基于认知无线电的ROF-PON光无线接入技术

随着通信网络朝着宽带化、移动化方向的发展，光纤无线通信系统(ROF)将光纤通信和无线通信融合到一起，发挥了光纤线路的宽带化、抗干扰的优点，同时发挥了无线通信方便灵活的特点，满足了人们对宽带的需求。早期的ROF 技术主要是致力于提供高频无线传输服务，如毫米波光纤传输等。随着ROF 技术的发展与成熟，人们开始研究混合有线和无线传输网络，即可同时提供有线和无线服务的光纤无线通信(ROF)系统。

随着无线电通信的飞速发展，频谱资源紧张的状况日渐突出，如何在有限的无线资源条件下提高频谱利用率以缓解频谱资源的供需矛盾，已成为通信领域要解决的问题。认知无线电(CR)是智能频谱共享技术，它通过对授权频谱进行“二次利用”，能有效提高频谱资源利用率，已成为通信领域的研究热点。在802.11 无线局域网[1]、802.16 城域网[2] 和3G 移动通信网络[3]已开始研究应用认知无线电技术提高系统的容量，并开始研究应用ROF 技术实现不同业务信号的混合传输[4]。基于认知无线电的混合传输有线和无线信号的光纤无线通信网络是未来通信网络的发展趋势。基于认知无线电技术的混合传输ROF 系统面临许多新的挑战，例如网络架构设计、各层协议设计、基于多种业务的有线和无线调制信号的产生、网络的管理和调制信号的识别等等。

1 认知无线电技术

认知无线电是解决频谱缺乏和频谱未充分利用的有效途径，认知无线电是智能的无线通信系统，它通过感知周围环境的频谱利用情况，并通过学习自适应地调整自己的参数，达到有效利用频谱资源和可靠通信。应用认知无线电是实现频谱资源从固定分配到动态分配的关键技术。在认知无线电系统中，为了保护授权用户( 或成为主用户) 不受从用户( 或CR 用户)的干扰，频谱感知的功能是感知授权用户是否存在。认知无线电用户当监视到授权用户使用的频带未被使用时可以暂时使用。当监视到授权用户的频带在使用时，CR用户释放该信道给授权用户，这样保证CR 用户不对授权用户产生干扰。因此认知无线通信网络有如下显著特点：

(1) 主用户具有接入信道的绝对优先权。一方面，当授权用户没有占用信道时，从用户机会接入空闲信道；当主用户再次出现时，从用户要及时退出正在使用的信道，将信道还给主用户使用。另一方面，当主用户占用信道时，从用户可以在不影响主用户服务质量的条件下接入信道。

(2)CR 通信终端具有感知、管理和调整功能。首先CR 通信终端能够感知所处工作环境中的频谱和信道环境，并根据探测结果按照一定的规则确定对频谱资源的共享和分配；另一方面CR 通信终端具有在线调整工作参数的能力，如改变载频、调制方式等传输参数来适应环境的变化。

在认知无线通信网络中，频谱感知是关键技术。常用的频谱感知算法有能量检测、匹配滤波检测、循环平稳特征检测方法等，这些方法有各自的优缺点，这些算法的性能取决于获得的先验信息。已有的频谱感知算法有：匹配滤波器、能量检测器和特征检测器方法。

匹配滤波器只能应用到主信号是已知的条件下。能量检测器能够应用到主信号未知的情况下，但当采用短的感知时间时性能变差。由于特征检测器的主要思想是利用信号的循环平稳性，通过谱相关函数进行检测。噪声是宽平稳信号且不具相关性，而调制信号是具有相关性且循环平稳的。因此谱相关函数能够区分噪声能量和已调信号的能量。在噪声不确定的环境下，特征检测器的性能要好于能量检测器。特征检测器在低信噪比下的性能受到限制，有高的计算复杂度，同时要求长的观测时间。这样就减小了CR 系统的数据吞吐量。

随着无线通信技术的发展，频谱资源越来越紧张。由于CR 技术可以缓解这个问题，CR 技术在无线通信网络中得到重视，有许多关于无线通信网络标准都引入认知无线电技术。如IEEE 802.11、IEEE 802.22 和IEEE 802.16h。在802.16h 协议中，有一个重要内容就是动态频谱选择，以利于WiMAX 使用广电频段，它的基础就是频谱感知技术。在无线局域网IEEE 802.11h 国际标准中，引入了两个重要概念：动态频谱选择(DFS)和发射功率控制(TPC)，开始将认知无线电应用到无线局域网中。在802.11y 标准中利用正交频分复用(OFDM)技术提供了多种带宽的选择，可以实现带宽的快速切换，WLAN(无线局域网) 系统可以利用OFDM 的特点通过调整带宽和发射功率参数避免与工作在该频段的其他用户相互干扰。由于光纤无线系统具有光纤通信带宽宽的优点和无线通信灵活的特点得到了广泛应用，近几年光纤中传输射频认知WLAN 信号得到了关注，文献[5-6]的作者提出了在ROF系统架构下传输认知无线电信号，仿真实验表明网络性能得到了提高。

2 基于ROF 的混合光纤无线传输系统架构

为了满足传输视频传输的多媒体业务，新兴的光纤到户(FFTH)将成为最终的宽带接入技术，而无源光网络(PON)一经问世就成为人们关注的焦点。由于PON 网络中所用的器件均为无源器件，无需供电，可以免疫外界的电磁干扰和雷电影响，能够实现业务的透明传输，系统可靠性高。PON 网络主要分时分复用无源光网络(TDM-PON)和波分复用无源光网络
(WDM-PON)。

WDM-PON 同TDM-PON 相比，具有用户独享带宽和安全性高等特点，成为未来最有潜力的光接入网，图1所示是WDM-PON 系统框图。

在图1 中，OLT 是光线路终端，ONU 是光网络单元。无线接入网WLAN、WiMAX 和移动通信网络有各自的特点和适用场合，因此是共存的。在实际工作环境中还有其他各种网络存在，但主干网络都应以光网络为主，我们采用基于WDM-PON 的体系结构。在图1 中，只画了3 个典型的无线接入网络，其他有线网络也可以通过PON-ONU 接入WDM-PON系统中。图1 所示的系统架构中，无线网络和PON 的接入单元具有光/电(O/E) 和电/光(E/O) 的功能，不需要调制解调功能，在WDM-PON 中直接传输无线射频信号。

图1 WDM-PON 和无线网络融合的系统架构

3 基于认知无线电的ROF-PON 光无线接入网络系统结构

随着网络技术的发展，光网络也朝着智能方向发展，认知无线电开始应用到光网络中。由于在光网络中提供不同的业务，而不同的业务有不同的服务质量(QoS)要求，这样给网络的管理带来新的挑战。认知网络可以提供跨层设计和跨层优化，因此可以有效地监测和优化光网络。此外，认知技术在光网络中的使用可以提供电信运营商更大的灵活性，根据应用和服务要求调整各种物理层部件的特性( 如调制格式、前向纠错和波长容量等)和网络层参数(带宽、同时传输的光路数和QoS 等)。图2 是基于认知无线电的光纤无线接入网络系统架构，光纤中直接传输射频信号。本文光层可采用WDM-PON 技术(也可以是一个定制的光接入层)。远端的ONU 得到的传感信息回传到中心局(CO)，应用认知无线电技术进行处理。频谱感知和信道接入等都在CO 处理，因此降低了整个系统的复杂度，发挥了ROF 的优势，也发挥了认知无线电在管理频谱方面的特长。

图2 基于认知无线电的光无线接入系统架构

这种系统结构的主要特点是：
(1) 接入点(AP) 节点成本降低，中心基站成本提高。在常规的WLAN网络中，AP 具有调制解调并具有信号处理功能，在本方案中AP 只完成光变成电(O/E) 或电变成光(E/0) 的功能，AP 的调制解调功能和管理功能都转移到中心基站，降低了无线接入节点的成本，但却增加了中心基站的成本。
(2) 可以利用分集技术提高系统的链路性能。由于采用ROF 系统，不同光纤链路接收同一个用户信号可以在中心基站实现宏分集处理，而在无线网络内部可以采用协同分集技术提高链路性能。
(3) 信道接入和频谱感知处理由中心基站完成，网络前端AP 提供射频采集的数据。

这种认知网络架构虽然可以增加系统容量，但它也增加了网络管理方面的复杂度，也面临许多挑战[7]。最大的挑战是媒体访问控制(MAC)层接入控制机制设计。即如何根据PON 网络的MAC 层和无线接入网络的MAC 层的各自特点提出MAC 层性能更优化的MAC 层协议。在网络中光层和射频层是相互依存的，而在这种情况下多个媒体访问控制机制的相互作用将带来设计上的问题。比如射频(RF) 层的频谱感知功能移动到光层去处理，当这个功能被打开时不应干扰射频层感知信道的能力。认知无线电网络下，MAC 协议的功能是确定CR 用户采取什么样的信道接入策略，是实现整个认知网络频谱共享的基本前提。MAC 设计的目标是降低节点传输冲突比例，提高频谱资源利用率。

4 结束语

随着通信网络朝着宽带化、移动化方向的发展，光纤无线通信系统将光纤通信和无线通信融合到一起，发挥了光纤线路的宽带化、抗干扰的优点，同时发挥了无线通信方便灵活的特点，满足了人们对宽带的需求。认知无线电不仅可动态接入授权频谱，还可以接入其他非授权频谱，因此认知无线电和ROF 结合可以提高系统的容量，提高系统的性能。

5 参考文献

[1] 陈东, 李建东, 李维英. 认知无线电与WLAN的融合技术[J]. 中兴通讯技术, 2007, 13(3):15-18.
[2] 唐红, 鲁玉芳, 黄秋宴. 基于认知无线电的WiMAX 系统共存方案研究[J]. 电视技术,2011, 35(3):81-84.
[3] 史琳. 认知无线电技术对未来移动通信产业的影响[J]. 现代电信科技, 2009(12):26-30.
[4] WU Yanzhi, YE Tong, ZHANG Liang, et al. Acost-effective WDM-PON architectrue simultaneously supporting wired, wireless and optical VPN services [J]. Optics Communications, 2011,284(5):1139-1145.
[5] LI H, ATTAR A, PANG Q, et al. Collision avoidance and mitigation in cognitive wireless local area network over fibre [C].Proceedings of the 1st International Conference on Evolving Internet (INTERNET’09), Aug 23-29,2009, Cannes, France.Piscataway, NJ,USA: IEEE, 2009:133-138.
[6] GE Wendong, JI Hong, SI Pengbo, et al.Optimal power allocation for multi-user OFDM and distributed antenna cognitive radio with RoF [J]. The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications, 2010,17(6):41-46.
[7] SUMAN S. Hybrid wireless-optical broadband-access network (WOBAN):Areview of relevant challenges [J]. Journal of Lightwave Technology, 2007,25(11):3329-3339.