基于认知无线电的ROF-PON光无线接入技术

随着通信网络朝着宽带化、移动化方向的发展，光纤无线通信系统(ROF)将光纤通信和无线通信融合到一起，发挥了光纤线路的宽带化、抗干扰的优点，同时发挥了无线通信方便灵活的特点，满足了人们对宽带的需求。早期的ROF技术主要是致力于提供高频无线传输服务，如毫米波光纤传输等。随着ROF技术的发展与成熟，人们开始研究混合有线和无线传输网络，即同时提供有线和无线服务的光纤无线通信(ROF)系统。

随着无线电通信的飞速发展，频谱资源紧张的状况日渐突出，如何在有限的无线资源条件下提高频谱利用率以缓解频谱资源的供需矛盾，已成为通信领域要解决的问题。认知无线电(CR)是智能频谱共享技术，它通过对授权频谱进行“二次利用”，能有效提高频谱资源利用率，已成为通信领域的研究热点。在802.11无线局域网[1]、802.16城域网[2]和3G移动通信网络[3]已开始研究应用认知无线电技术提高系统的容量，并开始研究应用ROF技术实现不同业务信号的混合传输[4]。基于认知无线电的混合传输有线和无线信号的光纤无线通信网络是未来通信网络的发展趋势。基于认知无线电技术的混合传输ROF系统面临许多新的挑战，如网络架构设计、各层协议设计、基于多种业务的有线和无线调制信号的产生、网络的管理和调制信号的识别等。

     认知无线电是解决频谱缺乏和频谱未充分利用的有效途径，认知无线电是智能的无线通信系统，它通过感知周围环境的频谱利用情况，并通过学习自适应地调整自己的参数，达到有效利用频谱资源和可靠通信。应用认知无线电是实现频谱资源从固定分配到动态分配的关键技术。在认知无线电系统中，为了保护授权用户(或成为主用户)不受从用户(或CR用户)的干扰，频谱感知的功能是感知授权用户是否存在。认知无线电用户当监视到授权用户使用的频带未被使用时可以暂时使用。当监视到授权用户的频带在使用时，CR用户释放该信道给授权用户，这样保证CR用户不对授权用户产生干扰。因此认知无线通信网络有如下显著特点：

(1)主用户具有接入信道的绝对优先权。一方面，当授权用户没有占用信道时，从用户机会接入空闲信道；当主用户再次出现时，从用户要及时退出正在使用的信道，将信道还给主用户使用。另一方面，当主用户占用信道时，从用户可以在不影响主用户服务质量的条件下接入信道。

(2)CR通信终端具有感知、管理和调整功能。首先CR通信终端能够感知所处工作环境中的频谱和信道环境，并根据探测结果按照一定的规则确定对频谱资源的共享和分配；另一方面CR通信终端具有在线调整工作参数的能力，如改变载频、调制方式等传输参数来适应环境的变化。

在认知无线通信网络中，频谱感知是关键技术。常用的频谱感知算法有能量检测、匹配滤波检测、循环平稳特征检测方法等，这些方法有各自的优缺点，这些算法的性能取决于获得的先验信息。已有的频谱感知算法有：匹配滤波器、能量检测器和特征检测器方法。

匹配滤波器只能应用到主信号是已知的条件下。能量检测器能够应用到主信号未知的情况下，但当采用短的感知时间时性能变差。由于特征检测器的主要思想是利用信号的循环平稳性，通过谱相关函数进行检测。噪声是宽平稳信号且不具相关性，而调制信号是具有相关性且循环平稳的。因此谱相关函数能够区分噪声能量和已调信号的能量。在噪声不确定的环境下，特征检测器的性能要好于能量检测器。特征检测器在低信噪比下的性能受到限制，有高的计算复杂度，同时要求长的观测时间。这样就减小了CR系统的数据吞吐量。

     随着无线通信技术的发展，频谱资源越来越紧张。由于CR技术可以缓解这个问题，CR技术在无线通信网络中得到重视，有许多关于无线通信网络标准都引入认知无线电技术。如IEEE 802.11、IEEE 802.22和IEEE 802.16h。在802.16h协议中，有一个重要内容就是动态频谱选择，以利于WiMAX使用广电频段，它的基础就是频谱感知技术。在无线局域网IEEE 802.11h国际标准中，引入了两个重要概念：动态频谱选择(DFS)和发射功率控制(TPC)，开始将认知无线电应用到无线局域网中。在802.11y标准中利用正交频分复用(OFDM)技术提供了多种带宽的选择，可以实现带宽的快速切换，WLAN(无线局域网)系统可以利用OFDM的特点通过调整带宽和发射功率参数避免与工作在该频段的其他用户相互干扰。由于光纤无线系统具有光纤通信带宽宽的优点和无线通信灵活的特点得到了广泛应用，近几年光纤中传输射频认知WLAN信号得到了关注，文献[5-6]的作者提出了在ROF系统架构下传输认知无线电信号，通过仿真实验表明网络性能得到了提高。

      为了满足传输视频传输的多媒体业务，新兴的光纤到户(FFTH)将成为最终的宽带接入技术，而无源光网络(PON)一经问世就成为人们关注的焦点。由于PON网络中所用的器件均为无源器件，无需供电，可以免疫外界的电磁干扰和雷电影响，能够实现业务的透明传输，系统可靠性高。PON网络主要分时分复用无源光网络(TDM-PON)和波分复用无源光网络(WDM-PON)。WDM-PON同TDM-PON相比，具有用户独享带宽和安全性高等特点，成为未来最有潜力的光接入网，图1所示是WDM-PON系统框图。

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2019-6-4 16:14 上传

CO：中心局

OLT：光线路终端

ONU：光网络单元

PON：无源光网络

WDM：波分复用

   在图1中，OLT是光线路终端，ONU是光网络单元。无线接入网WLAN、WiMAX和移动通信网络有各自的特点和适用场合，因此是共存的。在实际工作环境中还有其他各种网络存在，但主干网络都应以光网络为主，我们采用基于WDM-PON的体系结构。在图1中，只画了3个典型的无线接入网络，其他有线网络也可以通过PON-ONU接入WDM-PON系统中。图1所示的系统架构中，无线网络和PON的接入单元具有光/电(O/E)和电/光(E/O)的功能，不需要调制解调功能，在WDM-PON中直接传输无线射频信号。

    随着网络技术的发展，光网络也朝着智能方向发展，认知无线电开始应用到光网络中。由于在光网络中提供不同的业务，而不同的业务有不同的服务质量(QoS)要求，这样给网络的管理带来新的挑战。认知网络可以提供跨层设计和跨层优化，因此可以有效地监测和优化光网络。此外，认知技术在光网络中的使用可以提供电信运营商更大的灵活性，根据应用和服务要求调整各种物理层部件的特性(如调制格式、前向纠错和波长容量等)和网络层参数(带宽、同时传输的光路数和QoS等)。图2是基于认知无线电的光纤无线接入网络系统架构，光纤中直接传输射频信号。本文光层可采用WDM-PON技术(也可以是一个定制的光接入层)。远端的ONU得到的传感信息回传到中心局(CO)，应用认知无线电技术进行处理。频谱感知和信道接入等都在CO处理，因此降低了整个系统的复杂度，发挥了ROF的优势，也发挥了认知无线电在管理频谱方面的特长。

图2 基于认知无线电的光无线接入系统架构

OLT：光线路终端

ONU：光网络单元

PON：无源光网络

RF：射频

Rx：收

Tx：发

这种系统结构的主要特点是：

(1)接入点(AP)节点成本降低，中心基站成本提高。在常规的WLAN网络中，AP具有调制解调并具有信号处理功能，在本方案中AP只完成光变成电(O/E)或电变成光(E/0)的功能，AP的调制解调功能和管理功能都转移到中心基站，降低了无线接入节点的成本，但却增加了中心基站的成本。

(2)可以利用分集技术提高系统的链路性能。由于采用ROF系统，不同光纤链路接收同一个用户信号可以在中心基站实现宏分集处理，而在无线网络内部可以采用协同分集技术提高链路性能。

(3)信道接入和频谱感知处理由中心基站完成，网络前端AP提供射频采集的数据。

这种认知网络架构虽然可以增加系统容量，但它也增加了网络管理方面的复杂度，也面临许多挑战[7]。最大的挑战是媒体访问控制(MAC)层接入控制机制设计。即如何根据PON网络的MAC层和无线接入网络的MAC层的各自特点提出MAC层性能更优化的MAC层协议。在网络中光层和射频层是相互依存的，而在这种情况下多个媒体访问控制机制的相互作用将带来设计上的问题。比如射频(RF)层的频谱感知功能移动到光层去处理，当这个功能被打开时不应干扰射频层感知信道的能力。认知无线电网络下，MAC协议的功能是确定CR用户采取什么样的信道接入策略，是实现整个认知网络频谱共享的基本前提。MAC设计的目标是降低节点传输冲突比例，提高频谱资源利用率。

     随着通信网络朝着宽带化、移动化方向的发展，光纤无线通信系统将光纤通信和无线通信融合到一起，发挥了光纤线路的宽带化、抗干扰的优点，同时发挥了无线通信方便灵活的特点，满足了人们对宽带的需求。认知无线电不仅可动态接入授权频谱，还可以接入其他非授权频谱，因此认知无线电和ROF结合可以提高系统的容量，提高系统的性能。