隨著高清電視、立體電視、交互式多媒體游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)以及遠(yuǎn)程辦公等網(wǎng)絡(luò)需求的增長(zhǎng)，全球網(wǎng)絡(luò)流量保持著爆炸性的增長(zhǎng)速度[1-2]。據(jù)美國(guó)思科公司統(tǒng)計(jì)，2009 年產(chǎn)生的多媒體網(wǎng)絡(luò)流量相當(dāng)于時(shí)長(zhǎng)約5 萬(wàn)年的DVD 質(zhì)量的視頻，而2012 年這一數(shù)據(jù)將達(dá)到2009 年的5 倍。這些數(shù)據(jù)都明確表明，多媒體接入網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容已經(jīng)迫在眉梢。近年來(lái)，多媒體接入網(wǎng)絡(luò)建設(shè)在世界各國(guó)的發(fā)展勢(shì)頭迅猛，美國(guó)、歐盟和日韓都已經(jīng)提出了自己的寬帶計(jì)劃，中國(guó)工信部出臺(tái)了“寬帶中國(guó)”戰(zhàn)略。

現(xiàn)有的多媒體業(yè)務(wù)接入技術(shù)主要分為無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)絡(luò)[3]和光載射頻接入網(wǎng)絡(luò)[4-5]，其中，無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有著較好的服務(wù)質(zhì)量(QoS)性能，但靈活性、移動(dòng)性較差，無(wú)法滿足用戶端多樣化的需求，而且光纜資源十分有限，增大覆蓋范圍的成本較高；光載射頻接入技術(shù)雖然有著較好的靈活度和移動(dòng)性，但其QoS 性能較差，缺少成熟的操作、管理和維護(hù)(OAM)，無(wú)法滿足“寬帶中國(guó)”計(jì)劃對(duì)光接入網(wǎng)容量、多業(yè)務(wù)承載和融合及可信通信的高要求，故亟待發(fā)展能夠滿足寬帶多媒體業(yè)務(wù)接入需求的下一代接入網(wǎng)技術(shù)。

本文針對(duì)動(dòng)態(tài)靈活的寬帶多媒體業(yè)務(wù)接入需求，融合無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)低成本、易管控和光載射頻技術(shù)靈活度高、移動(dòng)性好等優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)新地提出了適合樓內(nèi)/室內(nèi)應(yīng)用的基于光纖無(wú)線融合的射頻無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(RPON)。該系統(tǒng)通過(guò)光生毫米波和波分復(fù)用的方式，通過(guò)對(duì)多個(gè)遠(yuǎn)端無(wú)

線終端實(shí)行時(shí)分復(fù)用的動(dòng)態(tài)時(shí)隙和帶寬分配方式實(shí)現(xiàn)了每個(gè)光無(wú)線單元支持8 個(gè)遠(yuǎn)端無(wú)線終端的業(yè)務(wù)并發(fā)。該系統(tǒng)能夠支持高清電視、交互式多媒體游戲等射頻新業(yè)務(wù)應(yīng)用，并帶有QoS 管理、OAM 管理和設(shè)備管理系統(tǒng)(EMS)功能，能夠滿足未來(lái)“寬帶中國(guó)”的技術(shù)需求。

1 基于光纖無(wú)線融合的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

RPON 系統(tǒng)旨在利用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)承載毫米波無(wú)線通信信號(hào)，融合接入寬帶移動(dòng)視頻、數(shù)據(jù)和語(yǔ)音業(yè)務(wù)。RPON 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上保留WDM-PON 原有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為前段網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)無(wú)線接入技術(shù)解決最后5~10 m 移動(dòng)接入，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具備靈活的全業(yè)務(wù)接入能力。RPON 系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示，其主要由局端的光無(wú)線終端(OWT)、用戶端的光無(wú)線單元(OWU) 和遠(yuǎn)端無(wú)線終端(RWT) 以及光分配網(wǎng)絡(luò)(ODN) 組成。RPON 系統(tǒng)使用頻分的方式實(shí)現(xiàn)單向多播數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(如數(shù)字電視、立體電視等)和雙向多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的合并傳輸。OWT 主要由綜合業(yè)務(wù)接入網(wǎng)關(guān)和光生毫米波發(fā)射機(jī)組成，其中，綜合業(yè)務(wù)接入網(wǎng)關(guān)采用頻分復(fù)用的方式將各多播業(yè)務(wù)的流媒體數(shù)據(jù)包合并成光生毫米波發(fā)射機(jī)可接受的數(shù)據(jù)流；同時(shí)接收由RWT 發(fā)送的上行數(shù)據(jù)信號(hào)并進(jìn)行解調(diào)。而光生毫米波發(fā)射機(jī)主要負(fù)責(zé)光載毫米波信號(hào)的產(chǎn)生。OWU 則負(fù)責(zé)下行光載毫米波信號(hào)的無(wú)線發(fā)射，同時(shí)還將上行用戶數(shù)據(jù)注入電- 光轉(zhuǎn)換模塊并經(jīng)ODN 上傳到OWT。而RWT 負(fù)責(zé)接收下行毫米波信號(hào)并下變頻后發(fā)送給用戶，同時(shí)接收用戶的上行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)并發(fā)送至OWU。 

圖1 基于光纖無(wú)線融合的射頻無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

RPON 系統(tǒng)中無(wú)線接入信號(hào)下行波載波頻率為60 GHz，上行載波頻率為2.4 GHz；分別使用C/L 波段承載下/上行光波，并利用周期無(wú)熱陣列波導(dǎo)光柵(AWG)實(shí)現(xiàn)雙向波分復(fù)用。

C 波段下行信號(hào)的通道間隔為50 GHz，其中奇數(shù)通道承載寬帶綜合業(yè)務(wù)調(diào)制信號(hào)，偶數(shù)通道為閑頻光，作為拍頻光生毫米波之用；奇/偶兩組波長(zhǎng)光利用高相干寬譜光源進(jìn)行光譜分割得到。

上行信號(hào)采用對(duì)應(yīng)C 波段奇數(shù)通道的L 波段通道，間隔100 GHz；上行信號(hào)由局端多波長(zhǎng)光源供光并在OWU 進(jìn)行遠(yuǎn)程光調(diào)制后回傳，具有“無(wú)色”特性。OWU 采用低成本低功耗設(shè)計(jì)方案，其中C 波段光纖下行奇/偶通道兩兩分波由行波光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為60 GHz 的毫米波信號(hào)并由天線發(fā)送；天線接收上行2.4 GHz 射頻信號(hào)并調(diào)制驅(qū)動(dòng)局端L 波段供光產(chǎn)生上行光信號(hào)，經(jīng)由光纖回傳。需要強(qiáng)調(diào)的是，在上行方向( 從RWT 到OWT)，各OWU 通過(guò)波分復(fù)用方式共享光纖媒質(zhì)，RWT 通過(guò)OWU 向OWT發(fā)送帶寬分配請(qǐng)求信令，在得到OWT分配的上行時(shí)隙之后，RWT 將承載業(yè)務(wù)的射頻信號(hào)發(fā)送至OWU，OWU 將光載射頻信號(hào)經(jīng)ODN 發(fā)送到OWT 完成上行傳輸。在該系統(tǒng)中，局端OWT下行數(shù)據(jù)速率能達(dá)到1 Gb/s，OWU 上行數(shù)據(jù)速率1 Gb/s，能夠支持業(yè)務(wù)類型包括語(yǔ)音、網(wǎng)絡(luò)電視(IPTV)、高清電視、立體電視、交互式多媒體游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)以及遠(yuǎn)程辦公等等，接入業(yè)務(wù)并發(fā)數(shù)大于8 個(gè)，并具備可擴(kuò)展性，同時(shí)OWT 還支持GE 接口，并支持OAM 和EMS，故整個(gè)RPON 網(wǎng)絡(luò)可管可控。

2 RPON 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 光生毫米波技術(shù)

現(xiàn)有的光生毫米波技術(shù)有如下幾種方案[6-10]：利用光纖或器件的非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光生毫米波，采用激光器直接調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)光生毫米波，雙波長(zhǎng)光外差方式實(shí)現(xiàn)光生毫米波，基于外部調(diào)制器實(shí)現(xiàn)光生毫米波。但這些方案中數(shù)據(jù)和高頻率載波混頻的效率都很低。為了解決這些問(wèn)題并結(jié)合本系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文提出并實(shí)現(xiàn)了兩種光生毫米波技術(shù)：

2.1.1 基于多波長(zhǎng)高相干光源的光生毫米波技術(shù)

如圖2 所示，此方案采用10 GHz脈沖激光做種子光源，利用高非線性光子晶體光纖的非線性效應(yīng)產(chǎn)生超連續(xù)譜激光，使用N 對(duì)中心波長(zhǎng)分別為{λi ，λi +Δλ} 的光纖布拉格光柵(FBG) 做光譜分割，得到N 對(duì)間隔為Δλ的光邊帶序列。選出的光毫米波雙邊帶序列通過(guò)解復(fù)用器分成N 個(gè)信道，可分別加載各個(gè)通道所承載的多媒體業(yè)務(wù)。其中，間隔為100 GHz的奇數(shù)波長(zhǎng)經(jīng)陣列波導(dǎo)光柵分離后，加載業(yè)務(wù)；而偶數(shù)波長(zhǎng)光源作為閑頻光，與加載了信息的奇數(shù)波長(zhǎng)耦合后入纖傳輸。此方案主要有以下幾個(gè)有點(diǎn)：

(1)超連續(xù)譜的寬度橫跨C 與L 波段，且在帶寬達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，光譜的平坦度仍能保持。雖然產(chǎn)生的超連續(xù)譜信號(hào)功率較低，但本方案使用了大功率的C+L 波段摻餌光纖放大器，放大后仍可以保持良好的相干性。
(2) 本方案采用L 波段光源作為上行載波，從而避免了光纖端面反射以及受激布里淵散射的影響。
(3) 由于本方案采用高相干性雙載波承載毫米波，可最大限度的抑制鏈路中色散以及非線性效應(yīng)的影響。此外，本方案采用偏振控制技術(shù)保持了雙載波間的相干性，從而減小了拍頻后所產(chǎn)生的相位噪聲。

圖2 基于多波長(zhǎng)高相干光源的光生毫米波技術(shù) 

2.1.2 基于光載波抑制的光生毫米波技術(shù)

此方案中光源采用N 路100 GHz間隔多波長(zhǎng)激光器，利用30 GHz 射頻源驅(qū)動(dòng)處于半波電壓偏置點(diǎn)的馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器(MZM)產(chǎn)生60 GHz 間隔的載波抑制信號(hào)，并采用交織器進(jìn)行奇、偶邊帶分離，同時(shí)進(jìn)一步抑制光載波。然后在偶邊帶上調(diào)制各個(gè)波長(zhǎng)所承載的多媒體業(yè)務(wù)。基于光載波抑制(OCS) 的光生毫米波技術(shù)示意圖如圖3 所示。與基于多波長(zhǎng)高相干光源的光生毫米波技術(shù)的方案相比，本方案技術(shù)更為成熟，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。但還是存在一些缺點(diǎn)：

(1) 此方案采用多波長(zhǎng)激光器作光源，成本較高。
(2) 通過(guò)一個(gè)調(diào)制器的光載波抑制效應(yīng)實(shí)現(xiàn)毫米波的產(chǎn)生，相對(duì)于多個(gè)法布里- 珀羅(FP) 腔濾波器，方法更為簡(jiǎn)單，技術(shù)更為成熟，性能更為穩(wěn)定。但此方案使用了25 GHz 的射頻源，而且成本較高，體積偏大，不利于集成。
(3)采用的光載波抑制技術(shù)，在獲得正負(fù)一階邊帶的同時(shí)，必然激發(fā)出2 階以及高階邊帶，這會(huì)使得毫米波間有一定互擾。

圖3 基于OCS 的光生毫米波技術(shù) 

2.2 光纖遠(yuǎn)端射頻光收發(fā)技術(shù)

2.2.1 毫米波無(wú)線鏈路-發(fā)射機(jī)系統(tǒng)

OWT 內(nèi)的無(wú)線鏈路發(fā)射機(jī)由射頻塊、基帶塊、功率/控制塊和天線構(gòu)成。其中射頻塊由發(fā)射機(jī)模塊、功率放大器模塊和鎖相振蕩器(PLO) 構(gòu)成。結(jié)構(gòu)如圖4 和圖5 所示。發(fā)射機(jī)模塊使用了0.1 μm 門(mén)電路磷化銦(InP) 單片微波集成電路(MMIC)，它包括倍頻器、振幅偏移鍵控模塊和放大器。由PLO 產(chǎn)生的15.625 GHz 信號(hào)在MMIC 中經(jīng)3 級(jí)倍頻得到125 GHz。我們利用功率放大(PA) 模塊將發(fā)射機(jī)的輸出功率增加到10 mw。PA MMIC在125 GHz 處具有10 dB 左右的增益。兩個(gè)MMIC 都被集成到波導(dǎo)模塊包上。基帶塊由光- 電轉(zhuǎn)換器(O/E)、時(shí)
鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR) 電路、時(shí)鐘發(fā)生器和限制放大器構(gòu)成。從光纖進(jìn)入的數(shù)據(jù)通過(guò)O/E 轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，然后進(jìn)入CDR 電路和限制放大器。時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生4 種頻率作為CDR 電路的參考時(shí)鐘。在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中，功率/控制塊將外部直流電轉(zhuǎn)化為可用于元件的電壓，同時(shí)它可以監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)，例如電壓、電流、溫度和濕度。

圖4 毫米波寬帶發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

圖5 毫米波寬帶波導(dǎo)發(fā)射模塊

2.2.2 毫米波無(wú)線鏈路-接收機(jī)系統(tǒng)

OWT 內(nèi)低成本接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖6 所示，接收機(jī)中，射頻塊由MMIC接收機(jī)模塊構(gòu)成，接收機(jī)模塊包括低噪聲放大器(LNA)和解調(diào)器。接收機(jī)MMIC 集成到一個(gè)波導(dǎo)模塊包上。經(jīng)過(guò)受限放大器的解調(diào)信號(hào)進(jìn)入CDR電路和電- 光轉(zhuǎn)換器(E/O)，最后輸出到外部光纖中。自動(dòng)增益控制(AGC) 電路用于監(jiān)控解調(diào)信號(hào)和控制低噪聲放大器的門(mén)電壓，這樣額外的功率就無(wú)法進(jìn)入放大器從而避免了超載。

圖6 60 GHz 帶寬接收機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

3 RPON 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制與管理維護(hù)

RPON 系統(tǒng)的協(xié)議分層以及與ISO/IEC OSI 參考模型之間的關(guān)系如圖7 所示。RPON 系統(tǒng)中的OWU 不具備網(wǎng)絡(luò)層處理功能，其只需在物理層完成光- 電- 光的轉(zhuǎn)換與傳送，這也使得RPON 的協(xié)議控制更加靈活與便捷。在RPON 系統(tǒng)中OWT 和OWU 為波分復(fù)用方式的點(diǎn)到點(diǎn)連接，故每個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)一個(gè)OWU，同時(shí)每個(gè)OWU可以通過(guò)無(wú)線連接多個(gè)RWT。具體的控制方式與EPON的多點(diǎn)控制協(xié)議(MPCP) 類似[11]，即OWT內(nèi)部運(yùn)行著多個(gè)MAC客戶端及多點(diǎn)MAC 控制程序，系統(tǒng)中每個(gè)RWT 通過(guò)OWU 向OWT 發(fā)送帶寬分配請(qǐng)求信令，在得到OWT分配的上行時(shí)隙之后，RWT 將承載業(yè)務(wù)的射頻信號(hào)發(fā)送至OWU，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)OWU 支持多達(dá)8 個(gè)RWT 的業(yè)務(wù)并發(fā)，并能對(duì)所有RWT 實(shí)行時(shí)分復(fù)用的動(dòng)態(tài)帶寬分配策略，根據(jù)RWT 的流量配置合理分配上行時(shí)隙和帶寬。

圖7 RPON 協(xié)議分層和OSI 參考模型之間的關(guān)系

本文所提出的RPON 系統(tǒng)能夠承載網(wǎng)絡(luò)電視(IPTV) 直播、視頻點(diǎn)播(VoD) 交互、寬帶上網(wǎng)等各項(xiàng)業(yè)務(wù)。IPTV 直播業(yè)務(wù)是對(duì)原來(lái)有線網(wǎng)絡(luò)廣播業(yè)務(wù)的替換，首先要保證該業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)；VoD 等流媒體業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性要求較高，因此該類業(yè)務(wù)具有較高的優(yōu)先級(jí)；寬帶上網(wǎng)等非實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)最低。各類業(yè)務(wù)QoS 優(yōu)先級(jí)順序如下：IPTV 組播>VoD 單播>寬帶上網(wǎng)。本RPON 系統(tǒng)還支持標(biāo)準(zhǔn)的802.1p 以及服務(wù)類型(ToS) 方式的QoS技術(shù)。

此外，該系統(tǒng)還采用了專用IPTV組播通道技術(shù)、組播虛擬局域網(wǎng)(VLAN)技術(shù)、基于業(yè)務(wù)類型感知的優(yōu)先級(jí)映射技術(shù)和VoD 帶寬預(yù)警技術(shù)以保證各項(xiàng)業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)的QoS 需求。同時(shí)，該系統(tǒng)支持符合IEEE802.3-2005 中Clause57 規(guī)定的OAM 功能，并支持IEEE802.3-2005 中Clause30 規(guī)定的管理對(duì)象、屬性和操作。根據(jù)運(yùn)維網(wǎng)管的需求而言，此RPON 系統(tǒng)需要進(jìn)行統(tǒng)一網(wǎng)管。對(duì)該系統(tǒng)的管理需要在OWT 上實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP) 代理，OWT 的
SNMP 代理管理RWT。因?yàn)榫C合接入點(diǎn)網(wǎng)關(guān)上可以配置IP 地址，可以在綜合接入點(diǎn)網(wǎng)關(guān)上實(shí)現(xiàn)SNMP 代理，后臺(tái)網(wǎng)管可以直接跟綜合接入點(diǎn)網(wǎng)關(guān)的SNMP 代理進(jìn)行消息交互來(lái)配置管理整個(gè)系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)必然是寬帶化、光纖化和無(wú)線化，針對(duì)這些需求，本文提出了一種能夠有效利用成本、切實(shí)可行的方法，即融合無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和光載無(wú)線系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并利用光生毫米波和波分復(fù)用的方式，實(shí)現(xiàn)1 Gb/s 多媒體業(yè)務(wù)的單纖上/行傳輸，達(dá)到了10 km 光纖和5 m 無(wú)線的接入距離，并支持多個(gè)遠(yuǎn)端天線終端的業(yè)務(wù)并發(fā)與帶寬調(diào)控，其還帶有QoS 管理、OAM 管理和EMS網(wǎng)管功能。因此，本RPON 系統(tǒng)十分適合應(yīng)用在以多業(yè)務(wù)集成和寬帶通信為技術(shù)特征的下一代通信中。

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