWU，这样就能够实现每个OWU 支持多达8 个RWT 的业务并发，并能对所有RWT 实行时分复用的动态带宽分配策略，根据RWT 的流量配置合理分配上行时隙和带宽。

图7 RPON 协议分层和OSI 参考模型之间的关系

本文所提出的RPON 系统能够承载网络电视(IPTV) 直播、视频点播(VoD) 交互、宽带上网等各项业务。IPTV 直播业务是对原来有线网络广播业务的替换，首先要保证该业务的优先级；VoD 等流媒体业务实时性要求较高，因此该类业务具有较高的优先级；宽带上网等非实时性业务的优先级最低。各类业务QoS 优先级顺序如下：IPTV 组播>VoD 单播>宽带上网。本RPON 系统还支持标准的802.1p 以及服务类型(ToS) 方式的QoS技术。

此外，该系统还采用了专用IPTV组播通道技术、组播虚拟局域网(VLAN)技术、基于业务类型感知的优先级映射技术和VoD 带宽预警技术以保证各项业务对应的QoS 需求。同时，该系统支持符合IEEE802.3-2005 中Clause57 规定的OAM 功能，并支持IEEE802.3-2005 中Clause30 规定的管理对象、属性和操作。根据运维网管的需求而言，此RPON 系统需要进行统一网管。对该系统的管理需要在OWT 上实现简单网络管理协议(SNMP) 代理，OWT 的
SNMP 代理管理RWT。因为综合接入点网关上可以配置IP 地址，可以在综合接入点网关上实现SNMP 代理，后台网管可以直接跟综合接入点网关的SNMP 代理进行消息交互来配置管理整个系统。

4 结束语

目前通信系统的发展趋势必然是宽带化、光纤化和无线化，针对这些需求，本文提出了一种能够有效利用成本、切实可行的方法，即融合无源光网络系统和光载无线系统的技术优势，并利用光生毫米波和波分复用的方式，实现1 Gb/s 多媒体业务的单纤上/行传输，达到了10 km 光纤和5 m 无线的接入距离，并支持多个远端天线终端的业务并发与带宽调控，其还带有QoS 管理、OAM 管理和EMS网管功能。因此，本RPON 系统十分适合应用在以多业务集成和宽带通信为技术特征的下一代通信中。

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