動態(tài)可重構的智能光載無線接入技術 - 全文

1 新型網(wǎng)絡體系結構

要實現(xiàn)智能化的光載無線網(wǎng)絡，設計一個好的網(wǎng)絡體系結構是首先需要考慮的問題。結合目前世界范圍內(nèi)主流網(wǎng)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(wǎng)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。

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(shù)據(jù)業(yè)務的接入需求，我們將上述的通用型智能光載無線網(wǎng)絡體系架構具體化，提出了兩種具有特定適用范圍的網(wǎng)絡架構

1.1 面向?qū)拵Ы尤肱c泛在感知應用的分布式光載Wi-Fi 網(wǎng)絡架構設計及鏈路實現(xiàn)

物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡，其網(wǎng)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(diào)ROF 網(wǎng)絡架構，經(jīng)過模擬直調(diào)后，不同波長的光經(jīng)過CWDM 器件復用到一根光纖中傳輸，光纖另一端由另一個進行解復用，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(jīng)放大后由天線發(fā)射出去實現(xiàn)無線覆蓋。通過雙向的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］。

1.2 面向樓內(nèi)多業(yè)務融合接入的多頻段動態(tài)可控ROF 網(wǎng)絡架構設計及鏈路實現(xiàn)

圖4 是2.4 GHz 頻段和60 GHz 頻段樓內(nèi)多業(yè)務融合接入的ROF 網(wǎng)絡架構圖。在以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡的光網(wǎng)絡單元（ONU） 處，一個額外的智能駐地網(wǎng)關（IGR） 被用來實現(xiàn)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(diào)度，并利用室內(nèi)光纖網(wǎng)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(wǎng)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(tǒng)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(nèi)各房間用戶提供吉比特無壓縮高清晰度電視及其點播業(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(lián)網(wǎng)業(yè)務，從而實現(xiàn)智能泛在家庭網(wǎng)絡的構建。

圖5 是樓內(nèi)多業(yè)務融合的動態(tài)可控ROF 網(wǎng)絡的傳輸鏈路。在ONU 和智能駐地網(wǎng)關（IRG） 內(nèi)部，Internet 里的吉比特HDTV 業(yè)務源經(jīng)過EPON 的以有線方式提供給樓內(nèi)用戶，為了支持無線接入方式，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(xiàn)資源的配置，我們提出了基于微電子機械系統(tǒng)（MEMS） 光開關矩陣的射頻切換技術來實現(xiàn)動態(tài)可控ROF 網(wǎng)絡的構建。圖5 中，在內(nèi)部，利用中心控制單元發(fā)出的指令控制MEMS 光開關選路。這樣，利用60 GHz 頻段和2.4 GHz 頻段的網(wǎng)絡，以及光開關矩陣，就能夠?qū)崿F(xiàn)樓內(nèi)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。

2 智能光載無線網(wǎng)絡的媒體訪問控制層技術

在構建有效網(wǎng)絡的基礎上，還需要考慮怎樣實現(xiàn)網(wǎng)絡內(nèi)部公平有效的資源共享，這就需要為網(wǎng)絡架構配備合理的資源分配機制—— 媒體訪問控制（MAC）層協(xié)議。智能RoF 網(wǎng)絡MAC 層協(xié)議目前尚沒有統(tǒng)一的標準［4］，國際研究主要集中在對傳統(tǒng)的無線通信標準如、WiMAX 的MAC 協(xié)議改進其響應時間等相關參數(shù)以抵消光纖引入的時延從而使其適用于光纖無線電系統(tǒng)。然而在實際的RoF 系統(tǒng)中，由于信號的衰減使得傳統(tǒng)的分布式的載波偵聽多點接入/沖突避免的協(xié)議喪失有效性。因此，提出專為RoF 系統(tǒng)設計的MAC 層協(xié)議勢在必行。

我們提出基于光載無線網(wǎng)絡動態(tài)可重構屬性的MAC 層協(xié)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(xié)議，將光纖引入的額外時延考慮進層協(xié)議設計中，利用時間同步補償技術，實現(xiàn)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(wǎng)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 所示為幀結構，圖6（a）和（b）分別是下行幀結構和上行MAC 幀結構。通過在幀結構中設計天線控制域“（ on-off”域）實現(xiàn)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層協(xié)議設計中，利用時間同步補償技術，實現(xiàn)各RAU 的邏輯準同步。上述動態(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)絡中多小區(qū)、多用戶、寬帶化泛在化接入問題，降低了ROF 網(wǎng)絡的能耗。

3 動態(tài)可重構智能光載無線系統(tǒng)

最主要的功能是實現(xiàn)光纖與無線的相互融合，從而實現(xiàn)寬帶、高速和無線化的信息傳遞。這就需要搭建高效經(jīng)濟的RoF 系統(tǒng)將射頻信號加載到光載波上，并經(jīng)遠距離傳輸，在基站通過寬帶天線實現(xiàn)點對點多業(yè)務無線信號的傳送。

3.1 認知、協(xié)同與低能耗的智能RoF系統(tǒng)

系統(tǒng)與生俱來的中心處理機制，使多信道無線信號的聯(lián)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(xiàn)靈活、高效、低耗能的無線通信接入。

我們基于RoF 系統(tǒng)的中心處理機制，提出并搭建了具有認知、協(xié)同及低能耗的分布式動態(tài)可重構光載無線接入系統(tǒng)。系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)具有認知、協(xié)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(xié)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(diào)度命令發(fā)送至系統(tǒng)設備，通過對微波和光波資源的控制實現(xiàn)資源的調(diào)度和網(wǎng)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(tǒng)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(lián)合調(diào)度的智能RoF 系統(tǒng)

中有線無線資源的聯(lián)合調(diào)度是指同時考慮有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡的資源調(diào)度，從而最大化RoF 網(wǎng)絡的資源利用率，主要內(nèi)容包括兩部分：算法部分和協(xié)議部分。

算法部分主要針對智能RoF 網(wǎng)絡的路由算法進行資源調(diào)度。我們提出了聯(lián)合路由算法來實現(xiàn)RoF 網(wǎng)絡中有線無線資源的聯(lián)合調(diào)度，從而實現(xiàn)端到端的全局最優(yōu)路徑。聯(lián)合路由算法的主要思想為：把光網(wǎng)絡和無線網(wǎng)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(wǎng)絡域和無線網(wǎng)絡域的算路，父PCE 負責協(xié)調(diào)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(xiàn)分布式環(huán)境下RoF 網(wǎng)絡中的全局最優(yōu)路徑。

協(xié)議部分主要針對智能RoF 網(wǎng)絡的MAC 協(xié)議進行資源調(diào)度。當無線網(wǎng)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(xiàn)為業(yè)務分配合適的光波資源，達到微波光波資源的聯(lián)合調(diào)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(lián)合調(diào)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(wǎng)絡資源利用率，從而實現(xiàn)微波光波資源的聯(lián)合調(diào)度。

4 智能RoF 關鍵單元器件技術

在傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)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(tǒng)中功能集中化的配置和光電域的轉(zhuǎn)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(tǒng)配備相應的組成器件，從而適應RoF 系統(tǒng)信號處理頻域提升和業(yè)務集中的特點。

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(xiàn)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(zhì)量輕、損耗小、抗電磁干擾能力強等一系列優(yōu)點，實現(xiàn)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(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)一級濾波，在微波域?qū)崿F(xiàn)二級濾波，最后通過數(shù)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。基于光子壓縮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(xiàn)了對寬帶微波信號頻率測量。

4.2 全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC） 是一種將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的重要器件，是實現(xiàn)信號在高速通信網(wǎng)路中傳輸，以及實現(xiàn)信號儲存、處理的前端器件。

如圖7 所示為應用ADC 的數(shù)字系統(tǒng)。和傳統(tǒng)的ROF 系統(tǒng)相比，數(shù)字系統(tǒng)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(xiàn)有光接入網(wǎng)來實現(xiàn)傳遞射頻（RF）信號。

為了克服傳統(tǒng)電域ADC 的內(nèi)在的局限性，Henry F.Taylor 于1979 年提出了全光模數(shù)轉(zhuǎn)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(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，然而為了獲得更高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)（NPR）效應來實現(xiàn)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。每一個基于效應的量化編碼單元由兩個級聯(lián)的偏振開關（PSW） 組成，如圖8（d） 所示。其中PSW1 實現(xiàn)預量化編碼，由于隨著抽樣光脈沖強度的增強，PSW1 的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(lián)另外一個偏振開關PSW2，其作用是實現(xiàn)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(shù)，圖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(xiàn)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，其轉(zhuǎn)換速率可以達到幾百Gs/s（Giga-Samples Per Second）。

4.3 微波光子濾波技術

微波光子濾波器（MPF） 是在光域內(nèi)實現(xiàn)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(tǒng)中具有帶寬大、快速可調(diào)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(jīng)引起了人們的興趣。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(jīng)過一次環(huán)形器就產(chǎn)生延遲，理論上，光信號會無限次經(jīng)過光纖環(huán)形器，所以采樣數(shù)接近無限。

如圖9 所示，可以利用光子晶體取代光纖環(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。

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(xiàn)波束賦形。

共面緊湊型電磁帶隙結構由于不需要過孔，相對其他類型結構更易于加工制造。印刷的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(tǒng)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(zhì)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。

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(nèi)重視并已經(jīng)在國際上得到了應用。其中作為一種改善光載無線系統(tǒng)傳輸容量和資源調(diào)配能力的解決方案，動態(tài)可重構的智能光載無線接入網(wǎng)絡應運而生。其產(chǎn)品能夠改善多波長纖鏈路中微波光波協(xié)同問題，具有高速傳輸和資源動態(tài)調(diào)配能力，為實現(xiàn)寬帶化、泛在化、低功耗動態(tài)可重構微波光波融合網(wǎng)絡提供堅實的理論基礎與技術支撐。