CN103891178B - 用于光学无线结构的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方式涉及光纤无线结构，并且尤其涉及提供长距离无线(mm)波信号和对称有线服务的新颖的光纤结构。例如，本发明的某些实施方式涉及适用于新颖的方法和装置，以提供80千米长距离的在60千兆赫兹的毫米(mm)波处的12.5千兆比特/秒的无线信号和100千兆比特/秒的对称有线服务。此外，新颖的使能技术被用于克服光纤色散，降低成本，并且提供超宽带和长距离服务。

Description

用于光学无线结构的方法和装置
发明领域
本发明通常涉及光纤无线结构，并且尤其涉及提供长距离无线（毫米）波信号和对称有线服务的新颖的光纤结构。新颖的使能技术(enabling technique)被用于克服光纤色散，降低成本，并且提供超宽带和长距离服务。
背景
尽管在宽带接入技术中取得了数十年的进步，终端用户对于新兴的应用的需求依然给数据速率和目前的无线及有线的宽带接入解决方案的应变能力施加了压力。例如，参见P.Odling、T.Magesacher、S.Host、P.O.Borjesson、M.Berg和E.Areizaga于2009年1月在电气和电子工程师协会的通信杂志的第47卷第1期第63-69页的“第四代宽带概念(Thefourth broadband concept)”以及J.E.Mitchell在2009年澳大利亚维也纳的欧洲光通信会议所作的报告的P2.4.5中的“光纤无线网络：进展及挑战(Radio over fiber network:Advances and challenges)”。
在有线方面，用于城际和长距离区域的以太网网络以每链路40千兆比特/秒和100千兆比特/秒运行，其已经给近几年技术和市场活力的研究中增加了巨大的动力，并且关于接口规范化和标准化的努力正在开始得到广泛的发展。除了城际和长距离应用，另一个重要的市场区域是数据中心以及具有甚短距离(VSR)能力的高性能计算。10千兆比特/秒的无线数据速率预计桥接10千兆比特/秒的以太网链路，其用于未来的个人计算机(PC)到个人计算机通信以及服务器到服务器通信而不使用电缆；并且在灾难恢复场合中为临时恢复提供备份和重复服务。
光纤无线(radio-over-fiber)被认为是提供宽带光纤无线服务的良好的解决方案，如在这些内容中所描述的：Ng’oma等人于2009年在美国光纤通讯展览会及研讨会上OWF2的“利用光数据及电数据的上转换和前馈均衡的简单多千兆比特每秒的60千兆赫兹光纤无线链路(Simple Multi-Gbps60GHz Radio-over-Fiber Links Employing Opticaland Electrical Data Up-conversion and Feed-Forward Equalization)”；C.T.Lin等人于2010年8月15日在电气和电子工程师协会/美国光学学会的光波技术期刊的第28卷第16期第2296-2306页的“利用光频率复用和OFDM格式的超高数据速率60千兆赫兹光纤无线系统(Ultra-high Data-rate60GHz Radio-over-Fiber Systems Employing OpticalFrequency Multiplication and OFDMFormats)”；K.I.Kitayama和R.A.Grifin于1999年2月在电气和电子工程师协会的光学技术快报的第11卷第2期第287-289页的“在50千米长光纤链路上利用电吸收调制器的从毫米波到中频带的光下变频(Optical downconversionfrom millimeter-wave to IF-Band over50km long optical fiber link using anelectroabsorption modulator)”；Z.Xu、X.Zhang和J.Yu于2007年在光学快讯的第15卷第25期第16737-16747页的“用于光纤无线下行链路的利用光载波抑制的多个射频信号的频率上转换(Frequency upconversion of multiple RF signals using optical carriersuppression for radio over fiber downlinks)”；J.Yu、G.K.Chang、Z.Jia等人于2010年在光波技术期刊的第28卷第16期第2376-2397页的“用于非常高吞吐量的光纤无线接入系统的光毫米波技术和领域示范(Optical Millimeter Technologies and FieldDemonstration for Very High Throughput Wireless-Over-Fiber Access Systems)”；I.G.Insua、D.Plettemeier和C.G.于2009年在光网络期刊的第8卷第1期第77-83页的“基于光纤无线的具有10千兆比特/秒的无线接入(Radio-over-fiber-basedwireless access with10Gbits/s data rates)”；M.Weiβ等人于2008年8月1日在电气和电子工程师协会的光波技术期刊的第26卷第15期第2424-2429页的“用于高达12.5千兆比特/秒的短到中等距离无线传输的60千兆赫兹的光毫米波链路”(60-GHz photonicmillimeter-wave link for short-to medium-range wireless transmission upto12.5Gb/s)；以及A.Chowdhury、J.Yu、H.C.Chien、M.-F.Huang、T.Wang、G.-K.Chang于2009年在欧洲光通信会议上的4.5.1中的“光纤无线波分复用无源光网络接入系统中同时传送112千兆比特每秒的基带有线信号和传送承载10千兆比特每秒光纤无线信号的60千兆赫兹毫米波的频谱效率(Spectrally efficient simultaneous delivery of112Gbpsbaseband wireline and60GHz MM-wave carrying10Gbps optical wireless signal inradio-over-fiber WDM-PON accesssystems)”。
最近，60千兆赫兹毫米波光纤无线(ROF)接入系统承载10千兆比特/秒的开关键控(OOK)数据用于短距离无线传输及100千兆比特/秒的有线下行和10千兆比特/秒的无线上行已经被展示，正如A.Chowdhury、J.Yu、H.C.Chien、M.-F.Huang、T.Wang、G.-K.Chang于2009年在欧洲光通信会议上的4.5.1中的“光纤无线波分复用无源光网络接入系统中同时传送112千兆比特每秒的基带有线信号和传送承载10千兆比特每秒光纤无线信号的60千兆赫兹毫米波的频谱效率(Spectrally efficient simultaneous delivery of112Gbpsbaseband wireline and60GHz MM-wave carrying 10Gbps optical wireless signal inradio-over-fiber WDM-PON access systems)”中所描述的。
发明概述
期望超宽带接入网络为下行链路和上行链路都提供对称有线服务。简要地说，本发明是针对提供长距离无线毫米波信号和对称有线服务的新颖的光纤无线结构。新颖的使能技术被用于克服光纤色散，降低成本，并且提供超宽带和长距离服务。
在本发明方法和系统中，使用第一波长的第一连续波光波和第二波长的第二连续波光波承载下行数据。第一连续波光波承载无线数据并且第二连续波光波承载有线数据。第三波长的第三连续波光波被用于产生毫米波信号，并作为本地振荡器用于上行信号的相干检测。光滤波器被用于降低在下行有线数据和第一波长的及第三波长的信号之间的串扰，并且偏振保持光耦合器被用于使第一光波、第二光波和第三光波结合，第一光波、第二光波和第三光波的结合在下行链路光纤上被传输。第二光滤波器被用于分开毫米波信号、第一波长的下行信号和第三波长的本地振荡器，并且高速光电二极管被用于检测第一波长的第一连续波光波和第二波长的第二连续波光波。毫米波信号被放大并被广播。
可选地，下行(与/或上行)有线数据是PM-QPSK、PM-8PSK或PM-8QAM调制的，并且下行无线数据是OOK或OFDM调制的；或者在第一连续波光波和第三连续波光波之间的频率间隔近似为60千兆赫兹，并且在第一连续波光波和第二连续波光波之间的间隔近似为30千兆赫兹；或者在偏振保持光耦合器之后使用光交织器。本发明的进一步的实施方式中，自混频方案被用于下变频被广播的毫米波信号，或使用相干检测。
本发明的另一个方面是使用第三连续波光波承载上行有线数据并在上行链路光纤上传输上行有线数据，其中上行有线数据被相干检测。在某些实施方式中，第二本地振荡器被使用，其中第二本地振荡器来自于第三波长的第三连续波光波源。
附图简述
本发明的实施方式通过附图的方式示出，其中：
图1示出了超宽带光纤无线网络的结构；
图2示出了超宽带光纤无线网络的结构以及它的相应的光谱(超宽带光纤无线网络的结构的光谱及实验装置：(a)-(d)0.01纳米的分辨率和(e)0.1纳米的分辨率)；以及
图3((a)为12.5千兆比特/秒下行信号；(b)为112千兆比特/秒下行和上行有线信号)示出了来自图2中所示结构的误码率(BER)曲线。
具体实施方式
期望超宽带接入网络为下行链路和上行链路都提供对称有线服务。本发明的实施方式展示了提供这些超宽带服务的新颖的无线结构，并且某些实施方式利用新颖的使能技术。
为了克服光纤色散，两个具有60千兆赫兹(+/-10兆赫兹)的频率间隔的自由振荡激光器被用于产生60千兆赫兹的光毫米波，其中一个激光器承载12.5千兆比特/秒的基带数据，并且另一个激光器不承载任何数据。自混频被用于在终端用户侧实现稳定的下变频。为了降低成本，相同的连续波(CW)光波源用于在中心站产生光毫米(mm)波，并且也作为本地振荡器(LO)，用于上行100千兆比特/秒的偏振复用(PM)-QPSK的相干检测。
图1中示出了超宽带光纤无线网络的结构。此结构包括下述的一个或多个：光交织器(IL)、低通滤波器(LPF)、电气放大器(EA)、光电二极管(PD)、波长选择开关(WSS)、偏振保持光耦合器(PM-OC)、强度调制器(IM)和本地振荡器(LO)。
中心站中，在λ1和λ2处的两个CW光波(CW1和CW2)被用于分别承载下行有线PM-QPSK数据(高达100千兆比特/秒)和无线OOK数据(高达12.5千兆比特/秒)。可选地，无线数据可以以其他信号格式出现，比如OFDM，或者以其他比特速率被传输或者两者皆是。有线数据(上行或下行)可以可选地以其他信号格式(例如，PM-8PSK、PM-8QAM或其他调制格式)出现，或者以其他比特速率(例如10千兆比特/秒、40千兆比特/秒，或其他比特速率)被传输，或者两者皆是。
在λ3处的第三自由振荡CW光波(CW3)被用于提供产生60千兆赫兹的毫米波的源，并且也作为LO用于上行信号的相干检测。CW1和CW3之间的频率间隔是60千兆赫兹，而CW1和CW2之间的间隔是30千兆赫兹。一个30千兆赫兹光滤波器(例如，光交织、阵列波导光栅(AWG)、WSS，或其他光滤波器)被用于去除下行有线数据的某些频谱成分，因此降低了在下行有线数据和在λ1和λ3处的信号之间的串扰。
偏振保持光耦合器(PM-OC)被用于使在λ1、λ2和λ3处的三个信号结合。在某些实施方式中，为了保证结合的无线和有线信号保持100千兆赫兹的间隔，在PM-OC之后使用100千兆赫兹的光交织器。
经下行链路光纤传输之后，光滤波器(例如，光交织器、AWG、WSS或其他光滤波器)被用于分开光毫米波信号、在λ2处的下行信号和在λ3处的LO。通过高速光电二极管选择和检测在λ1和λ2处的两个光波，以产生电毫米波信号。在放大和广播之后，产生的电毫米波信号在终端用户处被检测。在终端用户处，自混频方案被用于下变频无线信号。相干检测被用于有线下行PM-QPSK信号。被分开的在λ3处的光波也可用于承载上行PM-QPSK有线数据(高达100千兆比特/秒)。经上行链路光纤传输之后，上行PM-QPSK有线数据被相干检测，并且LO来自同一个在λ3处的CW源。
图2示出了超宽带和长距离光纤无线接入网络的实验装置。此结构包括下述的一个或多个：外腔激光器(ECL)、相位调制器(PM)、偏振保持光耦合器(PM-OC)、强度调制器(IM)、波长选择开关(WSS)、电气放大器(EA)，以及低通滤波器(LPF)。
三个具有小于100千赫兹的线宽和14.5分贝毫瓦的输出功率的CW光波分别通过在1547.60纳米(λ1)处、1547.36纳米(λ2)处和1547.12纳米(λ3)处的三个外腔激光器(ECL)产生。对于100千兆比特/秒下行有线信号，在λ2处的CW通过偏振复用光I/Q调制器被调制，以产生112千兆比特/秒的PM-QPSK下行信号。
I/Q调制器被四组具有215-1的字长的28千兆比特/秒的伪随机比特序列(PRBS)电信号所驱动。接着，100千兆比特/秒的PM-QPSK信号通过一个具有30千兆赫兹传送窗口的可编程光WSS(WSS1)。在λ1处的CW光波通过一个强度调制器(IM)被调制，该强度调制器被具有231-1的字长的12.5千兆比特/秒PBRS数据所驱动，以产生有序的光开/关键控(OOK)不归零光信号。在λ3处的CW通过使用3分贝1ⅹ2偏振保持耦合器(PM-OC2)被分开，信号的一部分被保留作为LO，用于上行信号的相干检测，信号的另一部分通过4ⅹ1PM-OC(PM-OC1)与112千兆比特/秒的下行有线信号及12.5千兆比特/秒的无线信号结合。
PM-OC1之后的光谱如图2中的插图(a)所示。λ1和λ3之间的波长间隔是0.48纳米(60千兆赫兹)，而在λ1处112千兆比特/秒的有线信号与在λ2处12.5千兆比特/秒的无线信号之间的间隔设置为0.24纳米。
经80千米的下行光纤(单模光纤28)传输之后，具有一个输入端口和两个输出端口的一个WSS(WSS2)被用于选择在λ3处的CW和在λ1处的12.5千兆比特/秒的无线数据。WSS之后的光谱如图2中的插图(b)所示，其中两个信号之间的频率间隔为0.48纳米(60千兆赫兹)。传输距离不限于80千米，并且传输光纤可以为单模光纤28、或者其他光纤。
在60千兆赫兹的电毫米波信号被在60千兆赫兹的中心频率处具有10千兆赫兹的3分贝带宽的电气窄带放大器放大之前，该60千兆赫兹的电毫米波信号通过具有70千兆赫兹的带宽的PIN光电二极管中的检测而产生。被转换的电信号通过使用具有自混频方案的电混合器直接下变频而不经无线传输，以重新得到12.5千兆比特/秒的OOK控信号。
接收到的12.5千兆比特/秒的OOK信号经80千米的单模光纤传输之前和之后的眼图和相应的误码率性能如图3(a)所示。在接收到的眼图上显示的形状变化归因于光纤色散，并且功率损失小于1分贝。
另一个WSS(WSS3)被用于选择在λ3处的CW和在λ2处的112千兆比特/秒的光信号。112千兆比特/秒的PM-QPSK信号被相干检测。在λ3处的CW通过另一个I/Q调制器被调制，以承载112千兆比特/秒的PM-QPSK上行信号。经80千米的单模光纤28上行链路光纤传输之后，上行信号被相干检测，其利用在λ3处的CW光波产生的LO。
对于下行和上行100千兆比特/秒的PM-QPSK信号的相干检测，其在平衡检测之前，使用偏振反转90度混合体来实现LO及接收到的光信号的相位反转相干检测和偏振。模拟到数字转换(A/D)在具有80千兆比特/秒的采样速率和30千兆赫兹的电气带宽的数字范围中实现。捕获到的数据通过离线数字信号处理(DSP)被处理。
第一，使用“二乘滤波”方法提取时钟，基于恢复时钟，数字信号以两倍波特速率被重新采样。第二，T/2间隔的时域有限脉冲响应(FIR)滤波器被用于色度色散的补偿。第三，对于112千兆比特/秒的PM-QPSK信号，使用两个复值的、13抽头、T/2间隔的自适应FIR滤波器，以经典的恒模算法(CMA)为依据，重新得到QPSK信号的模；载波恢复在之后的步骤中被执行，其中第四功率被用于估计在LO和接收到的光信号之间的频移，并且接着利用最大似然(ML)算法估计载波相位。
图3(b)示出了112千兆比特/秒的下行PM-QPSK信号的误码率曲线，其中用于误码率计算的数据集包含10ⅹ65000个符号。在背靠背(back-to-back)情况下，在1ⅹ10E-3的误码率处的光信噪比要求是16.4分贝，经80千米的传输后，光信噪比损失是可忽略的。图3(b)中插入了测量的信号经传输之后的相应的星座图。图3(b)中也示出了112千兆比特/秒的上行信号的误码率性能和相应星座图，在1ⅹ10E-3的误码率处的光信噪比要求是16分贝，并且经80千米的单模光纤28的上行链路光纤传输之前和之后的光信噪比损失可以被忽略。
展示了超宽带光纤无线系统，其为80千米长距离的下行和上行链路都提供12.5千兆比特/秒的无线和100千兆比特/秒的对称有线服务。此外，使用新颖的使能技术降低系统的成本，包括：用于产生光毫米波的自由振荡CW激光器和用于稳定运行的自混频下变频，以及共享CW源作为用于上行信号相干检测与光毫米波信号产生的LO信号。经80千米传输后，在60千兆赫兹的毫米波信号处，对于12.5千兆比特/秒，光功率损失小于1分贝。下行和上行100千兆比特/秒的有线信号的光信噪比损失都是可忽略的。

Claims (27)

1.一种超宽带服务的方法，包括：
通过外腔激光器产生第一波长的第一连续波光波、第二波长的第二连续波光波和第三波长的第三连续波光波，且产生第三波长的第三连续波光波的外腔激光器不承载任何数据；
使用第一波长的第一连续波光波和第二波长的第二连续波光波承载下行数据，其中所述第一连续波光波承载下行无线数据并且所述第二连续波光波承载下行有线数据；
所述第三波长的第三连续波光波的一部分作为本地振荡器用于上行信号的相干检测，另一部分与所述第一连续波光波和第二连续波光波结合；
通过第一光滤波器去除所述下行有线数据的某些频谱成分，以降低在所述下行有线数据的信号与所述第一波长的信号及所述第三波长的信号之间的串扰；
通过偏振保持光耦合器使所述第一波长的第一连续波光波、所述第二波长的第二连续波光波和所述第三波长的第三连续波光波结合，产生在下行链路光纤上传输的结合光波；
所述结合光波经下行链路光纤传输之后，通过第二光滤波器被分开为第一波长的第一连续波光波和第三波长的第三连续波光波、第二波长的第二连续波光波、第三波长的第三连续波光波；
通过高速光电二极管检测所述第一波长的第一连续波光波和所述第三波长的第三连续波光波，以产生毫米波信号；以及
放大并且广播所述毫米波信号。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述下行有线数据是PM-QPSK、PM-8PSK或PM-8QAM调制的，并且所述下行无线数据是OOK或OFDM调制的。
3.如权利要求1所述的方法，其中在所述第一连续波光波和所述第三连续波光波之间的频率间隔近似为60千兆赫兹，并且在所述第一连续波光波和所述第二连续波光波之间的间隔近似为30千兆赫兹。
4.如权利要求1所述的方法，还包括在所述偏振保持光耦合器之后使用光交织器。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述光交织器为100千兆赫兹。
6.如权利要求1所述的方法，其中自混频方案被用于下变频被广播的毫米波信号。
7.如权利要求1所述的方法，还包括使用相干检测。
8.如权利要求1所述的方法，还包括使用所述第三波长的第三连续波光波承载上行有线数据；并且在上行链路光纤上传输所述上行有线数据，其中所述上行有线数据被相干检测。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述上行有线数据是PM-QPSK、PM-8PSK或PM-8QAM调制的。
10.一种超宽带网络，包括：
用于产生第一波长的第一连续波光波、第二波长的第二连续波光波和第三波长的第三连续波光波的外腔激光器，且产生第三波长的第三连续波光波的外腔激光器不承载任何数据；
用于使用第一波长的第一连续波光波和第二波长的第二连续波光波承载下行数据的装置，其中所述第一连续波光波承载下行无线数据并且所述第二连续波光波承载下行有线数据；
用于使用所述第三波长的第三连续波光波的一部分作为本地振荡器用于上行信号的相干检测，另一部分与所述第一连续波光波和第二连续波光波结合的装置；
用于去除下行有线数据的某些频谱成分，以降低在下行的所述下行有线数据的信号与所述第一波长的信号及所述第三波长的信号之间的串扰的装置；
用于使所述第一波长的第一连续波光波、所述第二波长的第二连续波光波和所述第三波长的第三连续波光波结合、产生在下行链路光纤上传输的结合的光波的装置；
用于所述结合光波经下行链路光纤传输之后，分开为第一波长的第一连续波光波和第三波长的第三连续波光波、第二波长的第二连续波光波、第三波长的第三连续波光波的装置；
用于检测所述第一波长的第一连续波光波和所述第三波长的第三连续波光波，以产生毫米波信号的装置；以及
用于放大和广播所述毫米波信号的装置。
11.如权利要求10所述的网络，其中所述下行有线数据是PM-QPSK、PM-8PSK或PM-8QAM调制的，并且所述下行无线数据是OOK或OFDM调制的。
12.如权利要求10所述的网络，其中在所述第一连续波光波和所述第三连续波光波之间的频率间隔近似为60千兆赫兹，并且在所述第一连续波光波和所述第二连续波光波之间的间隔近似为30千兆赫兹。
13.如权利要求10所述的网络，还包括在用于使所述第一波长的第一连续波光波、所述第二波长的第二连续波光波和所述第三波长的第三连续波光波结合、产生在下行链路光纤上传输的结合的光波的装置之后使用的光交织器。
14.如权利要求13所述的网络，其中所述光交织器近似为100千兆赫兹。
15.如权利要求10所述的网络，其中自混频方案被用于下变频被广播的毫米波信号。
16.如权利要求10所述的网络，还包括用于相干检测的装置。
17.如权利要求10所述的网络，还包括用于使用所述第三波长的第三连续波光波承载上行有线数据的装置；以及
用于在上行链路光纤上传输所述上行有线数据的装置，其中所述上行有线数据是被相干检测的。
18.如权利要求17所述的网络，其中所述上行有线数据是PM-QPSK、PM-8PSK或PM-8QAM调制的。
19.一种超宽带网络，包括：
外腔激光器，其用于产生第一波长的第一连续波光波和第二波长的第二连续波光波以及第三波长的第三连续波光波，其中所述第一连续波光波承载下行无线数据并且所述第二连续波光波承载下行有线数据，产生第三波长的第三连续波光波的外腔激光器不承载任何数据；所述第三连续波光波的一部分被用于作为本地振荡器用于上行信号的相干检测，另一部分与所述第一连续波光波和第二连续波光波结合；
第一光滤波器，其用于去除下行有线数据的某些频谱成分，以降低在下行有线数据的信号与所述第一波长的信号及所述第三波长的信号之间的串扰；
偏振保持光耦合器，其用于使所述第一波长的第一连续波光波、所述第二波长的第二连续波光波和所述第三波长的第三连续波光波结合，产生在下行链路光纤上传输的结合的光波；
第二光滤波器，其用于所述结合光波经下行链路光纤传输之后，将所述结合光波分开为第一波长的第一连续波光波和第三波长的第三连续波光波、第二波长的第二连续波光波、第三波长的第三连续波光波；
高速光电二极管，其用于检测所述第一波长的第一连续波光波和所述第三波长的第三连续波光波，以产生毫米波信号；以及
发送器，其用于广播所述毫米波信号。
20.如权利要求19所述的网络，其中所述下行有线数据是PM-QPSK、PM-8PSK或PM-8QAM调制的，并且所述下行无线数据是OOK或OFDM调制的。
21.如权利要求19所述的网络，其中在所述第一连续波光波和所述第三连续波光波之间的频率间隔近似为60千兆赫兹，并且在所述第一连续波光波和所述第二连续波光波之间的间隔近似为30千兆赫兹。
22.如权利要求19所述的网络，还包括在所述偏振保持光耦合器之后的光交织器。
23.如权利要求22所述的网络，其中所述光交织器近似为100千兆赫兹。
24.如权利要求19所述的网络，其中自混频方案被用于下变频被广播的毫米波信号。
25.如权利要求19所述的网络，还包括用于相干检测的装置。
26.如权利要求19所述的网络，还包括用于使用所述第三波长的第三连续波光波承载上行有线数据的上行链路光纤。
27.如权利要求26所述的网络，其中所述上行有线数据是PM-QPSK调制的。
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