動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的智能光載無線接入技術(shù)

2智能光載無線網(wǎng)絡(luò)的媒體訪問控制層技術(shù)

　　在構(gòu)建有效網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，還需要考慮怎樣實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部公平有效的資源共享，這就需要為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)配備合理的資源分配機(jī)制--媒體訪問控制（MAC）層協(xié)議。智能RoF網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議目前尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[4],國際研究主要集中在對(duì)傳統(tǒng)的無線通信標(biāo)準(zhǔn)如、WiMAX的MAC協(xié)議改進(jìn)其響應(yīng)時(shí)間等相關(guān)參數(shù)以抵消光纖引入的時(shí)延從而使其適用于光纖無線電系統(tǒng)。然而在實(shí)際的RoF系統(tǒng)中，由于信號(hào)的衰減使得傳統(tǒng)的分布式的載波偵聽多點(diǎn)接入/沖突避免的協(xié)議喪失有效性。因此，提出專為RoF系統(tǒng)設(shè)計(jì)的MAC層協(xié)議勢(shì)在必行。

　　我們提出基于光載無線網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)屬性的MAC層協(xié)議的新模型[5].主要包括設(shè)計(jì)采用了頻率和時(shí)間雙重屬性因子的混合MAC層協(xié)議，將光纖引入的額外時(shí)延考慮進(jìn)層協(xié)議設(shè)計(jì)中，利用時(shí)間同步補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各遠(yuǎn)端天線單元的邏輯準(zhǔn)同步，從而通過加入頻率標(biāo)識(shí)，支持光載無線網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)屬性。

　　在上述混合MAC幀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步提出了低功耗動(dòng)態(tài)可控MAC幀結(jié)構(gòu)[6],圖6所示為幀結(jié)構(gòu)，圖6（a）和（b）分別是下行幀結(jié)構(gòu)和上行MAC幀結(jié)構(gòu)。通過在幀結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)天線控制域“（ on-off”域）實(shí)現(xiàn)對(duì)子天線工作/非工作狀態(tài)的集中管控，進(jìn)而降低能耗。

　　通過將光纖引入的額外時(shí)延考慮進(jìn)層協(xié)議設(shè)計(jì)中，利用時(shí)間同步補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各RAU的邏輯準(zhǔn)同步。上述動(dòng)態(tài)可控MAC層協(xié)議模型解決了微波和光波協(xié)同作用下分布式ROF網(wǎng)絡(luò)中多小區(qū)、多用戶、寬帶化泛在化接入問題，降低了ROF網(wǎng)絡(luò)的能耗。

　　3動(dòng)態(tài)可重構(gòu)智能光載無線系統(tǒng)

　　最主要的功能是實(shí)現(xiàn)光纖與無線的相互融合，從而實(shí)現(xiàn)寬帶、高速和無線化的信息傳遞。這就需要搭建高效經(jīng)濟(jì)的RoF系統(tǒng)將射頻信號(hào)加載到光載波上，并經(jīng)遠(yuǎn)距離傳輸，在基站通過寬帶天線實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)多業(yè)務(wù)無線信號(hào)的傳送。

　　3.1認(rèn)知、協(xié)同與低能耗的智能RoF系統(tǒng)

　　系統(tǒng)與生俱來的中心處理機(jī)制，使多信道無線信號(hào)的聯(lián)合處理以及分布式動(dòng)態(tài)可重構(gòu)光載無線接入成為可能。通過最大程度的利用有限的頻譜資源、時(shí)隙資源以及功率資源，可實(shí)現(xiàn)靈活、高效、低耗能的無線通信接入。

　　我們基于RoF系統(tǒng)的中心處理機(jī)制，提出并搭建了具有認(rèn)知、協(xié)同及低能耗的分布式動(dòng)態(tài)可重構(gòu)光載無線接入系統(tǒng)。系統(tǒng)在中心站同時(shí)控制多小區(qū)、多信道的頻譜與時(shí)隙資源，利用遠(yuǎn)端天線收集各個(gè)小區(qū)和信道的使用狀況，將資源合理搭配，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)屬性，使資源得到最大程度的利用。

　　所提分布式系統(tǒng)具有認(rèn)知、協(xié)同與低能耗3個(gè)特點(diǎn)。其中認(rèn)知指的是中心站通過遠(yuǎn)程天線單元了解天線所在小區(qū)的無線信道使用狀況，并以此計(jì)算分配資源方案；協(xié)同則是指在計(jì)算出最優(yōu)化資源分配方式后，中心處理器將調(diào)度命令發(fā)送至系統(tǒng)設(shè)備，通過對(duì)微波和光波資源的控制實(shí)現(xiàn)資源的調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)屬性；低能耗則是指由于中心站的資源由多個(gè)小區(qū)共同分享，因而減小了每個(gè)小區(qū)的設(shè)施，同時(shí)可在整個(gè)系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求小時(shí)，關(guān)閉部分冗余設(shè)備和資源的功能，以節(jié)約能源。

　　3.2有線無線資源聯(lián)合調(diào)度的智能RoF系統(tǒng)

　　中有線無線資源的聯(lián)合調(diào)度是指同時(shí)考慮有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度，從而最大化RoF網(wǎng)絡(luò)的資源利用率，主要內(nèi)容包括兩部分：算法部分和協(xié)議部分。

　　算法部分主要針對(duì)智能RoF網(wǎng)絡(luò)的路由算法進(jìn)行資源調(diào)度。我們提出了聯(lián)合路由算法來實(shí)現(xiàn)RoF網(wǎng)絡(luò)中有線無線資源的聯(lián)合調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)端到端的全局最優(yōu)路徑。聯(lián)合路由算法的主要思想為：把光網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)分為兩個(gè)域，在中心站（CO）中構(gòu)建出3個(gè)路徑計(jì)算單元（PCE），其中兩個(gè)子PCE分別負(fù)責(zé)光網(wǎng)絡(luò)域和無線網(wǎng)絡(luò)域的算路，父PCE負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)兩個(gè)域的路徑計(jì)算，當(dāng)業(yè)務(wù)到來時(shí)，通過子PCE和父PCE之間的信息交互，可以實(shí)現(xiàn)分布式環(huán)境下RoF網(wǎng)絡(luò)中的全局最優(yōu)路徑。

　　協(xié)議部分主要針對(duì)智能RoF網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議進(jìn)行資源調(diào)度。當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)接入一個(gè)新的連接請(qǐng)求時(shí)，除了考慮無線側(cè)的資源分配外，還需要考慮排隊(duì)時(shí)間和注冊(cè)時(shí)間的影響，從而實(shí)現(xiàn)為業(yè)務(wù)分配合適的光波資源，達(dá)到微波光波資源的聯(lián)合調(diào)度。該方法僅僅從時(shí)延造成的影響方面研究了微波光波資源的聯(lián)合調(diào)度，實(shí)際上，當(dāng)多個(gè)用戶競(jìng)爭(zhēng)資源時(shí)，吞吐量和公平性問題也需要加以考慮以達(dá)到更高的網(wǎng)絡(luò)資源利用率，從而實(shí)現(xiàn)微波光波資源的聯(lián)合調(diào)度。

　　4智能RoF關(guān)鍵單元器件技術(shù)

　　在傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)中，大部分微波信號(hào)處理功能是在基站中通過電信號(hào)處理器來完成，從而受到諸多成本和帶寬的限制。光載無線系統(tǒng)中功能集中化的配置和光電域的轉(zhuǎn)換使得在中心局可以完成一些全光微波信號(hào)的處理功能。這就需要為RoF系統(tǒng)配備相應(yīng)的組成器件，從而適應(yīng)RoF系統(tǒng)信號(hào)處理頻域提升和業(yè)務(wù)集中的特點(diǎn)。

　　4.1光載寬帶無線信號(hào)的頻譜感知

　　探測(cè)泛在環(huán)境下微波信號(hào)的載頻大小，進(jìn)行信息的獲取、處理和分析，是實(shí)現(xiàn)寬帶接入與泛在感知的關(guān)鍵。微波光子頻譜分析與感知正是基于此發(fā)展起來的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它利用微波光子技術(shù)瞬時(shí)寬帶處理能力強(qiáng)、質(zhì)量輕、損耗小、抗電磁干擾能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了寬帶微波的瞬時(shí)處理與測(cè)量，給微波信號(hào)的頻譜分析與感知開辟了一條新的研究思路。通過基于相干信道化及基于光子壓縮采樣的瞬時(shí)頻率測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了多頻點(diǎn)、寬帶的頻譜感知與分析。

　　基于相干信道化瞬時(shí)多頻點(diǎn)頻譜分析與感知方法：我們提出了通過在光域?qū)崿F(xiàn)一級(jí)濾波，在微波域?qū)崿F(xiàn)二級(jí)濾波，最后通過數(shù)字信號(hào)處理的方式對(duì)大帶寬、多頻點(diǎn)和高精度的信號(hào)進(jìn)行感知處理的技術(shù)?；诠庾訅嚎s采樣的瞬時(shí)多頻點(diǎn)頻譜分析與感知方法：我們采用壓縮采樣理論這一新穎的信號(hào)處理手段，利用微波信號(hào)在頻譜上高度稀疏的特性，通過低速ADC采樣實(shí)現(xiàn)了對(duì)寬帶微波信號(hào)頻率測(cè)量。

　　4.2全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是一種將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的重要器件，是實(shí)現(xiàn)信號(hào)在高速通信網(wǎng)路中傳輸，以及實(shí)現(xiàn)信號(hào)儲(chǔ)存、處理的前端器件。

　　如圖7所示為應(yīng)用ADC的數(shù)字系統(tǒng)。和傳統(tǒng)的ROF系統(tǒng)相比，數(shù)字系統(tǒng)在CO不需要混頻以及本振源，并且對(duì)光鏈路的線性度以及鏈路增益要求不高，從而可以利用現(xiàn)有光接入網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)傳遞射頻（RF）信號(hào)。

　　為了克服傳統(tǒng)電域ADC的內(nèi)在的局限性，Henry F.Taylor于1979年提出了全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AOADC）的概念。全光ADC,其抽樣、量化和編碼都在光域進(jìn)行，近年來備受各國科學(xué)家的重視。目前全球相關(guān)研究大都基于光纖實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，然而為了獲得更高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換，要求光脈沖有很大的光功率，從而能耗較高，不符合光器件向“綠色節(jié)能”的方向發(fā)展；另一方面，由于是基于光纖的，以上的量化編碼方案不利于集成，不符合光器件向集成化的方向發(fā)展。

　　為了使全光量化編碼器向低能耗、光子集成、高速率以及高分辨率的方向發(fā)展，我們提出了一種利用半導(dǎo)體光放大器（SOA）中的非線性偏振旋轉(zhuǎn)（NPR）效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)全光ADC的方法[7],其原理結(jié)構(gòu)如圖8所示。模擬信號(hào)被抽樣信號(hào)抽樣之后變成抽樣光脈沖，隨后被分成N份，輸入到由個(gè)基于NPR效應(yīng)的量化編碼單元組成的量化編碼矩陣。每一個(gè)基于效應(yīng)的量化編碼單元由兩個(gè)級(jí)聯(lián)的偏振開關(guān)（PSW）組成，如圖8（d）所示。其中PSW1實(shí)現(xiàn)預(yù)量化編碼，由于隨著抽樣光脈沖強(qiáng)度的增強(qiáng)，PSW1的中更多載流子被消耗，因而造成其輸出光功率下降，為了保持強(qiáng)度不同的抽樣光脈沖在量化編碼單元中所獲得的增益一致，PSW1之后級(jí)聯(lián)另外一個(gè)偏振開關(guān)PSW2,其作用是實(shí)現(xiàn)增益的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。圖8（b）所示為量化編碼單元的傳輸函數(shù)，圖所示為相應(yīng)的編碼輸出，預(yù)量化編碼和增益動(dòng)態(tài)補(bǔ)償相結(jié)合的方式可以很好地實(shí)現(xiàn)量化編碼。由于SOA的增益恢復(fù)時(shí)間在皮秒級(jí)別，因而基于NPR效應(yīng)的全光，其轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到幾百Gs/s（Giga-Samples Per Second）。

　　4.3微波光子濾波技術(shù)

　　微波光子濾波器（MPF）是在光域內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)微波/射頻信號(hào)進(jìn)行濾波的器件。由于微波光子濾波器在射頻系統(tǒng)中具有帶寬大、快速可調(diào)諧、可重構(gòu)、無電磁干擾（EMI）、低損耗和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因而這一類器件已經(jīng)引起了人們的興趣。如果在中心站光電變換之前加入微波光子濾波器，就可以大大減小對(duì)基帶信號(hào)處理模塊的性能和復(fù)雜度要求，避免了電子器件在處理高頻信號(hào)上帶來的“瓶頸”問題，并降低了器件成本。

　　相對(duì)于有限沖激響應(yīng)（FIR）濾波器來說，把耦合器的一個(gè)輸出端和輸入端相連即構(gòu)成了光纖環(huán)延遲線。

　　光信號(hào)每經(jīng)過一次環(huán)形器就產(chǎn)生延遲，理論上，光信號(hào)會(huì)無限次經(jīng)過光纖環(huán)形器，所以采樣數(shù)接近無限。

　　如圖9所示，可以利用光子晶體取代光纖環(huán)制作微波光子濾波器，利用光子晶體波導(dǎo)分束器作為耦合單元，利用慢光波導(dǎo)作為延遲單元。相對(duì)于光纖環(huán)，光子晶體具有更好的慢光特性，可以顯著減小器件尺寸。

　　4.4智能天線技術(shù)智能天線的基本原理是通過改變各天線單元的權(quán)重在空間形成方向性波束，主波束對(duì)期望用戶的信號(hào)進(jìn)行跟蹤，在干擾用戶的方向形成零陷[8].因此，波束賦形是智能天線中的關(guān)鍵技術(shù)。而電磁帶隙結(jié)構(gòu)（EBG）是周期排列的結(jié)構(gòu)，具有兩個(gè)重要特性，表面波帶隙和反射相位帶隙[9],利用兩個(gè)特性有利于提高波束的定向性，從而實(shí)現(xiàn)波束賦形。

　　共面緊湊型電磁帶隙結(jié)構(gòu)由于不需要過孔，相對(duì)其他類型結(jié)構(gòu)更易于加工制造。印刷的結(jié)構(gòu)表面很高的表面阻抗，截?cái)嗔穗娏鞯膫鞑ィ瑫r(shí)對(duì)于入射的平面電磁波具有同相反射特性，將此種性能的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于系統(tǒng)相當(dāng)于引入一個(gè)人工磁壁。通過合理設(shè)計(jì)，EBG結(jié)構(gòu)還可以多頻工作，如利用分形結(jié)構(gòu)的自相似特性，在共面型EBG結(jié)構(gòu)中引入分形，可得到多個(gè)帶隙[10],該結(jié)構(gòu)可對(duì)天線的多個(gè)工作頻段性能同時(shí)進(jìn)行改善。圖10（a）為UC-EBG結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)引入了一級(jí)分形，通過對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行交叉排列，得到圖10（b）所示的禁帶。由圖10（b）可知，電磁波在介質(zhì)基板中不能有效傳播，這一方面使能量更加集中地從天線輻射出去，提高了天線的定向性；另一方面，由于表面波被抑制，天線方向圖的波紋減小了，這兩者都有助于波束賦形。

　　5結(jié)束語

　　由于同時(shí)具備無線化和寬帶化，光載無線技術(shù)深受業(yè)內(nèi)重視并已經(jīng)在國際上得到了應(yīng)用。其中作為一種改善光載無線系統(tǒng)傳輸容量和資源調(diào)配能力的解決方案，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的智能光載無線接入網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。其產(chǎn)品能夠改善多波長纖鏈路中微波光波協(xié)同問題，具有高速傳輸和資源動(dòng)態(tài)調(diào)配能力，為實(shí)現(xiàn)寬帶化、泛在化、低功耗動(dòng)態(tài)可重構(gòu)微波光波融合網(wǎng)絡(luò)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。