隨著通信網絡朝著寬帶化、移動化方向的發展，光纖無線通信系統(ROF)將光纖通信和無線通信融合到一起，發揮了光纖線路的寬帶化、抗干擾的優點，同時發揮了無線通信方便靈活的特點，滿足了人們對寬帶的需求。早期的ROF技術主要是致力于提供高頻無線傳輸服務，如毫米波光纖傳輸等。隨著ROF技術的發展與成熟，人們開始研究混合有線和無線傳輸網絡，即同時提供有線和無線服務的光纖無線通信(ROF)系統。
隨著無線電通信的飛速發展，頻譜資源緊張的狀況日漸突出，如何在有限的無線資源條件下提高頻譜利用率以緩解頻譜資源的供需矛盾，已成為通信領域要解決的問題。認知無線電(CR)是智能頻譜共享技術，它通過對授權頻譜進行“二次利用”，能有效提高頻譜資源利用率，已成為通信領域的研究熱點。在802.11無線局域網[1]、802.16城域網[2]和3G移動通信網絡[3]已開始研究應用認知無線電技術提高系統的容量，并開始研究應用ROF技術實現不同業務信號的混合傳輸[4]。基于認知無線電的混合傳輸有線和無線信號的光纖無線通信網絡是未來通信網絡的發展趨勢。基于認知無線電技術的混合傳輸ROF系統面臨許多新的挑戰，如網絡架構設計、各層協議設計、基于多種業務的有線和無線調制信號的產生、網絡的管理和調制信號的識別等。
1 認知無線電技術
認知無線電是解決頻譜缺乏和頻譜未充分利用的有效途徑，認知無線電是智能的無線通信系統，它通過感知周圍環境的頻譜利用情況，并通過學習自適應地調整自己的參數，達到有效利用頻譜資源和可靠通信。應用認知無線電是實現頻譜資源從固定分配到動態分配的關鍵技術。在認知無線電系統中，為了保護授權用戶(或成為主用戶)不受從用戶(或CR用戶)的干擾，頻譜感知的功能是感知授權用戶是否存在。認知無線電用戶當監視到授權用戶使用的頻帶未被使用時可以暫時使用。當監視到授權用戶的頻帶在使用時，CR用戶釋放該信道給授權用戶，這樣保證CR用戶不對授權用戶產生干擾。因此認知無線通信網絡有如下顯著特點：
(1)主用戶具有接入信道的絕對優先權。一方面，當授權用戶沒有占用信道時，從用戶機會接入空閑信道；當主用戶再次出現時，從用戶要及時退出正在使用的信道，將信道還給主用戶使用。另一方面，當主用戶占用信道時，從用戶可以在不影響主用戶服務質量的條件下接入信道。
(2)CR通信終端具有感知、管理和調整功能。首先CR通信終端能夠感知所處工作環境中的頻譜和信道環境，并根據探測結果按照一定的規則確定對頻譜資源的共享和分配；另一方面CR通信終端具有在線調整工作參數的能力，如改變載頻、調制方式等傳輸參數來適應環境的變化。
在認知無線通信網絡中，頻譜感知是關鍵技術。常用的頻譜感知算法有能量檢測、匹配濾波檢測、循環平穩特征檢測方法等，這些方法有各自的優缺點，這些算法的性能取決于獲得的先驗信息。已有的頻譜感知算法有：匹配濾波器、能量檢測器和特征檢測器方法。
匹配濾波器只能應用到主信號是已知的條件下。能量檢測器能夠應用到主信號未知的情況下，但當采用短的感知時間時性能變差。由于特征檢測器的主要思想是利用信號的循環平穩性，通過譜相關函數進行檢測。噪聲是寬平穩信號且不具相關性，而調制信號是具有相關性且循環平穩的。因此譜相關函數能夠區分噪聲能量和已調信號的能量。在噪聲不確定的環境下，特征檢測器的性能要好于能量檢測器。特征檢測器在低信噪比下的性能受到限制，有高的計算復雜度，同時要求長的觀測時間。這樣就減小了CR系統的數據吞吐量。
隨著無線通信技術的發展，頻譜資源越來越緊張。由于CR技術可以緩解這個問題，CR技術在無線通信網絡中得到重視，有許多關于無線通信網絡標準都引入認知無線電技術。如IEEE 802.11、IEEE 802.22和IEEE 802.16h。在802.16h協議中，有一個重要內容就是動態頻譜選擇，以利于WiMAX使用廣電頻段，它的基礎就是頻譜感知技術。在無線局域網IEEE 802.11h國際標準中，引入了兩個重要概念：動態頻譜選擇(DFS)和發射功率控制(TPC)，開始將認知無線電應用到無線局域網中。在802.11y標準中利用正交頻分復用(OFDM)技術提供了多種帶寬的選擇，可以實現帶寬的快速切換，WLAN(無線局域網)系統可以利用OFDM的特點通過調整帶寬和發射功率參數避免與工作在該頻段的其他用戶相互干擾。由于光纖無線系統具有光纖通信帶寬寬的優點和無線通信靈活的特點得到了廣泛應用，近幾年光纖中傳輸射頻認知WLAN信號得到了關注，文獻[5-6]的作者提出了在ROF系統架構下傳輸認知無線電信號，通過仿真實驗表明網絡性能得到了提高。
2 基于ROF的混合光纖無線傳輸系統架構
為了滿足傳輸視頻傳輸的多媒體業務，新興的光纖到戶(FFTH)將成為最終的寬帶接入技術，而無源光網絡(PON)一經問世就成為人們關注的焦點。由于PON網絡中所用的器件均為無源器件，無需供電，可以免疫外界的電磁干擾和雷電影響，能夠實現業務的透明傳輸，系統可靠性高。PON網絡主要分時分復用無源光網絡(TDM-PON)和波分復用無源光網絡(WDM-PON)。WDM-PON同TDM-PON相比，具有用戶獨享帶寬和安全性高等特點，成為未來最有潛力的光接入網，圖1所示是WDM-PON系統框圖。
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CO：中心局
OLT：光線路終端
ONU：光網絡單元
PON：無源光網絡
WDM：波分復用
圖1 WDM-PON和無線網絡融合的系統架構
在圖1中，OLT是光線路終端，ONU是光網絡單元。無線接入網WLAN、WiMAX和移動通信網絡有各自的特點和適用場合，因此是共存的。在實際工作環境中還有其他各種網絡存在，但主干網絡都應以光網絡為主，我們采用基于WDM-PON的體系結構。在圖1中，只畫了3個典型的無線接入網絡，其他有線網絡也可以通過PON-ONU接入WDM-PON系統中。圖1所示的系統架構中，無線網絡和PON的接入單元具有光/電(O/E)和電/光(E/O)的功能，不需要調制解調功能，在WDM-PON中直接傳輸無線射頻信號。
3 基于認知無線電的ROF-PON光無線接入網絡系統結構
隨著網絡技術的發展，光網絡也朝著智能方向發展，認知無線電開始應用到光網絡中。由于在光網絡中提供不同的業務，而不同的業務有不同的服務質量(QoS)要求，這樣給網絡的管理帶來新的挑戰。認知網絡可以提供跨層設計和跨層優化，因此可以有效地監測和優化光網絡。此外，認知技術在光網絡中的使用可以提供電信運營商更大的靈活性，根據應用和服務要求調整各種物理層部件的特性(如調制格式、前向糾錯和波長容量等)和網絡層參數(帶寬、同時傳輸的光路數和QoS等)。圖2是基于認知無線電的光纖無線接入網絡系統架構，光纖中直接傳輸射頻信號。本文光層可采用WDM-PON技術(也可以是一個定制的光接入層)。遠端的ONU得到的傳感信息回傳到中心局(CO)，應用認知無線電技術進行處理。頻譜感知和信道接入等都在CO處理，因此降低了整個系統的復雜度，發揮了ROF的優勢，也發揮了認知無線電在管理頻譜方面的特長。
OLT：光線路終端
ONU：光網絡單元
PON：無源光網絡
RF：射頻
Rx：收
Tx：發
圖2 基于認知無線電的光無線接入系統架構
這種系統結構的主要特點是：
(1)接入點(AP)節點成本降低，中心基站成本提高。在常規的WLAN網絡中，AP具有調制解調并具有信號處理功能，在本方案中AP只完成光變成電(O/E)或電變成光(E/0)的功能，AP的調制解調功能和管理功能都轉移到中心基站，降低了無線接入節點的成本，但卻增加了中心基站的成本。
(2)可以利用分集技術提高系統的鏈路性能。由于采用ROF系統，不同光纖鏈路接收同一個用戶信號可以在中心基站實現宏分集處理，而在無線網絡內部可以采用協同分集技術提高鏈路性能。
(3)信道接入和頻譜感知處理由中心基站完成，網絡前端AP提供射頻采集的數據。
這種認知網絡架構雖然可以增加系統容量，但它也增加了網絡管理方面的復雜度，也面臨許多挑戰[7]。最大的挑戰是媒體訪問控制(MAC)層接入控制機制設計。即如何根據PON網絡的MAC層和無線接入網絡的MAC層的各自特點提出MAC層性能更優化的MAC層協議。在網絡中光層和射頻層是相互依存的，而在這種情況下多個媒體訪問控制機制的相互作用將帶來設計上的問題。比如射頻(RF)層的頻譜感知功能移動到光層去處理，當這個功能被打開時不應干擾射頻層感知信道的能力。認知無線電網絡下，MAC協議的功能是確定CR用戶采取什么樣的信道接入策略，是實現整個認知網絡頻譜共享的基本前提。MAC設計的目標是降低節點傳輸沖突比例，提高頻譜資源利用率。
4 結束語
隨著通信網絡朝著寬帶化、移動化方向的發展，光纖無線通信系統將光纖通信和無線通信融合到一起，發揮了光纖線路的寬帶化、抗干擾的優點，同時發揮了無線通信方便靈活的特點，滿足了人們對寬帶的需求。認知無線電不僅可動態接入授權頻譜，還可以接入其他非授權頻譜，因此認知無線電和ROF結合可以提高系統的容量，提高系統的性能。
5參考文獻
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