基于光纖的無(wú)線(xiàn)信號與電能融合傳輸系統研究

  隨著(zhù)信息技術(shù)的高速發(fā)展，高清視頻、局域物聯(lián)、智慧城市、自動(dòng)駕駛等新興業(yè)務(wù)即將迎來(lái)大規模的推廣和使用。無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)將迎來(lái)質(zhì)的飛躍，移動(dòng)數據流量也將呈現指數增長(cháng)，并且這種增長(cháng)正在加速光纖無(wú)線(xiàn)電(Radio over Fiber，RoF)系統的發(fā)展。

  無(wú)線(xiàn)化和寬帶化是當今通信業(yè)乃至整個(gè)信息業(yè)的熱點(diǎn)，兩者結合將產(chǎn)生巨大的潛力[1]。光纖無(wú)線(xiàn)電技術(shù)是將射頻(Radio Frequency，RF)信號傳輸到中央局(Central Office，CO)和遠程天線(xiàn)單元(Remote Access Unit，RAU)之間光纖鏈路中的關(guān)鍵技術(shù)。在當前的RoF系統中，數字信號被廣泛使用，但模擬信號的使用對于提高射頻信號的數據容量和簡(jiǎn)化RAU的配置具有很大的潛力[2]。

  在未來(lái)的移動(dòng)通信中，為了支持更高的RF信號數據速率，需要減小RAU的大小，并且必須安裝大量的RAU，尤其是在人口密集的區域。RAU數量的增加，進(jìn)一步增加了移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的運營(yíng)管理成本，所以需要對RAU進(jìn)行更加簡(jiǎn)單與經(jīng)濟的管理。光纖傳能(Power-over-Fiber，PWoF)是一種將通用光纖的數據信號和光電功率同時(shí)進(jìn)行傳輸到各種光纖中的簡(jiǎn)單而實(shí)用的傳輸方法，光纖傳能技術(shù)利用光纖傳送能量，通過(guò)光電轉換后，為遠端單元提供更清潔、安全的能源技術(shù)。PWoF系統能在惡劣的環(huán)境以及極端的天氣下維持相對穩定的能量傳送，且傳輸能量為高功率。PWoF系統在傳輸過(guò)程中損耗與電能相比較低，對能量的損傷閥值也較高，并且傳送時(shí)的光纖也具有耐高溫等特性，進(jìn)一步保證了PWoF系統在各種極端傳輸場(chǎng)景中的應用。

  關(guān)鍵技術(shù)

  對于RoF-PWoF系統，主要涉及到光纖材料的選取、RoF系統的實(shí)現、信號觀(guān)測點(diǎn)的選取以及PWoF系統的實(shí)現。

  光纖選擇

  在基于RoF的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )中，PWoF的使用會(huì )將電源集中在中心局，即PWoF集中了供電系統。并且，可以在同一根光纖中提供具有光數據信號的饋電光(光功率)。因此，需要了解不同光纖的特點(diǎn)，以及其對饋電效率的影響。光纖的選擇對于系統能否穩定運行起到了關(guān)鍵性的作用。

  常見(jiàn)光纖一般有兩種，分別為單模光纖(SMF)和多模光纖(MMF)。其中，單模光纖的芯徑一般約為10 μm[4]，芯徑太小使其不適用于光纖傳能。因為單模光纖的直徑小，所以其核心區小，也就嚴格限制了可用的饋電光功率。多模光纖是指在工作時(shí)可以傳播多種模式光的光纖，這種光纖支持多種傳輸模式，光纖的纖芯直徑一般在50 μm左右，其核心面積與單模光纖相比更大。在傳輸距離方面多模光纖的較近，通常最遠傳輸距離一般為幾千米，而單模光纖較遠，傳輸距離約為多模光纖的幾十倍[4]，且多模光纖的傳輸帶寬收到模式色散支配，這也使多模光纖的應用鏈路傳輸速度難以得到大幅提高，也因此限制了多模光纖的信息傳輸容量。

  為了解決單模光纖與多模光纖的限制，提出以下幾種方法：一種是使用多芯光纖(MCF)，另一種是使用雙包層光纖(DCF)。多芯光纖擁有多個(gè)核心，而雙包層光纖則是由單模芯和多模內包層組成。由于雙包層光纖的雙核結構，使該種光纖能夠同時(shí)傳輸光數據信號和高功率饋電光，而信號和饋電光之間沒(méi)有明顯的串擾。因此，在試驗中，最優(yōu)選擇為雙包層光纖。

  RoF與PWoF系統

  光纖通信可以為網(wǎng)絡(luò )提供穩定、高速的接入支持，可以滿(mǎn)足長(cháng)距離傳輸的需要;而無(wú)線(xiàn)通信可以讓用戶(hù)擺脫線(xiàn)纜的束縛，具有很強的移動(dòng)性和靈活性。RoF技術(shù)是一種將光纖通信技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相結合的技術(shù)[1]，光載無(wú)線(xiàn)系統適應這個(gè)時(shí)代的特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足用戶(hù)日益增長(cháng)的大量高速的網(wǎng)絡(luò )需求，為未來(lái)的通信和網(wǎng)絡(luò )升級保駕護航。光載無(wú)線(xiàn)通信系統通常由中心局、光纖鏈路(Optic Link)、基站(Base Station，BS)和用戶(hù)終端(User Station)4部分組成[2-4]。

  一個(gè)基本的RoF系統的結構并不復雜，而且RoF系統還可以對信號進(jìn)行調制，經(jīng)過(guò)調制的信號經(jīng)過(guò)光纖鏈路傳輸到達接收端，也就是RAU端。隨后，傳輸的信號經(jīng)過(guò)光電轉換器轉換后得到其原始信號。RoF系統在增加中心局的成本和設備復雜度的同時(shí)將基站部分簡(jiǎn)化，更有利降低接入網(wǎng)的組網(wǎng)成本，提高資源共享以及分配的靈活性，降低系統維護的成本以及難度[4]。

  在進(jìn)行試驗時(shí)，需要設立信號觀(guān)察點(diǎn)對信號進(jìn)行觀(guān)測。信號觀(guān)測點(diǎn)主要位于以下部位：一側是調制器的輸出信號，此觀(guān)測點(diǎn)可以對信號光譜進(jìn)行分析;另一側是在光纖傳輸中的信號，此觀(guān)測點(diǎn)可測量還原信號，分析觀(guān)測得到的數據后對RoF系統的有效性進(jìn)行分析[4]。

  光纖傳能系統，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是傳輸能量的介質(zhì)為光纖，并且可以將電能轉換成光能傳輸的系統。光作為能量傳輸的形式與傳統的電能傳輸相比有著(zhù)顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)，其中最明顯的優(yōu)點(diǎn)是對發(fā)送與接收設備的絕緣性能不做要求。光纖傳能系統主要由光電轉換模塊、光源、光纖、光接收模塊組成。

  光纖傳能是現階段的一種獨特的能量傳輸方式。光纖傳能穩定性較好，在極端環(huán)境條件下，此系統可以有效克服干擾，并為設備、必要電子器件供能，但由于器件發(fā)展的限制，PWoF的應用很有限。隨著(zhù)研究的不斷發(fā)展以及特殊環(huán)境中應用的急切需求，光纖傳能系統必在將來(lái)的傳感網(wǎng)絡(luò )中得到廣泛的應用[4]。其中，在電力行業(yè)中應用廣泛的電流互感器已經(jīng)實(shí)現了商業(yè)化生成，在不遠的未來(lái)，光纖傳能必定能在更多領(lǐng)域實(shí)現產(chǎn)業(yè)化、規?；?、商業(yè)化的發(fā)展與廣泛的應用[5]。

  RoF-PWoF系統模型以及仿真結果分析

  系統模型

  融合系統主要是基于RoF系統之上，整體框架都是在RoF系統的基礎之上進(jìn)行改進(jìn)，然后在此基礎上加入PWoF系統使能對遠端天線(xiàn)單元供電，本試驗利用OptiSystem軟件對其進(jìn)行仿真并得到相關(guān)數據。試驗框架如圖1所示。

  圖1 RoF-PWoF融合系統框架圖

  由圖1可知，融合系統主要由兩部分組成，上半部分為信號的傳送，下半部分為融合系統雙向傳輸性能的驗證。首先，在CO端由一個(gè)激光器產(chǎn)生光學(xué)模擬信號，之后再加入不同的調制信號對光信號進(jìn)行調制，調制后信號在經(jīng)過(guò)摻鉺光纖放大器(EDFA)放大后，又經(jīng)過(guò)濾波器濾波處理等。隨后，由兩個(gè)高功率激光器(HPLD)產(chǎn)生的光學(xué)模擬信號和饋電光與之前被處理的信號組合，經(jīng)過(guò)循環(huán)器(CIR)進(jìn)入光纖，然后到達RAU端。

  在RAU端，首先對信號進(jìn)行光功率的測量，在線(xiàn)監測通道光功率(OPM)計算出該系統的光功率傳遞效率;之后，信號再由光電二極管(PD)將其轉換為電信號。電信號由信號分析儀(SA)等進(jìn)行測量，得到相關(guān)試驗數據。與此同時(shí)，在RAU中輸入光信號并傳輸到CO，在CO端經(jīng)過(guò)放大，經(jīng)過(guò)光電二極管轉化為電信號等過(guò)程;另外，需要測量信號質(zhì)量，評估該系統的雙向傳輸性能。在試驗中，加入循環(huán)器(CIR)的主要目的是使該系統可以進(jìn)行雙向傳輸，區分不同方向的信號。

  仿真結果分析

  在進(jìn)行仿真時(shí)，將仿真分為信號單獨傳輸與融合傳輸兩部分。先進(jìn)行光學(xué)信號單獨傳輸模擬，隨后進(jìn)行光信號以及電信號的兩種信號融合傳輸，并驗證雙向傳輸特性，逐漸加深仿真的難度，最終完成仿真。

  圖2為光學(xué)信號仿真結果。其中，加入光脈沖信號經(jīng)EDFA放大后波形如圖2(a)所示，還原后如圖2(b)所示。對比圖2(a)與圖2(b)發(fā)現信號的頻率與調制信號的頻率基本一致。

圖2 光學(xué)信號傳輸對比圖

  兩種信號融合接收信號的BER特性，因為OptiSystem的軟件環(huán)境的限制，選用雙向光纖，并測量該系統的雙向傳輸性能。通過(guò)BER特性分析可以發(fā)現，模擬信號在系統中的傳輸效率較好。融合系統的雙向傳輸性能驗證基于上述試驗。為了實(shí)現這一性能，在光纖兩端加入了環(huán)回器。環(huán)回器的作用可以將不同方向的傳輸信號分隔開(kāi)，在RAU端輸入激光信號，該激光信號被正弦信號調制，調制后的信號通過(guò)光纖傳輸到達CO端，并在CO端經(jīng)過(guò)放大及光電轉換等，從而驗證系統的雙向傳輸性能。

  結束語(yǔ)

  通過(guò)對整個(gè)系統的探究與試驗和仿真軟件的仿真，本設計基于RoF系統與PWoF系統的仿真得到實(shí)現，說(shuō)明這兩個(gè)系統的融合傳輸在理論上成立。通過(guò)單個(gè)模擬信號和數字信號融合傳輸的試驗仿真結果，可以發(fā)現信號的傳輸效果較好，證明該方案具有實(shí)際的送電能力，與數字信號之間具有很高的隔離性。光學(xué)供電的RoF系統同時(shí)實(shí)現了驅動(dòng)RAU所需的電力輸送和同一光纖中RoF數據信號的雙向傳輸，能夠傳輸驅動(dòng)遠端天線(xiàn)單元所需的光學(xué)數據和功率。

  作者：楊立偉, 劉鑫來(lái). 基于光纖的無(wú)線(xiàn)信號與電能融合傳輸系統研究[J]. 信息通信技術(shù)與政策, 2020(12): 93-96.