目前，光纖通信作為高速大容量通信的主要手段已經(jīng)應(yīng)用到各類通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)中，光接入網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為接入網(wǎng)的主流技術(shù)之一。與此同時(shí)，WiMAX也已經(jīng)成為3G的標(biāo)準(zhǔn)之一，寬帶無(wú)線技術(shù)將在未來(lái)通信中發(fā)揮重要作用。由此可見，光纖無(wú)線的融合成為接入網(wǎng)的一種發(fā)展趨勢(shì)，光載無(wú)線系統(tǒng)也將在融合接入網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮極其重要的作用[1]。
然而在自由空間損耗的影響下，載波頻率越高，衰減越大。這就要求未來(lái)的通信網(wǎng)絡(luò)需要支持更小的小區(qū)(微蜂窩或微微蜂窩)及更多的基站，因此對(duì)基站復(fù)雜度的控制尤為關(guān)鍵，采用動(dòng)態(tài)可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)勢(shì)在必行。另一方面，盡管光載無(wú)線系統(tǒng)使用的部分頻段(如40 GHz和60 GHz頻段)相對(duì)于目前的無(wú)線通信頻段已經(jīng)大幅提高，但仍有可能無(wú)法完全滿足用戶對(duì)寬帶高速業(yè)務(wù)的需求，這就需要通信系統(tǒng)具備智能性，從而實(shí)現(xiàn)資源的有效利用和網(wǎng)絡(luò)兼容。為滿足以上方面的需求，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的智能光載無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。
1 新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
要實(shí)現(xiàn)智能化的光載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)一個(gè)好的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是首先需要考慮的問(wèn)題。結(jié)合目前世界范圍內(nèi)主流網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)并規(guī)避其不足，我們提出了如圖1所示的光纖無(wú)線電(RoF)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。
該架構(gòu)分為3層，由下往上依次為分布式無(wú)線接入層、光交換層和集總基站池。
CO：中心站
OXC：光交叉連接器
RAU：遠(yuǎn)端天線單元
圖1 智能光載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)
針對(duì)大范圍低成本W(wǎng)i-Fi覆蓋的應(yīng)用需求，以及智能家庭中吉比特高清視頻等高數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的接入需求，我們將上述的通用型智能光載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)具體化，提出了兩種具有特定適用范圍的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
1.1 面向?qū)拵Ы尤肱c泛在感知應(yīng)用的分布式光載Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)及鏈路實(shí)現(xiàn)
RFID：射頻標(biāo)識(shí)
ROF：光纖無(wú)線電
RRU：遠(yuǎn)端無(wú)線射頻單元
圖2 面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的光載Wi-Fi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
物聯(lián)網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)包括3層，即感知層、傳送層和應(yīng)用層[2]。本文提出一種基于光載Wi-Fi異構(gòu)結(jié)構(gòu)的傳送層網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。
基于光載Wi-Fi的ROF鏈路結(jié)構(gòu)如圖3所示，我們運(yùn)用基于粗波分復(fù)用(CWDM)方式的模擬直調(diào)ROF網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，經(jīng)過(guò)模擬直調(diào)后，不同波長(zhǎng)的光經(jīng)過(guò)CWDM器件復(fù)用到一根光纖中傳輸，光纖另一端由另一個(gè)CWDM進(jìn)行解復(fù)用，光信號(hào)被分配到各個(gè)遠(yuǎn)端天線單元(RAU)中，由光電探測(cè)器恢復(fù)出射頻信號(hào)，經(jīng)放大后由天線發(fā)射出去實(shí)現(xiàn)無(wú)線覆蓋。通過(guò)雙向的CWDM-ROF鏈路完成可以滿足寬帶無(wú)線接入的應(yīng)用需求。該透明結(jié)構(gòu)易于升級(jí)，在少量硬件改造的情況下就可以滿足3G等其他無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳輸[3]。
AP：接入點(diǎn)
CWDM：粗波分復(fù)用
RAU：遠(yuǎn)端天線單元
SMF：?jiǎn)文９饫w
WSN：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)
圖3 基于光載Wi-Fi的ROF鏈路結(jié)構(gòu)
1.2 面向樓內(nèi)多業(yè)務(wù)融合接入的多頻段動(dòng)態(tài)可控ROF網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)及鏈路實(shí)現(xiàn)
圖4是2.4 GHz頻段和60 GHz頻段樓內(nèi)多業(yè)務(wù)融合接入的ROF網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。在以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)的光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)處，一個(gè)額外的智能駐地網(wǎng)關(guān)(IGR)被用來(lái)實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)到2.4 GHz和60 GHz的上變頻，以及射頻資源的管控和調(diào)度，并利用室內(nèi)光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸。為了解決上行過(guò)程中的成本和技術(shù)難題，又考慮到上行業(yè)務(wù)如視頻點(diǎn)播(VOD)一般并不需要特別高速的傳輸速率，這里通過(guò)終端設(shè)計(jì)和網(wǎng)關(guān)處理功能，利用相鄰房間的已有Wi-Fi信號(hào)覆蓋來(lái)進(jìn)行吉比特下行業(yè)務(wù)的上行需求。這樣通過(guò)Wi-Fi分布式天線系統(tǒng)的構(gòu)建和60 GHz頻段吉比特?zé)o線通信鏈路的建立，就可以為樓內(nèi)各房間用戶提供吉比特?zé)o壓縮高清晰度電視(HDTV)及其點(diǎn)播業(yè)務(wù)，Wi-Fi信號(hào)的寬帶接入和健康監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)測(cè)等物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)智能泛在家庭網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。
EPON：無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)
HDTV：高清晰度電視
IGR：智能駐地網(wǎng)關(guān)
ODN：光分配網(wǎng)
OLT：光線路終端
ONU：光網(wǎng)絡(luò)單元
RAU：遠(yuǎn)端天線單元
WLAN：無(wú)線局域網(wǎng)
WSN：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)
圖4 樓內(nèi)多業(yè)務(wù)融合接入的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖
圖5是樓內(nèi)多業(yè)務(wù)融合的動(dòng)態(tài)可控ROF網(wǎng)絡(luò)的傳輸鏈路。在ONU和智能駐地網(wǎng)關(guān)(IRG)內(nèi)部，Internet里的吉比特HDTV業(yè)務(wù)源經(jīng)過(guò)EPON的ONU以有線方式提供給樓內(nèi)用戶，為了支持無(wú)線接入方式，利用變換接口將以太網(wǎng)并行數(shù)據(jù)以串行不歸零碼(NRZ)的方式調(diào)制到直調(diào)激光器(DML)發(fā)出的連續(xù)光載波上，然后利用馬赫-曾得爾調(diào)制器(MZM)產(chǎn)生毫米波并通過(guò)毫米波天線發(fā)射出去。在接收端利用接收天線將毫米波信號(hào)接收下來(lái)并進(jìn)行功率放大，利用自混頻的方式進(jìn)行下變頻，最后利用低通濾波器濾波就可以得到基帶信號(hào)。
為了實(shí)現(xiàn)資源的配置，我們提出了基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)光開關(guān)矩陣的射頻切換技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可控ROF網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。圖5中，在IRG內(nèi)部，利用中心控制單元發(fā)出的指令控制MEMS光開關(guān)選路。這樣，利用60 GHz頻段和2.4 GHz頻段的ROF網(wǎng)絡(luò)，以及光開關(guān)矩陣，就能夠?qū)崿F(xiàn)樓內(nèi)多頻段多業(yè)務(wù)的無(wú)線智能覆蓋，極大增加了頻譜效率并有效降低整體能耗。
AP：接入點(diǎn)
BA：雙向放大器
BPF：帶通濾波器
DML：直調(diào)激光器
EA：電放大器
EDFA：摻鉺光纖放大器
HDTV：高清晰度電視
IRG：智能駐地網(wǎng)關(guān)
LO：本振
LPF：低通濾波器
MEMS：微電子機(jī)械系統(tǒng)
MZM：馬赫-曾得爾調(diào)制器
NRZ：不歸零碼
ONU：光網(wǎng)絡(luò)單元
PC：相位控制器
PD：光探測(cè)器
PS：微波相位延遲線
RAU：遠(yuǎn)端天線單元
SMF：?jiǎn)文９饫w
STB：機(jī)頂盒
圖5 2.4 GHz和60 GHz頻段動(dòng)態(tài)可控ROF系統(tǒng)鏈路結(jié)構(gòu)圖
2 智能光載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的媒體訪問(wèn)控制層技術(shù)
在構(gòu)建有效網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，還需要考慮怎樣實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部公平有效的資源共享，這就需要為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)配備合理的資源分配機(jī)制——媒體訪問(wèn)控制(MAC)層協(xié)議。
智能RoF網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議目前尚沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[4]，國(guó)際研究主要集中在對(duì)傳統(tǒng)的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)如Wi-Fi、WiMAX的MAC協(xié)議改進(jìn)其響應(yīng)時(shí)間等相關(guān)參數(shù)以抵消光纖引入的時(shí)延從而使其適用于RoF系統(tǒng)。然而在實(shí)際的RoF系統(tǒng)中，由于信號(hào)的衰減使得傳統(tǒng)的分布式的載波偵聽多點(diǎn)接入/沖突避免(CSMA/CA)的協(xié)議喪失有效性。因此，提出專為RoF系統(tǒng)設(shè)計(jì)的MAC層協(xié)議勢(shì)在必行。
我們提出基于光載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)屬性的MAC層協(xié)議的新模型[5]。主要包括設(shè)計(jì)采用了頻率和時(shí)間雙重屬性因子的混合MAC層協(xié)議，將光纖引入的額外時(shí)延考慮進(jìn)MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)中，利用時(shí)間同步補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各遠(yuǎn)端天線單元的邏輯準(zhǔn)同步，從而通過(guò)加入頻率標(biāo)識(shí)，支持光載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)屬性。在上述混合MAC幀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步提出了低功耗動(dòng)態(tài)可控MAC幀結(jié)構(gòu)[6]，圖6所示為MAC幀結(jié)構(gòu)，圖6(a)和(b)分別是下行MAC幀結(jié)構(gòu)和上行MAC幀結(jié)構(gòu)。通過(guò)在MAC幀結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)天線控制域(“on-off”域)實(shí)現(xiàn)對(duì)子天線工作/非工作狀態(tài)的集中管控，進(jìn)而降低能耗。通過(guò)將光纖引入的額外時(shí)延考慮進(jìn)MAC層協(xié)議設(shè)計(jì)中，利用時(shí)間同步補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各RAU的邏輯準(zhǔn)同步。上述動(dòng)態(tài)可控MAC層協(xié)議模型解決了微波和光波協(xié)同作用下分布式ROF網(wǎng)絡(luò)中多小區(qū)、多用戶、寬帶化泛在化接入問(wèn)題，降低了ROF網(wǎng)絡(luò)的能耗。
(a)下行MAC幀結(jié)構(gòu)
(b)上行MAC幀結(jié)構(gòu)
RAU：遠(yuǎn)端接入單元
圖6 MAC幀結(jié)構(gòu)
3 動(dòng)態(tài)可重構(gòu)智能光載無(wú)線系統(tǒng)
RoF最主要的功能是實(shí)現(xiàn)光纖與無(wú)線的相互融合，從而實(shí)現(xiàn)寬帶、高速和無(wú)線化的信息傳遞。這就需要搭建高效經(jīng)濟(jì)的RoF系統(tǒng)將射頻信號(hào)加載到光載波上，并經(jīng)遠(yuǎn)距離傳輸，在基站通過(guò)寬帶天線實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)多業(yè)務(wù)無(wú)線信號(hào)的傳送。本節(jié)圍繞認(rèn)知、協(xié)同與低能耗，有線無(wú)線資源聯(lián)合調(diào)度等核心特征，分析智能RoF系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。
3.1 認(rèn)知、協(xié)同與低能耗的智能RoF系統(tǒng)
RoF系統(tǒng)與生俱來(lái)的中心處理機(jī)制，使多信道無(wú)線信號(hào)的聯(lián)合處理以及分布式動(dòng)態(tài)可重構(gòu)光載無(wú)線接入成為可能。通過(guò)最大程度的利用有限的頻譜資源、時(shí)隙資源以及功率資源，可實(shí)現(xiàn)靈活、高效、低耗能的無(wú)線通信接入。
我們基于RoF系統(tǒng)的中心處理機(jī)制，提出并搭建了具有認(rèn)知、協(xié)同及低能耗的分布式動(dòng)態(tài)可重構(gòu)光載無(wú)線接入系統(tǒng)。系統(tǒng)在中心站同時(shí)控制多小區(qū)、多信道的頻譜與時(shí)隙資源，利用遠(yuǎn)端天線收集各個(gè)小區(qū)和信道的使用狀況，將資源合理搭配，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)屬性，使資源得到最大程度的利用。
所提分布式系統(tǒng)具有認(rèn)知、協(xié)同與低能耗3個(gè)特點(diǎn)。其中認(rèn)知指的是中心站通過(guò)遠(yuǎn)程天線單元了解天線所在小區(qū)的無(wú)線信道使用狀況，并以此計(jì)算分配資源方案；協(xié)同則是指在計(jì)算出最優(yōu)化資源分配方式后，中心處理器將調(diào)度命令發(fā)送至系統(tǒng)設(shè)備，通過(guò)對(duì)微波和光波資源的控制實(shí)現(xiàn)資源的調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)屬性；低能耗則是指由于中心站的資源由多個(gè)小區(qū)共同分享，因而減小了每個(gè)小區(qū)的設(shè)施，同時(shí)可在整個(gè)系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求小時(shí)，關(guān)閉部分冗余設(shè)備和資源的功能，以節(jié)約能源。
3.2 有線無(wú)線資源聯(lián)合調(diào)度的智能RoF系統(tǒng)
RoF中有線無(wú)線資源的聯(lián)合調(diào)度是指同時(shí)考慮有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度，從而最大化RoF網(wǎng)絡(luò)的資源利用率，主要內(nèi)容包括兩部分：算法部分和協(xié)議部分。
算法部分主要針對(duì)智能RoF網(wǎng)絡(luò)的路由算法進(jìn)行資源調(diào)度。我們提出了聯(lián)合路由算法來(lái)實(shí)現(xiàn)RoF網(wǎng)絡(luò)中有線無(wú)線資源的聯(lián)合調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)端到端的全局最優(yōu)路徑。聯(lián)合路由算法的主要思想為：把光網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分為兩個(gè)域，在中心站(CO)中構(gòu)建出3個(gè)路徑計(jì)算單元(PCE)，其中兩個(gè)子PCE分別負(fù)責(zé)光網(wǎng)絡(luò)域和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)域的算路，父PCE負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)兩個(gè)域的路徑計(jì)算，當(dāng)業(yè)務(wù)到來(lái)時(shí)，通過(guò)子PCE和父PCE之間的信息交互，可以實(shí)現(xiàn)分布式環(huán)境下RoF網(wǎng)絡(luò)中的全局最優(yōu)路徑。
協(xié)議部分主要針對(duì)智能RoF網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議進(jìn)行資源調(diào)度。當(dāng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入一個(gè)新的連接請(qǐng)求時(shí)，除了考慮無(wú)線側(cè)的資源分配外，還需要考慮排隊(duì)時(shí)間和注冊(cè)時(shí)間的影響，從而實(shí)現(xiàn)為業(yè)務(wù)分配合適的光波資源，達(dá)到微波光波資源的聯(lián)合調(diào)度。該方法僅僅從時(shí)延造成的影響方面研究了微波光波資源的聯(lián)合調(diào)度，實(shí)際上，當(dāng)多個(gè)用戶競(jìng)爭(zhēng)資源時(shí)，吞吐量和公平性問(wèn)題也需要加以考慮以達(dá)到更高的網(wǎng)絡(luò)資源利用率，從而實(shí)現(xiàn)微波光波資源的聯(lián)合調(diào)度。
4 智能RoF關(guān)鍵單元器件技術(shù)
在傳統(tǒng)的無(wú)線通信系統(tǒng)中，大部分微波信號(hào)處理功能是在基站中通過(guò)電信號(hào)處理器來(lái)完成，從而受到諸多成本和帶寬的限制。光載無(wú)線系統(tǒng)中功能集中化的配置和光電域的轉(zhuǎn)換使得在中心局可以完成一些全光微波信號(hào)的處理功能。這就需要為RoF系統(tǒng)配備相應(yīng)的組成器件，從而適應(yīng)RoF系統(tǒng)信號(hào)處理頻域提升和業(yè)務(wù)集中的特點(diǎn)。本節(jié)針對(duì)智能ROF的關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)分析頻譜感知、全光ADC、微波光子濾波器和智能天線等關(guān)鍵單元技術(shù)。
4.1 光載寬帶無(wú)線信號(hào)的頻譜感知
探測(cè)泛在環(huán)境下微波信號(hào)的載頻大小，進(jìn)行信息的獲取、處理和分析，是實(shí)現(xiàn)寬帶接入與泛在感知的關(guān)鍵。微波光子頻譜分析與感知正是基于此發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它利用微波光子技術(shù)瞬時(shí)寬帶處理能力強(qiáng)、質(zhì)量輕、損耗小、抗電磁干擾能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了寬帶微波的瞬時(shí)處理與測(cè)量，給微波信號(hào)的頻譜分析與感知開辟了一條新的研究思路。通過(guò)基于相干信道化及基于光子壓縮采樣的瞬時(shí)頻率測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了多頻點(diǎn)、寬帶的頻譜感知與分析。
基于相干信道化瞬時(shí)多頻點(diǎn)頻譜分析與感知方法：我們提出了通過(guò)在光域?qū)崿F(xiàn)一級(jí)濾波，在微波域?qū)崿F(xiàn)二級(jí)濾波，最后通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理的方式對(duì)大帶寬、多頻點(diǎn)和高精度的信號(hào)進(jìn)行感知處理的技術(shù)。基于光子壓縮采樣的瞬時(shí)多頻點(diǎn)頻譜分析與感知方法：我們采用壓縮采樣理論這一新穎的信號(hào)處理手段，利用微波信號(hào)在頻譜上高度稀疏的特性，通過(guò)低速ADC采樣實(shí)現(xiàn)了對(duì)寬帶微波信號(hào)頻率測(cè)量。
4.2 全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器
模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是一種將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的重要器件，是實(shí)現(xiàn)信號(hào)在高速通信網(wǎng)路中傳輸，以及實(shí)現(xiàn)信號(hào)儲(chǔ)存、處理的前端器件。如圖7所示為應(yīng)用ADC的數(shù)字ROF系統(tǒng)。和傳統(tǒng)的ROF系統(tǒng)相比，數(shù)字ROF系統(tǒng)在CO不需要混頻以及本振源，并且對(duì)光鏈路的線性度以及鏈路增益要求不高，從而可以利用現(xiàn)有光接入網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳遞射頻(RF)信號(hào)。
ADC：模數(shù)轉(zhuǎn)換器
BPF：帶通濾波器
BS：基站
CO：中心站
DCA：數(shù)模轉(zhuǎn)換器
E/O：電光轉(zhuǎn)換
O/E：光電轉(zhuǎn)換
RF：射頻
SMF：?jiǎn)文９饫w
圖7 應(yīng)用ADC的數(shù)字RoF系統(tǒng)
為了克服傳統(tǒng)電域ADC的內(nèi)在的局限性，Henry F.Taylor于1979年提出了全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AOADC)的概念。全光ADC，其抽樣、量化和編碼都在光域進(jìn)行，近年來(lái)備受各國(guó)科學(xué)家的重視。目前全球相關(guān)研究大都基于光纖實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，然而為了獲得更高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換，要求光脈沖有很大的光功率，從而能耗較高，不符合光器件向“綠色節(jié)能”的方向發(fā)展；另一方面，由于是基于光纖的，以上的量化編碼方案不利于集成，不符合光器件向集成化的方向發(fā)展。
為了使全光量化編碼器向低能耗、光子集成、高速率以及高分辨率的方向發(fā)展，我們提出了一種利用半導(dǎo)體光放大器(SOA)中的非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NPR)效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)全光ADC的方法[7]，其原理結(jié)構(gòu)如圖8所示。模擬信號(hào)被抽樣信號(hào)抽樣之后變成抽樣光脈沖，隨后被分成N份，輸入到由N個(gè)基于NPR效應(yīng)的量化編碼單元組成的量化編碼矩陣。每一個(gè)基于NPR效應(yīng)的量化編碼單元由兩個(gè)級(jí)聯(lián)的偏振開關(guān)(PSW)組成，如圖8(d)所示。其中PSW1實(shí)現(xiàn)預(yù)量化編碼，由于隨著抽樣光脈沖強(qiáng)度的增強(qiáng)，PSW1的SOA中更多載流子被消耗，因而造成其輸出光功率下降，為了保持強(qiáng)度不同的抽樣光脈沖在量化編碼單元中所獲得的增益一致，PSW1之后級(jí)聯(lián)另外一個(gè)偏振開關(guān)PSW2，其作用是實(shí)現(xiàn)增益的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。圖8(b)所示為量化編碼單元的傳輸函數(shù)，圖8(c)所示為相應(yīng)的編碼輸出，預(yù)量化編碼和增益動(dòng)態(tài)補(bǔ)償相結(jié)合的方式可以很好地實(shí)現(xiàn)量化編碼。由于SOA的增益恢復(fù)時(shí)間在皮秒級(jí)別，因而基于NPR效應(yīng)的全光ADC，其轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到幾百Gs/s (Giga-Samples Per Second)。
(a)基于SOA中NPR效應(yīng)的全光ADC原理結(jié)構(gòu)圖
(b)量化編碼單元#1，#2，#3的傳輸函數(shù)
(c)量化編碼單元#1，#2，#3的編碼輸出
(d)量化編碼單元的原理結(jié)構(gòu)圖
(e)偏振開關(guān)的原理結(jié)構(gòu)圖
ATT：可調(diào)衰減器
BPF：帶通濾波器
ISO：隔離器
MSB：最高比特位
NPR：非線性偏振旋轉(zhuǎn)
NPR-QC：基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的量化編碼器
ODL：光延遲線
PBS：偏振分束器
PC：偏振控制器
PSW：偏振開關(guān)
SOA：半導(dǎo)體光放大器
Splitter：分束器
圖8 一種利用SOA中的NPR效應(yīng)實(shí)現(xiàn)全光ADC的方法
4.3 微波光子濾波技術(shù)
微波光子濾波器(MPF)是在光域內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)微波/射頻信號(hào)進(jìn)行濾波的器件。由于微波光子濾波器在射頻系統(tǒng)中具有帶寬大、快速可調(diào)諧、可重構(gòu)、無(wú)電磁干擾(EMI)、低損耗和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因而這一類器件已經(jīng)引起了越來(lái)越多的人們的興趣。在ROF系統(tǒng)中，中心站主要完成一些信號(hào)處理功能，如光電變換、下變頻、基帶信號(hào)處理等，如果在中心站光電變換之前加入微波光子濾波器，就可以大大減小對(duì)基帶信號(hào)處理模塊的性能和復(fù)雜度要求，避免了電子器件在處理高頻信號(hào)上帶來(lái)的瓶頸問(wèn)題，并降低了器件成本。
相對(duì)于有限沖激響應(yīng)(FIR)濾波器來(lái)說(shuō)，把耦合器的一個(gè)輸出端和輸入端相連即構(gòu)成了光纖環(huán)延遲線。光信號(hào)每經(jīng)過(guò)一次環(huán)形器就產(chǎn)生T的延遲，理論上說(shuō)，光信號(hào)會(huì)無(wú)限次經(jīng)過(guò)光纖環(huán)形器，所以采樣數(shù)接近無(wú)限。如圖9所示。可以利用光子晶體取代光纖環(huán)制作微波光子濾波器。利用光子晶體波導(dǎo)分束器作為耦合單元，利用慢光波導(dǎo)作為延遲單元。相對(duì)于光纖環(huán)，光子晶體具有更好的慢光特性，可以顯著減小器件尺寸。
DFB：分布反饋式
FIR：有限沖激響應(yīng)
IIR：無(wú)限沖激響應(yīng)
MZM：馬赫-曾得爾調(diào)制器
PD：光電探測(cè)器
RF：射頻
圖9 IIR微波光子濾波器結(jié)構(gòu)示意圖
4.4 智能天線技術(shù)
智能天線的基本原理是通過(guò)改變各天線單元的權(quán)重在空間形成方向性波束，主波束對(duì)期望用戶的信號(hào)進(jìn)行跟蹤，在干擾用戶的方向形成零陷[8]。因此，波束賦形是智能天線中的關(guān)鍵技術(shù)。而電磁帶隙結(jié)構(gòu)(EBG)是一種周期排列的結(jié)構(gòu)，具有兩個(gè)重要特性，表面波帶隙和反射相位帶隙[9]，利用兩個(gè)特性有利于提高波束的定向性，從而實(shí)現(xiàn)波束賦形。
共面緊湊型電磁帶隙(UC-EBG)結(jié)構(gòu)由于不需要過(guò)孔，相對(duì)其他類型EBG結(jié)構(gòu)更易于加工制造。印刷的EBG結(jié)構(gòu)表面很高的表面阻抗，截?cái)嗔穗娏鞯膫鞑ィ瑫r(shí)對(duì)于入射的平面電磁波具有同相反射特性，將此種性能的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于系統(tǒng)相當(dāng)于引入一個(gè)人工磁壁。通過(guò)合理設(shè)計(jì)，EBG結(jié)構(gòu)還可以多頻工作，如利用分形結(jié)構(gòu)的自相似特性，在共面型EBG結(jié)構(gòu)中引入分形，可得到多個(gè)帶隙[10]，該結(jié)構(gòu)可對(duì)天線的多個(gè)工作頻段性能同時(shí)進(jìn)行改善。圖10(a)為UC-EBG結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)引入了一級(jí)分形，通過(guò)對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行交叉排列，得到圖10(b)所示的禁帶。由圖10(b)可知，電磁波在介質(zhì)基板中不能有效傳播，這一方面使能量更加集中地從天線輻射出去，提高了天線的定向性；另一方面，由于表面波被抑制，天線方向圖的波紋減小了，這兩者都有助于波束賦形。
(a)電磁帶隙結(jié)構(gòu)
(b)該結(jié)構(gòu)的表面波帶隙
圖10 EBG在天線的應(yīng)用
5 結(jié)束語(yǔ)
由于同時(shí)具備無(wú)線化和寬帶化，光載無(wú)線技術(shù)深受業(yè)內(nèi)重視并已經(jīng)在國(guó)際上得到了應(yīng)用。其中作為一種改善光載無(wú)線系統(tǒng)傳輸容量和資源調(diào)配能力的解決方案，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的智能光載無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。其產(chǎn)品能夠改善多波長(zhǎng)纖鏈路中微波光波協(xié)同問(wèn)題，具有高速傳輸和資源動(dòng)態(tài)調(diào)配能力，為實(shí)現(xiàn)寬帶化、泛在化、低功耗動(dòng)態(tài)可重構(gòu)微波光波融合網(wǎng)絡(luò)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。
6 參考文獻(xiàn)
[1] SHARMA V, SINGH A, SHARMA A K. Challenges to radio over fiber (RoF) technology and its mitigation schemes -- A review [J].Optik -- International Journal for Light and Electron Optics, 2012,123(4):338-342.
[2] ZHANG Chongfu, WANG Leyang, QIU Kun. Proposal for all-optical generation of multiple-frequency millimeter-wave signals for ROF system with multiple base stations using FWM in SOA [J].Optcs Express, 2011,19(15):13957-13962.
[3] 徐坤，李建強(qiáng). 面向?qū)拵o(wú)線接入的光載無(wú)線系統(tǒng)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009.
[4] Capmany j, Ortega b, Pastor d. A tutorial on microwave photonic filters [J]. Journal of Lightwave Technology, 2006,24(1): 201-209.
[5] SHEN Xi, XU Kun, SUN Xiaoqiang, et al. Optimized indoor wireless propagation model in Wi-Fi-RoF network architecture for RSS-Based localization in the Internet of things [C]//Proceedings of the 2011 International Topical Meeting on Microwave Photonics & 2011 Asia-Pacific Microwave Photonics Conference(MWP/APMP’11), Oct 18-21, 2011, Singapore. Piscataway, NJ,USA: IEEE,2011: 274-277.
[6] SHEN Xi, XU Kun, SUN Xiaoqiang, et al. Dynamically reconfigurable radio-over-fiber network with medium access control protocol to provide access to train passengers [J].Science China: Information Sciences,tobe published.
[7] Wen huashun, Wang hongxiang, Ji yuefeng. All-optical quantization and coding scheme for ultrafast analog-to-digital conversion exploiting polarization switches based on nonlinear polarization rotation in semiconductor optical amplifiers [J]. Optics Communications, 2012,285(18):3877-3885.
[8] SHEN Xi, XU Kun, WU Jian, et al. Enabling technologies for Green radio-over-fiber distributed antenna system based wireless sensor network [J].China Communication, 2011, 8(8): 56-63.
[9] KOVACS P, URBANEC T. Electromagnetic band gap structures:Practical tips and advice for antenna engineers [J]. Radioengineering, 2012,21(1):414-421.
[10]Iera a, Floerkemeier c, Mitsugi j, et al. The Internet of things [Guest Editorial][J]. IEEE Wireless Communications, 2010,17(6):8-9.
收稿日期：2012-07-08
作者簡(jiǎn)介
田慧平，北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師，2007年入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃；研究方向?yàn)楣馔ㄐ排c微納光子器件；已主持完成基金項(xiàng)目3項(xiàng)；已發(fā)表論文70余篇，其中SCI檢索刊40余篇。
徐坤，清華大學(xué)電子工程系獲物理電子學(xué)工學(xué)博士畢業(yè)，北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，信息光子學(xué)與光通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，IEEE光纖無(wú)線融合技術(shù)分委員會(huì)、亞太微波光子學(xué)會(huì)技術(shù)委員會(huì)委員；研究方向?yàn)槲⒉ü庾有盘?hào)處理技術(shù)及其應(yīng)用以及基于光載無(wú)線系統(tǒng)的分布式天線網(wǎng)絡(luò)；已完成基金項(xiàng)目15項(xiàng)，其中主持6項(xiàng)。
紀(jì)越峰，北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，國(guó)家“973”計(jì)劃項(xiàng)目首席科學(xué)家，國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目首席專家，北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信研究院執(zhí)行院長(zhǎng)，國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任，電子信息國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(建設(shè)單位)主任，國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)學(xué)科評(píng)議組成員，中國(guó)通信學(xué)會(huì)會(huì)士；研究方向?yàn)閷拵ЬW(wǎng)絡(luò)與光波通信；研究成果先后獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、國(guó)家級(jí)教學(xué)成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。