ROF技術的FTTH在光無線網絡融合中的應用

    當前，基于PON技術的FTTH在一些試點城市進行得如火如荼，同時，WiMAX也異軍突起并順利成為3G標準中一員。在骨干光網絡已趨于飽和的情況下，接入網領域的巨大市場份額無疑會成為各大運營商爭相投資的動力。光纖接入和無線接入分別有著各自的優勢，光纖具有低損耗、高帶寬、防電磁干擾等特點，而無線接入則可以給用戶帶來無處不在的方便快捷服務，且免去了鋪設光纖的昂貴費用，于是，人們就想能不能用一種技術將有線與無線接入融合起來。RadioOverFiber(ROF)技術就是應這種需求而出現，并且成為越來越多人研究的熱點。    

    2008年伊始，國內電信業重組成為人們討論的焦點，就人們已經預測的重組方案來說，未來的運營商都將擁有自己的固定和移動網絡，并且兼營兩部分業務，為了成本的最低化、網絡的最優化，運營公司必定會選擇網絡的融合。另外，從市場上看，有調研機構調查顯示，在調查對象中，有60.6%認為在未來5年中主要出現的情景將是無線和有線的融合（FMC），大多數用戶將擁有1部多模電話機，并通過最適合的網絡(可以是固定網，也可以是無線網)來進行呼叫。   

    所以，無論從技術、政策還是市場驅動上看，融合必定成為今后電信業的主旋律和必然趨勢，技術將趨于融合，網絡將趨于融合，業務也將趨于融合，ROF技術也必將在未來網絡融合中發揮巨大的作用。   

    1．ROF技術介紹   

    ROF技術是應高速大容量無線通信需求，新興發展起來的將光纖通信和無線通信相結合起來的無線接入技術。ROF系統中運用光纖作為基站(BS)與中心站(CS)之間的傳輸鏈路，直接利用光載波來傳輸射頻信號。光纖僅起到傳輸的作用，交換、控制和信號的再生都集中在中心站，基站僅實現光電轉換，這樣，可以把復雜昂貴的設備集中到中心站點，讓多個遠端基站共享這些設備，減少基站的功耗和成本。   

    光纖傳輸的射頻（或毫米波）信號提高了無線帶寬，但天線發射后在大氣中的損耗會增大，所以要求蜂窩結構向微微小區轉變，而基站結構的簡化有利于增加基站數目來減少蜂窩覆蓋面積，從而使組網更為靈活，大氣中無線信號的多經衰落也會降低；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。正是這些優點，使得ROF技術在未來無線寬帶通信、衛星通信以及智能交通系統等領域有著廣闊的應用前景。   

    2．ROF技術當前研究的現狀   

    在ROF系統中，由于光載波上承載的是模擬的微波信號，與傳統的數字光纖傳輸鏈路相比，其系統對光器件的性能以及鏈路自身的色散、非線性效應等都有了更為苛刻的要求。目前，對于ROF技術的研究仍然集中在物理層上，例如基于微波光子學的毫米波信號源產生，光調制器、濾波器的特性分析與改進，光纖鏈路的色散控制，以及基站中光載波的再利用等系統設計與優化。   

    其中，以毫米波信號源的產生技術為例，傳統的高頻信號發生源需要昂貴的本振源，可以利用光波的外差混頻技術來得到高頻載波。在雷達或光纖無線電（ROF）通信系統中，在光域里對中頻微波信號進行上變頻，可以得到承載高數據率的毫米波信號，目前比較成熟的技術有，基于強度調制器、基于EAM中XAM效應、基于SOA中XGM效應、基于高非線性光纖中的XPM或FWM效應的全光頻率上變換技術。

    目前，IEEE收錄的電子期刊以及其他光學權威期刊OpticsLetters、OpticsExpress等都刊載了大量關于ROF的文章，但是，這些研究都停留在對信號處理技術以及鏈路系統研究的層面上，對網絡層次的研究成果較少。一種技術的成熟必定要依賴于市場的驅動進而產生利潤。ROF技術要在實際通信系統中應用，還有許多現實的問題需要研究。例如：網絡融合中的接口問題，MAC協議的問題，天線的更高增益問題以及高速移動在微微蜂窩中頻繁切換的問題和多普勒效應問題等等。   

    在研究領域，美國喬治亞理工大學的張教授研究組對40G/60G射頻ROF系統作了大量的研究，并且搭建出了一套光無線傳輸系統，將DVD存儲的高清晰電視數據源調制到40G的微波上，然后經過調制到光載波上傳輸，經過探測接收并由天線發射，并在接收端將信號送給高清晰電視進行播放，得到很好的實驗效果。但是，發射天線和接收天線的距離很近并且容易受水蒸氣的干擾。   

    不久前，OFC2008會議在美國加州圣地亞哥成功舉行，網絡融合成為一個熱點話題，關于ROF技術的文章也有很多被收錄其中，與以往不同，這次收錄的ROF論文都趨向于對應用的研究。其中比較典型的文章有：將正交頻分復用(OFDM)應用于ROF系統，來增加頻譜利用率并減小碼間干擾；研究在上行傳輸時光波長再利用技術，從而去掉基站的光源；基于WiMAX或WiFi與ROF技術結合的研究；基于光分叉復用器(OADMs)的ROF系統環形網絡的研究；基于多模光纖和塑料光纖的ROF系統。   

    3．ROF技術在網絡融合中的應用   

    在移動通信中，豐富的傳輸帶寬、無縫的覆蓋范圍、大容量、低功耗等優點均使得ROF系統光無線網絡融合中有較大的發展空間。另外，它對信號的調制格式具有透明性，它只提供一個物理傳輸的媒介，可以把它看成天線到中心控制局之間點到點的透明鏈路。通過它與現有網絡的融合，可以達到集中控制、共享昂貴器件、動態分配網絡容量、降低成本的目的。下面介紹ROF與現有多個不同網絡的融合的成功案例。   

    3.1與GSM或WCDMA網絡的融合   

    2000年的奧運會在澳大利亞悉尼舉行，利用ROF技術建立了TekmarBriteCellTM網絡。它解決了奧運會期間，大量移動電話同時呼叫的連接問題，實現了寬帶傳輸，避免了擁塞的發生，且在奧運會開幕式時，成功連接了500000無線電話的呼叫。該網絡綜合了3個GSM運營商的系統；采用多標準的無線通信協議；擁有大于500個遠端天線單元；采用低射頻功率分布式天線系統；可以動態的分配網絡容量。   

    在日本，ROF已經應用在了現有的蜂窩系統——個人數字通信(PDC，personaldigitalcommunication)系統和寬帶碼分多址接入(WCDMA，WidebandCodeDivisionMultipleAccess)系統中。NTTDoCoMo作為日本蜂窩系統運營商之一，將ROF技術運用于微蜂窩和微微蜂窩的信號傳輸微波鏈路中。它將很小的基站（接入單元）設置在室內天花板上，然后通過光纖與一個主基站連接在一起。   

    3.2接入網與PON的融合   

    下圖為ROF與無源光網絡(PON，PassiveOpticalNetwork)融合的系統結構框圖。該結構中，無線和有線業務均在光纖上傳輸，其中下行信號在遠端接入點(RN）分別送到光網絡單元(ONU)和無線接入點(WAP)，實現有線信號和無線信號的分離。在中心局端，中心基站(BTS)和光線路終端(OLT)分別進行信號的集中處理。這種結構的優點是利用了目前FTTH已鋪設的光纖，降低了無線接入的成本并可以擴容。   

    3.4軌道交通中與WiMax的融合   

    ROF在高速鐵路交通的應用早有報道，例如在日本該技術不僅用于軌道交通，而且被應在高速公路的智能交通系統中。在軌道交通中運用ROF技術，利用沿路分布的天線，可以形成沿鐵道無縫覆蓋的無線網絡，每個天線形成微微蜂窩，直徑約100m。由于單元蜂窩很小的覆蓋范圍，火車高速的行駛速度(120km/h)，于是切換成為一個很頭疼的問題，每隔3s鐘便要實現一次切換。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。為了解決切換問題，可以引進WiMax技術，實現與ROF技術的融合。WiMax技術增加了蜂窩的覆蓋面積，但同時降低了有效利用的覆蓋面積?？梢栽诿總€大基站用ROF技術實現射頻拉遠，該技術總體上提高覆蓋面積的有效利用率并且將切換問題簡單化。   

    另外，在下一代網絡中，在一些熱點區域，如商場，機場等，ROF都將具有誘人的應用前景。例如在國外，基于ROF技術的分布式天線系統(DAS)已經應用于許多熱點區域?？傊?，ROF技術在未來光無線融合的潮流中必將扮演越來越重要的角色。   

    總之，盡管ROF技術距離大規模的商用還有很長的路要走，也有很多關鍵技術要攻克，但是，科學研究始終是走在技術產業化的前面，同時，光無線融合的大趨勢是無法阻擋的，無論在現在還是將來，ROF都將是研究人員和運營商最為關注的一項技術。而對于ROF技術的研究，人們的目光也會由理論研究轉向實際的應用，向更低成本，更高集成化努力。