面向2G/3G/4G/WLAN融合接入应用的光载无线分布式天线

随着话音业务的成熟，对IP和高速数据业务的支持已经成为移动通信系统演进的方向，也成为第3代移动通信系统的主要业务特征。然而，2G/3G网络对数据业务的支持有广域低速的特征，为了实现高速数据传输，无线移动通信技术与Internet技术相结合产生了无线局域网(WLAN)等无线接入技术，其应用已经成为高速数据业务的重要接入手段。但是，WLAN的覆盖范围小，只能提供短距离(100m左右)的覆盖。为了进一步提高数据的传输速率，实现信号的广域覆盖，提高通信的灵活性，运营商开始将目光转向4G。考虑到多种移动通信系统将长期并存，因此为了提供更具有针对性的服务，中国移动提出了"2G、3G、4G、WLAN"四网协同的发展战略^[1]。四网业务的融合对接入网的带宽和性能有了更高的要求，传统的接入网已无法满足用户不断提高的带宽和性能需求。

微波光子学充分利用光子学宽带、高速、低功耗等优点来实现微波信号的产生、传输、处理和控制，以此为基础的微波光波融合系统充分发挥了无线灵活接入和光纤宽带传输的各自优势，可以实现单纯无线技术和光纤技术难以完成甚至无法完成的信息处理与传输组网功能^[2-3]。由此可见，基于光载无线(ROF)系统的分布式天线网络将在2G/3G/4G/WLAN四网融合的接入中发挥极其重要的作用。

ROF分布式天线网络的一般结构如图1所示。利用模拟直调光模块将射频信号调制到光载波上，经过光纤传输至远端天线单元，然后利用光/电转换和放大器放大后直接由远端天线单元的天线发射进行无线覆盖。该方式具有成本低廉、覆盖广泛以及控制灵活等特点，在矿井、隧道和铁路等工程领域，以及商场、机场和会议中心等公共热点区域都具有广泛的应用市场，一些厂家已经开始进行了模块和系统的研制与推广应用。

CO：中心局
RAU：远端天线单元
图1 光载无线分布式天线网络的一般结构图

然而，目前的光载无线分布式天线系统成本较高。成本主要取决于系统中使用的光收发模块。为了降低系统成本，我们基于商用的千兆以太网光组件，经过电路设计和改进实现了低成本、宽带的模拟光收发模块，为光载无线分布式天线网络的推广应用打下了基础。此外，光载无线(ROF)链路中存在很多噪声，光学损耗衰减了射频信号功率同时增加了噪声指数(NF)。为了提高系统的性能，研究光损耗对光载无线分布式天线网络的影响，具有十分重要的意义。同时，链路中的受激布里渊散射也对传输性能产生不利影响，需要对其进行分析和抑制，以提高网络性能。针对点到多点的多业务融合接入及分布式传输需求，本文提出了面向2G/3G/4G/WLAN四网融合接入应用的副载波复用和波分复用(SCM-WDM)结合技术。

1 低成本、宽带的光收发模块研制

随着无线业务不断增加的需求，下一代的ROF应用需要支持更高的工作频率和更大的带宽。同时，ROF系统中，光收发模块成本较高，是大规模应用的主要限制因素^[4]；另一方面，随着千兆以太网(GbE)技术的发展，商用千兆以太网光器件的调制带宽高达8 GHz，为低成本ROF的传输带来了新的机遇。因此，采取商用千兆以太网光器件来设计低成本、宽带的光收发模块将是一个非常重要的工作。本文提出了一种基于商用千兆以太网光器件的低成本、宽带ROF收发模块。

收发模块主要由光学组件，射频放大和偏置控制电路组成。发送端光学子组件(TOSA)是针对10 Gb/s应用、波长为1 310 nm、斜率效率为0.04 W/A的分布反馈式(DFB)激光器。接收端光学子组件(ROSA)是针对10 Gb/s应用、 响应度为0.85 A/W的光电探测器(PIN)。为了简化设计，设计使用激光器驱动集成电路来提供偏置电流进行自动功率控制(APC)。为了提高收发器的线性度，移去商用ROSA中线性度较差的转阻放大器(TIA)，并使用了100 Ω的高精度电阻Rd将电流信号转换成电压信号。

匹配激光器和驱动器是大带宽、低损耗模拟光发送模块设计中巨大的挑战。为了达到宽带和易于实现的目的，在TOSA中采用了25 Ω的传输线系统以匹配激光器和驱动器。首先，切比雪夫多节传输线用于在频率0.3 GHz～4.3 GHz范围内，将50 Ω系统匹配到25 Ω子系统。然后串联一个20 Ω的电阻作为匹配电阻连接到激光器以吸收反射的能量。以这种方式，能够很容易地实现匹配网络，同时很大程度地提高调制效率。此外，在接收端的光学子组件中，采用100 Ω的传输线系统以匹配探测器和放大器。探测之后，将100 Ω的子系统匹配到50 Ω，并使用宽带的低噪放大器(LNA)放大探测的射频信号。项目研制的收发器模块如图2所示。

图2 项目研制的收发器模块

测得光收发模块的频