基于認(rèn)知無(wú)線電的ROF-PON光無(wú)線接入技術(shù)

隨著通信網(wǎng)絡(luò)朝著寬帶化、移動(dòng)化方向的發(fā)展，光纖無(wú)線通信系統(tǒng)(ROF)將光纖通信和無(wú)線通信融合到一起，發(fā)揮了光纖線路的寬帶化、抗干擾的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)發(fā)揮了無(wú)線通信方便靈活的特點(diǎn)，滿足了人們對(duì)寬帶的需求。早期的ROF 技術(shù)主要是致力于提供高頻無(wú)線傳輸服務(wù)，如毫米波光纖傳輸?shù)?。隨著ROF 技術(shù)的發(fā)展與成熟，人們開(kāi)始研究混合有線和無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，即可同時(shí)提供有線和無(wú)線服務(wù)的光纖無(wú)線通信系統(tǒng)。

隨著無(wú)線電通信的飛速發(fā)展，頻譜資源緊張的狀況日漸突出，如何在有限的無(wú)線資源條件下提高頻譜利用率以緩解頻譜資源的供需矛盾，已成為通信領(lǐng)域要解決的問(wèn)題。認(rèn)知無(wú)線電(CR)是智能頻譜共享技術(shù)，它通過(guò)對(duì)授權(quán)頻譜進(jìn)行“二次利用”，能有效提高頻譜資源利用率，已成為通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在802.11 無(wú)線局域網(wǎng)[1]、802.16 城域網(wǎng)[2] 和3G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)[3]已開(kāi)始研究應(yīng)用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)提高系統(tǒng)的容量，并開(kāi)始研究應(yīng)用ROF 技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)信號(hào)的混合傳輸[4]?；谡J(rèn)知無(wú)線電的混合傳輸有線和無(wú)線信號(hào)的光纖無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)是未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)?；谡J(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的混合傳輸ROF 系統(tǒng)面臨許多新的挑戰(zhàn)，例如網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)、各層協(xié)議設(shè)計(jì)、基于多種業(yè)務(wù)的有線和無(wú)線調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生、網(wǎng)絡(luò)的管理和調(diào)制信號(hào)的識(shí)別等等。

1 認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)

認(rèn)知無(wú)線電是解決頻譜缺乏和頻譜未充分利用的有效途徑，認(rèn)知無(wú)線電是智能的無(wú)線通信系統(tǒng)，它通過(guò)感知周圍環(huán)境的頻譜利用情況，并通過(guò)學(xué)習(xí)自適應(yīng)地調(diào)整自己的參數(shù)，達(dá)到有效利用頻譜資源和可靠通信。

應(yīng)用認(rèn)知無(wú)線電是實(shí)現(xiàn)頻譜資源從固定分配到動(dòng)態(tài)分配的關(guān)鍵技術(shù)。

在認(rèn)知無(wú)線電系統(tǒng)中，為了保護(hù)授權(quán)用戶( 或成為主用戶) 不受從用戶( 或用戶)的干擾，頻譜感知的功能是感知授權(quán)用戶是否存在。認(rèn)知無(wú)線電用戶當(dāng)監(jiān)視到授權(quán)用戶使用的頻帶未被使用時(shí)可以暫時(shí)使用。當(dāng)監(jiān)視到授權(quán)用戶的頻帶在使用時(shí)，CR用戶釋放該信道給授權(quán)用戶，這樣保證CR 用戶不對(duì)授權(quán)用戶產(chǎn)生干擾。

因此認(rèn)知無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)有如下顯著特點(diǎn)：

主用戶具有接入信道的絕對(duì)優(yōu)先權(quán)。一方面，當(dāng)授權(quán)用戶沒(méi)有占用信道時(shí)，從用戶機(jī)會(huì)接入空閑信道；當(dāng)主用戶再次出現(xiàn)時(shí)，從用戶要及時(shí)退出正在使用的信道，將信道還給主用戶使用。另一方面，當(dāng)主用戶占用信道時(shí)，從用戶可以在不影響主用戶服務(wù)質(zhì)量的條件下接入信道。

通信終端具有感知、管理和調(diào)整功能。首先CR 通信終端能夠感知所處工作環(huán)境中的頻譜和信道環(huán)境，并根據(jù)探測(cè)結(jié)果按照一定的規(guī)則確定對(duì)頻譜資源的共享和分配；另一方面CR 通信終端具有在線調(diào)整工作參數(shù)的能力，如改變載頻、調(diào)制方式等傳輸參數(shù)來(lái)適應(yīng)環(huán)境的變化。

在認(rèn)知無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，頻譜感知是關(guān)鍵技術(shù)。常用的頻譜感知算法有能量檢測(cè)、匹配濾波檢測(cè)、循環(huán)平穩(wěn)特征檢測(cè)方法等，這些方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，這些算法的性能取決于獲得的先驗(yàn)信息。已有的頻譜感知算法有：匹配濾波器、能量檢測(cè)器和特征檢測(cè)器方法。

匹配濾波器只能應(yīng)用到主信號(hào)是已知的條件下。能量檢測(cè)器能夠應(yīng)用到主信號(hào)未知的情況下，但當(dāng)采用短的感知時(shí)間時(shí)性能變差。由于特征檢測(cè)器的主要思想是利用信號(hào)的循環(huán)平穩(wěn)性，通過(guò)譜相關(guān)函數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。噪聲是寬平穩(wěn)信號(hào)且不具相關(guān)性，而調(diào)制信號(hào)是具有相關(guān)性且循環(huán)平穩(wěn)的。因此譜相關(guān)函數(shù)能夠區(qū)分噪聲能量和已調(diào)信號(hào)的能量。在噪聲不確定的環(huán)境下，特征檢測(cè)器的性能要好于能量檢測(cè)器。特征檢測(cè)器在低信噪比下的性能受到限制，有高的計(jì)算復(fù)雜度，同時(shí)要求長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間。這樣就減小了CR 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量。

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，頻譜資源越來(lái)越緊張。由于CR 技術(shù)可以緩解這個(gè)問(wèn)題，CR 技術(shù)在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中得到重視，有許多關(guān)于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)都引入認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)。如IEEE 802.11、IEEE 802.22 和。在802.16h 協(xié)議中，有一個(gè)重要內(nèi)容就是動(dòng)態(tài)頻譜選擇，以利于WiMAX 使用廣電頻段，它的基礎(chǔ)就是頻譜感知技術(shù)。在無(wú)線局域網(wǎng)IEEE 802.11h 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，引入了兩個(gè)重要概念：動(dòng)態(tài)頻譜選擇和發(fā)射功率控制(TPC)，開(kāi)始將認(rèn)知無(wú)線電應(yīng)用到無(wú)線局域網(wǎng)中。在標(biāo)準(zhǔn)中利用正交頻分復(fù)用技術(shù)提供了多種帶寬的選擇，可以實(shí)現(xiàn)帶寬的快速切換，WLAN(無(wú)線局域網(wǎng)) 系統(tǒng)可以利用OFDM 的特點(diǎn)通過(guò)調(diào)整帶寬和發(fā)射功率參數(shù)避免與工作在該頻段的其他用戶相互干擾。由于光纖無(wú)線系統(tǒng)具有光纖通信帶寬寬的優(yōu)點(diǎn)和無(wú)線通信靈活的特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，近幾年光纖中傳輸射頻認(rèn)知WLAN 信號(hào)得到了關(guān)注，文獻(xiàn)[5-6]的作者提出了在系統(tǒng)架構(gòu)下傳輸認(rèn)知無(wú)線電信號(hào)，仿真實(shí)驗(yàn)表明網(wǎng)絡(luò)性能得到了提高。

2 基于ROF 的混合光纖無(wú)線傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

為了滿足傳輸視頻傳輸?shù)亩嗝襟w業(yè)務(wù)，新興的光纖到戶(FFTH)將成為最終的寬帶接入技術(shù)，而無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PON)一經(jīng)問(wèn)世就成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。由于PON 網(wǎng)絡(luò)中所用的器件均為無(wú)源器件，無(wú)需供電，可以免疫外界的電磁干擾和雷電影響，能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)務(wù)的透明傳輸，系統(tǒng)可靠性高。

網(wǎng)絡(luò)主要分時(shí)分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(TDM-PON)和波分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)。

同TDM-PON 相比，具有用戶獨(dú)享帶寬和安全性高等特點(diǎn)，成為未來(lái)最有潛力的光接入網(wǎng)，圖1所示是WDM-PON 系統(tǒng)框圖。

在圖1 中，OLT 是光線路終端，是光網(wǎng)絡(luò)單元。無(wú)線接入網(wǎng)、WiMAX 和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)有各自的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合，因此是共存的。在實(shí)際工作環(huán)境中還有其他各種網(wǎng)絡(luò)存在，但主干網(wǎng)絡(luò)都應(yīng)以光網(wǎng)絡(luò)為主，我們采用基于WDM-PON 的體系結(jié)構(gòu)。在圖1 中，只畫了3 個(gè)典型的無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)，其他有線網(wǎng)絡(luò)也可以通過(guò)PON-ONU 接入系統(tǒng)中。圖1 所示的系統(tǒng)架構(gòu)中，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和PON 的接入單元具有光/電和電/光(E/O) 的功能，不需要調(diào)制解調(diào)功能，在WDM-PON 中直接傳輸無(wú)線射頻信號(hào)。

3 基于認(rèn)知無(wú)線電的ROF-PON 光無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，光網(wǎng)絡(luò)也朝著智能方向發(fā)展，認(rèn)知無(wú)線電開(kāi)始應(yīng)用到光網(wǎng)絡(luò)中。由于在光網(wǎng)絡(luò)中提供不同的業(yè)務(wù)，而不同的業(yè)務(wù)有不同的服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求，這樣給網(wǎng)絡(luò)的管理帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)可以提供跨層設(shè)計(jì)和跨層優(yōu)化，因此可以有效地監(jiān)測(cè)和優(yōu)化光網(wǎng)絡(luò)。此外，認(rèn)知技術(shù)在光網(wǎng)絡(luò)中的使用可以提供電信運(yùn)營(yíng)商更大的靈活性，根據(jù)應(yīng)用和服務(wù)要求調(diào)整各種物理層部件的特性( 如調(diào)制格式、前向糾錯(cuò)和波長(zhǎng)容量等)和網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)(帶寬、同時(shí)傳輸?shù)墓饴窋?shù)和QoS 等)。圖2 是基于認(rèn)知無(wú)線電的光纖無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，光纖中直接傳輸射頻信號(hào)。本文光層可采用WDM-PON 技術(shù)也可以是一個(gè)定制的光接入層)。遠(yuǎn)端的ONU 得到的傳感信息回傳到中心局(CO)，應(yīng)用認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)進(jìn)行處理。頻譜感知和信道接入等都在處理，因此降低了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度，發(fā)揮了ROF 的優(yōu)勢(shì)，也發(fā)揮了認(rèn)知無(wú)線電在管理頻譜方面的特長(zhǎng)。

這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是：

接入點(diǎn)(AP) 節(jié)點(diǎn)成本降低，中心基站成本提高。在常規(guī)的網(wǎng)絡(luò)中，AP 具有調(diào)制解調(diào)并具有信號(hào)處理功能，在本方案中AP 只完成光變成電(O/E) 或電變成光(E/0) 的功能，AP 的調(diào)制解調(diào)功能和管理功能都轉(zhuǎn)移到中心基站，降低了無(wú)線接入節(jié)點(diǎn)的成本，但卻增加了中心基站的成本。

可以利用分集技術(shù)提高系統(tǒng)的鏈路性能。由于采用ROF 系統(tǒng)，不同光纖鏈路接收同一個(gè)用戶信號(hào)可以在中心基站實(shí)現(xiàn)宏分集處理，而在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部可以采用協(xié)同分集技術(shù)提高鏈路性能。

信道接入和頻譜感知處理由中心基站完成，網(wǎng)絡(luò)前端AP 提供射頻采集的數(shù)據(jù)。

這種認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)雖然可以增加系統(tǒng)容量，但它也增加了網(wǎng)絡(luò)管理方面的復(fù)雜度，也面臨許多挑戰(zhàn)[7]。

最大的挑戰(zhàn)是媒體訪問(wèn)控制(MAC)層接入控制機(jī)制設(shè)計(jì)。即如何根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的MAC 層和無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的MAC 層的各自特點(diǎn)提出MAC 層性能更優(yōu)化的MAC 層協(xié)議。在網(wǎng)絡(luò)中光層和射頻層是相互依存的，而在這種情況下多個(gè)媒體訪問(wèn)控制機(jī)制的相互作用將帶來(lái)設(shè)計(jì)上的問(wèn)題。比如射頻(RF) 層的頻譜感知功能移動(dòng)到光層去處理，當(dāng)這個(gè)功能被打開(kāi)時(shí)不應(yīng)干擾射頻層感知信道的能力。

認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)下，MAC 協(xié)議的功能是確定CR 用戶采取什么樣的信道接入策略，是實(shí)現(xiàn)整個(gè)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)頻譜共享的基本前提。MAC 設(shè)計(jì)的目標(biāo)是降低節(jié)點(diǎn)傳輸沖突比例，提高頻譜資源利用率。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著通信網(wǎng)絡(luò)朝著寬帶化、移動(dòng)化方向的發(fā)展，光纖無(wú)線通信系統(tǒng)將光纖通信和無(wú)線通信融合到一起，發(fā)揮了光纖線路的寬帶化、抗干擾的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)發(fā)揮了無(wú)線通信方便靈活的特點(diǎn)，滿足了人們對(duì)寬帶的需求。認(rèn)知無(wú)線電不僅可動(dòng)態(tài)接入授權(quán)頻譜，還可以接入其他非授權(quán)頻譜，因此認(rèn)知無(wú)線電和ROF 結(jié)合可以提高系統(tǒng)的容量，提高系統(tǒng)的性能。