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光載毫米波無線電通信技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

(相關(guān)資料圖)

要:將光通信技術(shù)的成本低、帶寬大、損耗小、抗電磁干擾的優(yōu)勢和無線毫米波通信系統(tǒng)結(jié)合起來而產(chǎn)生的毫米波光載無線(MM-RoF)系統(tǒng)，具有帶寬大、體積小、重量輕、成本低、損耗小、抗電磁干擾及傳輸質(zhì)量高等優(yōu)點。MM-RoF可解決傳統(tǒng)微波傳輸系統(tǒng)在毫米波段存在的損耗大、抗干擾能力弱等問題，同時可克服毫米波電子器件的電子“瓶頸”問題，非常有發(fā)展?jié)摿Α６喔袷蕉鄻I(yè)務(wù)的MM-RoF技術(shù)將是MM-RoF系統(tǒng)今后發(fā)展的一個重要方向。

英文摘要:The millimeter wave Radio over Fiber (MM-RoF) system, which combined the advantages of in fiber system and wireless millimeter-wave communications system, has advantages such as broad band, small size, light weight, low cost, anti-electromagnetic interference and high transmission quality. MM-RoF system could solve the problems of high loss and weak anti-interference ability in traditional microwave transmission system. At the same time, MM-RoF system could overcome the "bottleneck" problem of millimeter-wave electronic device with a great potential for development. The multi-format multi-service MM-RoF technology is an important direction for the development of MM-RoF system.

英文關(guān)鍵字:millimeter-wave; Radio over Fiber (RoF); broad-band wireless access

隨著信息通信技術(shù)在經(jīng)濟、社會各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，信息通信技術(shù)成為當(dāng)今世界發(fā)展速度最快、覆蓋范圍最廣、滲透性最強、應(yīng)用最廣泛的一個高新技術(shù)領(lǐng)域，它是推動全球信息通信業(yè)發(fā)展的主要驅(qū)動力量。信息通信不僅能夠減少經(jīng)濟活動的交易費用，大大降低社會運行成本，而且能夠促進知識的傳播和信息的共享，改善人民的生活質(zhì)量，對于一個國家國民整體素質(zhì)提高和經(jīng)濟社會的長遠發(fā)展具有極其重大的現(xiàn)實意義。

當(dāng)今世界，基于波分復(fù)用(WDM)技術(shù)的光纖通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為高速、大容量信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的理想有線平臺。國際上的跨國公司競相開展了基于WDM技術(shù)的太比特級信息傳輸試驗，目前已經(jīng)實現(xiàn)10.9 Tb/s的傳輸。網(wǎng)絡(luò)光纖化的重點從長途骨干網(wǎng)，然后轉(zhuǎn)向中繼網(wǎng)和接入網(wǎng)的饋線段，目前正在逐漸向配線段延伸。中國長途網(wǎng)的光纖化比例目前已高達82%。然而，隨著光纖逐漸向用戶推進，光纖化的代價變得越來越高。除非技術(shù)上有重大突破，光纖到家、到用戶將是一項十分艱巨的任務(wù)。就中國來說，光纖到樓、光纖到小區(qū)和光纖到路邊是中近期的比較現(xiàn)實的目標。另一方面，由于方便、個人化和無處不在的特性，無線接入成為信息時代的寵兒，發(fā)展十分迅猛，成為全球通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的另一個重要方向，是目前全球范圍內(nèi)最吸引人的一個熱點問題。移動通信由目前的數(shù)字話音服務(wù)的2.5G向?qū)崿F(xiàn)視頻、多媒體服務(wù)的3G、B3G甚至4G、5G的高速、寬帶業(yè)務(wù)發(fā)展。而各種新業(yè)務(wù)和寬帶無線接入技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，如流媒體業(yè)務(wù)、射頻標識(RFID)、傳感器聯(lián)網(wǎng)、WiMAX、本地多點分配業(yè)務(wù)(LMDS)等，要求網(wǎng)絡(luò)能夠安全、靈活、無所不在地、大容量地提供綜合服務(wù)。如圖1所示，未來無線通信的發(fā)展趨勢是高速率、高移動性以及不同無線網(wǎng)絡(luò)之間多業(yè)務(wù)的無縫連接。但是，無線網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展面臨著諸多問題，典型地有：現(xiàn)有無線接入網(wǎng)的兼容性問題、數(shù)據(jù)的速率(特別是移動情況下)仍然是無線通信的“瓶頸”問題以及現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)如何平滑地過渡到下一代無線網(wǎng)絡(luò)等。

縱觀各種通信技術(shù)和業(yè)務(wù)需求的發(fā)展方向，實現(xiàn)寬帶化、無線化、個人化、分組化以及多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的融合成為全球通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展目標使得寬帶無線信號和載波頻率向高頻毫米波(如40～60 GHz)擴展的需求日益迫切。將光的大帶寬優(yōu)勢和毫米波無線接入的靈活性結(jié)合起來的毫米波光載無線(MM-RoF)系統(tǒng)具有體積小、重量輕、成本低、損耗小、抗電磁干擾及傳輸質(zhì)量高等優(yōu)點，可解決傳統(tǒng)微波傳輸系統(tǒng)在毫米波段存在的損耗大、抗干擾能力弱等問題，克服了毫米波電子器件的電子“瓶頸”等問題。此外，MM-RoF利用光纖技術(shù)將光纖網(wǎng)絡(luò)的巨大容量和無線接入網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性與移動性有機結(jié)合，可綜合傳送各種無線業(yè)務(wù)信息，為寬帶無線網(wǎng)絡(luò)提供“最后一公里”無縫接入，以實現(xiàn)真正意義的“任何人、任何時間，于任何地點，以任何形式通信”的需求。

下一代寬帶無線通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。結(jié)構(gòu)主要是由分布式天線網(wǎng)絡(luò)(DAN)、分布式信號傳送網(wǎng)絡(luò)(DTN)、分布式信號處理網(wǎng)絡(luò)(DPN)和分布式核心網(wǎng)絡(luò)(DCN)共同組成，其中DTN、DPN和DCN這些涉及到毫米波的信號處理和傳送網(wǎng)絡(luò)都可以通過光纖系統(tǒng)的光集成器件和技術(shù)進行無線信號的處理和傳輸，光纖傳輸能實現(xiàn)現(xiàn)有電纜無法滿足寬帶無線信號傳送的帶寬要求和傳輸質(zhì)量。預(yù)計到2010年，超過80%的毫米波無線信號基于光纖技術(shù)傳送。而DAN部分的天線系統(tǒng)采用基于光控波束形成的智能天線可以克服寬帶、大容量電控天線電子處理無法避免的“瓶頸”問題，成為數(shù)10 GHZ以上無線天線系統(tǒng)理想的方案，其應(yīng)用前景廣闊 [1-3] 。

1 光載毫米波無線電通信技術(shù)的現(xiàn)狀

目前，MM-RoF技術(shù)已經(jīng)成為美國、歐盟、日本、澳大利亞等許多國家的信息研究機構(gòu)、大學(xué)面向應(yīng)用的前沿研究熱點;中國則主要有清華大學(xué)、北京大學(xué)、北京郵電大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、中國電子科技大學(xué)、上海大學(xué)、華中科技大學(xué)等的一批科研院所開展相關(guān)的研究。為了有效利用光纖帶寬資源，實現(xiàn)寬帶多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)無縫連接，對支持寬帶無線多業(yè)務(wù)的MM-RoF系統(tǒng)的研究越來越受到人們關(guān)注 [4-23] 。比較典型的有：

美國喬治亞州技術(shù)學(xué)院在2005年報道了波分復(fù)用-無源光網(wǎng)絡(luò)(WDM-PON)與寬帶MM-RoF無線接入系統(tǒng)的無縫連接研究。其方案利用高非線性色散位移光纖產(chǎn)生的拉曼相關(guān)四波混頻效應(yīng)，實現(xiàn)了8×2.5 Gb/s波分復(fù)用(WDM)信號的全光上變頻為40 GHz微波副載波信號;同時為克服光纖色散的影響，采用了單邊帶濾波技術(shù)，實現(xiàn)了大于20 km的MM-RoF系統(tǒng)傳輸。該學(xué)院于2007年又報道了一種新型全雙工RoF系統(tǒng)，實現(xiàn)了40 GHz載波下，2.5 Gb/s信號(下行差分相移鍵控(DPSK)調(diào)制格式，上行開關(guān)鍵控(OOK)再調(diào)制)的40 km的雙向RoF系統(tǒng)傳輸。

美國NEC實驗室在2007年報道實現(xiàn)了40 GHz微波信號與2.5 Gb/s不歸零碼(NRZ)信號的RoF系統(tǒng)傳輸。該系統(tǒng)是研究有線、無線寬帶服務(wù)同時傳輸?shù)募夹g(shù)的。

在歐洲，自2004年啟動了由西班牙Valencia大學(xué)、英國University College London大學(xué)等多個歐盟研究機構(gòu)共同合作的GANDALF計劃。自2004年啟動至今，其以“研究多業(yè)務(wù)RoF系統(tǒng)，實現(xiàn)吉比特傳輸速率的寬帶無線和有線混合接入網(wǎng)絡(luò)”為最終研究目標。其中，2005年報道了高頻電矢量信號的光產(chǎn)生研究結(jié)果，實現(xiàn)了直接光產(chǎn)生載波為37.5 GHz的74.7 Mb/s正交移相鍵控(QPSK)信號;同年還實現(xiàn)了載波40 GHz、2.5 Gb/s數(shù)據(jù)信號的RoF系統(tǒng)。

英國University College London大學(xué)聯(lián)合劍橋、英國電信、BT公司等多個研究機構(gòu)，研究基于RoF的光纖無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)了60 GHz無線信號多業(yè)務(wù)光傳輸實驗。

在日本，多業(yè)務(wù)毫米波RoF技術(shù)成為眾多研究機構(gòu)的研究熱點。日本大阪大學(xué)在2003年報道他們實現(xiàn)了2.5 Gb/s基帶信號、4.5～12 GHz微波信號和60 GHz載波下的155 Mb/s信號，在3種信號單一光源上的共同傳輸;2006年報道研究了基于超連續(xù)譜光源的全光上變頻產(chǎn)生60 GHz毫米波信號技術(shù)，實現(xiàn)了兩個信道25 km的RoF系統(tǒng)傳輸。日本郵政省通信研究所(CRL)在60 GHz頻帶實現(xiàn)了室內(nèi)無線接入網(wǎng)，在36～37 GHz頻帶汽車路間智能通信系統(tǒng)(ITS-RVC)數(shù)據(jù)傳送速率達10～150 Mb/s。日本ATR研究所在60 GHz頻段實現(xiàn)400 Mb/s二進制相移鍵控(BPSK)調(diào)制數(shù)據(jù)的光纖傳送(上行鏈路系統(tǒng))，在50 GHz頻段實現(xiàn)500 Mb/s BPSK調(diào)制數(shù)據(jù)的光纖傳送(下行鏈路系統(tǒng))。

在加拿大，Ryerson大學(xué)的高級無線光纖集成技術(shù)組(ADROIT)自20世紀90年代末就開始研究RoF系統(tǒng)，目前重點研究在于基于RoF技術(shù)的多媒體無線接入網(wǎng)，實現(xiàn)各種多媒體接入例如IEEE 802.11、寬帶碼分多址(WCDMA)等混合RoF傳輸系統(tǒng)。

韓國Yonsei大學(xué)2003年報道了實現(xiàn)了2×622 Mb/s信號在60 GHz RoF系統(tǒng)中的20 km傳輸，它主要采用了兩個激光器的邊帶注入鎖定技術(shù)實現(xiàn)毫米波信號。2005年，韓國光州科學(xué)與技術(shù)學(xué)院(GIST)報道了利用基于半導(dǎo)體光放大器的馬赫-曾德調(diào)制(SOA-MZI)實現(xiàn)了全光上變頻產(chǎn)生WDM RoF信號，實現(xiàn)了載波頻率為22.5 GHz、速率為155 Mb/s的雙DPSK信號的RoF系統(tǒng)傳輸。2006年Yonsei大學(xué)實現(xiàn)了利用SOA-EAM實現(xiàn)全雙工60 GHz RoF系統(tǒng)10 Mb/s QPSK信號的傳輸。

在中國，許多大學(xué)研究機構(gòu)也十分重視光纖無線傳輸方面的研究。上海大學(xué)2005年報道了“OFDM-RoF光傳輸系統(tǒng)中一些問題的研究”，重點研究正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制無線信號在RoF光傳輸系統(tǒng)中的傳輸性能分析，建立了仿真模型，之后又研究了將光相移鍵控(PSK)調(diào)制用于基于諧波生成原理的RoF下行鏈路系統(tǒng);2006年以來對60 GHz RoF系統(tǒng)在光源方面和系統(tǒng)功率設(shè)計及分配建模進行了研究。北京郵電大學(xué)在2003年前后進行了RoF系統(tǒng)承載第二代無線系統(tǒng)信號的仿真工作，并且理論分析了基于四波混頻(FWM)實現(xiàn)RoF全光波長變。北京大學(xué)利用雙模鎖模激光技術(shù)初步實現(xiàn)了60 GHz毫米波的全光產(chǎn)生，并進行了RoF信號光纖傳輸?shù)纳⒎治觥Ｕ憬髮W(xué)于2005年在微波信號的光產(chǎn)生方面提出利用光纖光柵布里淵雙頻激光器全光產(chǎn)生微波/毫米波，得到了11 GHz附近的微波輸出。華中科技大學(xué)利用雙光源技術(shù)和60 GHz的電吸收收發(fā)器(EAT)分別在下行和上行鏈路實現(xiàn)單波長和雙波長調(diào)制。湖南大學(xué)研究了提出一種改進的雙邊帶調(diào)制產(chǎn)生光毫米波方案。清華大學(xué)自1999年以來在RoF系統(tǒng)中的無線信號光產(chǎn)生、上下變頻、光微波濾波器、鏈路傳輸中串?dāng)_問題等方面進行了研究，取得了一定的研究成果。

2 光載毫米波無線電通信技術(shù)的未來發(fā)展

MM-RoF系統(tǒng)正朝著更大容量、更高性能、更實用的方向發(fā)展，以期滿足將來寬帶多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)無縫連接方面等實際應(yīng)用的要求。目前支持無線多業(yè)務(wù)的MM-RoF系統(tǒng)研究主要是利用光纖中的波長資源，采用WDM技術(shù)實現(xiàn)多業(yè)務(wù)信號的MM-RoF系統(tǒng)傳輸。考慮到光波長資源有限，為了更有效提高光波資源的利用率，用單一光源傳送多業(yè)務(wù)的MM-RoF技術(shù)顯得十分重要和必要，其中在同一光源上實現(xiàn)微波/毫米波頻段的多種格式無線信號的光產(chǎn)生技術(shù)、多格式毫米波信號的MM-RoF傳輸技術(shù)、全光解調(diào)技術(shù)，以及系統(tǒng)性能分析等將成為實現(xiàn)多業(yè)務(wù)傳送的MM-RoF系統(tǒng)的關(guān)鍵。