波分复用光载无线网络研究及其在农业物联网中的应用设计

【摘要】：随着信息技术的发展,各类新兴的实时交互式业务对通信网络的带宽、速率、接入灵活性等要求越来越高,因此,通信网络正向着宽带化、无线化方向发展。波分复用光载无线(WDM-RoF)网络技术结合了无线通信接入方式灵活,光纤通信抗干扰性好、大带宽等优势,成为无线宽带传输领域的热门技术之一。WDM-RoF网络技术利用光纤作为射频信号拉远的载体,可以为分布式终端提供远距离无线信号接入,同时为数据提供安全可靠的宽带传输条件。另外,该网络接入技术的终端基站只需负责光电信号转换及信号的辐射接收任务,结构简单、体积小、成本低,适合大范围分布,能为终端提供无处不在的信号覆盖。在地域分布广、通信条件差的环境中,WDM-RoF网络技术具有巨大的研究和应用前景。我国作为一个农业大国,物联网浪潮的兴起给农业现代化发展提供了机遇。当前农业物联网信息传输方式主要涉及WIFI、ZigBee、Bluetooth、NB-IoT、LoRa等无线接入技术,这些接入技术在单独使用时会面临一些问题,例如传输速率低、通讯距离短、安全性低、建立基站成本高等。本文利用WDM-RoF技术,弥补以上技术的不足,解决农业物联网中设备分布广、信号覆盖不全、数据通信量大等问题。本文研究内容主要涉及以下四个方面:一、从WDM-RoF网络接入技术的工作原理、关键器件选型以及性能参数指标等方面,对其进行研究,详细分析了增益、噪声指数、非线性失真和动态范围等影响系统性能的指标,通过对链路中三种非线性失真状态的分析,指出动态范围在系统性能评价中的重要性。二、通过对WDM-RoF网络在实际应用中的工作原理分析,结合前文中系统的性能指标要求,完成工作在2.4GHz频段的光收发模块的硬件设计。另外,搭建了测试链路,对光收发模块的增益、驻波比等参数进行实验测试,证实其可用性。三、从降低布线成本、易于拓展等角度出发,以总线型网络的拓扑结构形式,搭建了完整的WDM-RoF实验测试链路,对整个链路的OIP3、SFDR、EVM等参数进行测试。实验结果表明:本系统无杂散动态范围可达111.9dB-Hz2/3,具备良好的应用条件。四、模拟农业物联网的实际环境,将WDM-RoF技术应用到网络层。在物联网的应用层面,开发了一款基于Android的终端监控软件,分布式终端利用2.4GHz频段的信号,将数据通过WDM-RoF链路传输至监控中心;同时,监控中心也能对终端实现数据图形化显示、远程控制等功能。最后,对信号上下行传输方向的吞吐量进行测试,证实了使用本WDM-RoF网络接入技术的良好性能。