光載無線電（RoF）網絡技術

李秀娟

0 引言

在移動通信早期，全球移動通信系統GSM、通用分組無線服務技術GPRS的數據傳輸速率很低，目前，用戶要求通信系統提供給他們一個在任何時候任何地方、傳輸快速、使用靈活的多媒體信息服務。例如全球微波互聯接入WiMax和全球互連城域網WiMAN技術，使用1 GHz帶寬，覆蓋面積也很廣泛。然而，持續增加的用戶數量對數據通信的要求越來越高，一個有效的解決方案是減小蜂窩范圍以便容納更多的用戶，這就是所謂的微蜂窩、微微蜂窩的概念。另一個解決方案是利用新的運營頻帶，目前，許多研究者傾向于利用毫米波作為新的運營頻帶[1]，它的頻率范圍是40～90 GHz，這個波段可提供更高的帶寬。然而使用這些方法將引發其他的問題，減小蜂窩就要增加基站 BS的數量，拓展頻率對設備性能要求很高，安裝和維護的費用也隨之提高。在這種情況下，RoF技術應運而生，RoF技術是無線通信和光纖通信的集成，不僅能實現寬帶移動服務、擴展網絡覆蓋范圍，而且能提供更大的容量，更快的速率，更高的靈活性[2]。

1 RoF技術簡介

RoF技術是把射頻或毫米波信號調制到光載波上，通過光纖鏈路傳輸以實現無線接入。在常規的光網絡中，傳輸的是數字信號。RoF通信基本上是一個模擬的傳輸系統，因為它傳輸的是模擬射頻信號，直接把射頻信號從中心站CS傳輸到基站[3]。而射頻信號本身是經數字信號調制的，調制射頻信號的數字信號格式為正交振幅調制QAM、正交頻分復用OFDM。RoF系統包括發射系統和接收系統，通過光纖鏈路連接在一起。在發射端，電信號(被調制的射頻信號)被用來調制光源(激光器)，調制后的光信號通過光纖傳輸到接收端，在接收端，由光電探測器把光信號還原成電信號。

RoF系統的基本結構如圖1所示，在RoF系統中，信號的處理、路由選擇和調制等都由中心站來完成，而不是由基站來完成的。在基站，僅實現簡單的光電轉換和無線信號的發射，這樣，可以把復雜昂貴的設備集中到中心站，讓多個遠端基站共享這些設備，減少基站的功耗和成本。如圖2所示是大樓內的RoF系統，其中光纖作為大樓的骨干傳輸網。

圖1 RoF系統組成

圖2 用光纖實現樓內有線無線通信系統集成

2 RoF技術的優勢和限制

RoF技術的優勢和限制如下。

（1）優勢

通過光纖傳輸無線信號有很多優勢，因為光纖提供了巨大的帶寬，幾乎達到THz，許多數字信號如視頻、數據、電話等，通過一根光纖就可傳輸。光纖的高帶寬還使高速信號的處理成為可能，這是電信號很難或者說不能實現的。此外，光纖的傳輸損耗低，波長1550 nm為0.3 dB，這對傳輸無線數字信號非常有利。有3個波段損耗最低，分別是850 nm、1310 nm、1550 nm，將這3個波段結合起來，可利用的帶寬相當巨大，同時使毫米波技術成為切實可行的解決方案。RoF系統信號以光的形式傳播，因此不受無線信號的干擾，提高了系統的安全性。在硬件方面，復雜和昂貴的設備全部集中在中心站，基站使用遠端天線，它結構簡單、體積小重量輕，安裝簡便，維護方便，減少了系統的費用。在管理層實現集中控制，使帶寬資源的分配更合理[4]。

（2）限制

和其他傳輸系統一樣，RoF受噪聲和失真的影響，形成原因主要是鏈路中器件的非線性，例如激光器的非線性效應[5]，這些因素限制了射頻信號傳輸系統的噪聲圖和動態范圍，而這兩個參數在無線通信系統中是非常重要的。為了降低噪聲、改善信號動態范圍，必須采取措施減少噪聲和信號的失真。除此之外，光纖鏈路本身也有限制，在單模光纖中，材料色散限制了光纖鏈路的長度，還可能增加射頻信號的噪聲。在多模光纖中，模式色散限制了帶寬和傳輸距離。

3 RoF系統關鍵技術

在RoF系統中，有幾項關鍵的光學技術，例如信號的調制解調，主要有兩種形式，第1種是強度調制直接探測(IM-DD,Intensity Modulation-Direct Detection)方式[6]，第2種是遠端光外差探測(RHD,Remote Heterodyne Detection)[7]，在中心站，電信號的調制形式有3種，一是基帶形式，即光纖基帶傳輸，二是光纖頻帶傳輸，三是光纖射頻傳輸。

（1）IM-DD

這項技術是用射頻信號直接調制光源的強度，光電探測器直接探測，并恢復射頻信號。光源的調制有兩種方法，第1種，光源由射頻信號直接調制，調制信號作為驅動激光器的偏置電流，如圖 3(a)所示。第2種方法是用連續波驅動激光器，用外調制的方法，例如馬赫-曾德爾調制器(MZM,Mach-Zehnder Modulator)調制光的強度，如圖3(b)所示，如果用PIN光電二極管探測，所得到的光電流的變化規律與發射端調制的射頻信號的變化規律相同。

圖3 IM-DD技術

（2）RHD

甚高頻信號的光纖傳輸要求發射系統和接收系統要有良好的性能，所有的信號處理都必須達到很高的線性要求，為了滿足需要，被調制的射頻信號由光外差方法產生，如圖4所示。用兩個窄譜線寬的激光二極管發光，它們所發射的兩束光的頻率差等于射頻信號的頻率。其中一束光用數據信號進行強度調制，另一束為連續的光信號，兩束光疊加后通過光纖傳輸。在接收端，光電二極管 PD用光外差方式檢測，兩束光信號在光電二極管上拍頻產生所需的射頻信號，經數據信號進行振幅調制后，通過天線發射出去。

圖4 雙激光器RHD系統

單激光器RHD系統如圖5所示，用馬赫-曾德爾干涉儀(MZI,Mach-Zehnder Interferometer)作調制器，它被偏置在其調制特性曲線的峰值點或最低點，并由一個正弦信號驅動，正弦信號的頻率約為射頻信號頻率的一半，這樣在馬赫-曾德爾干涉儀的輸出端，伴隨著光載波傳輸的是兩個信號，兩個信號的頻率差等于射頻信號的頻率。當用數字信號對光源LD進行強度調制時，接收端的光電二極管用自外差方法解調出被調制的射頻信號[8]。

圖5 單激光器RHD系統

4 結語

通過對 RoF技術的介紹以及對其關鍵技術的分析，可以看出RoF技術可以應用于很多通信系統中，例如無線局域網WLAN技術、衛星通信和移動寬帶服務等。由于RoF系統高帶寬、低損耗、設計靈活等優點，因此是滿足人們對寬帶業務需求的具有競爭力的解決方案。盡管 RoF系統還面臨降低成本的問題，也有很多關鍵技術要攻克，但有理由相信，隨著研究的不斷深入以及各種標準的不斷完善，RoF系統在未來電子戰、電子對抗、網絡融合以及其他遠程通信和電子系統中[9]，有著廣泛的應用前景。

[1] KOONEN A M J, LARRODE M G.Radio-over-Fiber Techniques PartII：Microwave to Millimeter-wave Systems[J].Journal of Lightwave Technology, 2008,26(15)：2300-2306.

[2] 王景國,朱少林.微波信號光纖傳輸技術[J].光通信技術,2009,33(10)：60-62.

[3] WAKE D,NKANSAH A,GOMES N J,et al.A Comparison of Radio over Fiber Link Types for the Support of Wideband Radio Channels[J]. Journal of Lightwave Technology, 2010, 28(16)：2416-2422.

[4] 龍海,劉鵬.全雙工光纖無線通信系統中的關鍵技術研究[J].通信技術,2009,42(05)：68-70.

[5] MIKROULIS S, KARABETSOS S, PIKASIS E, et al.Performance Evaluation of a Radio over Fiber (RoF)System Subject to the Transmitter’s Limitations for Application in Broadband Networks[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics,2008,54(02)：437-443.

[6] COMPANY V T,PRINCE K,MONROY I T. Fiber Transmission and Generation of Ultrawideband Pulses by Direct Current Modulation of Semiconductor Lasers and Chirp-to-intensity Conversion[J]. Opt.Lett., 2008,33(03)：222-224.

[7] 陳璐,黃永清,任曉敏,等.基于三頻光外差法產生毫米波的研究[J].光通信技術, 2010, 34(03)：12-14.

[8] 陳君洪,楊小麗.無線光通信調制方式研究[J].通信技術,2009,42(01)：33-35.

[9] 孫陳,周學軍,吳俊.光纖保密通信技術現狀及發展[J].信息安全與通信保密, 2006(12)：169-170,173.