動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的智能光載無(wú)線接入技術(shù)

1新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

　　要實(shí)現(xiàn)智能化的光載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)一個(gè)好的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是首先需要考慮的問(wèn)題。結(jié)合目前世界范圍內(nèi)主流網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)并規(guī)避其不足，我們提出了如圖1所示的光纖無(wú)線電（RoF）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

　　該架構(gòu)分為3層，由下往上依次為分布式無(wú)線接入層、光交換層和集總基站池。

　　針對(duì)大范圍低成本W(wǎng)i-Fi覆蓋的應(yīng)用需求，以及智能家庭中吉比特高清視頻等高數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的接入需求，我們將上述的通用型智能光載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)具體化，提出了兩種具有特定適用范圍的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　1.1面向?qū)拵Ы尤肱c泛在感知應(yīng)用的分布式光載Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)及鏈路實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)包括3層，即感知層、傳送層和應(yīng)用層[2].本文提出一種基于光載Wi-Fi異構(gòu)結(jié)構(gòu)的傳送層網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

　　基于光載Wi-Fi的ROF鏈路結(jié)構(gòu)如圖3所示，我們運(yùn)用基于粗波分復(fù)用（CWDM）方式的模擬直調(diào)ROF網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，經(jīng)過(guò)模擬直調(diào)后，不同波長(zhǎng)的光經(jīng)過(guò)CWDM器件復(fù)用到一根光纖中傳輸，光纖另一端由另一個(gè)進(jìn)行解復(fù)用，光信號(hào)被分配到各個(gè)遠(yuǎn)端天線元（RAU）中，由光電探測(cè)器恢復(fù)出射頻信號(hào)，經(jīng)放大后由天線發(fā)射出去實(shí)現(xiàn)無(wú)線覆蓋。通過(guò)雙向的鏈路完成可以滿(mǎn)足寬帶無(wú)線接入的應(yīng)用需求。該透明結(jié)構(gòu)易于升級(jí)，在少量硬件改造的情況下就可以滿(mǎn)足3G等其他無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳輸[3].

　　1.2面向樓內(nèi)多業(yè)務(wù)融合接入的多頻段動(dòng)態(tài)可控ROF網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)及鏈路實(shí)現(xiàn)

　　圖4是2.4 GHz頻段和60 GHz頻段樓內(nèi)多業(yè)務(wù)融合接入的ROF網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。在以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)的光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）處，一個(gè)額外的智能駐地網(wǎng)關(guān)（IGR）被用來(lái)實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)到2.4 GHz和60 GHz的上變頻，以及射頻資源的管控和調(diào)度，并利用室內(nèi)光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸。為了解決上行過(guò)程中的成本和技術(shù)難題，又考慮到上行業(yè)務(wù)如視頻點(diǎn)播（VOD）一般并不需要特別高速的傳輸速率，這里通過(guò)終端設(shè)計(jì)和網(wǎng)關(guān)處理功能，利用相鄰房間的已有Wi-Fi信號(hào)覆蓋來(lái)進(jìn)行吉比特下行業(yè)務(wù)的上行需求。

　　這樣通過(guò)Wi-Fi分布式天線系統(tǒng)的構(gòu)建和60 GHz頻段吉比特?zé)o線通信鏈路的建立，就可以為樓內(nèi)各房間用戶(hù)提供吉比特?zé)o壓縮高清晰度電視及其點(diǎn)播業(yè)務(wù)，Wi-Fi信號(hào)的寬帶接入和健康監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)測(cè)等物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)智能泛在家庭網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

　　圖5是樓內(nèi)多業(yè)務(wù)融合的動(dòng)態(tài)可控ROF網(wǎng)絡(luò)的傳輸鏈路。在ONU和智能駐地網(wǎng)關(guān)（IRG）內(nèi)部，Internet里的吉比特HDTV業(yè)務(wù)源經(jīng)過(guò)EPON的以有線方式提供給樓內(nèi)用戶(hù)，為了支持無(wú)線接入方式，利用變換接口將以太網(wǎng)并行數(shù)據(jù)以串行不歸零碼的方式調(diào)制到直調(diào)激光器發(fā)出的連續(xù)光載波上，然后利用馬赫-曾得爾調(diào)制器（MZM）產(chǎn)生毫米波并通過(guò)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(hào)接收下來(lái)并進(jìn)行功率放大，利用自混頻的方式進(jìn)行下變頻，最后利用低通濾波器濾波就可以得到基帶信號(hào)。

　　為了實(shí)現(xiàn)資源的配置，我們提出了基于微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）光開(kāi)關(guān)矩陣的射頻切換技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可控ROF網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。圖5中，在內(nèi)部，利用中心控制單元發(fā)出的指令控制MEMS光開(kāi)關(guān)選路。這樣，利用60 GHz頻段和2.4 GHz頻段的網(wǎng)絡(luò)，以及光開(kāi)關(guān)矩陣，就能夠?qū)崿F(xiàn)樓內(nèi)多頻段多業(yè)務(wù)的無(wú)線智能覆蓋，極大增加了頻譜效率并有效降低整體能耗。

2智能光載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的媒體訪問(wèn)控制層技術(shù)

　　在構(gòu)建有效網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，還需要考慮怎樣實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部公平有效的資源共享，這就需要為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)配備合理的資源分配機(jī)制--媒體訪問(wèn)控制（MAC）層協(xié)議。智能RoF網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議目前尚沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[4],國(guó)際研究主要集中在對(duì)傳統(tǒng)的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)如、WiMAX的MAC協(xié)議改進(jìn)其響應(yīng)時(shí)間等相關(guān)參數(shù)以抵消光纖引入的時(shí)延從而使其適用于光纖無(wú)線電系統(tǒng)。然而在實(shí)際的RoF系統(tǒng)中，由于信號(hào)的衰減使得傳統(tǒng)的分布式的載波偵聽(tīng)多點(diǎn)接入/沖突避免的協(xié)議喪失有效性。因此，提出專(zhuān)為RoF系統(tǒng)設(shè)計(jì)的MAC層協(xié)議勢(shì)在必行。

　　我們提出基于光載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)屬性的MAC層協(xié)議的新模型[5].主要包括設(shè)計(jì)采用了頻率和時(shí)間雙重屬性因子的混合MAC層協(xié)議，將光纖引入的額外時(shí)延考慮進(jìn)層協(xié)議設(shè)計(jì)中，利用時(shí)間同步補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各遠(yuǎn)端天線單元的邏輯準(zhǔn)同步，從而通過(guò)加入頻率標(biāo)識(shí)，支持光載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)屬性。

　　在上述混合MAC幀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步提出了低功耗動(dòng)態(tài)可控MAC幀結(jié)構(gòu)[6],圖6所示為幀結(jié)構(gòu)，圖6（a）和（b）分別是下行幀結(jié)構(gòu)和上行MAC幀結(jié)構(gòu)。通過(guò)在幀結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)天線控制域“（ on-off”域）實(shí)現(xiàn)對(duì)子天線工作/非工作狀態(tài)的集中管控，進(jìn)而降低能耗。

　　通過(guò)將光纖引入的額外時(shí)延考慮進(jìn)層協(xié)議設(shè)計(jì)中，利用時(shí)間同步補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各RAU的邏輯準(zhǔn)同步。上述動(dòng)態(tài)可控MAC層協(xié)議模型解決了微波和光波協(xié)同作用下分布式ROF網(wǎng)絡(luò)中多小區(qū)、多用戶(hù)、寬帶化泛在化接入問(wèn)題，降低了ROF網(wǎng)絡(luò)的能耗。

　　3動(dòng)態(tài)可重構(gòu)智能光載無(wú)線系統(tǒng)

　　最主要的功能是實(shí)現(xiàn)光纖與無(wú)線的相互融合，從而實(shí)現(xiàn)寬帶、高速和無(wú)線化的信息傳遞。這就需要搭建高效經(jīng)濟(jì)的RoF系統(tǒng)將射頻信號(hào)加載到光載波上，并經(jīng)遠(yuǎn)距離傳輸，在基站通過(guò)寬帶天線實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)多業(yè)務(wù)無(wú)線信號(hào)的傳送。

　　3.1認(rèn)知、協(xié)同與低能耗的智能RoF系統(tǒng)

　　系統(tǒng)與生俱來(lái)的中心處理機(jī)制，使多信道無(wú)線信號(hào)的聯(lián)合處理以及分布式動(dòng)態(tài)可重構(gòu)光載無(wú)線接入成為可能。通過(guò)最大程度的利用有限的頻譜資源、時(shí)隙資源以及功率資源，可實(shí)現(xiàn)靈活、高效、低耗能的無(wú)線通信接入。

　　我們基于RoF系統(tǒng)的中心處理機(jī)制，提出并搭建了具有認(rèn)知、協(xié)同及低能耗的分布式動(dòng)態(tài)可重構(gòu)光載無(wú)線接入系統(tǒng)。系統(tǒng)在中心站同時(shí)控制多小區(qū)、多信道的頻譜與時(shí)隙資源，利用遠(yuǎn)端天線收集各個(gè)小區(qū)和信道的使用狀況，將資源合理搭配，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)屬性，使資源得到最大程度的利用。

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