光載無線分布式天線系統(tǒng)設計方案

隨著話音業(yè)務的成熟，對IP 和高速數(shù)據(jù)業(yè)務的支持已經成為移動通信系統(tǒng)演進的方向，也成為第代移動通信系統(tǒng)的主要業(yè)務特征。

　　然而，2G/3G 網(wǎng)絡對數(shù)據(jù)業(yè)務的支持有廣域低速的特征，為了實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，無線移動通信技術與技術相結合產生了無線局域網(wǎng)等無線接入技術，其應用已經成為高速數(shù)據(jù)業(yè)務的重要接入手段。但是，WLAN 的覆蓋范圍小，只能提供短距離（100 m 左右） 的覆蓋。

　　為了進一步提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，實現(xiàn)信號的廣域覆蓋，提高通信的靈活性，運營商開始將目光轉向4G.考慮到多種移動通信系統(tǒng)將長期并存，因此為了提供更具有針對性的服務，中國移動提出了“2G、3G、4G、”四網(wǎng)協(xié)同的發(fā)展戰(zhàn)略[1].四網(wǎng)業(yè)務的融合對接入網(wǎng)的帶寬和性能有了更高的要求，傳統(tǒng)的接入網(wǎng)已無法滿足用戶不斷提高的帶寬和性能需求。

　　微波光子學充分利用光子學寬帶、高速、低功耗等優(yōu)點來實現(xiàn)微波信號的產生、傳輸、處理和控制，以此為基礎的微波光波融合系統(tǒng)充分發(fā)揮了無線靈活接入和光纖寬帶傳輸?shù)母髯詢?yōu)勢，可以實現(xiàn)單純無線技術和光纖技術難以完成甚至無法完成的信息處理與傳輸組網(wǎng)功能[2-3].由此可見，基于光載無線（ROF） 系統(tǒng)的分布式天線網(wǎng)絡將在四網(wǎng)融合的接入中發(fā)揮極其重要的作用。

　　ROF分布式天線網(wǎng)絡的一般結構如圖1 所示。利用模擬直調光模塊將射頻信號調制到光載波上，經過光纖傳輸至遠端天線單元，然后利用光/電轉換和放大器放大后直接由遠端天線單元的天線發(fā)射進行無線覆蓋。該方式具有成本低廉、覆蓋廣泛以及控制靈活等特點，在礦井、隧道和鐵路等工程領域，以及商場、機場和會議中心等公共熱點區(qū)域都具有廣泛的應用市場，一些廠家已開始進行了模塊和系統(tǒng)的研制與推廣應用。

　　然而，目前的光載無線分布式天線系統(tǒng)成本較高。成本主要取決于系統(tǒng)中使用的光收發(fā)模塊。為了降低系統(tǒng)成本，我們基于商用的千兆以太網(wǎng)光組件，經過電路設計和改進實現(xiàn)了低成本、寬帶的模擬光收發(fā)模塊，為光載無線分布式天線網(wǎng)絡的推廣應用打下了基礎。此外，光載無線鏈路中存在很多噪聲，光學損耗衰減了射頻信號功率同時增加了噪聲指數(shù)（NF）。為了提高系統(tǒng)的性能，研究光損耗對光載無線分布式天線網(wǎng)絡的影響，具有十分重要的意義。同時，鏈路中的受激布里淵散射

　　也對傳輸性能產生不利影響，需要對其進行分析和抑制，以提高網(wǎng)絡性能。針對點到多點的多業(yè)務融合接入及分布式傳輸需求，本文提出了面向2G/3G/4G/WLAN 四網(wǎng)融合接入應用的副載波復用和波分復用（SCM-WDM）結合技術。

　　1.低成本、寬帶的光收發(fā)模塊研制

　　隨著無線業(yè)務不斷增加的需求，下一代的ROF 應用需要支持更高的工作頻率和更大的帶寬。同時，系統(tǒng)中，光收發(fā)模塊成本較高，是大規(guī)模應用的主要限制因素[4];另一方面，隨著千兆以太網(wǎng)（GbE） 技術的發(fā)展，商用千兆以太網(wǎng)光器件的調制帶寬高達8 GHz,為低成本ROF 的傳輸帶來了新的機遇。因此，采取商用千兆以太網(wǎng)光器件來設計低成本、寬帶的光收發(fā)模塊將是一個非常重要的工作。本文提出了一種基于商用千兆以太網(wǎng)光器件的低成本、寬帶收發(fā)模塊。

　　收發(fā)模塊主要由光學組件，射頻放大和偏置控制電路組成。發(fā)送端光學子組件（TOSA） 是針對10 Gb/s 應用、波長為1 310 nm、斜率效率為的分布反饋式（DFB） 激光器。接收端光學子組件（ROSA） 是針對10 Gb/s 應用、響應度為的光電探測器。為了簡化設計，設計使用激光器驅動集成電路來提供偏置電流進行自動功率控制（APC）。為了提高收發(fā)器的線性度，移去商用中線性度較差的轉阻放大器，并使用了100 Ω 的高精度電阻Rd 將電流信號轉換成電壓信號。

　　匹配激光器和驅動器是大帶寬、低損耗模擬光發(fā)送模塊設計中巨大的挑戰(zhàn)。為了達到寬帶和易于實現(xiàn)的目的，在TOSA 中采用了25 Ω的傳輸線系統(tǒng)以匹配激光器和驅動器。首先，切比雪夫多節(jié)傳輸線用于在頻率0.3 GHz~范圍內，將50 Ω 系統(tǒng)匹配到25 Ω 子系統(tǒng)。然后串聯(lián)一個20 Ω的電阻作為匹配電阻連接到激光器以吸收反射的能量。以這種方式，能夠很容易地實現(xiàn)匹配網(wǎng)絡，同時很大程度地提高調制效率。此外，在接收端的光學子組件中，采用100 Ω的傳輸線系統(tǒng)以匹配探測器和放大器。探測之后，將100 Ω的子系統(tǒng)匹配到50 Ω，并使用寬帶的低噪放大器（LNA）放大探測的射頻信號。項目研制的收發(fā)器模塊如圖2 所示。

　　測得光收發(fā)模塊的頻率響應如圖3 所示。端到端的ROF 鏈路增益是-34 dB,3 dB 帶寬是4.3 GHz,能夠滿足面向2G/3G/4G/WLAN 四網(wǎng)融合接入應用的光載無線分布式天線網(wǎng)絡需求。

　　2.光損耗對傳輸性能影響的分析

　　系統(tǒng)與分布式天線網(wǎng)絡的結合，可以擴大覆蓋面積，提高系統(tǒng)容量，應用于多種場所，如機場、商場、智能樓宇等。這種方法可以大大減少遠端天線單元的復雜性，并實現(xiàn)系統(tǒng)的集中式管理。然而，鏈路中存在很多噪聲，光學損耗衰減了射頻信號功率同時增加了噪聲指數(shù)（NF），使得信號被噪聲淹沒。

　　光載無線系統(tǒng)中的光損耗主要來自于網(wǎng)絡中的光學器件。在使用波分復用（WDM） 技術的光載無線分布式天線網(wǎng)絡的星型拓撲結構中，陣列波導光柵（AWG）具有很大的插入損耗[5].在其他的總線型或樹型結構中，光耦合器和光分插復用器也將引入大量的光損耗[6].如果拓撲結構較為復雜，且沒有采用光放大器，光纖傳輸?shù)男盘枌⒈凰p到一個較低的水平，被光纖鏈路中的噪聲淹沒。因此，研究光損耗對光載無線分布式天線網(wǎng)絡傳輸性能的影響，具有十分重要的意義。本文研究了光損耗對光載無線分布式天線網(wǎng)絡傳輸?shù)腤i-Fi 信號的影響，系統(tǒng)結構如圖4所示。

　　項目使用改造的WLAN 接入點設備作為Wi-Fi 信號源。從產生的射頻信號經光收發(fā)模塊調制到光載波，在單模光纖（SMF） 中傳輸后，在遠端經光收發(fā)模塊轉換為電信號，經功率放大器（PA） 放大后，從天線輻射出去。對于上行鏈路，因為接收信號太弱，先由40 dB 增益的低噪放大器（LNA） 放大，然后調制到光載波上并被傳送到AP 端。為了補償光電和電光轉換的損耗，光收發(fā)模塊中的功率放大器增益設置為，從而使得光鏈路的整體增益為0 dB.基于此系統(tǒng)，項目研究了上、下行鏈路的光損耗容限。

　　上行、下行鏈路中仿真信噪比和實際吞吐量與光損耗的關系如圖5所示。測量結果表明，下行鏈路的光損耗容限可以達到20 dB 以上。此外，當光損耗超過23 dB 時，測得的吞吐量將迅速下降5 Mb/s,這是由觸發(fā)開關引起的。因為射頻功率太低，無法觸發(fā)射頻開關，所以下行鏈路的光損失容限要高于測量結果。此外還測量了上行鏈路的光損耗容限，當光損耗低于25 dB 時，數(shù)據(jù)的吞吐量保持在24 Mb/s 附近，而隨著光損耗的增加，吞吐量跳變到18 Mb/s.實驗結果符合ROF 系統(tǒng)中理論仿真的光損耗容限。