光載毫米波無線電通信技術的現狀與發展

(相關資料圖)

要:將光通信技術的成本低、帶寬大、損耗小、抗電磁干擾的優勢和無線毫米波通信系統結合起來而產生的毫米波光載無線(MM-RoF)系統，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量高等優點。MM-RoF可解決傳統微波傳輸系統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，非常有發展潛力。多格式多業務的MM-RoF技術將是MM-RoF系統今后發展的一個重要方向。

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.

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

隨著信息通信技術在經濟、社會各個領域的廣泛應用，信息通信技術成為當今世界發展速度最快、覆蓋范圍最廣、滲透性最強、應用最廣泛的一個高新技術領域，它是推動全球信息通信業發展的主要驅動力量。信息通信不僅能夠減少經濟活動的交易費用，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，改善人民的生活質量，對于一個國家國民整體素質提高和經濟社會的長遠發展具有極其重大的現實意義。

當今世界，基于波分復用(WDM)技術的光纖通信網絡已經成為高速、大容量信息網絡發展的理想有線平臺。國際上的跨國公司競相開展了基于WDM技術的太比特級信息傳輸試驗，目前已經實現10.9 Tb/s的傳輸。網絡光纖化的重點從長途骨干網，然后轉向中繼網和接入網的饋線段，目前正在逐漸向配線段延伸。中國長途網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。除非技術上有重大突破，光纖到家、到用戶將是一項十分艱巨的任務。就中國來說，光纖到樓、光纖到小區和光纖到路邊是中近期的比較現實的目標。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，發展十分迅猛，成為全球通信網絡發展的另一個重要方向，是目前全球范圍內最吸引人的一個熱點問題。移動通信由目前的數字話音服務的2.5G向實現視頻、多媒體服務的3G、B3G甚至4G、5G的高速、寬帶業務發展。而各種新業務和寬帶無線接入技術的不斷涌現，如流媒體業務、射頻標識(RFID)、傳感器聯網、WiMAX、本地多點分配業務(LMDS)等，要求網絡能夠安全、靈活、無所不在地、大容量地提供綜合服務。如圖1所示，未來無線通信的發展趨勢是高速率、高移動性以及不同無線網絡之間多業務的無縫連接。但是，無線網絡的快速發展面臨著諸多問題，典型地有：現有無線接入網的兼容性問題、數據的速率(特別是移動情況下)仍然是無線通信的“瓶頸”問題以及現有網絡如何平滑地過渡到下一代無線網絡等。

縱觀各種通信技術和業務需求的發展方向，實現寬帶化、無線化、個人化、分組化以及多業務網絡的融合成為全球通信網絡的發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。將光的大帶寬優勢和毫米波無線接入的靈活性結合起來的毫米波光載無線(MM-RoF)系統具有體積小、重量輕、成本低、損耗小、抗電磁干擾及傳輸質量高等優點，可解決傳統微波傳輸系統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利用光纖技術將光纖網絡的巨大容量和無線接入網絡的適應性與移動性有機結合，可綜合傳送各種無線業務信息，為寬帶無線網絡提供“最后一公里”無縫接入，以實現真正意義的“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體系結構如圖2所示。結構主要是由分布式天線網絡(DAN)、分布式信號傳送網絡(DTN)、分布式信號處理網絡(DPN)和分布式核心網絡(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絡都可以通過光纖系統的光集成器件和技術進行無線信號的處理和傳輸，光纖傳輸能實現現有電纜無法滿足寬帶無線信號傳送的帶寬要求和傳輸質量。預計到2010年，超過80%的毫米波無線信號基于光纖技術傳送。而DAN部分的天線系統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10 GHZ以上無線天線系統理想的方案，其應用前景廣闊 [1-3] 。

1 光載毫米波無線電通信技術的現狀

目前，MM-RoF技術已經成為美國、歐盟、日本、澳大利亞等許多國家的信息研究機構、大學面向應用的前沿研究熱點;中國則主要有清華大學、北京大學、北京郵電大學、上海交通大學、浙江大學、中國電子科技大學、上海大學、華中科技大學等的一批科研院所開展相關的研究。為了有效利用光纖帶寬資源，實現寬帶多業務網絡系統、無線網絡與有線網絡無縫連接，對支持寬帶無線多業務的MM-RoF系統的研究越來越受到人們關注 [4-23] 。比較典型的有：

美國喬治亞州技術學院在2005年報道了波分復用-無源光網絡(WDM-PON)與寬帶MM-RoF無線接入系統的無縫連接研究。其方案利用高非線性色散位移光纖產生的拉曼相關四波混頻效應，實現了8×2.5 Gb/s波分復用(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，實現了大于20 km的MM-RoF系統傳輸。該學院于2007年又報道了一種新型全雙工RoF系統，實現了40 GHz載波下，2.5 Gb/s信號(下行差分相移鍵控(DPSK)調制格式，上行開關鍵控(OOK)再調制)的40 km的雙向RoF系統傳輸。

美國NEC實驗室在2007年報道實現了40 GHz微波信號與2.5 Gb/s不歸零碼(NRZ)信號的RoF系統傳輸。該系統是研究有線、無線寬帶服務同時傳輸的技術的。

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

英國University College London大學聯合劍橋、英國電信、BT公司等多個研究機構，研究基于RoF的光纖無線網絡系統，實現了60 GHz無線信號多業務光傳輸實驗。

在日本，多業務毫米波RoF技術成為眾多研究機構的研究熱點。日本大阪大學在2003年報道他們實現了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譜光源的全光上變頻產生60 GHz毫米波信號技術，實現了兩個信道25 km的RoF系統傳輸。日本郵政省通信研究所(CRL)在60 GHz頻帶實現了室內無線接入網，在36～37 GHz頻帶汽車路間智能通信系統(ITS-RVC)數據傳送速率達10～150 Mb/s。日本ATR研究所在60 GHz頻段實現400 Mb/s二進制相移鍵控(BPSK)調制數據的光纖傳送(上行鏈路系統)，在50 GHz頻段實現500 Mb/s BPSK調制數據的光纖傳送(下行鏈路系統)。

在加拿大，Ryerson大學的高級無線光纖集成技術組(ADROIT)自20世紀90年代末就開始研究RoF系統，目前重點研究在于基于RoF技術的多媒體無線接入網，實現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。

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

在中國，許多大學研究機構也十分重視光纖無線傳輸方面的研究。上海大學2005年報道了“OFDM-RoF光傳輸系統中一些問題的研究”，重點研究正交頻分復用(OFDM)調制無線信號在RoF光傳輸系統中的傳輸性能分析，建立了仿真模型，之后又研究了將光相移鍵控(PSK)調制用于基于諧波生成原理的RoF下行鏈路系統;2006年以來對60 GHz RoF系統在光源方面和系統功率設計及分配建模進行了研究。北京郵電大學在2003年前后進行了RoF系統承載第二代無線系統信號的仿真工作，并且理論分析了基于四波混頻(FWM)實現RoF全光波長變。北京大學利用雙模鎖模激光技術初步實現了60 GHz毫米波的全光產生，并進行了RoF信號光纖傳輸的色散分析。浙江大學于2005年在微波信號的光產生方面提出利用光纖光柵布里淵雙頻激光器全光產生微波/毫米波，得到了11 GHz附近的微波輸出。華中科技大學利用雙光源技術和60 GHz的電吸收收發器(EAT)分別在下行和上行鏈路實現單波長和雙波長調制。湖南大學研究了提出一種改進的雙邊帶調制產生光毫米波方案。清華大學自1999年以來在RoF系統中的無線信號光產生、上下變頻、光微波濾波器、鏈路傳輸中串擾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的未來發展

MM-RoF系統正朝著更大容量、更高性能、更實用的方向發展，以期滿足將來寬帶多業務網絡系統、有線網絡與無線網絡無縫連接方面等實際應用的要求。目前支持無線多業務的MM-RoF系統研究主要是利用光纖中的波長資源，采用WDM技術實現多業務信號的MM-RoF系統傳輸。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務的MM-RoF技術顯得十分重要和必要，其中在同一光源上實現微波/毫米波頻段的多種格式無線信號的光產生技術、多格式毫米波信號的MM-RoF傳輸技術、全光解調技術，以及系統性能分析等將成為實現多業務傳送的MM-RoF系統的關鍵。