基于光载无线通信技术的RoFSO系统*

梁　瑞，刘瑞妮，梁计锋

(西安翻译学院,陕西 西安 710105)



基于光载无线通信技术的RoFSO系统*

梁瑞，刘瑞妮，梁计锋

(西安翻译学院,陕西 西安 710105)

摘要：自由空间光载无线通信系统(Radio over Free-Space Optical，RoFSO)是基于光载无线技术(Radio over Fiber，RoF)的一种新兴通信系统。该系统将光纤通信与无线通信相结合，在不易敷设光纤的区域可实现短跳连接，弥补RoF网络完全依赖光纤设施的不足。介绍了RoFSO系统的基本组成及功能，分析了RoFSO系统的波分复用接口技术和发射/接收终端的单模光纤耦合跟踪技术，同时验证了该系统的稳定性。结果表明该系统可同时稳定传输多种射频信号，准确性达90%以上，是RoF网络跨带接入很好的补充手段。

关键词：RoF；RoFSO；无线通信；波分复用

0引言

对于目前的通信网络而言，超高速度、超大容量、超长距离是人们追求的目标，光纤网络是可以满足这一需求的途径之一。因此，出现了基于光纤网络的光载无线通信(Radio over Fiber，RoF)技术、自由空间光通信(Free Space Optics，FSO)技术等。RoF技术是将射频(Radio Frequency，RF)副载波调制到光载波上并通过光纤网络传输的技术，具有低成本、衰减小、传输距离远等优点。但RoF网络依附于光纤光缆的基础设施，需要大规模敷设光纤设备并且建立许多不同类型的接入点，在不易敷设和缺少光纤基础设施光纤的区域，RoF技术的应用受到限制。RoFSO系统是将RoF技术升级构成的一种光载宽带无线通信系统，继承了RoF技术的优点，同时弥补了RoF网络的不足之处，不但可以解决不易敷设光纤地区的通信问题，而且可以降低成本。除此之外，该系统还使无线接入更安全，难以被拦截，可实现免费许可操作，通信距离可以达到4km，且具有较高的传输速率。对于网络的延伸，最后一公里接入，企业间连接都能发挥重要作用，因此RoFSO系统为RoF网络跨带访问提供了途径。本文介绍RoFSO系统的结构，分析该系统的两项关键技术，通过稳定性测试证实该系统的可用性。

1RoFSO系统框图

RoFSO系统是建立在RoF基础上的新型通信系统。该系统具有RoF技术可以通过光纤链路同时传输多种无线信号的优点，同时弥补了RoF在缺少光纤区域不能传输的空白区，因此可使信号在地面任何地方无障碍传输。

1.1RoF技术

RoF技术是利用光纤链路传输微波信号的一种将光与微波相结合的通信技术。如图1所示，RoF系统包括中心站(CS)，基站(BS)，光纤链路和用户端四个部分。为了有效利用光纤的超大带宽，RoF系统大多采用波分复用(WDM)技术，即将多束不同波长的信号复用在一起同时通过光纤传输。因此在RoF系统中，多种服务信号如3G信号，WLAN信号，地面数字电视广播信号以及其他新兴先进无线服务信号在中心站中进行处理，中心站将射频信号模拟调制到光载波上，即实现了电光转换(E/O)，调制出RoF信号，然后利用WDM技术通过光纤链路发送至远端的目的基站。基站接到光信号后将其光电转换(O/E)成可用于无线传播的射频信号，最后通过天线发射给用户端。RoF技术具有大容量、低功耗、易安装等优点。但是，RoF技术依附于光纤网络，因此，在不易敷设光纤的地区应用受到限制。

图1　RoF技术原理

1.2RoFSO系统

RoFSO系统与RoF系统唯一不同点即将传输过程中的一段光纤用发射终端与接收终端替代，即将不易敷设光纤的一段距离通过发射和接收终端进行连接，跨过了不易敷设光纤的区域，如图2所示，通过中心站调制后的RoF信号经光纤传输到RoFSO系统的发射终端，发射终端直接将接收到的RoF信号发送到自由空间，然后通过RoFSO的接收终端接收该信号并传输到远程基站，基站接收到光信号后将其光电转换(O/E)成可用于无线传播的射频信号，最后通过天线发射给用户端。可以看出，发射终端之前与发射终端之后信号的处理方式与ROF系统相同，发射终端和接收终端实现了光纤的短跳连接。该系统发送终端与接收终端之间不能出现障碍物，否则无法通信，传输最远距离为4 km，数据传输速率小于10 Gbit/s[1-3]。

图2　RoFSO系统

2RoFSO系统关键技术

RoFSO系统的设计方案中包括两项关键技术，分别为RoFSO波分复用接口技术和发射/接收终端的空间光单模光纤耦合跟踪技术。RoFSO的接口技术实现了RoF信号与发射/接收终端的无缝连接，而发射/接收终端中的空间光单模光纤耦合技术实现了透明无线传输。

2.1RoFSO波分复用接口技术

RoFSO系统中的接口设备主要是上行链路中CS与发射终端的接口以及下行链路中接收终端与BS的接口。目前已有4种射频-RoFSO接口(I/F)设备，分别在主频2 GHz的3 G，2.4 G的WLAN(802.11g)，5 GHz的WLAN(802.11a)，以及采用UHF频段的地面数字电视广播(DTV)中实现了无线光信号的无缝连接。图3为RoFSO I/F设备的方框图。

图3　RoFSO系统I/F设备

在CS中，四种类型的射频信号分别对RoF发射机四个光载波进行强度调制，即E/O调制，图3中λx表示ITU-T所建议的G.692 100-GHz格栅间隔中所定义的标准化的第x个光波长。接着，这些光载波在光WDM多路复合器中进行复合，经过掺饵光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA)进行放大，然后传输到发射终端。在BS中，三种类型无线电反向信号的三种WDM光载波(802.11a,11g和3G)被送入BS的接口，然后在具有自动增益控制(AGC)功能的后EDFA处进行放大，AGC的功能是使所检测到的光功率保持在固定水平。EDFA输出信号在WDM解复用器中进行分离，至此可以获得光检测之后RoF接收机的输出所得到的各个无线射频信号[4-5]。

2.2发射/接收终端空间光单模光纤耦合跟踪技术

在RoFSO系统中，RoF信号的发射/接收终端是整个系统的核心。发送时，直接将波分复用RoF信号从单模光纤(SMF)发送到自由空间；接收时，将收到的光束聚焦耦合到SMF10m的核芯处。如何将发射端的RoF信号准确耦合到接收端的单模光纤中是技术难点，下面将详细介绍该关键技术。

为了将RoF信号稳定有效的耦合到接收端的单模光纤(SMF)中，需满足以下几个条件：①由聚焦透镜形成的图像中心应当与SMF模场一致；②聚焦光束的方向应当对准SMF光轴；③焦点处的光斑直径应当与SMF模场直径相同。

为了满足以上3个条件，该终端需要使用空间光单模光纤耦合跟踪技术来检测光束点水平和垂直方向上的误差，从而使RoFSO链路与光纤链路具有相同的稳定性和可靠性。

RoFSO系统中空间光单模光纤耦合跟踪过程由两个步骤完成：通过850 nm波段的信标光束进行粗略跟踪；使用1550 nm波段的通信信号进行精确跟踪。信标光束(850 nm)与用来粗略跟踪和初始化校准的数据载波光束(1550 nm)相分离。该系统使用通信信号进行准确跟踪，即通过光分束器提取一小部分通信信号光束用于检测光束的到达角，其中通信信号和精确跟踪光束比例为10：1。到达角水平和垂直方向上的误差通过数字信号处理器进行分析计算，进而驱动快速转向镜来抵消这一变化。图4为发射/接收光束跟踪终端光学结构。

图4　发射/接收光束跟踪终端光学结构

该发射接收装置性能如下，光发射功率：20 dB/波；几何损失：2.6 dB/1 km；光束角宽度：1.55 μm时47.3 μrad；空气纤芯耦合损耗：小于5 dB；光束跟踪速度：大于2 kHz；入射光束角波动的抑制率：100 Hz时20 dB。RoFSO发射/接收器可应用于1 km长的自由空间光通道，损耗小于15 dB，对于传输WDM RoF信号，它与光纤具有相同的透明度和带宽[6-8]。

3RoFSO系统的稳定性

由于RoFSO链路本质是模拟信道，通信质量与数字系统相比更易恶化，同时发射/接收终端是一种视距技术，对天气条件非常敏感，因此，系统的稳定性显得非常重要。RoFSO系统性能的稳定性主要由两方面因素决定，一方面是天气条件；另一方面是错误跟踪或者跟踪机制补偿度不足。以上两个因素中天气条件对RoFSO系统稳定性影响较大，例如，雨，雪，雾，尘埃粒子等，这些天气现象都会影响链路的性能。

为了测试链路的稳定性，连续收集24小时降雨量为2～3 mm/h下WLAN IEEE 802.11g吞吐量的测试结果如图5所示，可以看出，在降雨期间，所接收到的光功率由最大值-7 dBm下降到-14 dBm，同时，RoFSO链路中接收光功率与降雨量和吞吐量性能相关联，这一点可以由图5发送和接收吞吐量的离散值得到证明。从中午开始，当雨量减少，接收光功率得到提高，吞吐量性能也得到改善。从而可以看出天气条件对链路性能影响巨大。在这一特定测试中，吞吐量(发射和接收)始终约高于12 Mb/s，这一结果证明，即使存在天气影响，RoFSO系统依然稳定，并能提供一致的TCP/IP数据传输。

图5　降雨期间WLAN IEEE 802.11g吞吐量与接收光功率性能

RoFSO稳定性测试结果证实，在一般大气湍流及其他恶劣天气条件下，对于W-CDMA信号，RoFSO可以实现3GPP定义的规范标准；对于地面数字电视广播(ISDB-T)的传输测试中，RoFSO满足CNR为35 dB的限制条件。因此，RoFSO的稳定性测量结果表明整个RoFSO系统的可用性在90%以上[9-10]。

4结语

本文介绍了新型RoFSO通信系统，该系统弥补了RoF网络的不足，可在通信不健全或不易敷设光纤的地方完成快速配置，实现了一种短跳连接，大大降低由于安装新网络的高额费用和难度。同时，该系统还可以与现有广泛部署的光纤基础设施兼容且灵活升级。

RoFSO系统采用的两项关键技术设计方案独具特色，其中接口设备主要采用的WDM技术保证了RoF信号传输速度和质量；单模光纤耦合跟踪技术提高了数据传输的准确率，为该系统提供了可靠的保障和应用潜力。整个系统的稳定性测试结果表明多种信号在RoFSO系统中传输均是稳定的。

目前，还没有RoFSO相关标准化的研究，相信在未来，随着通信需求的不断增大和各种标准的不断完善，该系统的设计会得到优化，性能会有更大提高，并在光通信网络中起到主导作用。

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RoFSO Systembased on RoF Communication Technology

LIANG Rui,LIU Rui-ni,LIANG Ji-feng

(Xi′an Fanyi University,Xi′an Shaanxi 710105,China)

Abstract：RoFSO (Radio over Free-Space Optical System) is a new communication system based on RoF (Radio over Fiber) technology.By combining optical and wireless communications,this system could implement short-hop connection in the areas which lack fiber optical facilities,thus overcoming the disadvantage that of RoF would entirely depend on fiber facilities.In this paper,the composition and function of RoFSO are described and the two key technologies analyzed in detail,including WDM interface technology and transmitting/receiving terminal single-mode fiber-coupled tracking technology.In addition,the stability of this system is verified.The experimental results show that RoFSO system could simultaneously transmit multiple RF signals,with an accuracy of more than 90%,and thus is a fairly good means to implement cross-band access.

Key words：RoF; RoFSO; wireless communication; WDM

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.02.008

* 收稿日期：2015-09-27；修回日期：2016-01-01Received date:2015-09-27；Revised date：2016-01-01

基金项目：西安翻译学院2015年度教育教学改革基金 (No.J15B24)

Foundation Item:2015 Education Reform Fund，Xi'an FANYI University (No.J15B24)

中图分类号：TN929.1

文献标志码：A

文章编号：1002-0802(2016)02-0159-04

作者简介：

梁瑞(1987—)，女，硕士，助教，主要研究方向为电子信息工程；

刘瑞妮(1982—)，女，硕士，讲师，主要研究方向为自动控制；

梁计锋(1980—)，男，硕士，讲师，主要研究方向为电子技术。