2智能光載無線網(wǎng)絡的媒體訪問控制層技術

　　在構建有效網(wǎng)絡的基礎上，還需要考慮怎樣實現(xiàn)網(wǎng)絡內(nèi)部公平有效的資源共享，這就需要為網(wǎng)絡架構配備合理的資源分配機制--媒體訪問控制（MAC）層協(xié)議。智能RoF網(wǎng)絡MAC層協(xié)議目前尚沒有統(tǒng)一的標準[4],國際研究主要集中在對傳統(tǒng)的無線通信標準如、WiMAX的MAC協(xié)議改進其響應時間等相關參數(shù)以抵消光纖引入的時延從而使其適用于光纖無線電系統(tǒng)。然而在實際的RoF系統(tǒng)中，由于信號的衰減使得傳統(tǒng)的分布式的載波偵聽多點接入/沖突避免的協(xié)議喪失有效性。因此，提出專為RoF系統(tǒng)設計的MAC層協(xié)議勢在必行。

　　我們提出基于光載無線網(wǎng)絡動態(tài)可重構屬性的MAC層協(xié)議的新模型[5].主要包括設計采用了頻率和時間雙重屬性因子的混合MAC層協(xié)議，將光纖引入的額外時延考慮進層協(xié)議設計中，利用時間同步補償技術，實現(xiàn)各遠端天線單元的邏輯準同步，從而通過加入頻率標識，支持光載無線網(wǎng)絡動態(tài)可重構屬性。

　　在上述混合MAC幀結(jié)構基礎上，我們進一步提出了低功耗動態(tài)可控MAC幀結(jié)構[6],圖6所示為幀結(jié)構，圖6（a）和（b）分別是下行幀結(jié)構和上行MAC幀結(jié)構。通過在幀結(jié)構中設計天線控制域“（ on-off”域）實現(xiàn)對子天線工作/非工作狀態(tài)的集中管控，進而降低能耗。

　　通過將光纖引入的額外時延考慮進層協(xié)議設計中，利用時間同步補償技術，實現(xiàn)各RAU的邏輯準同步。上述動態(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)絡的能耗。

　　3動態(tài)可重構智能光載無線系統(tǒng)

　　最主要的功能是實現(xiàn)光纖與無線的相互融合，從而實現(xiàn)寬帶、高速和無線化的信息傳遞。這就需要搭建高效經(jīng)濟的RoF系統(tǒng)將射頻信號加載到光載波上，并經(jīng)遠距離傳輸，在基站通過寬帶天線實現(xiàn)點對點多業(yè)務無線信號的傳送。

　　3.1認知、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制，使多信道無線信號的聯(lián)合處理以及分布式動態(tài)可重構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、時隙資源以及功率資源，可實現(xiàn)靈活、高效、低耗能的無線通信接入。

　　我們基于RoF系統(tǒng)的中心處理機制，提出并搭建了具有認知、協(xié)同及低能耗的分布式動態(tài)可重構光載無線接入系統(tǒng)。系統(tǒng)在中心站同時控制多小區(qū)、多信道的頻譜與時隙資源，利用遠端天線收集各個小區(qū)和信道的使用狀況，將資源合理搭配，實現(xiàn)動態(tài)可重構屬性，使資源得到最大程度的利用。

　　所提分布式系統(tǒng)具有認知、協(xié)同與低能耗3個特點。其中認知指的是中心站通過遠程天線單元了解天線所在小區(qū)的無線信道使用狀況，并以此計算分配資源方案；協(xié)同則是指在計算出最優(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)設備，通過對微波和光波資源的控制實現(xiàn)資源的調(diào)度和網(wǎng)絡的動態(tài)可重構屬性；低能耗則是指由于中心站的資源由多個小區(qū)共同分享，因而減小了每個小區(qū)的設施，同時可在整個系統(tǒng)業(yè)務需求小時，關閉部分冗余設備和資源的功能，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)度是指同時考慮有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡的資源調(diào)度，從而最大化RoF網(wǎng)絡的資源利用率，主要內(nèi)容包括兩部分：算法部分和協(xié)議部分。

　　算法部分主要針對智能RoF網(wǎng)絡的路由算法進行資源調(diào)度。我們提出了聯(lián)合路由算法來實現(xiàn)RoF網(wǎng)絡中有線無線資源的聯(lián)合調(diào)度，從而實現(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)絡和無線網(wǎng)絡分為兩個域，在中心站（CO）中構建出3個路徑計算單元（PCE），其中兩個子PCE分別負責光網(wǎng)絡域和無線網(wǎng)絡域的算路，父PCE負責協(xié)調(diào)兩個域的路徑計算，當業(yè)務到來時，通過子PCE和父PCE之間的信息交互，可以實現(xiàn)分布式環(huán)境下RoF網(wǎng)絡中的全局最優(yōu)路徑。

　　協(xié)議部分主要針對智能RoF網(wǎng)絡的MAC協(xié)議進行資源調(diào)度。當無線網(wǎng)絡接入一個新的連接請求時，除了考慮無線側(cè)的資源分配外，還需要考慮排隊時間和注冊時間的影響，從而實現(xiàn)為業(yè)務分配合適的光波資源，達到微波光波資源的聯(lián)合調(diào)度。該方法僅僅從時延造成的影響方面研究了微波光波資源的聯(lián)合調(diào)度，實際上，當多個用戶競爭資源時，吞吐量和公平性問題也需要加以考慮以達到更高的網(wǎng)絡資源利用率，從而實現(xiàn)微波光波資源的聯(lián)合調(diào)度。

　　4智能RoF關鍵單元器件技術

　　在傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)中，大部分微波信號處理功能是在基站中通過電信號處理器來完成，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的處理功能。這就需要為RoF系統(tǒng)配備相應的組成器件，從而適應RoF系統(tǒng)信號處理頻域提升和業(yè)務集中的特點。

　　4.1光載寬帶無線信號的頻譜感知

　　探測泛在環(huán)境下微波信號的載頻大小，進行信息的獲取、處理和分析，是實現(xiàn)寬帶接入與泛在感知的關鍵。微波光子頻譜分析與感知正是基于此發(fā)展起來的一項關鍵技術，它利用微波光子技術瞬時寬帶處理能力強、質(zhì)量輕、損耗小、抗電磁干擾能力強等一系列優(yōu)點，實現(xiàn)了寬帶微波的瞬時處理與測量，給微波信號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頻率測量，實現(xiàn)了多頻點、寬帶的頻譜感知與分析。

　　基于相干信道化瞬時多頻點頻譜分析與感知方法：我們提出了通過在光域?qū)崿F(xiàn)一級濾波，在微波域?qū)崿F(xiàn)二級濾波，最后通過數(shù)字信號處理的方式對大帶寬、多頻點和高精度的信號進行感知處理的技術?；诠庾訅嚎s采樣的瞬時多頻點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處理手段，利用微波信號在頻譜上高度稀疏的特性，通過低速ADC采樣實現(xiàn)了對寬帶微波信號頻率測量。

　　4.2全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是一種將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的重要器件，是實現(xiàn)信號在高速通信網(wǎng)路中傳輸，以及實現(xiàn)信號儲存、處理的前端器件。

　　如圖7所示為應用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)來實現(xiàn)傳遞射頻（RF）信號。

　　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行，近年來備受各國科學家的重視。目前全球相關研究大都基于光纖實現(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體光放大器（SOA）中的非線性偏振旋轉(zhuǎn)（NPR）效應來實現(xiàn)全光ADC的方法[7],其原理結(jié)構如圖8所示。模擬信號被抽樣信號抽樣之后變成抽樣光脈沖，隨后被分成N份，輸入到由個基于NPR效應的量化編碼單元組成的量化編碼矩陣。每一個基于效應的量化編碼單元由兩個級聯(lián)的偏振開關（PSW）組成，如圖8（d）所示。其中PSW1實現(xiàn)預量化編碼，由于隨著抽樣光脈沖強度的增強，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之后級聯(lián)另外一個偏振開關PSW2,其作用是實現(xiàn)增益的動態(tài)補償。圖8（b）所示為量化編碼單元的傳輸函數(shù)，圖所示為相應的編碼輸出，預量化編碼和增益動態(tài)補償相結(jié)合的方式可以很好地實現(xiàn)量化編碼。由于SOA的增益恢復時間在皮秒級別，因而基于NPR效應的全光，其轉(zhuǎn)換速率可以達到幾百Gs/s（Giga-Samples Per Second）。

　　4.3微波光子濾波技術

　　微波光子濾波器（MPF）是在光域內(nèi)實現(xiàn)對微波/射頻信號進行濾波的器件。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、無電磁干擾（EMI）、低損耗和重量輕等優(yōu)點，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，就可以大大減小對基帶信號處理模塊的性能和復雜度要求，避免了電子器件在處理高頻信號上帶來的“瓶頸”問題，并降低了器件成本。

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

　　光信號每經(jīng)過一次環(huán)形器就產(chǎn)生延遲，理論上，光信號會無限次經(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，利用光子晶體波導分束器作為耦合單元，利用慢光波導作為延遲單元。相對于光纖環(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智能天線技術智能天線的基本原理是通過改變各天線單元的權重在空間形成方向性波束，主波束對期望用戶的信號進行跟蹤，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鍵技術。而電磁帶隙結(jié)構（EBG）是周期排列的結(jié)構，具有兩個重要特性，表面波帶隙和反射相位帶隙[9],利用兩個特性有利于提高波束的定向性，從而實現(xiàn)波束賦形。

　　共面緊湊型電磁帶隙結(jié)構由于不需要過孔，相對其他類型結(jié)構更易于加工制造。印刷的結(jié)構表面很高的表面阻抗，截斷了電流的傳播，同時對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)構應用于系統(tǒng)相當于引入一個人工磁壁。通過合理設計，EBG結(jié)構還可以多頻工作，如利用分形結(jié)構的自相似特性，在共面型EBG結(jié)構中引入分形，可得到多個帶隙[10],該結(jié)構可對天線的多個工作頻段性能同時進行改善。圖10（a）為UC-EBG結(jié)構，該結(jié)構引入了一級分形，通過對該結(jié)構進行交叉排列，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

　　由于同時具備無線化和寬帶化，光載無線技術深受業(yè)內(nèi)重視并已經(jīng)在國際上得到了應用。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，動態(tài)可重構的智能光載無線接入網(wǎng)絡應運而生。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態(tài)調(diào)配能力，為實現(xiàn)寬帶化、泛在化、低功耗動態(tài)可重構微波光波融合網(wǎng)絡提供堅實的理論基礎與技術支撐。