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光载无线系统中的射频光传输及调控技术研究

孙小强  
【摘要】:无线接入凭借其无处不在、灵活快捷的接入方式已经在人们工作和娱乐生活中扮演越来越重要的角色。随着iPhone/iPad等个人终端设备的流行,以及三网融合、物联网等国家新兴战略产业的兴起,无线通信容量需求将会骤增并对现有无线接入技术提出严峻挑战。另外,随着电信运营商部署建设的通信基站数目不断增加,且基站所占的功耗通常高达70%以上,这将导致蜂窝移动通信面临难以解决的能耗危机。目前中国移动正在大力研发的C-RAN就是要构建基于集中化处理、协作式无线电和实时云计算的绿色无线接入网构架,其中集中化是很重要的一个特点,需要实现中心局(CO)和远端天线单元(RAU)的分离。光载无线(ROF)系统是微波光子学在发展历程中的重要应用形式和价值体现,在未来宽带光纤接入和无线接入融合演进的潮流中发挥着重要作用。ROF系统利用光纤低损耗和高带宽的传输特点,通过模拟光纤链路实现CO和低成本RAU的分离,并构建广覆盖、低能耗和高带宽的动态可控的分布式天线系统,是解决当前无线接入技术中存在的带宽危机和能耗危机等问题的有效途径。 论文瞄准动态可控ROF系统在宽带泛在接入中的应用需求,针对在模拟光纤链路性能和射频资源动态可控两方面所遇到的技术挑战,重点进行射频光传输和射频光调控技术的研究。论文以模型为基础,以关键技术为支撑,以应用为目标,紧密围绕ROF系统模型、射频光传输与调控关键技术、ROF系统应用三个层面开展研究工作,其具体研究内容和贡献如下: (1)ROF系统模型 高性能模拟光纤链路是ROF系统在宽带接入和泛在感知应用中的重要保障,要分析和提高链路性能,则建模是首要工作。论文从微波放大器模型出发,建立了直调和外调ROF系统中主要性能指标的数学模型,并分别仿真分析了探测器接收光功率、直调激光器(DML)相对强度噪声(RIN)、外调制器的半波电压和注入光功率对链路性能指标的影响。该工作为高性能ROF系统设计和优化提供了理论基础。 无论是利用受激布里渊散射(SBS)效应实现射频移相,还是抑制其对ROF链路性能造成的不利影响,均需要熟悉SBS效应的产生机理并精确测量其增益谱和损耗谱。论文提出了一种基于菲涅尔反射和抑制载波调制的高精度SBS增益谱/损耗谱的测量方法,优点有:单端测量,避免光源频率抖动引入误差的同时,也能应用于低成本的光纤传感中;精确测量,通过微波源的扫频来获取SBS谱线,因而具有1MHz以下的测量精度;器件带宽低,仅需要SBS频移一半带宽的器件即可。 (2)射频光传输关键技术 针对复杂拓扑结构下的组网需求,论文提出了一种基于粗波分复用(CWDM)方式的分布式射频光传输系统并对链路性能进行了实验研究,搭建了五路波长复用的ROF分布式WiFi系统,支持5个RAU,在光纤传输距离为4.5kin和22km条件下分别获得约为1.5%和2.5%的误差矢量幅度(EVM),无线环境下在4m传输距离时得到最佳传输性能。对激光器RIN参数的研究发现,当大于-125dBc/Hz时对EVM影响较大。 针对毫米波频段ROF系统的应用需求,论文提出了一种基于直调和外调抑制载波(OCS)方式的吉比特光载毫米波技术,采用直调激光器完成基带数据的调制并产生光载波,极大程度降低了系统成本,实验完成了2.4GHz直调信号到32GHz毫米波信号的上变频,并利用VPI8.7平台仿真了DML的RIN参数对链路性能的影响。 为满足宽带射频信号调制需求,论文首次提出了一种基于相位调制-强度调制(PM-IM)转换的全光射频BPSK调制与传输技术,该技术以光学单边带的方式在光纤中传送信号,不仅抑制了光纤色散的影响,也通过多波长单边带的产生使其满足在波分复用(WDM)ROF系统中的应用需求。针对其在实验中的稳定性问题,利用同样原理引入调频光源和带通滤波器并通过Optisystem7.0对链路性能进行仿真,获得眼图较好的波形,且误码率达到6×10-9。 抑制SBS效应是实现高性能ROF系统的重要环节,论文实验研究了激光器线宽对SBS阈值以及链路性能的影响,测试了WiFi信号在直调和外调链路中的传输性能以及光功率监测情况,发现光源线宽为10MHz的直调模式对应的SBS阈值比光源线宽为50KHz外调模式的阈值增加了4dB,证实了激光器线宽展宽在抑制SBS效应中起到的积极作用。 (3)射频光调控关键技术 针对动态可控ROF系统在射频带宽资源管控方面的应用需求,论文利用基于MEMS光开关矩阵的射频切换技术来实现射频带宽的动态分配。为分析光开关矩阵给链路性能带来的影响,测试了4×4光开关的切换速率,以频谱方式测出光开关切换的效果,并给出EDFA增益和光开关矩阵损耗对链路EVM的影响。基于光开关矩阵的射频切换技术不仅能够实现无线覆盖小区的资源交换,而且可以实现组播业务,为ROF系统的智能化奠定基础。 针对智能天线或光控相控阵雷达应用中实现波束成型的移相技术,论文提出了一种基于SBS效应和矢量和原理的射频移相技术,该技术利用矢量和原理,通过SBS效应作用于相位调制的光学边带上,实现PM-IM转换,这样相位调制信号的上下边带功率可控,经过混频后产生的两个正弦波信号就能够以矢量和的方式叠加,从而产生相移可控的射频信号。 (4)ROF系统在宽带接入和泛在感知中的应用 在WiFi大规模应用的形势下,以无线局域网(WLAN)作为宽带中继网络,无线传感网(WSN)与WLAN结合的异构网络架构成为未来物联网中极具潜力的接入技术之一。论文在该背景下提出了一种基于CWDM-ROF系统的异构WLAN和WSN网络,在实验室环境下搭建了面向宽带接入和泛在感知应用的光载VViFi分布式天线系统,并演示了包括宽带接入、温度传感、视频监控和RFID定位等业务。 针对未来智能家庭和楼宇对于2.4GHz频段和60GHz频段的无线接入需求,结合光载WiFi系统在宽带无线接入和泛在感知中应用的研究,论文提出一种面向楼内多业务融合接入的多频段(2.4GHz和60GHz)动态可控的ROF网络架构。利用WiFi无处不在的无线覆盖通道,解决了60GHz上行设计困难的问题。通过利用基于光开关矩阵的射频切换技术能够实现动态可控的ROF系统布局,从而实现带宽资源可管控的分布式天线系统,既能提供无压缩HDTV等Gb/s高速接入业务,又能满足智能家庭Mb/s接入、安全监控、健康监控和环境监测等应用需求。


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