光載無線通信 又名：簡稱ROF(Radio-over-Fiber)

　　光載無線通信簡稱ROF(Radio-over-Fiber)技術(shù)，是一種光和微波結(jié)合的通信技術(shù)，是利用光纖的低損耗、高帶寬特性，提升無線接入網(wǎng)的帶寬，為用戶提供”anywhere，anytime，anything”的服務(wù)。它的產(chǎn)生與發(fā)展都來源于用戶對無線接入網(wǎng)的帶寬的需求。具有低損耗、高帶寬、不受無線頻率的干擾、便于安裝和維護(hù)、功率消耗小以及操作更具靈活等優(yōu)點(diǎn)。

光載無線通信的背景

　　當(dāng)前，基于PON技術(shù)的FTTH在一些試點(diǎn)城市進(jìn)行得如火如荼，同時，WiMAX也異軍突起并順利成為3G標(biāo)準(zhǔn)中一員。在骨干光網(wǎng)絡(luò)已趨于飽和的情況下，接入網(wǎng)領(lǐng)域的巨大市場份額無疑會成為各大運(yùn)營商爭相投資的動力。光纖接入和無線接入分別有著各自的優(yōu)勢，光纖具有低損耗、高帶寬、防電磁干擾等特點(diǎn)，而無線接入則可以給用戶帶來無處不在的方便快捷服務(wù)，且免去了鋪設(shè)光纖的昂貴費(fèi)用，于是，人們就想能不能用一種技術(shù)將有線與無線接入融合起來。Radio-over-Fiber(ROF)技術(shù)就是應(yīng)這種需求而出現(xiàn)，并且成為越來越多人研究的熱點(diǎn)。

　　2008年伊始，國內(nèi)電信業(yè)重組成為人們討論的焦點(diǎn)，就人們已經(jīng)預(yù)測的重組方案來說，未來的運(yùn)營商都將擁有自己的固定和移動網(wǎng)絡(luò)，并且兼營兩部分業(yè)務(wù)，為了成本的最低化、網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化，運(yùn)營公司必定會選擇網(wǎng)絡(luò)的融合。另外，從市場上看，有調(diào)研機(jī)構(gòu)調(diào)查顯示，在調(diào)查對象中，有60.6%認(rèn)為在未來5年中主要出現(xiàn)的情景將是無線和有線的融合（FMC），大多數(shù)用戶將擁有1部多模電話機(jī)，并通過最適合的網(wǎng)絡(luò)(可以是固定網(wǎng)，也可以是無線網(wǎng))來進(jìn)行呼叫。

　　2008年底隨著3G牌照的發(fā)放，所以，無論從技術(shù)、政策還是市場驅(qū)動上看，融合必定成為今后電信業(yè)的主旋律和必然趨勢，技術(shù)將趨于融合，網(wǎng)絡(luò)將趨于融合，業(yè)務(wù)也將趨于融合，ROF技術(shù)也必將在未來網(wǎng)絡(luò)融合中發(fā)揮巨大的作用。

光載無線通信的概述

　　光載無線通信是應(yīng)高速大容量無線通信需求，新興發(fā)展起來的將光纖通信和無線通信相結(jié)合起來的無線接入技術(shù)。ROF系統(tǒng)中運(yùn)用光纖作為基站(BTS)與中心站(CS)之間的傳輸鏈路，直接利用光載波來傳輸射頻信號。光纖僅起到傳輸?shù)淖饔?，交換、控制和信號的再生都集中在中心站，基站僅實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，這樣，可以把復(fù)雜昂貴的設(shè)備集中到中心站點(diǎn)，讓多個遠(yuǎn)端基站共享這些設(shè)備，減少基站的功耗和成本。

　　光纖傳輸的射頻（或毫米波）信號提高了無線帶寬，但天線發(fā)射后在大氣中的損耗會增大，所以要求蜂窩結(jié)構(gòu)向微微小區(qū)轉(zhuǎn)變，而基站結(jié)構(gòu)的簡化有利于增加基站數(shù)目來減少蜂窩覆蓋面積，從而使組網(wǎng)更為靈活，大氣中無線信號的多經(jīng)衰落也會降低；另外，利用光纖作為傳輸鏈路，具有低損耗、高帶寬和防止電磁干擾的特點(diǎn)。正是這些優(yōu)點(diǎn)，使得ROF技術(shù)在未來無線寬帶通信、衛(wèi)星通信以及智能交通系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

光載無線通信的系統(tǒng)架構(gòu)

　　ROF系統(tǒng)的基本實(shí)現(xiàn)策略是將數(shù)字基帶信號先用射頻副載波（Radio Frequency，以下簡稱”RF”）調(diào)制，然后用光鏈路傳輸。在接收端恢復(fù)射頻信號，通過天線發(fā)射在移動或固定終端接收射頻信號解調(diào)得到數(shù)字信號。同時移動終端也可以通過ROF系統(tǒng)向服務(wù)提供者提出服務(wù)請求，實(shí)現(xiàn)雙向交互的通信。

光載無線通信的特點(diǎn)

　　1 輸距離長 、衰減損耗低

　　高頻微波信號的傳輸，無論是在自由空間還是在固態(tài)介質(zhì)傳輸線上，具有很多潛在問題，成本也較昂貴。自由空間里，隨著頻率的升高，由吸收和反射引入的損耗也加大。固態(tài)介質(zhì)傳輸線中，阻抗隨著頻率的升高而增大，帶來了很大的損耗。因此，遠(yuǎn)距離分布高頻射頻信號需要很昂貴的再生設(shè)備。對于毫米波而言，它們在傳輸線上的分布傳播即使短距離也是很難實(shí)現(xiàn)的。目前已商用的解決辦法，就是把基帶信號或者中頻調(diào)制信號從交換中心(headend)分布傳輸?shù)紹TS基站，基帶或者中頻信號在基站端上變頻到需要的微波或者毫米波，微波放大，然后經(jīng)由天線發(fā)射，如圖a/b所示的結(jié)構(gòu)，只不過傳輸媒介是電纜而非光纖。由于在各個基站端上變頻處理的需要，就需要高性能的本地振蕩器，這個又導(dǎo)致基站端復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和較高的性能需求。另一方面，因?yàn)楣饫w具有較小的損耗，ROF技術(shù)既可以實(shí)現(xiàn)毫米波分布的低損耗，還可以簡化RAUs的結(jié)構(gòu)。

ROF系統(tǒng)概念的理論圖

　　目前實(shí)用的單模光纖(SMFs)基本都是石英材料的，他們在1550nm和1310nm窗口的損耗分別低于0.2dB/km和0.5dB/km，比已知的其他通信線路的損耗都低的多，因此，由其組成的光纖通信系統(tǒng)的中繼距離也較其他介質(zhì)構(gòu)成的系統(tǒng)長的多。如果今后采用非石英光纖，并工作在超長波長（＞2υm），光纖的理論損耗系數(shù)可以下降到10-3～10-5dB/km，此時光纖通信的中繼距離可大數(shù)千，甚至數(shù)萬公里。

　　2 光纖的容量大

　　光纖可以提供巨大的帶寬。光纖通信主要又三個低損耗窗口，分別是850nm，1310nm，1550nm波長。對于單根單模光纖來說，三個窗口一共可以提供高達(dá)50THz的帶寬。然而，目前廣泛商用的系統(tǒng)僅僅利用了其中的一小部分，大概1.6THz。人們還在不斷的研究如何拓展單根光纖的傳輸能力，通過包括開發(fā)低色散光纖、為1550nm專用的摻餌光放大器、混和利用高級光時分復(fù)用(OTDM)和密集光波分復(fù)用技術(shù)(DWDM)等。

　　除了傳輸微波信號的較高性能，光纖的高帶寬還有其他的優(yōu)點(diǎn)。高光帶寬可以實(shí)現(xiàn)在電系統(tǒng)中很難甚至不可能實(shí)現(xiàn)的高速信號處理，也就是說，一些必需的微波信號處理，比如濾波，混頻，上/下變頻都可以在光域中實(shí)現(xiàn)。在光域進(jìn)行信號處理就可以利用較便宜低帶寬的光器件，象是激光二極管和調(diào)制器，還可以處理高帶寬的信號。

　　3  光纖體積小、重量輕、安裝維護(hù)簡便

　　在ROF系統(tǒng)中，復(fù)雜而昂貴的設(shè)備都在headend端，簡化了RAUS的結(jié)構(gòu)。比如系統(tǒng)刪減了RAU端的本振和相關(guān)設(shè)備，而僅僅需要光電探測器，射頻放大器和天線來發(fā)射信號，調(diào)制器和交換設(shè)備也都放置在headend端，這些設(shè)備由幾個RAUS共用。這種結(jié)構(gòu)可以使RAUS更加輕便小巧，有效的降低了系統(tǒng)安裝和維護(hù)成本，這點(diǎn)對于毫米波系統(tǒng)來說是極其重要的，因?yàn)楹撩撞ㄏ到y(tǒng)需要很多的RAUS。在那些RAUS不是很容易接近的應(yīng)用來說，維護(hù)成本是運(yùn)營成本的主要部分。較小的RAUS還可以降低對環(huán)境的污染和影響.

　　4  可以提供多種通信業(yè)務(wù)

　　ROF滿足了系統(tǒng)級操作的靈活性。依賴微波產(chǎn)生技術(shù)，ROF分布系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)信號格式的透明化。強(qiáng)度調(diào)制－直接檢測 ( IM－DD) 技術(shù)可以被設(shè)計使用成為一個線性的系統(tǒng)，也就是通明(transparent)系統(tǒng)。它可以通過混和利用低損耗單模光纖和預(yù)調(diào)制RF載波技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。這樣的ROF網(wǎng)絡(luò)可以被用來分布支持多操作、多服務(wù)的通信業(yè)務(wù)，這又可以帶來經(jīng)濟(jì)成本上的節(jié)約。

　　5  動態(tài)資源配置

　　由于交換機(jī)、調(diào)制器和其他射頻微波功能器件都放在中心局端，這就使得資源配置可以動態(tài)化。例如，一個支持GSM系統(tǒng)業(yè)務(wù)的ROF分布系統(tǒng)，更多的資源和容量可以配置到某一個特定的地點(diǎn)，比如消費(fèi)高峰時段的商場，然后在高峰期后再配置到其他地區(qū)，比如傍晚的居民居住區(qū)。隨著需求的增大，這些功能可以通過WMD技術(shù)分配配置光波實(shí)現(xiàn)。根據(jù)業(yè)務(wù)需求配置通信容量可以克服只能固定永久性配置容量的需求，畢竟這種固定性配置在業(yè)務(wù)需求變化頻繁的大型區(qū)域是一種很大的資源浪費(fèi)。而且，因?yàn)橹行木侄说拇嬖冢雍喴嘴柟塘似渌盘柼幚砉δ?，比如移動性切換功能和宏觀復(fù)用傳輸?shù)取?/p>

　　6  抗電磁干擾能力強(qiáng)

　　良好抗電磁干擾性能對光纖通信，尤其微波通信來說是極具吸引力的一個特性。而采用光的方式在光纖中傳輸微波信號恰恰實(shí)現(xiàn)了這個功能。光導(dǎo)纖維是石英玻璃絲，是一種非導(dǎo)電介質(zhì)，交變電磁波在其中不會產(chǎn)生感生電動勢，即不會產(chǎn)生與信號無關(guān)的噪聲。因?yàn)檫@個特性，光纜在毫米波的短距離鏈接中都被較大范圍的利用。與抗電磁干擾相關(guān)的，光纖通信還有良好的抗竊聽性，可以保護(hù)隱私和提供更好的安全性。結(jié)構(gòu)簡單、裝備減少的RAUS能夠使電能消耗大大降低。基本上所有復(fù)雜的設(shè)備都放置在中心局端。某些應(yīng)用上，RUAS還可以是無源操作的。由于RAU端功率消耗的降低，可以考慮把RAUS放置在遙遠(yuǎn)沒有電力供應(yīng)的地點(diǎn)。

光載無線通信的現(xiàn)狀及展望

　　在光載無線通信系統(tǒng)中，由于光載波上承載的是模擬的微波信號，與傳統(tǒng)的數(shù)字光纖傳輸鏈路相比，其系統(tǒng)對光器件的性能以及鏈路自身的色散、非線性效應(yīng)等都有了更為苛刻的要求。目前，對于光載無線通信技術(shù)的研究仍然集中在物理層上，例如基于微波光子學(xué)的毫米波信號源產(chǎn)生，光調(diào)制器、濾波器的特性分析與改進(jìn)，光纖鏈路的色散控制，以及基站中光載波的再利用等系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化。

　　其中，以毫米波信號源的產(chǎn)生技術(shù)為例，傳統(tǒng)的高頻信號發(fā)生源需要昂貴的本振源，可以利用光波的外差混頻技術(shù)來得到高頻載波。在雷達(dá)或光纖無線電（光載無線通信）通信系統(tǒng)中，在光域里對中頻微波信號進(jìn)行上變頻，可以得到承載高數(shù)據(jù)率的毫米波信號，目前比較成熟的技術(shù)有，基于強(qiáng)度調(diào)制器、基于EAM中XAM效應(yīng)、基于SOA中XGM效應(yīng)、基于高非線性光纖中的XPM或FWM效應(yīng)的全光頻率上變換技術(shù)。

　　目前，IEEE收錄的電子期刊以及其他光學(xué)權(quán)威期刊Optics Letters、Optics Express等都刊載了大量關(guān)于光載無線通信的文章，但是，這些研究都停留在對信號處理技術(shù)以及鏈路系統(tǒng)研究的層面上，對網(wǎng)絡(luò)層次的研究成果較少。一種技術(shù)的成熟必定要依賴于市場的驅(qū)動進(jìn)而產(chǎn)生利潤。光載無線通信技術(shù)要在實(shí)際通信系統(tǒng)中應(yīng)用，還有許多現(xiàn)實(shí)的問題需要研究。例如：網(wǎng)絡(luò)融合中的接口問題，MAC協(xié)議的問題，天線的更高增益問題以及高速移動在微微蜂窩中頻繁切換的問題和多普勒效應(yīng)問題等等。

　　在研究領(lǐng)域，美國喬治亞理工大學(xué)的張教授研究組對40G/60G射頻光載無線通信系統(tǒng)作了大量的研究，并且搭建出了一套光無線傳輸系統(tǒng)，將DVD存儲的高清晰電視數(shù)據(jù)源調(diào)制到40G的微波上，然后經(jīng)過調(diào)制到光載波上傳輸，經(jīng)過探測接收并由天線發(fā)射，并在接收端將信號送給高清晰電視進(jìn)行播放，得到很好的實(shí)驗(yàn)效果。但是，發(fā)射天線和接收天線的距離很近并且容易受水蒸氣的干擾。　　不久前，OFC 2008會議在美國加州圣地亞哥成功舉行，網(wǎng)絡(luò)融合成為一個熱點(diǎn)話題，關(guān)于光載無線通信技術(shù)的文章也有很多被收錄其中，與以往不同，這次收錄的光載無線通信論文都趨向于對應(yīng)用的研究。其中比較典型的文章有：將正交頻分復(fù)用(OFDM)應(yīng)用于光載無線通信系統(tǒng)，來增加頻譜利用率并減小碼間干擾；研究在上行傳輸時光波長再利用技術(shù)，從而去掉基站的光源；基于WiMAX或WiFi與光載無線通信技術(shù)結(jié)合的研究；基于光分叉復(fù)用器(OADMs)的光載無線通信系統(tǒng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的研究；基于多模光纖和塑料光纖的光載無線通信系統(tǒng)。

　　光纖無線電（光載無線通信）被認(rèn)為是很有前途和有研究價值的課題，尤其在路途車輛系統(tǒng)中，利用光載無線通信技術(shù)我們可以將多業(yè)務(wù)無線電信號通過光纖傳送。在日本可用的無線業(yè)務(wù)很多，比如PDC（800MHz/1500MHz）、PHS（1900MHz）、VICS（2.5GHz）、FM商用無線電（70-90MHz）、TV廣播（90-770MHz）和ETC（5.8GHz）。為了降低空中接口數(shù)量，已經(jīng)建議采用基于光載無線通信的發(fā)送技術(shù)。另外，在下一代網(wǎng)絡(luò)中，在一些熱點(diǎn)區(qū)域，如商場，機(jī)場等，光載無線通信都將具有誘人的應(yīng)用前景。例如在國外，基于光載無線通信技術(shù)的分布式天線系統(tǒng)(DAS)已經(jīng)應(yīng)用于許多熱點(diǎn)區(qū)域?？傊?，光載無線通信技術(shù)在未來光無線融合的潮流中必將扮演越來越重要的角色。

　　光載無線通信技術(shù)充分結(jié)合光纖和高頻無線電波傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)大容量、低成本的射頻信號有線傳輸和超過1Gbit／s的超寬帶無線接入，并具有覆蓋面廣、易于動態(tài)管理和維護(hù)等特點(diǎn)，盡管目前市場不是很大，但隨著微波光子技術(shù)的發(fā)展，光載無線通信系統(tǒng)將會在未來的寬帶無線通信領(lǐng)域占有很大的市場份額。光載無線通信系統(tǒng)具有的優(yōu)點(diǎn)，除了寬帶無線接入，還可以應(yīng)用于室內(nèi)覆蓋、基站客棧、車載無線通信系統(tǒng)以及軍事用途中。在未來泛在超寬帶蜂窩網(wǎng)絡(luò)、室內(nèi)無線局域網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信、視頻分布式系統(tǒng)、智能交通通信和控制等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

　　令人注目的是60 GHz附近的毫米波作為無線信號載波的毫米波光載無線通信通信。在這個波段，由于大氣中氧的存在，信號衰減很快(10～15 dB/km)，這一原本是缺點(diǎn)的性質(zhì)正好自然實(shí)現(xiàn)了不同基站之間的無干擾以及很好的保密性，提高了頻譜利用效率。而這一高頻率的附近以“GHz”為單位的寬廣頻帶以及不需要頻率使用授權(quán)，足以實(shí)現(xiàn)超大容量超高速通信的需求。同時，在這個波段的射頻設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)很小的尺寸，由于MMIC技術(shù)的迅速發(fā)展，使得低成本的射頻集成電路和天線單元日趨可能。