隨著高清電視、立體電視、交互式多媒體游戲、虛擬現實以及遠程辦公等網絡需求的增長，全球網絡流量保持著爆炸性的增長速度[1-2]。據美國思科公司統計，2009 年產生的多媒體網絡流量相當于時長約5 萬年的DVD 質量的視頻，而2012 年這一數據將達到2009 年的5 倍。這些數據都明確表明，多媒體接入網絡擴容已經迫在眉梢。近年來，多媒體接入網絡建設在世界各國的發展勢頭迅猛，美國、歐盟和日韓都已經提出了自己的寬帶計劃，中國工信部出臺了“寬帶中國”戰略。

現有的多媒體業務接入技術主要分為無源光網絡接入網絡[3]和光載射頻接入網絡[4-5]，其中，無源光網絡技術有著較好的服務質量(QoS)性能，但靈活性、移動性較差，無法滿足用戶端多樣化的需求，而且光纜資源十分有限，增大覆蓋范圍的成本較高；光載射頻接入技術雖然有著較好的靈活度和移動性，但其QoS 性能較差，缺少成熟的操作、管理和維護(OAM)，無法滿足“寬帶中國”計劃對光接入網容量、多業務承載和融合及可信通信的高要求，故亟待發展能夠滿足寬帶多媒體業務接入需求的下一代接入網技術。

本文針對動態靈活的寬帶多媒體業務接入需求，融合無源光網絡技術低成本、易管控和光載射頻技術靈活度高、移動性好等優勢，創新地提出了適合樓內/室內應用的基于光纖無線融合的射頻無源光網絡(RPON)。該系統通過光生毫米波和波分復用的方式，通過對多個遠端無

線終端實行時分復用的動態時隙和帶寬分配方式實現了每個光無線單元支持8 個遠端無線終端的業務并發。該系統能夠支持高清電視、交互式多媒體游戲等射頻新業務應用，并帶有QoS 管理、OAM 管理和設備管理系統(EMS)功能，能夠滿足未來“寬帶中國”的技術需求。

1 基于光纖無線融合的無源光網絡架構

RPON 系統旨在利用無源光網絡承載毫米波無線通信信號，融合接入寬帶移動視頻、數據和語音業務。RPON 系統網絡架構上保留WDM-PON 原有拓撲結構作為前段網絡，并通過無線接入技術解決最后5~10 m 移動接入，其網絡架構具備靈活的全業務接入能力。RPON 系統總體架構如圖1 所示，其主要由局端的光無線終端(OWT)、用戶端的光無線單元(OWU) 和遠端無線終端(RWT) 以及光分配網絡(ODN) 組成。RPON 系統使用頻分的方式實現單向多播數據業務(如數字電視、立體電視等)和雙向多媒體數據業務的合并傳輸。OWT 主要由綜合業務接入網關和光生毫米波發射機組成，其中，綜合業務接入網關采用頻分復用的方式將各多播業務的流媒體數據包合并成光生毫米波發射機可接受的數據流；同時接收由RWT 發送的上行數據信號并進行解調。而光生毫米波發射機主要負責光載毫米波信號的產生。OWU 則負責下行光載毫米波信號的無線發射，同時還將上行用戶數據注入電- 光轉換模塊并經ODN 上傳到OWT。而RWT 負責接收下行毫米波信號并下變頻后發送給用戶，同時接收用戶的上行業務數據并發送至OWU。 

圖1 基于光纖無線融合的射頻無源光網絡架構

RPON 系統中無線接入信號下行波載波頻率為60 GHz，上行載波頻率為2.4 GHz；分別使用C/L 波段承載下/上行光波，并利用周期無熱陣列波導光柵(AWG)實現雙向波分復用。

C 波段下行信號的通道間隔為50 GHz，其中奇數通道承載寬帶綜合業務調制信號，偶數通道為閑頻光，作為拍頻光生毫米波之用；奇/偶兩組波長光利用高相干寬譜光源進行光譜分割得到。

上行信號采用對應C 波段奇數通道的L 波段通道，間隔100 GHz；上行信號由局端多波長光源供光并在OWU 進行遠程光調制后回傳，具有“無色”特性。OWU 采用低成本低功耗設計方案，其中C 波段光纖下行奇/偶通道兩兩分波由行波光電探測器轉換為60 GHz 的毫米波信號并由天線發送；天線接收上行2.4 GHz 射頻信號并調制驅動局端L 波段供光產生上行光信號，經由光纖回傳。需要強調的是，在上行方向( 從RWT 到OWT)，各OWU 通過波分復用方式共享光纖媒質，RWT 通過OWU 向OWT發送帶寬分配請求信令，在得到OWT分配的上行時隙之后，RWT 將承載業務的射頻信號發送至OWU，OWU 將光載射頻信號經ODN 發送到OWT 完成上行傳輸。在該系統中，局端OWT下行數據速率能達到1 Gb/s，OWU 上行數據速率1 Gb/s，能夠支持業務類型包括語音、網絡電視(IPTV)、高清電視、立體電視、交互式多媒體游戲、虛擬現實以及遠程辦公等等，接入業務并發數大于8 個，并具備可擴展性，同時OWT 還支持GE 接口，并支持OAM 和EMS，故整個RPON 網絡可管可控。

2 RPON 系統關鍵技術

2.1 光生毫米波技術

現有的光生毫米波技術有如下幾種方案[6-10]：利用光纖或器件的非線性效應實現光生毫米波，采用激光器直接調制方式實現光生毫米波，雙波長光外差方式實現光生毫米波，基于外部調制器實現光生毫米波。但這些方案中數據和高頻率載波混頻的效率都很低。為了解決這些問題并結合本系統的特點，本文提出并實現了兩種光生毫米波技術：

2.1.1 基于多波長高相干光源的光生毫米波技術

如圖2 所示，此方案采用10 GHz脈沖激光做種子光源，利用高非線性光子晶體光纖的非線性效應產生超連續譜激光，使用N 對中心波長分別為{λi ，λi +Δλ} 的光纖布拉格光柵(FBG) 做光譜分割，得到N 對間隔為Δλ的光邊帶序列。選出的光毫米波雙邊帶序列通過解復用器分成N 個信道，可分別加載各個通道所承載的多媒體業務。其中，間隔為100 GHz的奇數波長經陣列波導光柵分離后，加載業務；而偶數波長光源作為閑頻光，與加載了信息的奇數波長耦合后入纖傳輸。此方案主要有以下幾個有點：

(1)超連續譜的寬度橫跨C 與L 波段，且在帶寬達到標準時，光譜的平坦度仍能保持。雖然產生的超連續譜信號功率較低，但本方案使用了大功率的C+L 波段摻餌光纖放大器，放大后仍可以保持良好的相干性。
(2) 本方案采用L 波段光源作為上行載波，從而避免了光纖端面反射以及受激布里淵散射的影響。
(3) 由于本方案采用高相干性雙載波承載毫米波，可最大限度的抑制鏈路中色散以及非線性效應的影響。此外，本方案采用偏振控制技術保持了雙載波間的相干性，從而減小了拍頻后所產生的相位噪聲。

圖2 基于多波長高相干光源的光生毫米波技術 

2.1.2 基于光載波抑制的光生毫米波技術

此方案中光源采用N 路100 GHz間隔多波長激光器，利用30 GHz 射頻源驅動處于半波電壓偏置點的馬赫-曾德爾調制器(MZM)產生60 GHz 間隔的載波抑制信號，并采用交織器進行奇、偶邊帶分離，同時進一步抑制光載波。然后在偶邊帶上調制各個波長所承載的多媒體業務。基于光載波抑制(OCS) 的光生毫米波技術示意圖如圖3 所示。與基于多波長高相干光源的光生毫米波技術的方案相比，本方案技術更為成熟，系統穩定性高。但還是存在一些缺點：

(1) 此方案采用多波長激光器作光源，成本較高。
(2) 通過一個調制器的光載波抑制效應實現毫米波的產生，相對于多個法布里- 珀羅(FP) 腔濾波器，方法更為簡單，技術更為成熟，性能更為穩定。但此方案使用了25 GHz 的射頻源，而且成本較高，體積偏大，不利于集成。
(3)采用的光載波抑制技術，在獲得正負一階邊帶的同時，必然激發出2 階以及高階邊帶，這會使得毫米波間有一定互擾。

圖3 基于OCS 的光生毫米波技術 

2.2 光纖遠端射頻光收發技術

2.2.1 毫米波無線鏈路-發射機系統

OWT 內的無線鏈路發射機由射頻塊、基帶塊、功率/控制塊和天線構成。其中射頻塊由發射機模塊、功率放大器模塊和鎖相振蕩器(PLO) 構成。結構如圖4 和圖5 所示。發射機模塊使用了0.1 μm 門電路磷化銦(InP) 單片微波集成電路(MMIC)，它包括倍頻器、振幅偏移鍵控模塊和放大器。由PLO 產生的15.625 GHz 信號在MMIC 中經3 級倍頻得到125 GHz。我們利用功率放大(PA) 模塊將發射機的輸出功率增加到10 mw。PA MMIC在125 GHz 處具有10 dB 左右的增益。兩個MMIC 都被集成到波導模塊包上。基帶塊由光- 電轉換器(O/E)、時
鐘和數據恢復(CDR) 電路、時鐘發生器和限制放大器構成。從光纖進入的數據通過O/E 轉換器被轉化成電信號，然后進入CDR 電路和限制放大器。時鐘發生器產生4 種頻率作為CDR 電路的參考時鐘。在發射機和接收機中，功率/控制塊將外部直流電轉化為可用于元件的電壓，同時它可以監控系統參數，例如電壓、電流、溫度和濕度。

圖4 毫米波寬帶發射機的結構圖

圖5 毫米波寬帶波導發射模塊

2.2.2 毫米波無線鏈路-接收機系統

OWT 內低成本接收機結構圖如圖6 所示，接收機中，射頻塊由MMIC接收機模塊構成，接收機模塊包括低噪聲放大器(LNA)和解調器。接收機MMIC 集成到一個波導模塊包上。經過受限放大器的解調信號進入CDR電路和電- 光轉換器(E/O)，最后輸出到外部光纖中。自動增益控制(AGC) 電路用于監控解調信號和控制低噪聲放大器的門電壓，這樣額外的功率就無法進入放大器從而避免了超載。

圖6 60 GHz 帶寬接收機的結構圖

3 RPON 系統的網絡控制與管理維護

RPON 系統的協議分層以及與ISO/IEC OSI 參考模型之間的關系如圖7 所示。RPON 系統中的OWU 不具備網絡層處理功能，其只需在物理層完成光- 電- 光的轉換與傳送，這也使得RPON 的協議控制更加靈活與便捷。在RPON 系統中OWT 和OWU 為波分復用方式的點到點連接，故每個波長對應一個OWU，同時每個OWU可以通過無線連接多個RWT。具體的控制方式與EPON的多點控制協議(MPCP) 類似[11]，即OWT內部運行著多個MAC客戶端及多點MAC 控制程序，系統中每個RWT 通過OWU 向OWT 發送帶寬分配請求信令，在得到OWT分配的上行時隙之后，RWT 將承載業務的射頻信號發送至OWU，這樣就能夠實現每個OWU 支持多達8 個RWT 的業務并發，并能對所有RWT 實行時分復用的動態帶寬分配策略，根據RWT 的流量配置合理分配上行時隙和帶寬。

圖7 RPON 協議分層和OSI 參考模型之間的關系

本文所提出的RPON 系統能夠承載網絡電視(IPTV) 直播、視頻點播(VoD) 交互、寬帶上網等各項業務。IPTV 直播業務是對原來有線網絡廣播業務的替換，首先要保證該業務的優先級；VoD 等流媒體業務實時性要求較高，因此該類業務具有較高的優先級；寬帶上網等非實時性業務的優先級最低。各類業務QoS 優先級順序如下：IPTV 組播>VoD 單播>寬帶上網。本RPON 系統還支持標準的802.1p 以及服務類型(ToS) 方式的QoS技術。

此外，該系統還采用了專用IPTV組播通道技術、組播虛擬局域網(VLAN)技術、基于業務類型感知的優先級映射技術和VoD 帶寬預警技術以保證各項業務對應的QoS 需求。同時，該系統支持符合IEEE802.3-2005 中Clause57 規定的OAM 功能，并支持IEEE802.3-2005 中Clause30 規定的管理對象、屬性和操作。根據運維網管的需求而言，此RPON 系統需要進行統一網管。對該系統的管理需要在OWT 上實現簡單網絡管理協議(SNMP) 代理，OWT 的
SNMP 代理管理RWT。因為綜合接入點網關上可以配置IP 地址，可以在綜合接入點網關上實現SNMP 代理，后臺網管可以直接跟綜合接入點網關的SNMP 代理進行消息交互來配置管理整個系統。

4 結束語

目前通信系統的發展趨勢必然是寬帶化、光纖化和無線化，針對這些需求，本文提出了一種能夠有效利用成本、切實可行的方法，即融合無源光網絡系統和光載無線系統的技術優勢，并利用光生毫米波和波分復用的方式，實現1 Gb/s 多媒體業務的單纖上/行傳輸，達到了10 km 光纖和5 m 無線的接入距離，并支持多個遠端天線終端的業務并發與帶寬調控，其還帶有QoS 管理、OAM 管理和EMS網管功能。因此，本RPON 系統十分適合應用在以多業務集成和寬帶通信為技術特征的下一代通信中。

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