CN103209026A

CN103209026A - 一种全双工多业务融合光载无线传输系统

Info

Publication number: CN103209026A
Application number: CN201310064368XA
Authority: CN
Inventors: 闫连山; 李宗雷; 彭玉兰; 姜恒云; 潘炜; 罗斌; 邹喜华; 张志勇
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Ansett optical technology Chengdu Co. Ltd.
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2033-02-28
Also published as: CN103209026B

Abstract

本发明公开了一种全双工多业务融合光载无线传输系统。在下行链路中，中心单元的多种无线业务信号通过功分器合成，合成后的多载波无线信号激励光电调制器调制在光载波上传输至远端天线单元，在远端天线单元，光电探测器将光信号转化为无线电信号，不同频段的无线业务通过滤波器分离后发送给无线用户。对于使用滤波器无法分离的同频段多种无线信号，采用信号处理的方法进行分离，多种同频段无线业务也可以在本系统中共享同一个信道。本发明在电域实现了多种无线业务信号的合成与分离，多种无线业务信号使用一个光电调制器就可以调制在光域上，大大降低了光载无线系统的成本。

Description

一种全双工多业务融合光载无线传输系统

技术领域

本发明涉及光通信及无线通信领域，尤其是一种全双工多业务融合光载无线传输系统，适用于同频段及不同频段多种无线业务的电域合成与分离，且在光域同时并远距离地传输。

背景技术

光载无线系统结合了光通信高带宽和无线通信接入方式灵活的特点，近年来得到广泛关注。在光载无线系统中，射频微波信号将直接调制在光载波上传输，可以通过光纤链路拉大射频无线设备与其发射天线之间的距离，从而实现各种无线业务的远距离传输，结合波分复用技术，可以构建分布式天线系统，可以扩大无线业务的覆盖范围。

光载无线分布式天线系统主要由中心单元(CU)和分布式天线系统(DAS)两部分组成，二者之间通过光网络连接。DAS包含多个远端天线单元(RAU)，RAU只负责光电/电光转换、放大、天线的收发，相对于传统的移动通信基站而言，不需要复杂的上下变频等信号处理，成本及功耗大大降低。各种无线业务信号的产生及处理，业务的集中控制及调度都在CU完成。

RFID、ZigBee、无线视频技术作为智能传感的关键技术得到了广泛应用，WIFI作为一种无线接入技术，可以实现手持终端、个人电脑、传感节点与无线局域网及因特网的双向无线通信，实现RFID、ZigBee、WIFI信号的光纤传输可以扩大这些业务的覆盖范围具有积极的现实意义。现有移动通信出现2G、3G、4G共存的局面，光载无线由于具有对调制格式以及载波速率透明的特点，成为2G、3G、4G业务同时覆盖的潜在解决方案。光载无线系统作为移动通信、宽带接入、智能传感的有效解决方案，得到越来越广泛地研究。

目前光载无线方案主要有以下几种:(1)单一业务的光载无线方案，如RFID信号、WIFI信号、ZigBee信号的光载无线方案，这些方案只提供单一业务的传输，不能很好地利用光纤速率及载波透明，高带宽的特性；(2)多业务的光载无线方案，如WIFI、GSM₉₀₀、GSM₁₈₀₀、UMTS业务的电域合成与分离且光域单波长传输，这些方案实现了多种业务的光域单波长同时传输，但是系统只是针对不同频段的业务而言，而在同一个免费无线频段，往往会有多种无线业务，例如ZigBee、无线视频、WIFI业务都是2.4GHz频段的业务，已有系统无法实现多种同一频段多种无线业务的同时传输。

上述两种方案要么业务单一，要么只能实现不同频段多种业务融合的光载无线系统，不能充分利用光纤速率及载波透明的特点，在同频段多种业务需要共存的场合，上述方案便不能适用。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是提供一种全双工多业务融合光载无线传输系统，以实现10G以下多种无线业务的光无线融合，为移动通信多业务覆盖、多种无线传感方式共存、多媒体宽带接入等光载无线系统提供了一种切实可行的解决方案。

本发明的目的是基于如下分析和方案提出和实现的：

一种全双工多业务融合光载无线传输系统，由中心单元CU和远端天线单元RAU及光纤三部分组成，CU与RAU之间通过光纤连接；中心单元CU包含业务部分YW和多业务接入单元MAU，MAU包括功分器A₁～A_n、电信号处理单元1、光信号调制解调单元2；RAU包含多业务收发单元MTRU及天线单元，MTRU包括光信号调制解调单元3、电信号处理单元4。

采用本发明的系统完成双工通讯，使用功分器实现多种无线业务信号的电域合成，使用带通滤波器实现不同频段无线业务信号的电域分离，使用信号处理方法实现同频段内多种无线业务信号的电域分离。

在下行链路中，F₁频段的N(N≥1)中无线业务通过功分器A₁形成合成信号f_1-down，依次类推，F_n频段的N中无线业务通过功分器A_n形成合成信号f_n-down，信号f_1-down～f_n-down在电信号处理单元1合成形成信号f_1~n-down，信号f_1~n-down激励光信号调制解调单元1中的光信号调制单元调制在光载波上，通过光纤传输至光信号调制解调单元2中的光电探测器并解调成电信号f_1~n-down*，信号f_1~n-down*中除了包含信号f_1~n-down还包含由于光调制单元和光电探测器的非线性产生的大量谐波。通过带通滤波器将不同频段的无线业务下行信号从信号f_1～n-down*中分离出来，同一频段的N种无线下行信号通过天线单元发射出去。

在上行链路中，F₁频段的接收天线经过带通滤波器滤除无用信号后得到F₁频段的N中无线业务的上行信号f_1-up，依次类推，F_n频段的接收天线经过带通滤波器滤除无用信号后得到F_n频段的上行信号f_n-up，信号f_1-up～f_n-up经过低噪声放大器的放大之后通过功分器合成形成信号f_1~n-up，信号f_1~n-up激励光信号调制解调单元2中的光信号调制单元调制在光载波上，通过光纤传输至光信号调制解调单元1中的光电探测器并解调成电信号f_1~n-up*，信号f_1~n-up*中除了包含信号f_1～n-up还包含由于光调制单元和光电探测器的非线性产生的大量谐波。通过带通滤波器将不同频段的无线业务上行信号从信号f_1～n-up*中分离出来，不同频段的无线信号经过低噪声放大器后送入业务部分，同一频段N中无线业务上行信号的进一步分离在业务单元进行，从而完成整个通信过程。

同一频段的N种无线业务在本系统中共享一个信道，为了避免各业务间的同频干扰，需要使用各种避免干扰的信号处理技术，在大气环境中能够共存的同频段无线业务在本系统中也能够共存。

附图说明：

图1为光载无线分布式天线系统示意图；

图2为本发明中全双工多业务融合光载无线传输系统示意图；

图3为本发明中多业务接入单元MAU的结构示意图；

图4为本发明中多业务收发单元MTRU的结构示意图；

图5为本发明中多业务天线单元的结构示意图；

图6为2400MHz~2483MHz频段三种业务ZigBee、WIFI及无线视频与902MHz~928MHz频段业务RFID的光载无线传输的具体实施结构示意图；

图7为ZigBee、WIFI、无线视频、RFID四种业务的下行链路信号在多业务接入单元融合时的频谱图，其中(a)为四种业务信号合成后的频谱图，(b)为四种业务中的无线视频信号的频谱图，(c)为四种业务中的WIFI、ZigBee信号的频谱最大值保持图；

图8为ZigBee、WIFI、无线视频、RFID四种业务的下行链路信号在多业务收发单元分离时的信号频谱图，其中(a)为四种业务信号和由于直调激光器及光电探测器的非线性产生的谐波的信号频谱图，(b)为分离后无线视频信号的频谱图，(c)为分离后的WIFI、ZigBee信号的频谱最大值保持图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

图1为光载无线分布式天线系统示意图，如图1所示，光载无线分布式天线系统包括中心单元CU和由多个远端天线单元RAU组成的分布式天线系统DAS两个主体部分，光载无线技术利用了光纤低损耗以及载波速率透明的特点，射频微波信号可以直接调制在光载波上且在光纤(Optical Network)中长距离传输而只产生很小的损耗，所以在RAU部分只需要完成简单的电光/光电转换、放大、天线收发功能，成本低功耗小且容易组成微蜂窝结构大范围覆盖，CU负责所有业务的集中调度和处理，使得光载无线分布式天线系统容易管理与维护。

图2为本发明中全双工多业务融合光载无线传输系统示意图，如图2所示，一种全双工多业务融合光载无线传输系统，其特征在于，由业务部分、多业务接入单元MAU、光纤、多业务收发单元MTRU组成。多业务接入单元MAU包括功分器A₁～A_n、电信号处理单元1、光信号调制解调单元2；多业务收发单元MTRU包括光信号调制解调单元3、电信号处理单元4及天线单元。通过在该结构中合理选用带通滤波器、低噪声放大器、功率放大器就可以实现多种同频段异频段的无线业务的光载无线全双工传输。光纤链路的传输使用单根光纤的模拟光链路。

图3为本发明中多业务接入单元MAU的结构示意图，如图3所示，下行链路中，功分器A₁~A_n分别实现频段F₁~F_n内N种业务下行信号的合成，形成信号f_1-down～f_n-down，信号f_1-down～f_n-down分别经过环形器B₁～B_n后送入功分器1中进行合成形成合成信号f_1~n-down，信号f_1~n-down激励光信号调制单元2调制在光载波上后经过光环形器3送入光纤中传输至远端天线单元RAU；上行链路中，来自于远端天线单元RAU的光信号经过环形器3后送入光电探测器4，光电探测器4将光信号转换为上行信号f_1~n-up*，信号f_1~n-up*通过功分器分成N份分别送入带通滤波器D₁～D_n后得到上行信号f_1-up～f_n-up，F₁～F_n频段内的无线业务上行信号f_1-up～f_n-up经过低噪声放大器E₁～E_n放大至各种业务信号对上行功率的要求后送入业务端，同一频段了N种无线信号的进一步分离在业务部分完成。

图4为本发明中多业务接入单元MAU的结构示意图，如图3所示，下行链路中，来自于CU的下行光信号经过光环形器送入光电探测器7将下行光信号转换为电信号f_1~n-down*，信号f_1~n-down*被功分器8分成N份分别送入带通滤波器A₁～A_n后得到下行信号f_1-down～f_n-down，F₁～F_n频段内的无线业务下行信号f_1-down～f_n-down经过功率放大器G₁～G_n放大至各种业务下行信号对下行发射功率的要求后送入天线单元，带通滤波器H₁～H_n的作用是防止功率放大器的非线性产生的谐波对大气环境中其它无线业务的同频干扰；上行链路中，带通滤波器I₁～I_n滤除各自频带外的无用信号后得到上行信号f_1-up～f_n-up，f_1-up～f_n-up分别经过低噪声放大器J₁～J_n放大至合适的功率后通过功分器9形成上行合成信号f_1~n-up，信号f_1~n-up激励光信号调制单元10调制在光载波上后经过光环形器6送入光纤中传输至中心单元CU。器件A_x~J_x(1≤x≤n)的工作频段分别为F_x，功分器的1、5、8、9的工作频带包括F₁~F_n频段。

图5为本发明中天线单元的结构示意图，其中(a)为无线业务覆盖范围较广时的天线结构，例如WIFI、3G等业务，使用两个天线是为了给上行链路和下行链路提供足够高的隔离度，例如在2.4G频段，2m的天线间距就可以提供40dB的隔离度；(b)为无线业务覆盖范围较近时的天线结构，例如RFID业务，不能使用两个天线是因为要达到环形器23dB的隔离度时的两个天线的间距可能已经超出业务的覆盖范围，例如RFID业务在发射功率为0.1W时的读取距离是1m，而要提供23dB的隔离度天线的间距大于1m，会导致无线业务无法使用。天线单元根据所支持的无线业务的覆盖范围来选择收发使用同一个天线或者收发使用不同的天线。

图6为2400MHz~2483MHz频段三种业务ZigBee、WIFI及无线视频与902MHz~928MHz频段业务RFID的光载无线传输的具体实施结构示意图，图6中的结构是图2所描述结构的一个实际应用例子。如图6所示，包括902MHz~928MHz频段RFID读写器，2400MHz~2483MHz频段的无线视频摄像头、无线WIFI路由器、ZigBee网关节点，隔离器101，环形器102，低噪声放大器103，功分器104，环形器105，隔离器106，功分器107，1550nm直调激光器108，单模光纤109，光电探测器110，功分器111，带通滤波器112，带通滤波器113，功率放大器114，功率放大器115，带通滤波器116，带通滤波器117，环形器118，带通滤波器119，带通滤波器120，低噪声放大器121，功分器122，1550nm直调激光器123，光环形器124，光电探测器125，功分器126，带通滤波器127，带通滤波器128，光环形器129及收发天线组成。

为了描述方便，RFID、无线视频、WIFI、ZigBee的下行信号分别用f_1-d，f_2-d，f_3-d，f_4-d表示，RFID、无线视频、WIFI、ZigBee的上行信号分别用f_1-u，f_2-u，f_3-u，f_4-u表示。为了减小三种同频段信号f_2-u，f_3-u，f_4-u之间的同频干扰，将无线WIFI路由器与ZigBee网关节点设置在不同的工作频点并采用空闲侦听的传输协议及直序扩频的调制方式，且无线视频摄像头使用了跳频的信号处理方式。

在下行链路中，三种同频业务信号通过功分器104合成形成信号f_2~4-d，信号f_2~4-d经过环形器105后送至功分器107，信号f_1-d经过环形器102后与信号f_2~4-d通过功分器107合成，形成合成信号f_1~4-d，从而实现了下行多业务信号的电域合成。合成信号f_1~4-d激励直调激光器108调制在单波长光载波上经过光环形器124后通过单模光纤109传输至多业务收发单元中的光电探测器110，由于直调激光器和光电探测器的非线性，合成信号f_1~4-d经过光链路的传输后会产生大量的谐波形成信号f_1～4-d*，位于功分器111后的带通滤波器112从信号f_1～4-d*中将RFID信号f_1-d滤除出来，带通滤波器113从信号f_1～4-d*中将信号f_2~4-d滤除出来。RFID信号f_1-d经过功率放大器114的放大后以20dBm的功率通过RFID天线发射出去，合成信号f_2~4-d经过功率放大器115的放大后以20dBm的发射功率通过2.4GHz橡胶天线1发射出去，因为对同频三种业务使用了避免干扰的信号处理方法，使用这些业务的终端设备可以从合成信号f_2~4-d中去除不需要的信号成分，例如使用WIFI信号的个人电脑能够从合成信号f_2~4-d中去除信号f_2-d及f_4-d而只保留有用信号f_3-d。

在上行链路中，带通滤波器119滤除RFID天线接收到的无用信号而只保留RFID标签散射的上行信号f_1-u，带通滤波器120滤除2.4GHz橡胶天线2接收到的无用信号而只保留WIFI终端、ZigBee传感节点、无线视频上位机控制器发送的上行信号的合成信号f_2~4-u，合成信号f_2~4-u经过低噪声放大器121的放大之后与信号f_1-u通过电功分器122合成形成上行合成信号f_1~4-u，从而完成了上行多业务信号的合成。合成信号f_1~4-u激励直调激光器123调制在单波长光载波上经过光环形器129后通过单模光纤109传输至多业务接入单元中的光电探测器125，由于直调激光器和光电探测器的非线性，合成信号f_1~4-u经过光链路的传输后会产生大量的谐波形成信号f_1～4-u*，位于功分器126后的带通滤波器128从信号f_1～4-d*中将RFID标签的散射信号f_1-u滤除出来，带通滤波器113从信号f_1～4-u*中将信号f_2~4-u滤除出来。由于信号f_2~4-u在多业务收发单元已经完成链路的损耗补偿，所以直接通过隔离器106和环形器105送入无线视频摄像头、WIFI路由器及ZigBee网关节点，进一步的信号分离工作会在这些设备中完成；信号f_1-u通过低噪声放大器103完成链路的功率损耗的补偿后通过隔离器101和电环形器102送入RFID读写器，从而完成了整个通信过程。

图7为ZigBee、WIFI、无线视频、RFID四种业务的下行链路信号在多业务接入单元融合时的频谱图，如图7所示，图(a)是在电功分器107的输出端观察到的信号频谱图，频谱图显示实现了RFID、无线视频、WIFI、ZigBee下行信号的合成，图(b)是将图(a)中的频率区间改为2.38GHz~2.5GHz时观察到的无线视频信号的频谱图，图(c)是将图(a)中的频率区间改为2.38GHz~2.5GHz时观察到的WIFI信号及ZigBee信号频谱最大值保持图，只能观察到频谱最大值保持图是因为WIFI信号和ZigBee信号都是快速瞬变脉冲，其信号频谱不容易捕捉，这也是三种同频段无线信号无法同时捕捉的原因。

图8为ZigBee、WIFI、无线视频、RFID四种业务的下行链路信号在多业务收发单元分离时的信号频谱图，如图8所示，图(a)是在光电探测器110的输出端观察到的信号频谱图，频谱图中显示除了RFID、无线视频、WIFI、ZigBee下行信号的合成信号的频谱外还有由于光电器件的非线性产生的谐波信号的频谱图，图(b)是在带通滤波器113的输出端观察到的无线视频信号的频谱图，图(c)是在带通滤波器113的输出端观察到的WIFI信号及ZigBee信号频谱最大值保持图。

图7及图8显示图3中所描述的结构实现了RFID、无线视频、WIFI、ZigBee四种业务下行信号的电域合成与分离，上行信号的合成与分离与下行信号类似不再赘述，证明了图2中所描述的结构的正确性及现实可行性。

本发明的有益效果是：

1.多种无线业务设备集中在中心单元，便于集中控制。远端天线单元结构简单，成本功耗低，易于实现，适合微蜂窝大范围覆盖。

2.在下行链路及上行链路中，多种无线业务信号的合成以及分离都在电域进行，多种无线业务使用同一个光电调制器就可以调制在光域上，相对于昂贵的光器件而言，电器件价格便宜，稳定性高，可以大大降低光载无线系统的成本和提高光载无线系统的稳定性。

3．同频段的多种业务不需要在本结构中使用不同的信道以及上下变频等复杂的常规方式来减少同频干扰，由于信号处理方法的使用，使得多种同频段业务在该结构中可以共享一个信道。

4.该结构不针对特定业务而言，对于10G以下的单个或者多种业务都提供了一种切实可行的光载无线解决方法。所使用的电器件都是常规器件，不需要特别订制，易于实现；且使用的许多电器件都是商品化器件，制作成本低，整个结构的成本也随之大大降低。MAU及MRTU中使用的都是常规器件，具有易集成的特点，二者的集成也是未来的发展趋势。

Claims

1.一种全双工多业务融合光载无线传输系统，其特征在于，由中心单元CU和远端天线单元RAU及光纤三部分组成，CU与RAU之间通过光纤连接；中心单元CU包含业务部分YW和多业务接入单元MAU，MAU包括功分器A₁～A_n、电信号处理单元1、光信号调制解调单元2；RAU包含多业务收发单元MTRU及天线单元，MTRU包括光信号调制解调单元3、电信号处理单元4。

2.根据权利要求1所述之一种全双工多业务融合光载无线传输系统，其特征在于，业务部分YW支持的业务既可以是不同频段的业务，也可以同一频段内的几种不同的业务。

3.根据权利要求1所述之一种全双工多业务融合光载无线传输系统，其特征在于，电信号处理单元1主要由环形器、隔离器、功分器、带通滤波器、低噪声放大器器件组成。

4.根据权利要求1所述之一种全双工多业务融合光载无线传输系统，其特征在于，光信号调制解调单元2及光信号调制解调单元3由光信号调制单元、光电探测器、光环形器组成，其中光信号调制单元既可以是直调激光器，也可以是马赫曾德尔MZM、电吸收调制EAM等外调制方式的光电调制器件。

5.根据权利要求1所述之一种全双工多业务融合光载无线传输系统，其特征在于，电信号处理单元4主要由功分器、带通滤波器、功率放大器、低噪声放大器组成。

6.根据权利要求1所述之一种全双工多业务融合光载无线传输系统，其特征在于，所述天线单元根据所支持的无线业务的覆盖范围来选择收发使用同一个天线或者收发使用不同的天线。

7.根据权利要求1所述之一种全双工多业务融合光载无线传输系统，其特征在于，光纤链路的传输使用单根光纤的模拟光链路。