目前，光纖通信作為高速大容量通信的主要手段已經應用到各類通信系統和網絡中，光接入網技術已經成為接入網的主流技術之一。與此同時，WiMAX也已經成為3G的標準之一，寬帶無線技術將在未來通信中發(fā)揮重要作用。由此可見，光纖無線的融合成為接入網的一種發(fā)展趨勢，光載無線系統也將在融合接入網絡中發(fā)揮極其重要的作用[1]。
然而在自由空間損耗的影響下，載波頻率越高，衰減越大。這就要求未來的通信網絡需要支持更小的小區(qū)(微蜂窩或微微蜂窩)及更多的基站，因此對基站復雜度的控制尤為關鍵，采用動態(tài)可重構網絡勢在必行。另一方面，盡管光載無線系統使用的部分頻段(如40 GHz和60 GHz頻段)相對于目前的無線通信頻段已經大幅提高，但仍有可能無法完全滿足用戶對寬帶高速業(yè)務的需求，這就需要通信系統具備智能性，從而實現資源的有效利用和網絡兼容。為滿足以上方面的需求，動態(tài)可重構的智能光載無線接入網絡應運而生。
1 新型網絡體系結構
要實現智能化的光載無線網絡，設計一個好的網絡體系結構是首先需要考慮的問題。結合目前世界范圍內主流網絡架構的優(yōu)點并規(guī)避其不足，我們提出了如圖1所示的光纖無線電(RoF)網絡架構。
該架構分為3層，由下往上依次為分布式無線接入層、光交換層和集總基站池。
CO：中心站
OXC：光交叉連接器
RAU：遠端天線單元
圖1 智能光載無線網絡體系架構
針對大范圍低成本Wi-Fi覆蓋的應用需求，以及智能家庭中吉比特高清視頻等高數據業(yè)務的接入需求，我們將上述的通用型智能光載無線網絡體系架構具體化，提出了兩種具有特定適用范圍的網絡架構
1.1 面向寬帶接入與泛在感知應用的分布式光載Wi-Fi網絡架構設計及鏈路實現
RFID：射頻標識
ROF：光纖無線電
RRU：遠端無線射頻單元
圖2 面向物聯網應用的光載Wi-Fi異構網絡架構
物聯網的典型結構包括3層，即感知層、傳送層和應用層[2]。本文提出一種基于光載Wi-Fi異構結構的傳送層網絡，其網絡架構如圖2所示。
基于光載Wi-Fi的ROF鏈路結構如圖3所示，我們運用基于粗波分復用(CWDM)方式的模擬直調ROF網絡架構，經過模擬直調后，不同波長的光經過CWDM器件復用到一根光纖中傳輸，光纖另一端由另一個CWDM進行解復用，光信號被分配到各個遠端天線單元(RAU)中，由光電探測器恢復出射頻信號，經放大后由天線發(fā)射出去實現無線覆蓋。通過雙向的CWDM-ROF鏈路完成可以滿足寬帶無線接入的應用需求。該透明結構易于升級，在少量硬件改造的情況下就可以滿足3G等其他無線標準信號的傳輸[3]。
AP：接入點
CWDM：粗波分復用
RAU：遠端天線單元
SMF：單模光纖
WSN：無線傳感器網絡
圖3 基于光載Wi-Fi的ROF鏈路結構
1.2 面向樓內多業(yè)務融合接入的多頻段動態(tài)可控ROF網絡架構設計及鏈路實現
圖4是2.4 GHz頻段和60 GHz頻段樓內多業(yè)務融合接入的ROF網絡架構圖。在以太網無源光網絡(EPON)的光網絡單元(ONU)處，一個額外的智能駐地網關(IGR)被用來實現基帶信號到2.4 GHz和60 GHz的上變頻，以及射頻資源的管控和調度，并利用室內光纖網絡傳輸。為了解決上行過程中的成本和技術難題，又考慮到上行業(yè)務如視頻點播(VOD)一般并不需要特別高速的傳輸速率，這里通過終端設計和網關處理功能，利用相鄰房間的已有Wi-Fi信號覆蓋來進行吉比特下行業(yè)務的上行需求。這樣通過Wi-Fi分布式天線系統的構建和60 GHz頻段吉比特無線通信鏈路的建立，就可以為樓內各房間用戶提供吉比特無壓縮高清晰度電視(HDTV)及其點播業(yè)務，Wi-Fi信號的寬帶接入和健康監(jiān)測、視頻監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)測等物聯網業(yè)務，從而實現智能泛在家庭網絡的構建。
EPON：無源光網絡
HDTV：高清晰度電視
IGR：智能駐地網關
ODN：光分配網
OLT：光線路終端
ONU：光網絡單元
RAU：遠端天線單元
WLAN：無線局域網
WSN：無線傳感器網絡
圖4 樓內多業(yè)務融合接入的網絡架構圖
圖5是樓內多業(yè)務融合的動態(tài)可控ROF網絡的傳輸鏈路。在ONU和智能駐地網關(IRG)內部，Internet里的吉比特HDTV業(yè)務源經過EPON的ONU以有線方式提供給樓內用戶，為了支持無線接入方式，利用變換接口將以太網并行數據以串行不歸零碼(NRZ)的方式調制到直調激光器(DML)發(fā)出的連續(xù)光載波上，然后利用馬赫-曾得爾調制器(MZM)產生毫米波并通過毫米波天線發(fā)射出去。在接收端利用接收天線將毫米波信號接收下來并進行功率放大，利用自混頻的方式進行下變頻，最后利用低通濾波器濾波就可以得到基帶信號。
為了實現資源的配置，我們提出了基于微電子機械系統(MEMS)光開關矩陣的射頻切換技術來實現動態(tài)可控ROF網絡的構建。圖5中，在IRG內部，利用中心控制單元發(fā)出的指令控制MEMS光開關選路。這樣，利用60 GHz頻段和2.4 GHz頻段的ROF網絡，以及光開關矩陣，就能夠實現樓內多頻段多業(yè)務的無線智能覆蓋，極大增加了頻譜效率并有效降低整體能耗。
AP：接入點
BA：雙向放大器
BPF：帶通濾波器
DML：直調激光器
EA：電放大器
EDFA：摻鉺光纖放大器
HDTV：高清晰度電視
IRG：智能駐地網關
LO：本振
LPF：低通濾波器
MEMS：微電子機械系統
MZM：馬赫-曾得爾調制器
NRZ：不歸零碼
ONU：光網絡單元
PC：相位控制器
PD：光探測器
PS：微波相位延遲線
RAU：遠端天線單元
SMF：單模光纖
STB：機頂盒
圖5 2.4 GHz和60 GHz頻段動態(tài)可控ROF系統鏈路結構圖
2 智能光載無線網絡的媒體訪問控制層技術
在構建有效網絡的基礎上，還需要考慮怎樣實現網絡內部公平有效的資源共享，這就需要為網絡架構配備合理的資源分配機制——媒體訪問控制(MAC)層協議。
智能RoF網絡MAC層協議目前尚沒有統一的標準[4]，國際研究主要集中在對傳統的無線通信標準如Wi-Fi、WiMAX的MAC協議改進其響應時間等相關參數以抵消光纖引入的時延從而使其適用于RoF系統。然而在實際的RoF系統中，由于信號的衰減使得傳統的分布式的載波偵聽多點接入/沖突避免(CSMA/CA)的協議喪失有效性。因此，提出專為RoF系統設計的MAC層協議勢在必行。
我們提出基于光載無線網絡動態(tài)可重構屬性的MAC層協議的新模型[5]。主要包括設計采用了頻率和時間雙重屬性因子的混合MAC層協議，將光纖引入的額外時延考慮進MAC層協議設計中，利用時間同步補償技術，實現各遠端天線單元的邏輯準同步，從而通過加入頻率標識，支持光載無線網絡動態(tài)可重構屬性。在上述混合MAC幀結構基礎上，我們進一步提出了低功耗動態(tài)可控MAC幀結構[6]，圖6所示為MAC幀結構，圖6(a)和(b)分別是下行MAC幀結構和上行MAC幀結構。通過在MAC幀結構中設計天線控制域(“on-off”域)實現對子天線工作/非工作狀態(tài)的集中管控，進而降低能耗。通過將光纖引入的額外時延考慮進MAC層協議設計中，利用時間同步補償技術，實現各RAU的邏輯準同步。上述動態(tài)可控MAC層協議模型解決了微波和光波協同作用下分布式ROF網絡中多小區(qū)、多用戶、寬帶化泛在化接入問題，降低了ROF網絡的能耗。
(a)下行MAC幀結構
(b)上行MAC幀結構
RAU：遠端接入單元
圖6 MAC幀結構
3 動態(tài)可重構智能光載無線系統
RoF最主要的功能是實現光纖與無線的相互融合，從而實現寬帶、高速和無線化的信息傳遞。這就需要搭建高效經濟的RoF系統將射頻信號加載到光載波上，并經遠距離傳輸，在基站通過寬帶天線實現點對點多業(yè)務無線信號的傳送。本節(jié)圍繞認知、協同與低能耗，有線無線資源聯合調度等核心特征，分析智能RoF系統關鍵技術。
3.1 認知、協同與低能耗的智能RoF系統
RoF系統與生俱來的中心處理機制，使多信道無線信號的聯合處理以及分布式動態(tài)可重構光載無線接入成為可能。通過最大程度的利用有限的頻譜資源、時隙資源以及功率資源，可實現靈活、高效、低耗能的無線通信接入。
我們基于RoF系統的中心處理機制，提出并搭建了具有認知、協同及低能耗的分布式動態(tài)可重構光載無線接入系統。系統在中心站同時控制多小區(qū)、多信道的頻譜與時隙資源，利用遠端天線收集各個小區(qū)和信道的使用狀況，將資源合理搭配，實現動態(tài)可重構屬性，使資源得到最大程度的利用。
所提分布式系統具有認知、協同與低能耗3個特點。其中認知指的是中心站通過遠程天線單元了解天線所在小區(qū)的無線信道使用狀況，并以此計算分配資源方案；協同則是指在計算出最優(yōu)化資源分配方式后，中心處理器將調度命令發(fā)送至系統設備，通過對微波和光波資源的控制實現資源的調度和網絡的動態(tài)可重構屬性；低能耗則是指由于中心站的資源由多個小區(qū)共同分享，因而減小了每個小區(qū)的設施，同時可在整個系統業(yè)務需求小時，關閉部分冗余設備和資源的功能，以節(jié)約能源。
3.2 有線無線資源聯合調度的智能RoF系統
RoF中有線無線資源的聯合調度是指同時考慮有線網絡和無線網絡的資源調度，從而最大化RoF網絡的資源利用率，主要內容包括兩部分：算法部分和協議部分。
算法部分主要針對智能RoF網絡的路由算法進行資源調度。我們提出了聯合路由算法來實現RoF網絡中有線無線資源的聯合調度，從而實現端到端的全局最優(yōu)路徑。聯合路由算法的主要思想為：把光網絡和無線網絡分為兩個域，在中心站(CO)中構建出3個路徑計算單元(PCE)，其中兩個子PCE分別負責光網絡域和無線網絡域的算路，父PCE負責協調兩個域的路徑計算，當業(yè)務到來時，通過子PCE和父PCE之間的信息交互，可以實現分布式環(huán)境下RoF網絡中的全局最優(yōu)路徑。
協議部分主要針對智能RoF網絡的MAC協議進行資源調度。當無線網絡接入一個新的連接請求時，除了考慮無線側的資源分配外，還需要考慮排隊時間和注冊時間的影響，從而實現為業(yè)務分配合適的光波資源，達到微波光波資源的聯合調度。該方法僅僅從時延造成的影響方面研究了微波光波資源的聯合調度，實際上，當多個用戶競爭資源時，吞吐量和公平性問題也需要加以考慮以達到更高的網絡資源利用率，從而實現微波光波資源的聯合調度。
4 智能RoF關鍵單元器件技術
在傳統的無線通信系統中，大部分微波信號處理功能是在基站中通過電信號處理器來完成，從而受到諸多成本和帶寬的限制。光載無線系統中功能集中化的配置和光電域的轉換使得在中心局可以完成一些全光微波信號的處理功能。這就需要為RoF系統配備相應的組成器件，從而適應RoF系統信號處理頻域提升和業(yè)務集中的特點。本節(jié)針對智能ROF的關鍵技術，重點分析頻譜感知、全光ADC、微波光子濾波器和智能天線等關鍵單元技術。
4.1 光載寬帶無線信號的頻譜感知
探測泛在環(huán)境下微波信號的載頻大小，進行信息的獲取、處理和分析，是實現寬帶接入與泛在感知的關鍵。微波光子頻譜分析與感知正是基于此發(fā)展起來的一項關鍵技術，它利用微波光子技術瞬時寬帶處理能力強、質量輕、損耗小、抗電磁干擾能力強等一系列優(yōu)點，實現了寬帶微波的瞬時處理與測量，給微波信號的頻譜分析與感知開辟了一條新的研究思路。通過基于相干信道化及基于光子壓縮采樣的瞬時頻率測量，實現了多頻點、寬帶的頻譜感知與分析。
基于相干信道化瞬時多頻點頻譜分析與感知方法：我們提出了通過在光域實現一級濾波，在微波域實現二級濾波，最后通過數字信號處理的方式對大帶寬、多頻點和高精度的信號進行感知處理的技術?；诠庾訅嚎s采樣的瞬時多頻點頻譜分析與感知方法：我們采用壓縮采樣理論這一新穎的信號處理手段，利用微波信號在頻譜上高度稀疏的特性，通過低速ADC采樣實現了對寬帶微波信號頻率測量。
4.2 全光模數轉換器
模數轉換器(ADC)是一種將模擬信號轉換為數字信號的重要器件，是實現信號在高速通信網路中傳輸，以及實現信號儲存、處理的前端器件。如圖7所示為應用ADC的數字ROF系統。和傳統的ROF系統相比，數字ROF系統在CO不需要混頻以及本振源，并且對光鏈路的線性度以及鏈路增益要求不高，從而可以利用現有光接入網來實現傳遞射頻(RF)信號。
ADC：模數轉換器
BPF：帶通濾波器
BS：基站
CO：中心站
DCA：數模轉換器
E/O：電光轉換
O/E：光電轉換
RF：射頻
SMF：單模光纖
圖7 應用ADC的數字RoF系統
為了克服傳統電域ADC的內在的局限性，Henry F.Taylor于1979年提出了全光模數轉換器(AOADC)的概念。全光ADC，其抽樣、量化和編碼都在光域進行，近年來備受各國科學家的重視。目前全球相關研究大都基于光纖實現數模轉換，然而為了獲得更高分辨率的模數轉換，要求光脈沖有很大的光功率，從而能耗較高，不符合光器件向“綠色節(jié)能”的方向發(fā)展；另一方面，由于是基于光纖的，以上的量化編碼方案不利于集成，不符合光器件向集成化的方向發(fā)展。
為了使全光量化編碼器向低能耗、光子集成、高速率以及高分辨率的方向發(fā)展，我們提出了一種利用半導體光放大器(SOA)中的非線性偏振旋轉(NPR)效應來實現全光ADC的方法[7]，其原理結構如圖8所示。模擬信號被抽樣信號抽樣之后變成抽樣光脈沖，隨后被分成N份，輸入到由N個基于NPR效應的量化編碼單元組成的量化編碼矩陣。每一個基于NPR效應的量化編碼單元由兩個級聯的偏振開關(PSW)組成，如圖8(d)所示。其中PSW1實現預量化編碼，由于隨著抽樣光脈沖強度的增強，PSW1的SOA中更多載流子被消耗，因而造成其輸出光功率下降，為了保持強度不同的抽樣光脈沖在量化編碼單元中所獲得的增益一致，PSW1之后級聯另外一個偏振開關PSW2，其作用是實現增益的動態(tài)補償。圖8(b)所示為量化編碼單元的傳輸函數，圖8(c)所示為相應的編碼輸出，預量化編碼和增益動態(tài)補償相結合的方式可以很好地實現量化編碼。由于SOA的增益恢復時間在皮秒級別，因而基于NPR效應的全光ADC，其轉換速率可以達到幾百Gs/s (Giga-Samples Per Second)。
(a)基于SOA中NPR效應的全光ADC原理結構圖
(b)量化編碼單元#1，#2，#3的傳輸函數
(c)量化編碼單元#1，#2，#3的編碼輸出
(d)量化編碼單元的原理結構圖
(e)偏振開關的原理結構圖
ATT：可調衰減器
BPF：帶通濾波器
ISO：隔離器
MSB：最高比特位
NPR：非線性偏振旋轉
NPR-QC：基于非線性偏振旋轉效應的量化編碼器
ODL：光延遲線
PBS：偏振分束器
PC：偏振控制器
PSW：偏振開關
SOA：半導體光放大器
Splitter：分束器
圖8 一種利用SOA中的NPR效應實現全光ADC的方法
4.3 微波光子濾波技術
微波光子濾波器(MPF)是在光域內實現對微波/射頻信號進行濾波的器件。由于微波光子濾波器在射頻系統中具有帶寬大、快速可調諧、可重構、無電磁干擾(EMI)、低損耗和重量輕等優(yōu)點，因而這一類器件已經引起了越來越多的人們的興趣。在ROF系統中，中心站主要完成一些信號處理功能，如光電變換、下變頻、基帶信號處理等，如果在中心站光電變換之前加入微波光子濾波器，就可以大大減小對基帶信號處理模塊的性能和復雜度要求，避免了電子器件在處理高頻信號上帶來的瓶頸問題，并降低了器件成本。
相對于有限沖激響應(FIR)濾波器來說，把耦合器的一個輸出端和輸入端相連即構成了光纖環(huán)延遲線。光信號每經過一次環(huán)形器就產生T的延遲，理論上說，光信號會無限次經過光纖環(huán)形器，所以采樣數接近無限。如圖9所示?？梢岳霉庾泳w取代光纖環(huán)制作微波光子濾波器。利用光子晶體波導分束器作為耦合單元，利用慢光波導作為延遲單元。相對于光纖環(huán)，光子晶體具有更好的慢光特性，可以顯著減小器件尺寸。
DFB：分布反饋式
FIR：有限沖激響應
IIR：無限沖激響應
MZM：馬赫-曾得爾調制器
PD：光電探測器
RF：射頻
圖9 IIR微波光子濾波器結構示意圖
4.4 智能天線技術
智能天線的基本原理是通過改變各天線單元的權重在空間形成方向性波束，主波束對期望用戶的信號進行跟蹤，在干擾用戶的方向形成零陷[8]。因此，波束賦形是智能天線中的關鍵技術。而電磁帶隙結構(EBG)是一種周期排列的結構，具有兩個重要特性，表面波帶隙和反射相位帶隙[9]，利用兩個特性有利于提高波束的定向性，從而實現波束賦形。
共面緊湊型電磁帶隙(UC-EBG)結構由于不需要過孔，相對其他類型EBG結構更易于加工制造。印刷的EBG結構表面很高的表面阻抗，截斷了電流的傳播，同時對于入射的平面電磁波具有同相反射特性，將此種性能的結構應用于系統相當于引入一個人工磁壁。通過合理設計，EBG結構還可以多頻工作，如利用分形結構的自相似特性，在共面型EBG結構中引入分形，可得到多個帶隙[10]，該結構可對天線的多個工作頻段性能同時進行改善。圖10(a)為UC-EBG結構，該結構引入了一級分形，通過對該結構進行交叉排列，得到圖10(b)所示的禁帶。由圖10(b)可知，電磁波在介質基板中不能有效傳播，這一方面使能量更加集中地從天線輻射出去，提高了天線的定向性；另一方面，由于表面波被抑制，天線方向圖的波紋減小了，這兩者都有助于波束賦形。
(a)電磁帶隙結構
(b)該結構的表面波帶隙
圖10 EBG在天線的應用
5 結束語
由于同時具備無線化和寬帶化，光載無線技術深受業(yè)內重視并已經在國際上得到了應用。其中作為一種改善光載無線系統傳輸容量和資源調配能力的解決方案，動態(tài)可重構的智能光載無線接入網絡應運而生。其產品能夠改善多波長纖鏈路中微波光波協同問題，具有高速傳輸和資源動態(tài)調配能力，為實現寬帶化、泛在化、低功耗動態(tài)可重構微波光波融合網絡提供堅實的理論基礎與技術支撐。
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收稿日期：2012-07-08
作者簡介
田慧平，北京郵電大學信息與通信工程學院副教授、博士生導師，2007年入選教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃；研究方向為光通信與微納光子器件；已主持完成基金項目3項；已發(fā)表論文70余篇，其中SCI檢索刊40余篇。
徐坤，清華大學電子工程系獲物理電子學工學博士畢業(yè)，北京郵電大學教授、博士生導師，信息光子學與光通信國家重點實驗室副主任，IEEE光纖無線融合技術分委員會、亞太微波光子學會技術委員會委員；研究方向為微波光子信號處理技術及其應用以及基于光載無線系統的分布式天線網絡；已完成基金項目15項，其中主持6項。
紀越峰，北京郵電大學教授、博士生導師，國家“973”計劃項目首席科學家，國家“863”計劃項目首席專家，北京郵電大學信息光子學與光通信研究院執(zhí)行院長，國家重點實驗室常務副主任，電子信息國家級實驗教學示范中心(建設單位)主任，國務院學位委員會學科評議組成員，中國通信學會會士；研究方向為寬帶網絡與光波通信；研究成果先后獲得國家技術發(fā)明獎二等獎、國家科技進步獎二等獎、國家級教學成果獎二等獎。