基于光纤传能的异构无源光网络研究

杨立伟，易湘诚，刘兆瑞，黄子毅，许文龙，贾 润

(中国农业大学 信息与电气工程学院，北京100083)

0 引 言

随着互联网的高速发展，传统的通信技术显然已经不能满足人们对于通信网络高速率和大带宽的需求[1]。对于无线业务来说，光载无线通信(Radio over Fiber, RoF)是将射频信号传输到中央局(Central Office, CO)和远程天线单元(Remote Antenna Unit, RAU)之间的光纤链路中不可缺少的技术。RoF具有以下优点：低损耗率、超高带宽、抗电磁干扰、便于安装和维护等。RoF系统简洁的结构减少了无线传输的距离，进而减少了基站与用户之间信号传输的成本，提高了系统容量。

在未来的移动通信中，RAU数量的增加，同时也增加了移动通信业务的运营管理成本，所以需要对RAU进行更加简单与经济的管理。光纤传能(Power over Fiber, PWoF)系统，通俗地讲就是将光纤作为传输能量的介质，可以将电能转换成光能传输的系统。光作为能量传输的形式与传统的电能传输相比有着显著的优点，其中最明显的是对发送与接收设备的绝缘性能不做要求。PWoF系统基本不受无线电磁和闪电等不利条件的干扰，且组成设备重量更轻，也更加安全可靠[2]。Matsuura M等人[3]的最新研究利用双包层光纤传输150 W功率的良好传输性能，证明了RoF与PWoF融合系统的可行性。

无源光网络(Passive Optical Network, PON)技术是用于扩展带宽，原理是让多个终端设备连接在一根光纤下，或者一个局端设备下。PON技术具有良好的可扩展性和较高的宽带等优点。建设一个PON需要的成本是比较低的，并且后期维护也很方便。对于RoF与PON的融合系统，国内有学者提出了一种基于外调制法单边带(Single-sideband modulation，SSB)调制方式承载60 GHz毫米波结合反射式半导体光放大器(Reflective Semiconductor Optical Amplifier，RSOA)的有线与无线结合的双向传输系统[4],取得了不错的进展。

在基于RoF-PON的移动网络中，PWoF的使用可以将电源集中在CO，并在同一光纤中提供具有光数据信号的馈电光(光功率)。此外，由于光纤是非导电电源线，因此PWoF可抵抗整体电源系统损坏。

1 RoF-PON与PWoF融合传输的系统结构

图1所示为PWoF和RoF-PON的融合传输系统，由图可知，融合系统主要由两个部分组成，上半部分为信号的传送，下半部分为融合系统双向传输性能的验证。实验中选择了双包层光纤(Double Clad Fiber,DCF)，因其具有双核结构，内包层的数值孔径和损伤阈值较大，可传输高功率激光[5],因此可以同时传输光数据信号和高功率，并且信号与功率之间没有明显的串扰。

图1 PWoF和RoF-PON的融合传输系统

首先，在CO端由连续波长激光器产生一个光模拟信号，在激光器的输出端用偏振控制器等器件来调节激光器的工作状态，使数据信号极化以获得质量最好的信号。采用马赫-曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)进行信号处理，产生的两个信号分别进入下一个MZM调制光信号与射频信号(Radio Frequency, RF)，产生上下行信号，实验中使用双并行MZM(Dual Parallel MZM, DP-MZM)代替。光模拟信号进行调制后，下行信号经过阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating, AWG)进行复用，然后传输到各自的MZM进行调制，得到携带数据的光信号。上行数据直接传输到光纤。MZM输出的边带采用掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA)对系统信号功率电平进行调制。将放大以后的信号通过偏振控制器进行处理，去除EDFA放大后产生的噪声。信号经过处理以后，用若干高功率激光器(High Power Laser Diode, HPLD)和馈电光来产生光模拟信号，经过处理的信号在锥形光纤束合路器(Taper Fiber Bundle Combiner, TFBC)中与这些光模拟信号融合后进入光纤，再经过TFBD到达RAU端。

在RAU端测量包括光功率在内的一些参数，并且由此得出光功率的传输效率。光功率传输效率η表示为

式中：PRAU接收为在RAU端测量到的接收信号光功率；P馈电光i为CO端加入的馈电光的光功率。

还有一些参数需要将光信号转换为电信号，在RAU端由光接收器接收光信号，可以将光信号转化成电信号。先经过可变衰减器，再使信号进入信号分析仪，测量眼图和误码率等数据，由此分析传输信号的质量。

在RAU端接收到信号以后，信号经过基本的处理与MZM调制后传输到CO端，在CO端测量必要参数，并以此为根据分析系统的双向传输性能。

2 仿真结果与分析

用OptiSystem软件进行仿真，CO端激光信号的中心波长为1 552 nm，上面携带电信号，并且与光脉冲融合传输[6]；下行信号中，光脉冲信号的波长为808 nm。融合后的信号与两个由激光器产生的光功率为30 W的馈电光一起通过光纤传输到RAU端，接收端收到的信号经过循环器，将信号经过PD解调，再送入滤波器，最后得到所需信号，并送入信号分析仪对其进行误码率分析。在RAU端测量馈电光功率，同时观察电信号传输后的信号变化，测量眼图等参数。表1所示为系统仿真参数。

表1 系统仿真参数

功率合成器合成的两个信号的波形有很大的不同。这两个信号通过EDFA放大和集中。将光功率加到两个信号后，波形比之前更凌乱，但光谱图变化不大。通过光纤传输后，组合信号的波形更加复杂。虽然光谱与之前的测量相比变化不大，但干扰更大。馈电光输出功率为30 W(44.771 dBm)，到达RAU终端的功率为22.454 W(43.513 dBm)。模拟中增加了两个高功率激光器，每个激光器的功率为30 W。这两个激光器用于为RAU提供光功率，因此总的输入光功率为60 W。可计算出光功率的功率传输效率约为37.4%。仿真结果如图2～6所示。

图2 激光信号

图3 调制后的信号

图4 经EDFA放大后的光谱图

图5 光纤传输后EDFA放大后的光谱图

图6 传输系统的眼图

观察输入信号为不归零码(Non-Return-to-Zero,NRZ)信号时的眼图，可以发现，眼图中信号图像线条清晰，可以认为噪声较小，同时眼高大，峰-峰值抖动小，眼图图像端正，可以认为码间串扰小。系统中模拟信号传输效率较高。对比发射端与接收端的波形，可以发现系统传输性能较好，失真较小。

双向传输性能验证，仿真结果如图7所示。误码率是衡量光通信质量最直观的一个指标。由图可知，下行传输误码率在10-3～10-5，最低误码率为2.349 8×10-5；上行传输误码率在10-4～10-6，最低误码率为4.454 1×10-7，误码率可以达到较为理想的要求，实验设计系统较为理想。

图7 误码率

3 结束语

本文通过对系统的仿真，实现了基于RoF-PON和PWoF系统的融合传输，证明了RoF、PON和PWoF 3个系统的融合传输是成立的。根据融合传输的仿真结果来看，上下行误码率均在10-5左右，系统传输性能良好，说明该方案具有实际的功率传输能力，模拟信号和数字信号也具有较高的隔离度。仿真结果也表明，PWoF的引入对RoF-PON信号的传输没有影响。

光学供电的RoF系统同时实现了驱动RAU所需的电力输送和同一光纤中RoF数据信号的双向传输，能够传输驱动RAU所需的光学数据和功率。PWoF系统的集中供电系统不仅具有简化配置的潜力，也可优化电源管理，因此还可以降低基于RoF的移动网络的资本和运营支出。