摘要:從接入網(wǎng)看，光纖無線融合是一種很有前途的架構(gòu)，文章提出了一種基于光纖無線電(ROF)技術(shù)的以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)和全球微波接入互操作性(WiMAX)融合方案，能夠同時(shí)在光纖中傳輸EPON基帶信號(hào)和WiMAX無線射頻信號(hào)。在此基礎(chǔ)上，文章詳細(xì)說明了該方案的一些特點(diǎn)，包括數(shù)據(jù)的上下行傳輸、冗余保護(hù)、漫游等問題。

關(guān)鍵詞: EPON;WiMAX;融合;ROF

Abstract: The convergence of optical and wireless networking is a promising development for future access network architecture. In this article， we propose a converged network integrating Ethernet Passive Optical Network (EPON) and worldwide interoperability for microwave access (WiMAX) technologies based on Radio Over Fiber (ROF)—which can simultaneously transmit EPON baseband signals and WiMAX wireless radio frequency signals. We then elaborate on the characteristics of the converged network and discuss some important issues: upstream and downstream transmission， redundancy protection， and handover.

Key words: EPON; WiMAX; convergence; ROF

隨著網(wǎng)絡(luò)電視(IPTV)和視頻點(diǎn)播等高帶寬需求業(yè)務(wù)的發(fā)展，寬帶接入已成為熱點(diǎn)技術(shù)。為了進(jìn)一步優(yōu)化組合資源，降低成本和提供更大帶寬、更靈活的寬帶接入業(yè)務(wù)，光纖和無線接入網(wǎng)絡(luò)的融合成為一種很有前途的架構(gòu)[1-2]。目前，以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)[3]以其低成本、高帶寬及基于以太網(wǎng)的架構(gòu)等優(yōu)勢(shì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。與此同時(shí)，由IEEE 802.16[4]所規(guī)范的全球微波互聯(lián)接入(WiMAX) 技術(shù)正逐步發(fā)展為一種主流的無線寬帶接入技術(shù)。WiMAX和無線局域網(wǎng)(WLAN)接入技術(shù)相比，能提供更大的帶寬、更遠(yuǎn)的距離和更好的服務(wù)質(zhì)量(QoS)支持;和蜂窩技術(shù)相比，它能提供更好的數(shù)據(jù)接入服務(wù)。因此，以EPON和WiMAX這兩種技術(shù)的融合將會(huì)彌補(bǔ)各自技術(shù)的不足，充分發(fā)揮光纖接入技術(shù)的高帶寬與無線技術(shù)的靈活性，給用戶帶來更好的體驗(yàn)，同時(shí)可以大大降低網(wǎng)絡(luò)整體的建設(shè)成本和維護(hù)費(fèi)用。這些優(yōu)勢(shì)使得這兩種技術(shù)廣為流行并具有廣闊的市場(chǎng)前景。

1 融合方案的現(xiàn)狀

EPON 和WiMAX之間的融合可采取的方案主要有2種，一種是基帶光纖傳輸技術(shù)，即數(shù)字基帶信號(hào)直接在光纖中傳輸。該技術(shù)的思想是EPON的光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)和WiMAX的基站直接通過以太網(wǎng)接口來連接，光纖中傳輸?shù)氖且蕴W(wǎng)幀。這種方案實(shí)現(xiàn)難度較低、覆蓋范圍較大，在帶寬分配和QoS保障方面具有相對(duì)優(yōu)勢(shì)及良好的可實(shí)現(xiàn)性，文獻(xiàn)[5]中有這方面的論述。該方案中的缺點(diǎn)是基站要實(shí)現(xiàn)數(shù)字基帶信號(hào)到無線射頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換，成本相對(duì)較高。特別是當(dāng)無線信號(hào)頻率較高時(shí)，由于無線信號(hào)衰減的快，需要建設(shè)大量基站來覆蓋更多的范圍，成本的問題就顯得更為突出。另外一種方案是射頻光纖傳輸 (ROF)技術(shù)[6]，即無線射頻信號(hào)直接在光纖中傳輸。ROF系統(tǒng)中運(yùn)用光纖作為基站(BS)與中心站(CS)之間的傳輸鏈路，直接利用光載波來傳輸射頻信號(hào)(RF)。光纖僅起到傳輸?shù)淖饔?，交換、控制和信號(hào)的再生都集中在中心站上，基站僅實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。這樣可以把復(fù)雜昂貴的設(shè)備集中到中心站點(diǎn)，讓多個(gè)遠(yuǎn)端基站共享這些設(shè)備，從而減少基站的功耗和成本。目前，已有大量關(guān)于無線局域網(wǎng)(WLAN)與射頻光纖傳輸系統(tǒng)相結(jié)合的論文，也有全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)系統(tǒng)和射頻光纖傳輸技術(shù)相結(jié)合成功商用的實(shí)例。WiMAX在同步光纖網(wǎng)絡(luò)(SONET)上的傳輸也有著相關(guān)的研究[7-8]。

2 融合方案的架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)基于ROF技術(shù)的EPON 和WiMAX的融合，本文設(shè)計(jì)了如圖1的基于ROF技術(shù)的EPON和WiMAX的融合架構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。和標(biāo)準(zhǔn)的EPON系統(tǒng)相比，光線路終端(OLT)和光網(wǎng)絡(luò)單元基站(ONU-BS)都進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，說明如下:

(1) 為了節(jié)約成本，便于集中處理，我們把原本屬于基站的WiMAX物理層的設(shè)備都放到了中心節(jié)點(diǎn)OLT處加以實(shí)現(xiàn)。IEEE 802.16的物理層定義了系統(tǒng)的工作頻段為2~66 GHz，還主要規(guī)定了2種調(diào)制方式: 單載波調(diào)制和正交頻分復(fù)用調(diào)制(OFDM) 。在2~11 GHz頻段上主要采用OFDM調(diào)制。OFDM技術(shù)具備非視距傳輸能力，能有效抗衰減和抗多徑，因此本系統(tǒng)采用了OFDM調(diào)制和解調(diào)設(shè)備。

在11 GHz以下頻段有3個(gè)頻段可以使用:2.5 GHz、3.5 GHz和5.8 GHz?？紤]到WiMAX的部署情況，本系統(tǒng)采用了3.5 GHz的頻段。WiMAX并未規(guī)定具體的載波帶寬，系統(tǒng)可以采用1.25 MHz~20 MHz之間的帶寬。本系統(tǒng)采用了20 MHz的帶寬。這里我們并沒有考慮到同頻干擾的問題，實(shí)際應(yīng)用中可以采用頻率復(fù)用和扇區(qū)劃分技術(shù)來更好的利用頻譜資源和得到更大的系統(tǒng)吞吐量。在ROF系統(tǒng)應(yīng)用中，如果RF信號(hào)工作的頻段不高(低于10 GHz)時(shí)一般都采用直接調(diào)制技術(shù);如果RF信號(hào)工作的頻段較高(10 GHz以上)時(shí)一般采用外調(diào)制技術(shù)。本系統(tǒng)因?yàn)镽F信號(hào)工作頻的不高固采用了直接調(diào)制技術(shù)。

(2) 在下行方向?yàn)榱藢?shí)現(xiàn)EPON有線基帶信號(hào)和無線射頻信號(hào)同時(shí)進(jìn)行傳輸，也為了區(qū)分屬于不同基站的射頻信號(hào)，在OLT端我們采用了副載波復(fù)用技術(shù)(SCM)。我們將EPON基帶信號(hào)處于0~2.5 GHz的范圍，而把無線信號(hào)上變頻到3.5 GHz以上的副載波，每個(gè)副載波的帶寬在20 MHz，中心頻點(diǎn)間隔0.1GHz。每個(gè)基站對(duì)應(yīng)一個(gè)副載波，對(duì)于分支比為1∶16的EPON系統(tǒng)來說，一共有16個(gè)副載波。我們把基帶信號(hào)和調(diào)制好的副載波合成后，即可直接對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)制。由于基帶信號(hào)和副載波處于不同的頻段，不會(huì)產(chǎn)生干擾，這樣以來就實(shí)現(xiàn)了下行方向基帶信號(hào)和無線信號(hào)的同時(shí)傳輸。對(duì)于遠(yuǎn)端的ONU-BS來說，當(dāng)接收到從OLT傳來的混合信號(hào)時(shí)，首先需要把其中包含的基帶信號(hào)和副載波信號(hào)解復(fù)用出來，基帶信號(hào)直接上傳到相應(yīng)的部件進(jìn)行處理，對(duì)副載波信號(hào)則需要進(jìn)行下變頻處理。這里我們用到了和OLT同樣頻率的本振和變頻器，通過帶通濾波器后，把屬于本基站的無線射頻信號(hào)解調(diào)出來，然后通過天線發(fā)射出去。也就是說，基站只需要進(jìn)行下變頻處理，而不需要其它設(shè)備加以操作，因此節(jié)約了成本。

(3) ONU-BS在上行方向上傳數(shù)據(jù)，是采取時(shí)分多址接入(TDMA)方式的，基帶信號(hào)和無線射頻信號(hào)混合在一起發(fā)送。在這樣的設(shè)計(jì)下，EPON的媒體訪問控制(MAC)層和WiMAX的MAC層相互配合，為各個(gè)ONU-BS分配上行數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)隙，ONU-BS在指定的時(shí)隙到來時(shí)按照OLT的授權(quán)窗口大小發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣各個(gè)ONU-BS的上行數(shù)據(jù)在到達(dá)共享光纖后就會(huì)按照預(yù)先安排好的次序進(jìn)行傳輸，而不會(huì)發(fā)生沖突。值得注意的是，在ONU-BS端，不需要把無線射頻信號(hào)上變頻到副載波信號(hào)。因?yàn)椴煌腛NU-BS位于不同的發(fā)送時(shí)隙中，彼此的上行射頻信號(hào)不會(huì)沖突。同時(shí)由于無線射頻信號(hào)處于3.5 GHz的頻段，而基帶信號(hào)位于2.5 GHz以下，因此基帶信號(hào)和無線射頻信號(hào)也不會(huì)發(fā)生沖突，可以同時(shí)發(fā)送?；谶@樣的設(shè)計(jì)，OLT端接收設(shè)備的復(fù)雜度也可以大大降低，沒有了副載波之間的交調(diào)干擾，也不需要本振和變頻器，只需要一個(gè)光電探測(cè)器和一個(gè)WiMAX的OFDM解調(diào)器就能夠解決問題，成本大大降低。

3 融合方案的特點(diǎn)

基于ROF技術(shù)的EPON和WiMAX的融合架構(gòu)具有以下特點(diǎn):

(1) 正如前面提到的，由于把無線信號(hào)處理的設(shè)備和一些上層的功能都放在OLT端統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)，基站只保留一個(gè)下變頻的功能。圖1中為了方便說明，OLT端用到了N個(gè)OFDM調(diào)制器，每個(gè)基站均對(duì)應(yīng)一個(gè)OFDM調(diào)制器，實(shí)際可以合并為一個(gè)。這樣在OLT端，所有的基站只需共用一套OFDM調(diào)制和解調(diào)設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)的成本大大降低。

(2) 我們知道在現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)中，基站是不能提供冗余保護(hù)或者只提供1+1保護(hù)。也就是說，一個(gè)基站需要冗余一個(gè)基站來進(jìn)行保護(hù)，這種冗余方案是不太經(jīng)濟(jì)的。在基于ROF技術(shù)的融合方案中，由于把所有的基站設(shè)備都移到了OLT端中加以實(shí)現(xiàn)，我們就很容易實(shí)現(xiàn)N +1冗余保護(hù)，而不用N +N冗余保護(hù)。也就是說，對(duì)于N個(gè)基站，我們只需要共用一個(gè)冗余基站，而不是冗余N個(gè)基站。這樣系統(tǒng)穩(wěn)定性得到了提高，成本也得到了降低。

(3) 在標(biāo)準(zhǔn)的WiMAX架構(gòu)中，無線資源管理都是集中在各個(gè)基站端，不同基站的無線資源管理信息不能及時(shí)進(jìn)行相互交流，這樣以來系統(tǒng)就不能實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。而在本系統(tǒng)中，由于OLT管理所有基站的無線資源，相當(dāng)于已經(jīng)有了一個(gè)集中控制器，OLT實(shí)時(shí)地知道所有基站中的無線資源信息。因此OLT能夠根據(jù)實(shí)際情況通過一定的算法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的為各個(gè)基站分配無線資源，使無線資源能夠得到充分的利用，使負(fù)載在各個(gè)基站間保持平衡，這樣系統(tǒng)效率就能大大得到提高。如果結(jié)合多路輸入多輸出(MIMO)、自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)等一些先進(jìn)的無線傳輸技術(shù)，系統(tǒng)效率還會(huì)有所提高。

(4) 為了支持用戶的移動(dòng)性，用戶在不同WiMAX基站內(nèi)的漫游是必須考慮的。因?yàn)榛九c基站之間是不能聯(lián)系的，如果采用普通的聯(lián)網(wǎng)方案，OLT和所有的WiMAX基站之間必須要保留有一個(gè)控制信道，以便實(shí)時(shí)交換控制信息。當(dāng)用戶游牧到另一個(gè)基站時(shí)，通過這個(gè)控制信道，OLT能夠發(fā)出指令，讓原來的基站清除和用戶之間的連接線路，同時(shí)把這個(gè)用戶增加到現(xiàn)在的基站中。在基于ROF技術(shù)的融合架構(gòu)中，用戶在基站之間的游牧相對(duì)來說就簡(jiǎn)單了很多，因?yàn)镺LT端處理所有的數(shù)據(jù)，了解所有的信息，因此就不需要保留和各個(gè)基站間的控制信道。當(dāng)OLT察覺到用戶在不同基站之間游牧?xí)r，只需要切換到新的副載波頻率并給用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。

上面我們分析了基于ROF技術(shù)的EPON和WiMAX的融合架構(gòu)的一些特點(diǎn)。同時(shí)，這種混合系統(tǒng)容易受到激光器的非線性效應(yīng)、光纖的衰減、色散、光纖的非線性效應(yīng)以及副載波之間交調(diào)干擾等因素的影響，而且該方案對(duì)調(diào)制技術(shù)和探測(cè)技術(shù)的要求較高，隨著無線頻率的提高，影響會(huì)更加明顯。另外，因?yàn)闊o線信號(hào)在光纖中傳輸需要時(shí)間，隨著傳輸距離的增加，系統(tǒng)MAC層性能也會(huì)受到很大的影響[9]。同時(shí)在帶寬分配算法方面也需要進(jìn)一步研究，以便更好地為有線基帶數(shù)據(jù)和無線射頻信號(hào)分配上行傳輸時(shí)隙。

4 結(jié)束語

光纖無線融合是一種非常有前途的架構(gòu)，文章提出了一種基于ROF技術(shù)的EPON和WiMAX融合方案，能夠同時(shí)在光纖中傳輸EPON基帶信號(hào)和WiMAX無線射頻信號(hào)。在此基礎(chǔ)上，文章更為詳細(xì)地說明了該方案的一些特點(diǎn)。融合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了固網(wǎng)移動(dòng)的融合，為用戶帶來更好的體驗(yàn)，同時(shí)可以大大降低網(wǎng)絡(luò)整體的建設(shè)成本和維護(hù)費(fèi)用，具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。

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收稿日期:2009-09-09

張曙，博士，華中科技大學(xué)光電子科學(xué)與工程學(xué)院光電信息專業(yè)博士畢業(yè);研究方向包括光纖通信技術(shù)、光纖接入網(wǎng)技術(shù)、光纖無線融合技術(shù)、家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等;參與國家863課題、湖北省科技攻關(guān)十五課題、國防預(yù)研基金等多個(gè)項(xiàng)目;發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇，申請(qǐng)國家發(fā)明專利3項(xiàng)。

劉德明，博士，華中科技大學(xué)光電子科學(xué)與工程學(xué)院教授 、博士生導(dǎo)師，下一代互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)國家工程實(shí)驗(yàn)室主任;主要研究方向包括光纖通信技術(shù)、光纖傳感技術(shù)、光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、太陽能光伏技術(shù)以及半導(dǎo)體照明技術(shù)等;曾獲得國家發(fā)明三等獎(jiǎng)1項(xiàng)、教育部提名國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、湖北省技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng);發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，申請(qǐng)國家發(fā)明專利30余項(xiàng)。

吳廣生，博士，天津大學(xué)本科畢業(yè)，華中科技大學(xué)碩士和博士;研究方向包括光纖接入網(wǎng)技術(shù)、光纖無線融合技術(shù)、下一代光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等;參與國家863課題及湖北省科技攻關(guān)十五課題等多個(gè)項(xiàng)目，發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇，申請(qǐng)國家發(fā)明專利10余項(xiàng)。