基于光載無線通信技術的RoFSO系統*

梁　瑞，劉瑞妮，梁計鋒

(西安翻譯學院,陜西 西安 710105)

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基于光載無線通信技術的RoFSO系統*

梁瑞，劉瑞妮，梁計鋒

(西安翻譯學院,陜西 西安 710105)

摘要：自由空間光載無線通信系統(Radio over Free-Space Optical，RoFSO)是基于光載無線技術(Radio over Fiber，RoF)的一種新興通信系統。該系統將光纖通信與無線通信相結合，在不易敷設光纖的區域可實現短跳連接，彌補RoF網絡完全依賴光纖設施的不足。介紹了RoFSO系統的基本組成及功能，分析了RoFSO系統的波分復用接口技術和發射/接收終端的單模光纖耦合跟蹤技術，同時驗證了該系統的穩定性。結果表明該系統可同時穩定傳輸多種射頻信號，準確性達90%以上，是RoF網絡跨帶接入很好的補充手段。

關鍵詞：RoF；RoFSO；無線通信；波分復用

0引言

對于目前的通信網絡而言，超高速度、超大容量、超長距離是人們追求的目標，光纖網絡是可以滿足這一需求的途徑之一。因此，出現了基于光纖網絡的光載無線通信(Radio over Fiber，RoF)技術、自由空間光通信(Free Space Optics，FSO)技術等。RoF技術是將射頻(Radio Frequency，RF)副載波調制到光載波上并通過光纖網絡傳輸的技術，具有低成本、衰減小、傳輸距離遠等優點。但RoF網絡依附于光纖光纜的基礎設施，需要大規模敷設光纖設備并且建立許多不同類型的接入點，在不易敷設和缺少光纖基礎設施光纖的區域，RoF技術的應用受到限制。RoFSO系統是將RoF技術升級構成的一種光載寬帶無線通信系統，繼承了RoF技術的優點，同時彌補了RoF網絡的不足之處，不但可以解決不易敷設光纖地區的通信問題，而且可以降低成本。除此之外，該系統還使無線接入更安全，難以被攔截，可實現免費許可操作，通信距離可以達到4km，且具有較高的傳輸速率。對于網絡的延伸，最后一公里接入，企業間連接都能發揮重要作用，因此RoFSO系統為RoF網絡跨帶訪問提供了途徑。本文介紹RoFSO系統的結構，分析該系統的兩項關鍵技術，通過穩定性測試證實該系統的可用性。

1RoFSO系統框圖

RoFSO系統是建立在RoF基礎上的新型通信系統。該系統具有RoF技術可以通過光纖鏈路同時傳輸多種無線信號的優點，同時彌補了RoF在缺少光纖區域不能傳輸的空白區，因此可使信號在地面任何地方無障礙傳輸。

1.1RoF技術

RoF技術是利用光纖鏈路傳輸微波信號的一種將光與微波相結合的通信技術。如圖1所示，RoF系統包括中心站(CS)，基站(BS)，光纖鏈路和用戶端四個部分。為了有效利用光纖的超大帶寬，RoF系統大多采用波分復用(WDM)技術，即將多束不同波長的信號復用在一起同時通過光纖傳輸。因此在RoF系統中，多種服務信號如3G信號，WLAN信號，地面數字電視廣播信號以及其他新興先進無線服務信號在中心站中進行處理，中心站將射頻信號模擬調制到光載波上，即實現了電光轉換(E/O)，調制出RoF信號，然后利用WDM技術通過光纖鏈路發送至遠端的目的基站。基站接到光信號后將其光電轉換(O/E)成可用于無線傳播的射頻信號，最后通過天線發射給用戶端。RoF技術具有大容量、低功耗、易安裝等優點。但是，RoF技術依附于光纖網絡，因此，在不易敷設光纖的地區應用受到限制。

圖1　RoF技術原理

1.2RoFSO系統

RoFSO系統與RoF系統唯一不同點即將傳輸過程中的一段光纖用發射終端與接收終端替代，即將不易敷設光纖的一段距離通過發射和接收終端進行連接，跨過了不易敷設光纖的區域，如圖2所示，通過中心站調制后的RoF信號經光纖傳輸到RoFSO系統的發射終端，發射終端直接將接收到的RoF信號發送到自由空間，然后通過RoFSO的接收終端接收該信號并傳輸到遠程基站，基站接收到光信號后將其光電轉換(O/E)成可用于無線傳播的射頻信號，最后通過天線發射給用戶端。可以看出，發射終端之前與發射終端之后信號的處理方式與ROF系統相同，發射終端和接收終端實現了光纖的短跳連接。該系統發送終端與接收終端之間不能出現障礙物，否則無法通信，傳輸最遠距離為4 km，數據傳輸速率小于10 Gbit/s[1-3]。

圖2　RoFSO系統

2RoFSO系統關鍵技術

RoFSO系統的設計方案中包括兩項關鍵技術，分別為RoFSO波分復用接口技術和發射/接收終端的空間光單模光纖耦合跟蹤技術。RoFSO的接口技術實現了RoF信號與發射/接收終端的無縫連接，而發射/接收終端中的空間光單模光纖耦合技術實現了透明無線傳輸。

2.1RoFSO波分復用接口技術

RoFSO系統中的接口設備主要是上行鏈路中CS與發射終端的接口以及下行鏈路中接收終端與BS的接口。目前已有4種射頻-RoFSO接口(I/F)設備，分別在主頻2 GHz的3 G，2.4 G的WLAN(802.11g)，5 GHz的WLAN(802.11a)，以及采用UHF頻段的地面數字電視廣播(DTV)中實現了無線光信號的無縫連接。圖3為RoFSO I/F設備的方框圖。

圖3　RoFSO系統I/F設備

在CS中，四種類型的射頻信號分別對RoF發射機四個光載波進行強度調制，即E/O調制，圖3中λx表示ITU-T所建議的G.692 100-GHz格柵間隔中所定義的標準化的第x個光波長。接著，這些光載波在光WDM多路復合器中進行復合，經過摻餌光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)進行放大，然后傳輸到發射終端。在BS中，三種類型無線電反向信號的三種WDM光載波(802.11a,11g和3G)被送入BS的接口，然后在具有自動增益控制(AGC)功能的后EDFA處進行放大，AGC的功能是使所檢測到的光功率保持在固定水平。EDFA輸出信號在WDM解復用器中進行分離，至此可以獲得光檢測之后RoF接收機的輸出所得到的各個無線射頻信號[4-5]。

2.2發射/接收終端空間光單模光纖耦合跟蹤技術

在RoFSO系統中，RoF信號的發射/接收終端是整個系統的核心。發送時，直接將波分復用RoF信號從單模光纖(SMF)發送到自由空間；接收時，將收到的光束聚焦耦合到SMF10m的核芯處。如何將發射端的RoF信號準確耦合到接收端的單模光纖中是技術難點，下面將詳細介紹該關鍵技術。

為了將RoF信號穩定有效的耦合到接收端的單模光纖(SMF)中，需滿足以下幾個條件：①由聚焦透鏡形成的圖像中心應當與SMF模場一致；②聚焦光束的方向應當對準SMF光軸；③焦點處的光斑直徑應當與SMF模場直徑相同。

為了滿足以上3個條件，該終端需要使用空間光單模光纖耦合跟蹤技術來檢測光束點水平和垂直方向上的誤差，從而使RoFSO鏈路與光纖鏈路具有相同的穩定性和可靠性。

RoFSO系統中空間光單模光纖耦合跟蹤過程由兩個步驟完成：通過850 nm波段的信標光束進行粗略跟蹤；使用1550 nm波段的通信信號進行精確跟蹤。信標光束(850 nm)與用來粗略跟蹤和初始化校準的數據載波光束(1550 nm)相分離。該系統使用通信信號進行準確跟蹤，即通過光分束器提取一小部分通信信號光束用于檢測光束的到達角，其中通信信號和精確跟蹤光束比例為10：1。到達角水平和垂直方向上的誤差通過數字信號處理器進行分析計算，進而驅動快速轉向鏡來抵消這一變化。圖4為發射/接收光束跟蹤終端光學結構。

圖4　發射/接收光束跟蹤終端光學結構

該發射接收裝置性能如下，光發射功率：20 dB/波；幾何損失：2.6 dB/1 km；光束角寬度：1.55 μm時47.3 μrad；空氣纖芯耦合損耗：小于5 dB；光束跟蹤速度：大于2 kHz；入射光束角波動的抑制率：100 Hz時20 dB。RoFSO發射/接收器可應用于1 km長的自由空間光通道，損耗小于15 dB，對于傳輸WDM RoF信號，它與光纖具有相同的透明度和帶寬[6-8]。

3RoFSO系統的穩定性

由于RoFSO鏈路本質是模擬信道，通信質量與數字系統相比更易惡化，同時發射/接收終端是一種視距技術，對天氣條件非常敏感，因此，系統的穩定性顯得非常重要。RoFSO系統性能的穩定性主要由兩方面因素決定，一方面是天氣條件；另一方面是錯誤跟蹤或者跟蹤機制補償度不足。以上兩個因素中天氣條件對RoFSO系統穩定性影響較大，例如，雨，雪，霧，塵埃粒子等，這些天氣現象都會影響鏈路的性能。

為了測試鏈路的穩定性，連續收集24小時降雨量為2～3 mm/h下WLAN IEEE 802.11g吞吐量的測試結果如圖5所示，可以看出，在降雨期間，所接收到的光功率由最大值-7 dBm下降到-14 dBm，同時，RoFSO鏈路中接收光功率與降雨量和吞吐量性能相關聯，這一點可以由圖5發送和接收吞吐量的離散值得到證明。從中午開始，當雨量減少，接收光功率得到提高，吞吐量性能也得到改善。從而可以看出天氣條件對鏈路性能影響巨大。在這一特定測試中，吞吐量(發射和接收)始終約高于12 Mb/s，這一結果證明，即使存在天氣影響，RoFSO系統依然穩定，并能提供一致的TCP/IP數據傳輸。

圖5　降雨期間WLAN IEEE 802.11g吞吐量與接收光功率性能

RoFSO穩定性測試結果證實，在一般大氣湍流及其他惡劣天氣條件下，對于W-CDMA信號，RoFSO可以實現3GPP定義的規范標準；對于地面數字電視廣播(ISDB-T)的傳輸測試中，RoFSO滿足CNR為35 dB的限制條件。因此，RoFSO的穩定性測量結果表明整個RoFSO系統的可用性在90%以上[9-10]。

4結語

本文介紹了新型RoFSO通信系統，該系統彌補了RoF網絡的不足，可在通信不健全或不易敷設光纖的地方完成快速配置，實現了一種短跳連接，大大降低由于安裝新網絡的高額費用和難度。同時，該系統還可以與現有廣泛部署的光纖基礎設施兼容且靈活升級。

RoFSO系統采用的兩項關鍵技術設計方案獨具特色，其中接口設備主要采用的WDM技術保證了RoF信號傳輸速度和質量；單模光纖耦合跟蹤技術提高了數據傳輸的準確率，為該系統提供了可靠的保障和應用潛力。整個系統的穩定性測試結果表明多種信號在RoFSO系統中傳輸均是穩定的。

目前，還沒有RoFSO相關標準化的研究，相信在未來，隨著通信需求的不斷增大和各種標準的不斷完善，該系統的設計會得到優化，性能會有更大提高，并在光通信網絡中起到主導作用。

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RoFSO Systembased on RoF Communication Technology

LIANG Rui,LIU Rui-ni,LIANG Ji-feng

(Xi′an Fanyi University,Xi′an Shaanxi 710105,China)

Abstract：RoFSO (Radio over Free-Space Optical System) is a new communication system based on RoF (Radio over Fiber) technology.By combining optical and wireless communications,this system could implement short-hop connection in the areas which lack fiber optical facilities,thus overcoming the disadvantage that of RoF would entirely depend on fiber facilities.In this paper,the composition and function of RoFSO are described and the two key technologies analyzed in detail,including WDM interface technology and transmitting/receiving terminal single-mode fiber-coupled tracking technology.In addition,the stability of this system is verified.The experimental results show that RoFSO system could simultaneously transmit multiple RF signals,with an accuracy of more than 90%,and thus is a fairly good means to implement cross-band access.

Key words：RoF; RoFSO; wireless communication; WDM

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.02.008

* 收稿日期：2015-09-27；修回日期：2016-01-01Received date:2015-09-27；Revised date：2016-01-01

基金項目：西安翻譯學院2015年度教育教學改革基金 (No.J15B24)

Foundation Item:2015 Education Reform Fund，Xi'an FANYI University (No.J15B24)

中圖分類號：TN929.1

文獻標志碼：A

文章編號：1002-0802(2016)02-0159-04

作者簡介：

梁瑞(1987—)，女，碩士，助教，主要研究方向為電子信息工程；

劉瑞妮(1982—)，女，碩士，講師，主要研究方向為自動控制；

梁計鋒(1980—)，男，碩士，講師，主要研究方向為電子技術。