动态可重构的智能光载无线接入技术

1 新型网络体系结构

要实现智能化的光载无线网络，设计一个好的网络体系结构是首先需要考虑的问题。结合目前世界范围内主流网络架构的优点并规避其不足，我们提出了如图1 所示的光纤无线电(RoF)网络架构。

该架构分为3 层，由下往上依次为分布式无线接入层、光交换层和集总基站池。

针对大范围低成本Wi-Fi 覆盖的应用需求，以及智能家庭中吉比特高清视频等高数据业务的接入需求，我们将上述的通用型智能光载无线网络体系架构具体化，提出了两种具有特定适用范围的网络架构。

图1 智能光载无线网络体系架构

1.1 面向宽带接入与泛在感知应用的分布式光载Wi-Fi 网络架构设计及链路实现

物联网的典型结构包括3 层，即感知层、传送层和应用层[2]。本文提出一种基于光载Wi-Fi 异构结构的传送层网络，其网络架构如图2 所示。

图2 面向物联网应用的光载Wi-Fi异构网络架构

基于光载Wi-Fi 的ROF 链路结构如图3 所示，我们运用基于粗波分复用(CWDM) 方式的模拟直调ROF 网络架构，经过模拟直调后，不同波长的光经过CWDM 器件复用到一根光纤中传输，光纤另一端由另一个进行解复用，光信号被分配到各个远端天线单元(RAU) 中，由光电探测器恢复出射频信号，经放大后由天线发射出去实现无线覆盖。通过双向的链路完成可以满足宽带无线接入的应用需求。该透明结构易于升级，在少量硬件改造的情况下就可以满足3G 等其他无线标准信号的传输[3]。

图3 基于光载Wi-Fi的ROF链路结构

1.2 面向楼内多业务融合接入的多频段动态可控ROF 网络架构设计及链路实现

图4 是2.4 GHz 频段和60 GHz 频段楼内多业务融合接入的ROF 网络架构图。在以太网无源光网络的光网络单元(ONU) 处，一个额外的智能驻地网关(IGR) 被用来实现基带信号到2.4 GHz 和60 GHz 的上变频，以及射频资源的管控和调度，并利用室内光纤网络传输。为了解决上行过程中的成本和技术难题，又考虑到上行业务如视频点播(VOD)一般并不需要特别高速的传输速率，这里通过终端设计和网关处理功能，利用相邻房间的已有Wi-Fi 信号覆盖来进行吉比特下行业务的上行需求。

图4 楼内多业务联合接入的网络架构图

这样通过Wi-Fi 分布式天线系统的构建和60 GHz 频段吉比特无线通信链路的建立，就可以为楼内各房间用户提供吉比特无压缩高清晰度电视及其点播业务，Wi-Fi 信号的宽带接入和健康监测、视频监控和环境监测等物联网业务，从而实现智能泛在家庭网络的构建。

图5 是楼内多业务融合的动态可控ROF 网络的传输链路。在ONU 和智能驻地网关(IRG) 内部，Internet 里的吉比特HDTV 业务源经过EPON 的以有线方式提供给楼内用户，为了支持无线接入方式，利用变换接口将以太网并行数据以串行不归零码的方式调制到直调激光器发出的连续光载波上，然后利用马赫- 曾得尔调制器(MZM) 产生毫米波并通过毫米波天线发射出去。

在接收端利用接收天线将毫米波信号接收下来并进行功率放大，利用自混频的方式进行下变频，最后利用低通滤波器滤波就可以得到基带信号。

为了实现资源的配置，我们提出了基于微电子机械系统(MEMS) 光开关矩阵的射频切换技术来实现动态可控ROF 网络的构建。图5 中，在内部，利用中心控制单元发出的指令控制MEMS 光开关选路。这样，利用60 GHz 频段和2.4 GHz 频段的网络，以及光开关矩阵，就能够实现楼内多频段多业务的无线智能覆盖，极大增加了频谱效率并有效降低整体能耗。

图5 2.4GHz和60GHz频段动态可控ROF系统链路结构图 

2 智能光载无线网络的媒体访问控制层技术

在构建有效网络的基础上，还需要考虑怎样实现网络内部公平有效的资源共享，这就需要为网络架构配备合理的资源分配机制—— 媒体访问控制(MAC)层协议。智能RoF 网络MAC 层协议目前尚没有统一的标准[4]，国际研究主要集中在对传统的无线通信标准如、WiMAX 的MAC 协议改进其响应时间等相关参数以抵消光纤引入的时延从而使其适用于光纤无线电系统。然而在实际的RoF 系统中，由于信号的衰减使得传统的分布式的载波侦听多点接入/冲突避免的协议丧失有效性。因此，提出专为RoF 系统设计的MAC 层协议势在必行。

我们提出基于光载无线网络动态可重构属性的MAC 层协议的新模型[5]。主要包括设计采用了频率和时间双重属性因子的混合MAC 层协议，将光纤引入的额外时延考虑进层协议设计中，利用时间同步补偿技术，实现各远端天线单元的逻辑准同步，从而通过加入频率标识，支持光载无线网络动态可重构属性。

在上述混合MAC 帧结构基础上，我们进一步提出了低功耗动态可控MAC 帧结构[6]，图6 所示为帧结构，图6(a)和(b)分别是下行帧结构和上行MAC 帧结构。通过在帧结构中设计天线控制域“( on-off”域)实现对子天线工作/非工作状态的集中管控，进而降低能耗。

通过将光纤引入的额外时延考虑进层协议设计中，利用时间同步补偿技术，实现各RAU 的逻辑准同步。上述动态可控MAC 层协议模型解决了微波和光波协同作用下分布式ROF 网络中多小区、多用户、宽带化泛在化接入问题，降低了ROF 网络的能耗。

图6 MAC帧结构

3 动态可重构智能光载无线系统

最主要的功能是实现光纤与无线的相互融合，从而实现宽带、高速和无线化的信息传递。这就需要搭建高效经济的RoF 系统将射频信号加载到光载波上，并经远距离传输，在基站通过宽带天线实现点对点多业务无线信号的传送。

3.1 认知、协同与低能耗的智能RoF系统

系统与生俱来的中心处理机制，使多信道无线信号的联合处理以及分布式动态可重构光载无线接入成为可能。通过最大程度的利用有限的频谱资源、时隙资源以及功率资源，可实现灵活、高效、低耗能的无线通信接入。

我们基于RoF 系统的中心处理机制，提出并搭建了具有认知、协同及低能耗的分布式动态可重构光载无线接入系统。系统在中心站同时控制多小区、多信道的频谱与时隙资源，利用远端天线收集各个小区和信道的使用状况，将资源合理搭配，实现动态可重构属性，使资源得到最大程度的利用。

所提分布式系统具有认知、协同与低能耗3 个特点。其中认知指的是中心站通过远程天线单元了解天线所在小区的无线信道使用状况，并以此计算分配资源方案；协同则是指在计算出最优化资源分配方式后，中心处理器将调度命令发送至系统设备，通过对微波和光波资源的控制实现资源的调度和网络的动态可重构属性；低能耗则是指由于中心站的资源由多个小区共同分享，因而减小了每个小区的设施，同时可在整个系统业务需求小时，关闭部分冗余设备和资源的功能，以节约能源。

3.2 有线无线资源联合调度的智能RoF 系统

RoF 网络中有线无线资源的联合调度是指同时考虑有线网络和无线网络的资源调度，从而最大化RoF 网络的资源利用率，主要内容包括两部分：算法部分和协议部分。

算法部分主要针对智能RoF 网络的路由算法进行资源调度。我们提出了联合路由算法来实现RoF 网络中有线无线资源的联合调度，从而实现端到端的全局最优路径。联合路由算法的主要思想为：把光网络和无线网络分为两个域，在中心站(CO)中构建出3 个路径计算单元(PCE)，其中两个子PCE 分别负责光网络域和无线网络域的算路，父PCE 负责协调两个域的路径计算，当业务到来时，通过子PCE 和父PCE 之间的信息交互，可以实现分布式环境下RoF 网络中的全局最优路径。

协议部分主要针对智能RoF 网络的MAC 协议进行资源调度。当无线网络接入一个新的连接请求时，除了考虑无线侧的资源分配外，还需要考虑排队时间和注册时间的影响，从而实现为业务分配合适的光波资源，达到微波光波资源的联合调度。该方法仅仅从时延造成的影响方面研究了微波光波资源的联合调度，实际上，当多个用户竞争资源时，吞吐量和公平性问题也需要加以考虑以达到更高的网络资源利用率，从而实现微波光波资源的联合调度。

4 智能RoF 关键单元器件技术

在传统的无线通信系统中，大部分微波信号处理功能是在基站中通过电信号处理器来完成，从而受到诸多成本和带宽的限制。光载无线系统中功能集中化的配置和光电域的转换使得在中心局可以完成一些全光微波信号的处理功能。这就需要为RoF 系统配备相应的组成器件，从而适应RoF 系统信号处理频域提升和业务集中的特点。

4.1 光载宽带无线信号的频谱感知

探测泛在环境下微波信号的载频大小，进行信息的获取、处理和分析，是实现宽带接入与泛在感知的关键。微波光子频谱分析与感知正是基于此发展起来的一项关键技术，它利用微波光子技术瞬时宽带处理能力强、质量轻、损耗小、抗电磁干扰能力强等一系列优点，实现了宽带微波的瞬时处理与测量，给微波信号的频谱分析与感知开辟了一条新的研究思路。通过基于相干信道化及基于光子压缩采样的瞬时频率测量，实现了多频点、宽带的频谱感知与分析。

基于相干信道化瞬时多频点频谱分析与感知方法：我们提出了通过在光域实现一级滤波，在微波域实现二级滤波，最后通过数字信号处理的方式对大带宽、多频点和高精度的信号进行感知处理的技术。基于光子压缩采样的瞬时多频点频谱分析与感知方法：我们采用压缩采样理论这一新颖的信号处理手段，利用微波信号在频谱上高度稀疏的特性，通过低速ADC 采样实现了对宽带微波信号频率测量。

4.2 全光模数转换器

模数转换器(ADC) 是一种将模拟信号转换为数字信号的重要器件，是实现信号在高速通信网路中传输，以及实现信号储存、处理的前端器件。

如图7 所示为应用ADC 的数字系统。和传统的ROF 系统相比，数字系统在CO 不需要混频以及本振源，并且对光链路的线性度以及链路增益要求不高，从而可以利用现有光接入网来实现传递射频(RF)信号。

图7 应用ADC的数字ROF系统 

为了克服传统电域ADC 的内在的局限性，Henry F.Taylor 于1979 年提出了全光模数转换器(AOADC) 的概念。全光ADC，其抽样、量化和编码都在光域进行，近年来备受各国科学家的重视。目前全球相关研究大都基于光纤实现数模转换，然而为了获得更高分辨率的模数转换，要求光脉冲有很大的光功率，从而能耗较高，不符合光器件向“ 绿色节能”的方向发展；另一方面，由于是基于光纤的，以上的量化编码方案不利于集成，不符合光器件向集成化的方向发展。

为了使全光量化编码器向低能耗、光子集成、高速率以及高分辨率的方向发展，我们提出了一种利用半导体光放大器(SOA) 中的非线性偏振旋转(NPR)效应来实现全光ADC 的方法[7]，其原理结构如图8 所示。模拟信号被抽样信号抽样之后变成抽样光脉冲，随后被分成N 份，输入到由个基于NPR 效应的量化编码单元组成的量化编码矩阵。每一个基于效应的量化编码单元由两个级联的偏振开关(PSW) 组成，如图8(d) 所示。其中PSW1 实现预量化编码，由于随着抽样光脉冲强度的增强，PSW1 的中更多载流子被消耗，因而造成其输出光功率下降，为了保持强度不同的抽样光脉冲在量化编码单元中所获得的增益一致，PSW1 之后级联另外一个偏振开关PSW2，其作用是实现增益的动态补偿。图8(b)所示为量化编码单元的传输函数，图所示为相应的编码输出，预量化编码和增益动态补偿相结合的方式可以很好地实现量化编码。由于SOA 的增益恢复时间在皮秒级别，因而基于NPR 效应的全光，其转换速率可以达到几百Gs/s(Giga-Samples Per Second)。

图8 一种利用SOA中的NPR效应实现全光ADC的方法

4.3 微波光子滤波技术

微波光子滤波器(MPF) 是在光域内实现对微波/射频信号进行滤波的器件。由于微波光子滤波器在射频系统中具有带宽大、快速可调谐、可重构、无电磁干扰(EMI)、低损耗和重量轻等优点，因而这一类器件已经引起了人们的兴趣。如果在中心站光电变换之前加入微波光子滤波器，就可以大大减小对基带信号处理模块的性能和复杂度要求，避免了电子器件在处理高频信号上带来的“ 瓶颈”问题，并降低了器件成本。

相对于有限冲激响应(FIR) 滤波器来说，把耦合器的一个输出端和输入端相连即构成了光纤环延迟线。

光信号每经过一次环形器就产生延迟，理论上，光信号会无限次经过光纤环形器，所以采样数接近无限。

如图9 所示，可以利用光子晶体取代光纤环制作微波光子滤波器，利用光子晶体波导分束器作为耦合单元，利用慢光波导作为延迟单元。相对于光纤环，光子晶体具有更好的慢光特性，可以显着减小器件尺寸。

4.4 智能天线技术

智能天线的基本原理是通过改变各天线单元的权重在空间形成方向性波束，主波束对期望用户的信号进行跟踪，在干扰用户的方向形成零陷[8]。因此，波束赋形是智能天线中的关键技术。而电磁带隙结构(EBG)是周期排列的结构，具有两个重要特性，表面波带隙和反射相位带隙[9]，利用两个特性有利于提高波束的定向性，从而实现波束赋形。

共面紧凑型电磁带隙结构由于不需要过孔，相对其他类型结构更易于加工制造。印刷的结构表面很高的表面阻抗，截断了电流的传播，同时对于入射的平面电磁波具有同相反射特性，将此种性能的结构应用于系统相当于引入一个人工磁壁。通过合理设计，EBG 结构还可以多频工作，如利用分形结构的自相似特性，在共面型EBG 结构中引入分形，可得到多个带隙[10]，该结构可对天线的多个工作频段性能同时进行改善。图10(a) 为UC-EBG 结构，该结构引入了一级分形，通过对该结构进行交叉排列，得到图10(b)所示的禁带。由图10(b)可知，电磁波在介质基板中不能有效传播，这一方面使能量更加集中地从天线辐射出去，提高了天线的定向性；另一方面，由于表面波被抑制，天线方向图的波纹减小了，这两者都有助于波束赋形。

图9 IIR微波光子滤波器结构示意图

图10 EBG在天线的应用

5 结束语

由于同时具备无线化和宽带化，光载无线技术深受业内重视并已经在国际上得到了应用。其中作为一种改善光载无线系统传输容量和资源调配能力的解决方案，动态可重构的智能光载无线接入网络应运而生。其产品能够改善多波长纤链路中微波光波协同问题，具有高速传输和资源动态调配能力，为实现宽带化、泛在化、低功耗动态可重构微波光波融合网络提供坚实的理论基础与技术支撑。

作者: 田慧平 徐坤 纪越峰  来源: 《中兴通讯技术》 

参考文献

[1] SHARMA V, SINGH A, SHARMA A K.Challenges to radio over fiber (RoF)technology and its mitigation schemes -- A review [J]. Optik -- International Journal for Light and Electron Optics, 2012,123(4): 338-342.
[2] ZHANG Chongfu, WANG Leyang, QIU Kun.Proposal for all-optical generation of multiple-frequency millimeter-wave signals for ROF system with multiple base stations using FWM in SOA [J]. Optcs Express, 2011,19(15):13957-13962.
[3] 徐坤，李建强. 面向宽带无线接入的光载无线系统[M]. 北京: 电子工业出版社, 2009.
[4] CAPMANY J, ORTEGA B, PASTOR D. A tutorial on microwave photonic filters [J].Journal of Lightwave Technology, 2006,24(1):201-209.
[5] SHEN Xi, XU Kun, SUN Xiaoqiang, et al.Optimized indoor wireless propagation model in Wi-Fi-RoF network architecture for RSS-Based localization in the Internet of things [C]//Proceedings of the 2011 International Topical Meeting on Microwave Photonics & 2011 Asia-Pacific Microwave Photonics Conference(MWP/APMP’11), Oct 18-21, 2011, Singapore. Piscataway, NJ,USA: IEEE, 2011: 274-277.
[6] SHEN Xi, XU Kun, SUN Xiaoqiang, et al.Dynamically reconfigurable radio-over-fiber network with medium access control protocol to provide access to train passengers [J]. Science China: Information Sciences, to be published.
[7] WEN Huashun, WANG Hongxiang, JI Yuefeng. All-optical quantization and coding scheme for ultrafast analog-to-digital conversion exploiting polarization switches based on nonlinear polarization rotation in semiconductor optical amplifiers[J]. Optics Communications, 2012,285(18):3877-3885.
[8] SHEN Xi, XU Kun, WU Jian, et al. Enabling technologies for Green radio-over-fiber distributed antenna system based wireless sensor network [J]. China Communication, 2011, 8(8): 56-63.
[9] KOVACS P, URBANEC T. Electromagnetic band gap structures:Practical tips and advice for antenna engineers [J]. Radioengineering,2012,21(1):414-421.
[10] IERA A, FLOERKEMEIER C, MITSUGI J, et al. The Internet of things [Guest Editorial] [J].IEEE Wireless Communications, 2010,17(6):8-9.