光载无线分布式天线系统设计方案

    随着话音业务的成熟，对IP 和高速数据业务的支持已经成为移动通信系统演进的方向，也成为第代移动通信系统的主要业务特征。

然而，2G/3G 网络对数据业务的支持有广域低速的特征，为了实现高速数据传输，无线移动通信技术与技术相结合产生了无线局域网等无线接入技术，其应用已经成为高速数据业务的重要接入手段。但是，WLAN 的覆盖范围小，只能提供短距离（100 m 左右） 的覆盖。

     为了进一步提高数据的传输速率，实现信号的广域覆盖，提高通信的灵活性，运营商开始将目光转向4G.考虑到多种移动通信系统将长期并存，因此为了提供更具有针对性的服务，中国移动提出了“2G、3G、4G、”四网协同的发展战略.四网业务的融合对接入网的带宽和性能有了更高的要求，传统的接入网已无法满足用户不断提高的带宽和性能需求。

     微波光子学充分利用光子学宽带、高速、低功耗等优点来实现微波信号的产生、传输、处理和控制，以此为基础的微波光波融合系统充分发挥了无线灵活接入和光纤宽带传输的各自优势，可以实现单纯无线技术和光纤技术难以完成甚至无法完成的信息处理与传输组网功能.由此可见，基于光载无线（ROF） 系统的分布式天线网络将在四网融合的接入中发挥极其重要的作用。

    ROF分布式天线网络的一般结构如图1 所示。利用模拟直调光模块将射频信号调制到光载波上，经过光纤传输至远端天线单元，然后利用光/电转换和放大器放大后直接由远端天线单元的天线发射进行无线覆盖。该方式具有成本低廉、覆盖广泛以及控制灵活等特点，在矿井、隧道和铁路等工程领域，以及商场、机场和会议中心等公共热点区域都具有广泛的应用市场，一些厂家已开始进行了模块和系统的研制与推广应用。

然而，目前的光载无线分布式天线系统成本较高。成本主要取决于系统中使用的光收发模块。为了降低系统成本，我们基于商用的千兆以太网光组件，经过电路设计和改进实现了低成本、宽带的模拟光收发模块，为光载无线分布式天线网络的推广应用打下了基础。此外，光载无线链路中存在很多噪声，光学损耗衰减了射频信号功率同时增加了噪声指数（NF）。为了提高系统的性能，研究光损耗对光载无线分布式天线网络的影响，具有十分重要的意义。同时，链路中的受激布里渊散射

也对传输性能产生不利影响，需要对其进行分析和抑制，以提高网络性能。针对点到多点的多业务融合接入及分布式传输需求，本文提出了面向2G/3G/4G/WLAN 四网融合接入应用的副载波复用和波分复用（SCM-WDM）结合技术。

1.低成本、宽带的光收发模块研制

    随着无线业务不断增加的需求，下一代的ROF 应用需要支持更高的工作频率和更大的带宽。同时，系统中，光收发模块成本较高，是大规模应用的主要限制因素;另一方面，随着千兆以太网（GbE） 技术的发展，商用千兆以太网光器件的调制带宽高达8 GHz,为低成本ROF 的传输带来了新的机遇。因此，采取商用千兆以太网光器件来设计低成本、宽带的光收发模块将是一个非常重要的工作。本文提出了一种基于商用千兆以太网光器件的低成本、宽带收发模块。

     收发模块主要由光学组件，射频放大和偏置控制电路组成。发送端光学子组件（TOSA） 是针对10 Gb/s 应用、波长为1 310 nm、斜率效率为的分布反馈式（DFB） 激光器。接收端光学子组件（ROSA） 是针对10 Gb/s 应用、响应度为的光电探测器。为了简化设计，设计使用激光器驱动集成电路来提供偏置电流进行自动功率控制（APC）。为了提高收发器的线性度，移去商用中线性度较差的转阻放大器，并使用了100 Ω 的高精度电阻Rd 将电流信号转换成电压信号。

匹配激光器和驱动器是大带宽、低损耗模拟光发送模块设计中巨大的挑战。为了达到宽带和易于实现的目的，在TOSA 中采用了25 Ω的传输线系统以匹配激光器和驱动器。首先，切比雪夫多节传输线用于在频率0.3 GHz~范围内，将50 Ω 系统匹配到25 Ω 子系统。然后串联一个20 Ω的电阻作为匹配电阻连接到激光器以吸收反射的能量。以这种方式，能够很容易地实现匹配网络，同时很大程度地提高调制效率。此外，在接收端的光学子组件中，采用100 Ω的传输线系统以匹配探测器和放大器。探测之后，将100 Ω的子系统匹配到50 Ω，并使用宽带的低噪放大器（LNA）放大探测的射频信号。项目研制的收发器模块如图2 所示。

    测得光收发模块的频率响应如图3 所示。端到端的ROF 链路增益是-34 dB,3 dB 带宽是4.3 GHz,能够满足面向2G/3G/4G/WLAN 四网融合接入应用的光载无线分布式天线网络需求。

2.光损耗对传输性能影响的分析

    系统与分布式天线网络的结合，可以扩大覆盖面积，提高系统容量，应用于多种场所，如机场、商场、智能楼宇等。这种方法可以大大减少远端天线单元的复杂性，并实现系统的集中式管理。然而，链路中存在很多噪声，光学损耗衰减了射频信号功率同时增加了噪声指数（NF），使得信号被噪声淹没。

光载无线系统中的光损耗主要来自于网络中的光学器件。在使用波分复用（WDM） 技术的光载无线分布式天线网络的星型拓扑结构中，阵列波导光栅（AWG）具有很大的插入损耗[5].在其他的总线型或树型结构中，光耦合器和光分插复用器也将引入大量的光损耗[6].如果拓扑结构较为复杂，且没有采用光放大器，光纤传输的信号将被衰减到一个较低的水平，被光纤链路中的噪声淹没。因此，研究光损耗对光载无线分布式天线网络传输性能的影响，具有十分重要的意义。本文研究了光损耗对光载无线分布式天线网络传输的Wi-Fi 信号的影响，系统结构如图4所示。

    项目使用改造的WLAN 接入点设备作为Wi-Fi 信号源。从产生的射频信号经光收发模块调制到光载波，在单模光纤（SMF） 中传输后，在远端经光收发模块转换为电信号，经功率放大器（PA） 放大后，从天线辐射出去。对于上行链路，因为接收信号太弱，先由40 dB 增益的低噪放大器（LNA） 放大，然后调制到光载波上并被传送到AP 端。为了补偿光电和电光转换的损耗，光收发模块中的功率放大器增益设置为，从而使得光链路的整体增益为0 dB.基于此系统，项目研究了上、下行链路的光损耗容限。

上行、下行链路中仿真信噪比和实际吞吐量与光损耗的关系如图5所示。测量结果表明，下行链路的光损耗容限可以达到20 dB 以上。此外，当光损耗超过23 dB 时，测得的吞吐量将迅速下降5 Mb/s,这是由触发开关引起的。因为射频功率太低，无法触发射频开关，所以下行链路的光损失容限要高于测量结果。此外还测量了上行链路的光损耗容限，当光损耗低于25 dB 时，数据的吞吐量保持在24 Mb/s 附近，而随着光损耗的增加，吞吐量跳变到18 Mb/s.实验结果符合ROF 系统中理论仿真的光损耗容限。