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隨著信息通信技術在經(jīng)濟、社會各個領域的廣泛應用，信息通信技術成為當今世界發(fā)展速度最快、覆蓋范圍最廣、滲透性最強、應用最廣泛的一個高新技術領域，它是推動全球信息通信業(yè)發(fā)展的主要驅(qū)動力量。信息通信不僅能夠減少經(jīng)濟活動的交易費用，大大降低社會運行成本，而且能夠促進知識的傳播和信息的共享，改善人民的生活質(zhì)量，對于一個國家國民整體素質(zhì)提高和經(jīng)濟社會的長遠發(fā)展具有極其重大的現(xiàn)實意義。
當今世界，基于波分復用(WDM)技術的光纖通信網(wǎng)絡已經(jīng)成為高速、大容量信息網(wǎng)絡發(fā)展的理想有線平臺。國際上的跨國公司競相開展了基于WDM技術的太比特級信息傳輸試驗，目前已經(jīng)實現(xiàn)10.9 Tb/s的傳輸。網(wǎng)絡光纖化的重點從長途骨干網(wǎng)，然后轉(zhuǎn)向中繼網(wǎng)和接入網(wǎng)的饋線段，目前正在逐漸向配線段延伸。中國長途網(wǎng)的光纖化比例目前已高達82%。然而，隨著光纖逐漸向用戶推進，光纖化的代價變得越來越高。除非技術上有重大突破，光纖到家、到用戶將是一項十分艱巨的任務。就中國來說，光纖到樓、光纖到小區(qū)和光纖到路邊是中近期的比較現(xiàn)實的目標。另一方面，由于方便、個人化和無處不在的特性，無線接入成為信息時代的寵兒，發(fā)展十分迅猛，成為全球通信網(wǎng)絡發(fā)展的另一個重要方向，是目前全球范圍內(nèi)最吸引人的一個熱點問題。移動通信由目前的數(shù)字話音服務的2.5G向?qū)崿F(xiàn)視頻、多媒體服務的3G、B3G甚至4G、5G的高速、寬帶業(yè)務發(fā)展。而各種新業(yè)務和寬帶無線接入技術的不斷涌現(xiàn)，如流媒體業(yè)務、射頻標識(RFID)、傳感器聯(lián)網(wǎng)、WiMAX、本地多點分配業(yè)務(LMDS)等，要求網(wǎng)絡能夠安全、靈活、無所不在地、大容量地提供綜合服務。如圖1所示，未來無線通信的發(fā)展趨勢是高速率、高移動性以及不同無線網(wǎng)絡之間多業(yè)務的無縫連接。但是，無線網(wǎng)絡的快速發(fā)展面臨著諸多問題，典型地有：現(xiàn)有無線接入網(wǎng)的兼容性問題、數(shù)據(jù)的速率(特別是移動情況下)仍然是無線通信的“瓶頸”問題以及現(xiàn)有網(wǎng)絡如何平滑地過渡到下一代無線網(wǎng)絡等。
縱觀各種通信技術和業(yè)務需求的發(fā)展方向，實現(xiàn)寬帶化、無線化、個人化、分組化以及多業(yè)務網(wǎng)絡的融合成為全球通信網(wǎng)絡的發(fā)展目標使得寬帶無線信號和載波頻率向高頻毫米波(如40～60 GHz)擴展的需求日益迫切。將光的大帶寬優(yōu)勢和毫米波無線接入的靈活性結(jié)合起來的毫米波光載無線(MM-RoF)系統(tǒng)具有體積小、重量輕、成本低、損耗小、抗電磁干擾及傳輸質(zhì)量高等優(yōu)點，可解決傳統(tǒng)微波傳輸系統(tǒng)在毫米波段存在的損耗大、抗干擾能力弱等問題，克服了毫米波電子器件的電子“瓶頸”等問題。此外，MM-RoF利用光纖技術將光纖網(wǎng)絡的巨大容量和無線接入網(wǎng)絡的適應性與移動性有機結(jié)合，可綜合傳送各種無線業(yè)務信息，為寬帶無線網(wǎng)絡提供“最后一公里”無縫接入，以實現(xiàn)真正意義的“任何人、任何時間，于任何地點，以任何形式通信”的需求。
下一代寬帶無線通信系統(tǒng)體系結(jié)構如圖2所示。結(jié)構主要是由分布式天線網(wǎng)絡(DAN)、分布式信號傳送網(wǎng)絡(DTN)、分布式信號處理網(wǎng)絡(DPN)和分布式核心網(wǎng)絡(DCN)共同組成，其中DTN、DPN和DCN這些涉及到毫米波的信號處理和傳送網(wǎng)絡都可以通過光纖系統(tǒng)的光集成器件和技術進行無線信號的處理和傳輸，光纖傳輸能實現(xiàn)現(xiàn)有電纜無法滿足寬帶無線信號傳送的帶寬要求和傳輸質(zhì)量。預計到2010年，超過80%的毫米波無線信號基于光纖技術傳送。而DAN部分的天線系統(tǒng)采用基于光控波束形成的智能天線可以克服寬帶、大容量電控天線電子處理無法避免的“瓶頸”問題，成為數(shù)10 GHZ以上無線天線系統(tǒng)理想的方案，其應用前景廣闊[1-3]。
1、光載毫米波無線電通信技術的現(xiàn)狀
目前，MM-RoF技術已經(jīng)成為美國、歐盟、日本、澳大利亞等許多國家的信息研究機構、大學面向應用的前沿研究熱點；中國則主要有清華大學、北京大學、北京郵電大學、上海交通大學、浙江大學、中國電子科技大學、上海大學、華中科技大學等的一批科研院所開展相關的研究。為了有效利用光纖帶寬資源，實現(xiàn)寬帶多業(yè)務網(wǎng)絡系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡與有線網(wǎng)絡無縫連接，對支持寬帶無線多業(yè)務的MM-RoF系統(tǒng)的研究越來越受到人們關注[4-23]。比較典型的有：
美國喬治亞州技術學院在2005年報道了波分復用-無源光網(wǎng)絡(WDM-PON)與寬帶MM-RoF無線接入系統(tǒng)的無縫連接研究。其方案利用高非線性色散位移光纖產(chǎn)生的拉曼相關四波混頻效應，實現(xiàn)了8×2.5 Gb/s波分復用(WDM)信號的全光上變頻為40 GHz微波副載波信號；同時為克服光纖色散的影響，采用了單邊帶濾波技術，實現(xiàn)了大于20 km的MM-RoF系統(tǒng)傳輸。該學院于2007年又報道了一種新型全雙工RoF系統(tǒng)，實現(xiàn)了40 GHz載波下，2.5 Gb/s信號(下行差分相移鍵控(DPSK)調(diào)制格式，上行開關鍵控(OOK)再調(diào)制)的40 km的雙向RoF系統(tǒng)傳輸。
美國NEC實驗室在2007年報道實現(xiàn)了40 GHz微波信號與2.5 Gb/s不歸零碼(NRZ)信號的RoF系統(tǒng)傳輸。該系統(tǒng)是研究有線、無線寬帶服務同時傳輸?shù)募夹g的。
在歐洲，自2004年啟動了由西班牙Valencia大學、英國University College London大學等多個歐盟研究機構共同合作的GANDALF計劃。自2004年啟動至今，其以“研究多業(yè)務RoF系統(tǒng)，實現(xiàn)吉比特傳輸速率的寬帶無線和有線混合接入網(wǎng)絡”為最終研究目標。其中，2005年報道了高頻電矢量信號的光產(chǎn)生研究結(jié)果，實現(xiàn)了直接光產(chǎn)生載波為37.5 GHz的74.7 Mb/s正交移相鍵控(QPSK)信號；同年還實現(xiàn)了載波40 GHz、2.5 Gb/s數(shù)據(jù)信號的RoF系統(tǒng)。
英國University College London大學聯(lián)合劍橋、英國電信、BT公司等多個研究機構，研究基于RoF的光纖無線網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)了60 GHz無線信號多業(yè)務光傳輸實驗。
在日本，多業(yè)務毫米波RoF技術成為眾多研究機構的研究熱點。日本大阪大學在2003年報道他們實現(xiàn)了2.5 Gb/s基帶信號、4.5～12 GHz微波信號和60 GHz載波下的155 Mb/s信號，在3種信號單一光源上的共同傳輸；2006年報道研究了基于超連續(xù)譜光源的全光上變頻產(chǎn)生60 GHz毫米波信號技術，實現(xiàn)了兩個信道25 km的RoF系統(tǒng)傳輸。日本郵政省通信研究所(CRL)在60 GHz頻帶實現(xiàn)了室內(nèi)無線接入網(wǎng)，在36～37 GHz頻帶汽車路間智能通信系統(tǒng)(ITS-RVC)數(shù)據(jù)傳送速率達10～150 Mb/s。日本ATR研究所在60 GHz頻段實現(xiàn)400 Mb/s二進制相移鍵控(BPSK)調(diào)制數(shù)據(jù)的光纖傳送(上行鏈路系統(tǒng))，在50 GHz頻段實現(xiàn)500 Mb/s BPSK調(diào)制數(shù)據(jù)的光纖傳送(下行鏈路系統(tǒng))。
在加拿大，Ryerson大學的高級無線光纖集成技術組(ADROIT)自20世紀90年代末就開始研究RoF系統(tǒng)，目前重點研究在于基于RoF技術的多媒體無線接入網(wǎng)，實現(xiàn)各種多媒體接入例如IEEE 802.11、寬帶碼分多址(WCDMA)等混合RoF傳輸系統(tǒng)。
韓國Yonsei大學2003年報道了實現(xiàn)了2×622 Mb/s信號在60 GHz RoF系統(tǒng)中的20 km傳輸，它主要采用了兩個激光器的邊帶注入鎖定技術實現(xiàn)毫米波信號。2005年，韓國光州科學與技術學院(GIST)報道了利用基于半導體光放大器的馬赫-曾德調(diào)制(SOA-MZI)實現(xiàn)了全光上變頻產(chǎn)生WDM RoF信號，實現(xiàn)了載波頻率為22.5 GHz、速率為155 Mb/s的雙DPSK信號的RoF系統(tǒng)傳輸。2006年Yonsei大學實現(xiàn)了利用SOA-EAM實現(xiàn)全雙工60 GHz RoF系統(tǒng)10 Mb/s QPSK信號的傳輸。
在中國，許多大學研究機構也十分重視光纖無線傳輸方面的研究。上海大學2005年報道了“OFDM-RoF光傳輸系統(tǒng)中一些問題的研究”，重點研究正交頻分復用(OFDM)調(diào)制無線信號在RoF光傳輸系統(tǒng)中的傳輸性能分析，建立了仿真模型，之后又研究了將光相移鍵控(PSK)調(diào)制用于基于諧波生成原理的RoF下行鏈路系統(tǒng)；2006年以來對60 GHz RoF系統(tǒng)在光源方面和系統(tǒng)功率設計及分配建模進行了研究。北京郵電大學在2003年前后進行了RoF系統(tǒng)承載第二代無線系統(tǒng)信號的仿真工作，并且理論分析了基于四波混頻(FWM)實現(xiàn)RoF全光波長變。北京大學利用雙模鎖模激光技術初步實現(xiàn)了60 GHz毫米波的全光產(chǎn)生，并進行了RoF信號光纖傳輸?shù)纳⒎治觥Ｕ憬髮W于2005年在微波信號的光產(chǎn)生方面提出利用光纖光柵布里淵雙頻激光器全光產(chǎn)生微波/毫米波，得到了11 GHz附近的微波輸出。華中科技大學利用雙光源技術和60 GHz的電吸收收發(fā)器(EAT)分別在下行和上行鏈路實現(xiàn)單波長和雙波長調(diào)制。湖南大學研究了提出一種改進的雙邊帶調(diào)制產(chǎn)生光毫米波方案。清華大學自1999年以來在RoF系統(tǒng)中的無線信號光產(chǎn)生、上下變頻、光微波濾波器、鏈路傳輸中串擾問題等方面進行了研究，取得了一定的研究成果。
2、光載毫米波無線電通信技術的未來發(fā)展
MM-RoF系統(tǒng)正朝著更大容量、更高性能、更實用的方向發(fā)展，以期滿足將來寬帶多業(yè)務網(wǎng)絡系統(tǒng)、有線網(wǎng)絡與無線網(wǎng)絡無縫連接方面等實際應用的要求。目前支持無線多業(yè)務的MM-RoF系統(tǒng)研究主要是利用光纖中的波長資源，采用WDM技術實現(xiàn)多業(yè)務信號的MM-RoF系統(tǒng)傳輸。考慮到光波長資源有限，為了更有效提高光波資源的利用率，用單一光源傳送多業(yè)務的MM-RoF技術顯得十分重要和必要，其中在同一光源上實現(xiàn)微波/毫米波頻段的多種格式無線信號的光產(chǎn)生技術、多格式毫米波信號的MM-RoF傳輸技術、全光解調(diào)技術，以及系統(tǒng)性能分析等將成為實現(xiàn)多業(yè)務傳送的MM-RoF系統(tǒng)的關鍵。
作者：《中興通訊技術》 宋怡橋，鄭小平
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