【無線射頻通信】-光載毫米波無線電通信技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----光載毫米波無線電通信技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展隨著信息通信技術(shù)在經(jīng)濟、社會各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，信息通信技術(shù)成為當今世界進展速度最快、掩蓋范圍最廣、滲透性最強、應(yīng)用最廣泛的一個高新技術(shù)領(lǐng)域，它是推動全球信息通信業(yè)進展的主要驅(qū)動力氣。信息通信不僅能夠削減經(jīng)濟活動的交易費用，大大降低社會運行成本，而且能夠促進學問的傳播和信息的共享，改善人民的生活質(zhì)量，對于一個國家國民整體素養(yǎng)提高和經(jīng)濟社會的長遠進展具有極其重大的現(xiàn)實意義。

當今世界，基于波分復(fù)用(WDM)技術(shù)的光纖通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為高速、大容量信息網(wǎng)絡(luò)進展的抱負有線平臺。國際上的跨國公司競相開展了基于WDM技術(shù)的太比特級信息傳輸試驗，目前已經(jīng)實現(xiàn)10.9Tb/s的傳輸。網(wǎng)絡(luò)光纖化的重點從長途骨干網(wǎng)，然后轉(zhuǎn)向中繼網(wǎng)和接入網(wǎng)的饋線段，目前正在漸漸向配線段延長。中國長途網(wǎng)的光纖化比例目前已高達82%。然而，隨著光纖漸漸向用戶推動，光纖化的代價變得越來越高。除非技術(shù)上有重大突破，光纖到家、到用戶將是一項非常艱難的任務(wù)。就中國來說，光纖到樓、光纖到小區(qū)和光纖到路邊是中近期的比較現(xiàn)實的目標。另一方面，由于便利、個人化和無處不在的特性，無線接入成為信息時代的寵兒，進展非常迅猛，成為全球通信網(wǎng)絡(luò)進展的另一個重要方向，是目前全球范圍內(nèi)最吸引人的一個熱點問題。移動通信由目前的數(shù)字話音服務(wù)的2.5G向?qū)崿F(xiàn)視頻、多媒體服務(wù)的3G、B3G甚至4G、5G的高速、寬帶業(yè)務(wù)進展。而各種新業(yè)務(wù)和寬帶無線接入技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，如流媒體業(yè)務(wù)、射頻標識(RFID)、傳感器聯(lián)網(wǎng)、WiMAX、本地多點安排業(yè)務(wù)(LMDS)等，要求網(wǎng)絡(luò)能夠平安、敏捷、無所不在地、大容量地供應(yīng)綜合服務(wù)。如圖1所示，將來無線通信的進展趨勢是高速率、高移動性以及不同無線網(wǎng)絡(luò)之間多業(yè)務(wù)的無縫連接。但是，無線網(wǎng)絡(luò)的快速進展面臨著諸多問題，典型地有：現(xiàn)有無線接入網(wǎng)的兼容性問題、數(shù)據(jù)的速率(特殊是移動狀況下)仍舊是無線通信的"瓶頸'問題以及現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)如何平滑地過渡到下一代無線網(wǎng)絡(luò)等。

縱觀各種通信技術(shù)和業(yè)務(wù)需求的進展方向，實現(xiàn)寬帶化、無線化、個人化、分組化以及多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的融合成為全球通信網(wǎng)絡(luò)的進展目標使得寬帶無線信號和載波頻率向高頻毫米波(如40～60GHz)擴展的需求日益迫切。將光的大帶寬優(yōu)勢和毫米波無線接入的敏捷性結(jié)合起來的毫米波光載無線(MM-RoF)系統(tǒng)具有體積小、重量輕、成本低、損耗小、抗電磁干擾及傳輸質(zhì)量高等優(yōu)點，可解決傳統(tǒng)微波傳輸系統(tǒng)在毫米波段存在的損耗大、抗干擾力量弱等問題，克服了毫米波電子器件的電子"瓶頸'等問題。此外，MM-RoF利用光纖技術(shù)將光纖網(wǎng)絡(luò)的巨大容量和無線接入網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性與移動性有機結(jié)合，可綜合傳送各種無線業(yè)務(wù)信息，為寬帶無線網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)"最終一公里'無縫接入，以實現(xiàn)真正意義的"任何人、任何時間，于任何地點，以任何形式通信'的需求。

下一代寬帶無線通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。結(jié)構(gòu)主要是由分布式天線網(wǎng)絡(luò)(DAN)、分布式信號傳送網(wǎng)絡(luò)(DTN)、分布式信號處理網(wǎng)絡(luò)(DPN)和分布式核心網(wǎng)絡(luò)(DCN)共同組成，其中DTN、DPN和DCN這些涉及到毫米波的信號處理和傳送網(wǎng)絡(luò)都可以通過光纖系統(tǒng)的光集成器件和技術(shù)進行無線信號的處理和傳輸，光纖傳輸能實現(xiàn)現(xiàn)有電纜無法滿意寬帶無線信號傳送的帶寬要求和傳輸質(zhì)量。估計到2023年，超過80%的毫米波無線信號基于光纖技術(shù)傳送。而DAN部分的天線系統(tǒng)采納基于光控波束形成的智能天線可以克服寬帶、大容量電控天線電子處理無法避開的"瓶頸'問題，成為數(shù)10GHZ以上無線天線系統(tǒng)抱負的方案，其應(yīng)用前景寬闊[1-3]。

1、光載毫米波無線電通信技術(shù)的現(xiàn)狀

目前，MM-RoF技術(shù)已經(jīng)成為、歐盟、、澳大利亞等很多國家的信息討論機構(gòu)、高校面對應(yīng)用的前沿討論熱點；中國則主要有清華高校、北京高校、北京郵電高校、上海交通高校、浙江高校、中國電子科技高校、上海高校、華中科技高校等的一批科研院所開展相關(guān)的討論。為了有效利用光纖帶寬資源，實現(xiàn)寬帶多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)無縫連接，對支持寬帶無線多業(yè)務(wù)的MM-RoF系統(tǒng)的討論越來越受到人們關(guān)注[4-23]。比較典型的有：

喬治亞州技術(shù)學院在2023年報道了波分復(fù)用-無源光網(wǎng)絡(luò)(WDM-PON)與寬帶MM-RoF無線接入系統(tǒng)的無縫連接討論。其方案利用高非線性色散位移光纖產(chǎn)生的拉曼相關(guān)四波混頻效應(yīng)，實現(xiàn)了82.5Gb/s波分復(fù)用(WDM)信號的全光上變頻為40GHz微波副載波信號；同時為克服光纖色散的影響，采納了單邊帶濾波技術(shù)，實現(xiàn)了大于20km的MM-RoF系統(tǒng)傳輸。該學院于2023年又報道了一種新型全雙工RoF系統(tǒng)，實現(xiàn)了40GHz載波下，2.5Gb/s信號(下行差分相移鍵控(DPSK)調(diào)制格式，上行開關(guān)鍵控(OOK)再調(diào)制)的40km的雙向RoF系統(tǒng)傳輸。

NEC試驗室在2023年報道實現(xiàn)了40GHz微波信號與2.5Gb/s不歸零碼(NRZ)信號的RoF系統(tǒng)傳輸。該系統(tǒng)是討論有線、無線寬帶服務(wù)同時傳輸?shù)募夹g(shù)的。

在歐洲，自2023年啟動了由西班牙Valencia高校、英國UniversityCollegeLondon高校等多個歐盟討論機構(gòu)共同合作的GANDALF方案。自2023年啟動至今，其以"討論多業(yè)務(wù)RoF系統(tǒng)，實現(xiàn)吉比特傳輸速率的寬帶無線和有線混合接入網(wǎng)絡(luò)'為最終討論目標。其中，2023年報道了高頻電矢量信號的光產(chǎn)生討論結(jié)果，實現(xiàn)了直接光產(chǎn)生載波為37.5GHz的74.7Mb/s正交移相鍵控(QPSK)信號；同年還實現(xiàn)了載波40GHz、2.5Gb/s數(shù)據(jù)信號的RoF系統(tǒng)。

英國UniversityCollegeLondon高校聯(lián)合劍橋、英國電信、BT公司等多個討論機構(gòu)，討論基于RoF的光纖無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)了60GHz無線信號多業(yè)務(wù)光傳輸試驗。

在，多業(yè)務(wù)毫米波RoF技術(shù)成為眾多討論機構(gòu)的討論熱點。大阪高校在2023年報道他們實現(xiàn)了2.5Gb/s基帶信號、4.5～12GHz微波信號和60GHz載波下的155Mb/s信號，在3種信號單一光源上的共同傳輸；2023年報道討論了基于超連續(xù)譜光源的全光上變頻產(chǎn)生60GHz毫米波信號技術(shù)，實現(xiàn)了兩個信道25km的RoF系統(tǒng)傳輸。郵政省通信討論所(CRL)在60GHz頻帶實現(xiàn)了室內(nèi)無線接入網(wǎng)，在36～37GHz頻帶汽車路間智能通信系統(tǒng)(ITS-RVC)數(shù)據(jù)傳送速率達10～150Mb/s。ATR討論所在60GHz頻段實現(xiàn)400Mb/s二進制相移鍵控(BPSK)調(diào)制數(shù)據(jù)的光纖傳送(上行鏈路系統(tǒng))，在50GHz頻段實現(xiàn)500Mb/sBPSK調(diào)制數(shù)據(jù)的光纖傳送(下行鏈路系統(tǒng))。

在加拿大，Ryerson高校的高級無線光纖集成技術(shù)組(ADROIT)自20世紀90年月末就開頭討論RoF系統(tǒng)，目前重點討論在于基于RoF技術(shù)的多媒體無線接入網(wǎng)，實現(xiàn)各種多媒體接入例如IEEE802.11、寬帶碼分多址(WCDMA)等混合RoF傳輸系統(tǒng)。

韓國Yonsei高校2023年報道了實現(xiàn)了2622Mb/s信號在60GHzRoF系統(tǒng)中的20km傳輸，它主要采納了兩個激光器的邊帶注入鎖定技術(shù)實現(xiàn)毫米波信號。2023年，韓國光州科學與技術(shù)學院(GIST)報道了利用基于半導(dǎo)體光放大器的馬赫-曾德調(diào)制(SOA-MZI)實現(xiàn)了全光上變頻產(chǎn)生WDMRoF信號，實現(xiàn)了載波頻率為22.5GHz、速率為155Mb/s的雙DPSK信號的RoF系統(tǒng)傳輸。2023年Yonsei高校實現(xiàn)了利用SOA-EAM實現(xiàn)全雙工60GHzRoF系統(tǒng)10Mb/sQPSK信號的傳輸。

在中國，很多高校討論機構(gòu)也非常重視光纖無線傳輸方面的討論。上海高校2023年報道了"OFDM-RoF光傳輸系統(tǒng)中一些問題的討論'，重點討論正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制無線信號在RoF光傳輸系統(tǒng)中的傳輸性能分析，建立了仿真模型，之后又討論了將光相移鍵控(PSK)調(diào)制用于基于諧波生成原理的RoF下行鏈路系統(tǒng)；2023年以來對60GHzRoF系統(tǒng)在光源方面和系統(tǒng)功率設(shè)計及安排建模進行了討論。北京郵電高校在2023年前后進行了RoF系統(tǒng)承載其次代無線系統(tǒng)信號的仿真工作，并且理論分析了基于四波混頻(FWM)實現(xiàn)RoF全光波長變。北京高校利用雙模鎖模激光技術(shù)初步實現(xiàn)了60GHz毫米波的全光產(chǎn)生，并進行了RoF信號光纖傳輸?shù)纳⒎治觥Ｕ憬咝Ｓ?023年在微波信號的光產(chǎn)生方面提出利用光纖光柵布里淵雙頻激光器全光產(chǎn)生微波/毫米波，得到了11GHz四周的微波輸出。華中科技高校利用雙光源技術(shù)和60GHz的電汲取收發(fā)器(EAT)分別在下行和上行鏈路實現(xiàn)單波長和雙波長調(diào)制。湖南高校討論了提出一種改進的雙邊帶調(diào)制產(chǎn)生光毫米波方案。清華高校自1999年以來在RoF系統(tǒng)中的無線信號光產(chǎn)生、上下變頻、光微波濾波器、鏈路傳輸中串擾問題等方面進行了討論，取得了肯定的討論成果。

2、光載毫米波無線電通信技術(shù)的將來進展

MM-RoF系統(tǒng)正朝著更大容量、更高性能、更有用的方向進展，以期滿意將來寬帶多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)無縫連接方面等實際應(yīng)用的要求。目前支持無線多業(yè)務(wù)的MM-RoF系統(tǒng)討論主要是利用光纖