光载多带正交频分复用超宽带系统若干关键技术研究

1、光载多带正交频分复用超宽带系统若干关键技术研究文献综述随着移动通信和互联网的迅猛发展，通信网络和业务正发生着根本性的变化。近年来，基于IP的超级终端，如智能手机、数字音乐播放器、便携式游戏机等设备的快速普及，以及相应的应用服务等不断增长，越来越多的用户希望“随时，随地，随心”的高速接入互联网中获取信息，享受高科技进步带来的便利，这使得无线通信宽带接入成为关注的热点。随着消费者对更高的容量、更快速的服务以及更安全的无线连接要求的不断增长，人们不得不在过度拥挤以及有限的无线频谱上寻找新的增强型技术。目前，超宽带技术被认为是下一代短距离宽带无线通信和传感网络极有潜力的技术，与传统通信系统相比，具有频

2、谱宽、数据传输率高、功耗低、安全性高、多径分辨能力强、定位准确等优点。美国联邦通信委员会(FCC)规定3.1GHz-10.6GHz为超宽带允许使用频段范围，且它的发射功率必须低于1mW。超宽带系统可与现有的窄带系统(如蜂窝通信系统，全球定位系统等)公用频段，大大提高了频谱利用率。超宽带通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率，易于实现多用户的短距离高速数据通信。超宽带技术还可应用在无线局域网和无线个域网，提供功耗低、带宽高及方便的通信服务，特别适用于密集多径场所的高速无线接入，且可实现个人电脑与移动设备、消费电子产品等终端的

3、智能化连接。超宽带技术是继码分多址复用技术(CDMA)之后迅速发展的一种宽带传输技术，根据FCC的定义可以有多种方式产生超宽带信号，其中传统方法有两种，一种是利用纳秒级的极窄脉冲来实现，无需正弦载波直接发射调制(包括脉幅调制和脉位调制等)后的窄脉冲，这种方式称为超宽带脉冲无线电(IR-UWB)；另一种是将FCC规定的3.1GHz-10.6GHz频带划分成多个满足超宽带定义的子带，在每个子带上采用多载波调制，这种方式称为多带超宽带(MB-UWB)。当各个子带采用正交频分复用方式进行调制，则称为多带正交频分复用超宽带(MB-OFDM UWB)。多带正交频分复用超宽带作为IEEE 802.15无线个

4、域网的标准之一，已经获得大多数厂商的认可。虽然超宽带技术具有诸多优点成为无线个域网实现的首选技术，已经成功应用在多个方面，但是超宽带信号的无线传输距离只有几米到几十米的范围，大大限制了超宽带技术的应用范围。为了提供随时随地的超宽带无线接入服务，使非无线窗口下的信号可以传输更远的距离。未授权的毫米波段被认为是提供未来无线通信的射频载波频段。光纤无线通信系统在中心站将毫米波信号上传至光载波上并利用光纤传输至基站。在基站中仅仅进行简单的光电转换将光毫米波信号转化为电毫米波信号并通过天线发送至大气中变成无线信号。由于各基站共享中心站的信号处理单元，这样减少了昂贵的信号处理单元数量，简化了基站结构。因此

5、，将超宽带技术和光纤无线通信技术结合的光载超宽带通信不仅可以解决超宽带信号传输距离短的问题，扩大超宽带信号的覆盖范围，而且可以有效地提高信号传输速率，被认为是提供未来吉比特速率无线信号的宽带接入和长距离传输的极有潜力的方案1,2。近年来国内外研究人员在光载超宽带通信方面开展了一些积极的研究。在光载超宽带脉冲无线电方面，研究工作集中在采用不同方法光学产生和调制超宽带脉冲无线电信号3-6,22,23,25,27，研究超宽带脉冲无线电信号在光纤中的传输性能7,24,26；基于光纤传输超宽带脉冲无线电信号以及其他无线、有线服务，研究与现有的波分复用无源光网络(WDM-PON)进行融合的集成方案8-11

6、。在光载多带正交频分复用超宽带方面，研究工作集中在使用多模光纤进行多带正交频分复用超宽带信号的室内通信和分布；基于单模光纤传输多带正交频分复用超宽带信号。由于多带正交频分复用超宽带信号从中心站传输到基站，在基站经过简单处理后通过天线发射出去，在无线信道仍然可以传输多带正交频分复用超宽带信号，这样，多带正交频分复用超宽带在光纤中的传输可以和无线通信传输很好地结合。并且，多带正交频分复用超宽带采用多频带方式，将每个超宽带频段分成一组正交的窄带信道，这样可以有效降低符号间干扰，频带利用率高，且多个频率子带并列，避开某些频带，速率扩展性好。因此，国外研究人员倾向于采用多带正交频分复用超宽带信号应用到光

7、纤到户的网络、超宽带室内通信以及与光纤无线通信系统相结合，扩展超宽带信号的覆盖范围12-21。近年来，IEEE下光通信权威刊物如PTL、JLT、OE，以及顶级光通信会议OFC上，都有关于光载多带正交频分复用超宽带方面的文章。2008年PTL上报导了西班牙R.Llorente等将超宽带脉冲无线电和多带正交频分复用超宽带技术应用到光纤到户的网络中，研究表明多带正交频分复用超宽带信号比超宽带脉冲无线电信号更适合光纤传输12。2010年该组研究人员报导了采用60GHz光生超宽带信号和超低功耗的传感技术，结合新的超宽带微微蜂窝集群传输结构来实现具有高频谱效率的多路吉比特连接的研究进展。对处于10GHz的

8、超宽带室内通信，结果显示基于多模光纤的系统性价比更高13。2009年JLT上报导了法国Y.L.Guennec等在政府资助的RNRT/BILBAO项目下，提出了基于超宽带光中继器进行光互连的多点对多点的结构，用来提供多带正交频分复用在室内的分布，仿真研究电光转换收发器的非线性效应对超宽带信号的影响，验证了采用超宽带射频信号传输高数据速率的文件，并通过100m多模光纤进行传输14。这些研究基于多模光纤进行多带正交频分复用超宽带信号的室内通信和分布，限制了超宽带信号的传输距离。在基于单模光纤传输多带正交频分复用超宽带信号方面，2008年JLT上报导了法国M.Jazayerifar等研究多带正交频分复

9、用超宽带和超宽带脉冲无线电信号在单模光纤中的传输15，但是它所采用的单模激光器和外部调制器十分昂贵，成本高。2009年JLT上报导了法国Y.L.Guennec等研究基于QPSK调制方式的多带正交频分复用超宽带的传输和分布，采用光频率上变换的方法实现60GHz频段光纤无线通信网络的超宽带应用，这种方法采用两个级联的电光调制器实现多带正交频分复用超宽带信号的调制和全光上变换，在单模光纤中传输5km的功率代价是1dB16,17。2010年PTL上报导了加拿大M.Mohamed等研究采用光频率上变换的方法，验证了30GHz毫米波段无线信号承载三个频段的超宽带信号，在单模光纤中传输20km18。这种方法

10、采用两个级联的马赫曾德尔调制器产生毫米波信号，成本高。2011年OFC国际会议上报导了加拿大B.Hraimel等实验研究了串扰对多带正交频分复用超宽带信号在基于光纤无线通信的波分复用系统中的传输性能的影响，结果表明基于光纤传输多带正交频分复用超宽带信号对于其它信道的串扰具有健壮性19。2012年IEEE Transactions on circuits and systems上报导了香港中文大学W. Fan等提出一种用于多带正交频分复用超宽带信号的下行链路基带接收的结构和优化的同步算法20，该接收结构具有低复杂度和低功耗的特点，只是通过算法实现时间同步的检测。2013年PTL上报导了英国O.O

11、momukuyo等提出并实验验证了一种基于非相干光外差和包络检测相结合的60GHz基于多带正交频分复用超宽带的光纤无线通信系统，在两个非相干光源之间的频率偏移在光电检测时进行拍频为60GHz21。可是这种方法需要在可调谐光源处采用冷却器模块来保证波长的稳定性和可调谐范围的准确性，一定程度上带来了实现的复杂性，成本高。以上基于单模光纤传输多带正交频分复用超宽带信号的研究，主要集中在系统的可行性和演示实验上，存在系统实现复杂、成本高，传输性能仍需提高等问题。国内在光载超宽带通信方面，北京邮电大学、华中科技大学、清华大学、上海交通大学等相继开展了大量研究，取得了一定的成果。这些研究主要考虑超宽带脉冲

12、无线电信号的光学产生和提供多用户通信22-27。开展的研究工作有：2008年PTL上报导了上海交通大学苏翼凯教授组提出并实验研究了采用双并行马赫曾德尔调制器产生基带超宽带的monocycle和doublet脉冲，验证了采用频率上变换产生的24GHz超宽带脉冲无线电信号22；2010年IEEE Photon. Journal上报导了北京邮电大学林金桐、徐坤教授组提出一种产生超宽带monocycle脉冲的方法，使用四波混频效应实现频率上变换，采用60m的高非线性光子晶体光纤进行实验验证23。2011年OE上报导了清华大学郑小平教授组实验研究了一种新的光域任意波形发生器，基于多个连续光波采用载波抑制

13、双边带调制方式产生超宽带脉冲25。2012年IEEE Photon. Journal上报导了华中科技大学张新亮教授组提出一种采用马赫曾德尔调制器和半导体光放大器光学产生超宽带脉冲无线电信号和调制方案，该方案可用于多用户基于光纤传输超宽带信号26。2012年IEEE Photon. Journal上报导了清华大学谢世钟教授组提出和实验验证了一种基于光纤传输超宽带脉冲无线电系统，可以光学产生吉比特偏振、形状、位置可变的超宽带脉冲27。可见，国内在光载多带正交频分复用超宽带方面开展的研究尚少。从国内外研究现状看，多带正交频分复用超宽带信号比超宽带脉冲无线电信号更适合光纤传输12，且易于与光纤到户网络

14、、超宽带室内通信以及光纤无线通信系统相结合13-21，因此，研究光载多带正交频分复用超宽带信号是提供未来吉比特速率无线信号宽带接入、扩展超宽带信号覆盖范围极有潜力的方案。目前，60GHz的毫米波段可以提供吉比特未授权带宽，这样，基于光纤无线通信系统可以传输多个吉比特超宽带信号到终端用户，例如高保真HDTV，视频点播，无线高速文件传输和无线音频传输。本课题将理论研究多带正交频分复用超宽带信号的光学产生方法及其传输模型；分析多带正交频分复用毫米波信号在信道中的传输性能；研究通过信道编码和信道估计检测算法提高超宽带信号在光纤无线通信系统中的传输性能。研究采用单个外部调制器光学产生毫米波段多带正交频分

15、复用超宽带信号，和已有的研究方法相对比36-40，简化了光毫米波载波的产生，在中心站不需要宽带宽电光器件，降低多带正交频分复用超宽带信号的光学产生成本；同时，通过对激光器、调制器、单模光纤信道、光电检测器、空中接口的上下行链路进行建模，首次将多带正交频分复用超宽带信号在光纤和无线信道中的传输看成一个完整系统，在此系统模型基础上对多带正交频分复用超宽带信号的传输特性进行优化；提出一种新的信道编码和信道估计算法提高多带正交频分复用超宽带信号的光纤传输性能并进行实验验证，为实现具有低成本有效、性能优化的吉比特速率多带正交频分复用超宽带信号的宽带接入提供理论依据，拓展光纤无线通信系统的应用范围，为构建

16、基于光纤传输多带正交频分复用超宽带信号的宽带接入网提供参考模型。这些创新性的研究工作为光载超宽带通信的发展提供理论和实验基础，对促进我国未来宽带无线通信网的发展和应用具有重要意义。本课题的研究为实现具有低成本有效、性能优化的吉比特速率无线数据的宽带接入提供理论依据，拓展光纤无线通信系统的应用范围，为构建覆盖范围较大的基于光纤传输超宽带无线信号的传感网、物联网提供参考模型。这些创新性的研究工作为光载超宽带通信的发展提供理论和实验基础，对促进我国未来宽带无线通信网的发展和应用具有重要意义。参考文献：1 C. J. Novak D. “Microwave photonics combines two

17、 worlds,” Nat. Photon., 2007, 1:319-3302 M. Abtahi, M. Mirshafiei, J. Magn, S. LaRochelle, and L. A. Rusch, “All-optical 500-Mb/s UWB transceiver: An experimental demonstration,” J. Lightw. Technol., 2008, 26(15): 2795-28023 F. Zeng and J. P. Yao, “Ultra-wideband impulse radio signal generation usin

18、g a high-speed electrooptic phase modulator and a fiber Bragg grating based frequency discriminator,” IEEE Photon. Technol. Letter, 2006, 18(19): 2062-20644 X. Yu, T. B. Gibbon, M. Pawlik, S. Blaaberg, and I. T.Monroy, “A photonic ultra-wideband pulse generator based on relaxation oscillations of a

19、semiconductor laser,” Opt. Express, 2009, 17(12): 9680-96875 T. B. Gibbon, X. Yu, and I. T. Monroy, “Photonic ultra-wideband 781.25-Mb/s signal generation and transmission incorporating digital signal processing detection,” IEEE Photon. Technol. Letter, 2010, 21(15): 1060-10626 T. T. Pham, N. G. Gon

20、zalez, X. B Yu, et al. “Robust BPSK impulse radio UWB-over-fiber systems using optical phase modulation,” in Proc. OFC, March. 2011, OTuF67 S. Pan and J. Yao. “Performance evaluation of UWB signal transmission over optical fiber”, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2010, 28(6): 889-90

21、08 S. Pan and J. Yao. “IR-UWB-Over-Fiber Systems Compatible with WDM-PON Networks”, J. Lightw. Technol., 2011, 29(20): 3025-30349 A. Mohammad, A.R. Leslie, “RoF delivery over PONs of optically shaped UWB signals for Gigabit/s wireless distribution in the home,” IEEE Journal on selected areas in comm

22、unications, 2011, 29(6): 1304-131010 S. Pan and J. Yao, “Simultaneous provision of UWB and wired services in a WDM-PON network using a centralized light source,” IEEE Photon. J., 2010, 2(5): 711-71811 T. T. Pham, X. Yu, L. Dittmann, et al, “Integration of optically generated impulse radio UWB signal

23、s into baseband WDM-PON,” IEEE Photon. Technol. Letter, 2011, 23(8): 474-47712 R. Llorente, T. Alves, M. Morant, et al, “Ultra-wideband radio signals distribution in FTTH networks,” IEEE Photon. Technol. Letter, 2008, 20(11): 945-947 13 R. Llorente, M. Morant, M. Beltran, et al, “Optical techno

24、logies for multi-Gbit/s ultra-wideband radio: from the access to the pico-cell,” in Proc. ICTON, Jun. 2010, 1-414 P. Lombard, Y. L. Guennec, G. Maury, E. Novakov, and B. Cabon, “Optical distribution and up-conversion of MB-OFDM in ultra wide band over fiber systems,” J. Lightw. Technol., 2009, 27(9)

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26、ilding distribution of UWB signals,” J. Lightw. Technol., 2009, 27(14): 2649-265717 G. H. Nguyen, B. Cabon,Y.L. Guennec,et al. “Generation of 60-GHz MB-OFDM signal-over-fiber by up-conversion using cascaded external modulators,” J. Lightw. Technol., 2009, 27(6): 1496-150218 M. Mohamed, X.

27、P. Zhang, B. Hraimel, K. Wu, “Optical generation of millimeter-wave multiband OFDM ultra-wideband wireless signal and distribution over fiber,” IEEE Photon. Technol. Letter, 2010, 22(15): 1180-118319 B. Hraimel, X. Zhang and Y. Shen. “Impact of Crosstalk on MB-OFDM UWB Transmission in Radio over Fib

28、er WDM System,” in Proc. OFC, Los Angeles, CA, USA, Mar. 201120 W. Fan, and C. S. Choy. “Robust, low-complexity, and energy efficient downlink baseband receiver design for MB-OFDM UWB system”, IEEE Transactions on circuits and systems, 2012, 59(2): 399-40821 O. Omomukuyo, M. P. Thakur, and J. E. Mit

29、chell. “Simple 60GHz MB-OFDM ultrawideband RoF system based on remote heterodyning”, IEEE Photon. Technol. Letter, 2013, 25(3): 268-27122 Q. Chang, Y. Tian, T. Ye, et al, “A 24-GHz ultra-wideband over fiber system using photonic generation and frequency up-conversion,” IEEE Photon. Technol. Letter,

30、2008, 20(19):1651-165323 K. Xu, X. Sun, J. Yin, “Enabling ROF technologies and integration architectures for in-building optical-wireless access networks,” IEEE Photon. Journal, 2010, 2(2):102-11224 T. Y. Huang, J. Li, J. Q. Sun and L. R. Chen, “Photonic generation of UWB pulses using a nonlinear op

31、tical loop mirror and its distribution over a fiber link,” IEEE Photon. Technol. Letter, 2011, 23(17): 1255-125725 X. Zhou, X. P. Zheng, H. Wen, H. Y. Zhang, and B. K. Zhou. “Optical arbitrary waveform generator applicable to pulse generation and chromatic dispersion compensation of a remote UWB ove

32、r fiber system”, Optics Express, 2011, 19(26): B391-B39826 Y. Yu, J. J. Dong, X. Li, and X. L. Zhang. “UWB monocycle generation and bi-phase modulation based on Mach-Zehnder modulator and semiconductor optical amplifier”, IEEE Photonics Journal, 2012, 4(2): 327-33927 P. X. Li, H. W. Chen, M. H. Chen

33、, and S. Z. Xie. “Gigabit/s photonic generation, modulation, and transmission for a reconfigurable impulse radio UWB over fiber system”, IEEE Photonics Journal, 2012, 4(3): 805-81628 J. P. Yao, “Microwave photonics,” J. Lightw. Technol., 2009, 27(3): 314-33529 M. Beltran, et al, “Performance of a 60

34、GHz DCM-OFDM and BPSK impulse ultra-wideband system with radio-over-fiber and wireless transmission employing a directly-modulated VCSEL,” IEEE J. Sel. Areas Commun., 2011, 29(6): 1295-130330 O. Omomukuyo, M. P. Thakur, and J.E. Mitchell, “Experimental performance analysis of MB-OFDM ultra-wideband

35、radio-over-fiber signals in the 60GHz band using a commercially-available DFB laser,” in Proc. ICTON, Coventry, UK, 1-4, paper Mo.C3.4, 201231 J. He, L. Chen, Z. Dong, et al, “Full-duplex radio-over-fiber system with photonics frequency quadruples for optical millimeter-wave generation,” Optical Fib

36、er Technology, 2009, 15(3): 290-29532 L. Chen, S. C. Wen, Y. Li, et al, “Optical front-ends to generate optical millimeter-wave signal in radio-over-fiber systems with different architectures,” J. Lightw. Technol., 2007, 25(11): 3381-338733 J. He, Z. Cao, L. Chen, S. C. Wen. “A full-duplex radio-ove

37、r-fiber system with quadrature amplitude modulation photonically generated orthogonal frequency division multiplexing signals,” Optical Engineering, 2010, 49(6): 065003-06500834 J. He, J. Su, Y. Huang, H. Liu. “A novel system with WiMax LDPC-coded OFDM for optical communication,” In: Proc of SPIE Security + Defence2012. Edinburgh, UK, 85400W35 Z. Cao, J. Yu, L. Chen, Q. S. “Reversely modulated optical single sideband scheme and its application in a 60-GHz full duplex ROF system,” IEEE Photon. Technol. Letter,