目前，光纖通信作為高速大容量通信的主要手段已經(jīng)應(yīng)用到各類通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)中，光接入網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為接入網(wǎng)的主流技術(shù)之一。與此同時，WiMAX也已經(jīng)成為3G的標(biāo)準(zhǔn)之一，寬帶無線技術(shù)將在未來通信中發(fā)揮重要作用。由此可見，光纖無線的融合成為接入網(wǎng)的一種發(fā)展趨勢，光載無線系統(tǒng)也將在融合接入網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮極其重要的作用^[1]。

然而在自由空間損耗的影響下，載波頻率越高，衰減越大。這就要求未來的通信網(wǎng)絡(luò)需要支持更小的小區(qū)(微蜂窩或微微蜂窩)及更多的基站，因此對基站復(fù)雜度的控制尤為關(guān)鍵，采用動態(tài)可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)勢在必行。另一方面，盡管光載無線系統(tǒng)使用的部分頻段(如40 GHz和60 GHz頻段)相對于目前的無線通信頻段已經(jīng)大幅提高，但仍有可能無法完全滿足用戶對寬帶高速業(yè)務(wù)的需求，這就需要通信系統(tǒng)具備智能性，從而實現(xiàn)資源的有效利用和網(wǎng)絡(luò)兼容。為滿足以上方面的需求，動態(tài)可重構(gòu)的智能光載無線接入網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。

1 新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

要實現(xiàn)智能化的光載無線網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計一個好的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是首先需要考慮的問題。結(jié)合目前世界范圍內(nèi)主流網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)并規(guī)避其不足，我們提出了如圖1所示的光纖無線電(RoF)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

該架構(gòu)分為3層，由下往上依次為分布式無線接入層、光交換層和集總基站池。

CO：中心站

OXC：光交叉連接器

RAU：遠(yuǎn)端天線單元

圖1 智能光載無線網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

針對大范圍低成本W(wǎng)i-Fi覆蓋的應(yīng)用需求，以及智能家庭中吉比特高清視頻等高數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的接入需求，我們將上述的通用型智能光載無線網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)具體化，提出了兩種具有特定適用范圍的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.1 面向?qū)拵Ы尤肱c泛在感知應(yīng)用的分布式光載Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計及鏈路實現(xiàn)

RFID：射頻標(biāo)識

ROF：光纖無線電

RRU：遠(yuǎn)端無線射頻單元

圖2 面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的光載Wi-Fi異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)包括3層，即感知層、傳送層和應(yīng)用層^[2]。本文提出一種基于光載Wi-Fi異構(gòu)結(jié)構(gòu)的傳送層網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

基于光載Wi-Fi的ROF鏈路結(jié)構(gòu)如圖3所示，我們運(yùn)用基于粗波分復(fù)用(CWDM)方式的模擬直調(diào)ROF網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，經(jīng)過模擬直調(diào)后，不同波長的光經(jīng)過CWDM器件復(fù)用到一根光纖中傳輸，光纖另一端由另一個CWDM進(jìn)行解復(fù)用，光信號被分配到各個遠(yuǎn)端天線單元(RAU)中，由光電探測器恢復(fù)出射頻信號，經(jīng)放大后由天線發(fā)射出去實現(xiàn)無線覆蓋。通過雙向的CWDM-ROF鏈路完成可以滿足寬帶無線接入的應(yīng)用需求。該透明結(jié)構(gòu)易于升級，在少量硬件改造的情況下就可以滿足3G等其他無線標(biāo)準(zhǔn)信號的傳輸^[3]。

AP：接入點(diǎn)

CWDM：粗波分復(fù)用

RAU：遠(yuǎn)端天線單元

SMF：單模光纖

WSN：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

圖3 基于光載Wi-Fi的ROF鏈路結(jié)構(gòu)

1.2 面向樓內(nèi)多業(yè)務(wù)融合接入的多頻段動態(tài)可控ROF網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計及鏈路實現(xiàn)

圖4是2.4 GHz頻段和60 GHz頻段樓內(nèi)多業(yè)務(wù)融合接入的ROF網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。在以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)的光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)處，一個額外的智能駐地網(wǎng)關(guān)(IGR)被用來實現(xiàn)基帶信號到2.4 GHz和60 GHz的上變頻，以及射頻資源的管控和調(diào)度，并利用室內(nèi)光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸。為了解決上行過程中的成本和技術(shù)難題，又考慮到上行業(yè)務(wù)如視頻點(diǎn)播(VOD)一般并不需要特別高速的傳輸速率，這里通過終端設(shè)計和網(wǎng)關(guān)處理功能，利用相鄰房間的已有Wi-Fi信號覆蓋來進(jìn)行吉比特下行業(yè)務(wù)的上行需求。這樣通過Wi-Fi分布式天線系統(tǒng)的構(gòu)建和60 GHz頻段吉比特?zé)o線通信鏈路的建立，就可以為樓內(nèi)各房間用戶提供吉比特?zé)o壓縮高清晰度電視(HDTV)及其點(diǎn)播業(yè)務(wù)，Wi-Fi信號的寬帶接入和健康監(jiān)測、視頻監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)測等物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，從而實現(xiàn)智能泛在家庭網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

EPON：無源光網(wǎng)絡(luò)

HDTV：高清晰度電視

IGR：智能駐地網(wǎng)關(guān)

ODN：光分配網(wǎng)

OLT：光線路終端

ONU：光網(wǎng)絡(luò)單元

RAU：遠(yuǎn)端天線單元

WLAN：無線局域網(wǎng)

WSN：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

圖4 樓內(nèi)多業(yè)務(wù)融合接入的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

圖5是樓內(nèi)多業(yè)務(wù)融合的動態(tài)可控ROF網(wǎng)絡(luò)的傳輸鏈路。在ONU和智能駐地網(wǎng)關(guān)(IRG)內(nèi)部，Internet里的吉比特HDTV業(yè)務(wù)源經(jīng)過EPON的ONU以有線方式提供給樓內(nèi)用戶，為了支持無線接入方式，利用變換接口將以太網(wǎng)并行數(shù)據(jù)以串行不歸零碼(NRZ)的方式調(diào)制到直調(diào)激光器(DML)發(fā)出的連續(xù)光載波上，然后利用馬赫-曾得爾調(diào)制器(MZM)產(chǎn)生毫米波并通過毫米波天線發(fā)射出去。在接收端利用接收天線將毫米波信號接收下來并進(jìn)行功率放大，利用自混頻的方式進(jìn)行下變頻，最后利用低通濾波器濾波就可以得到基帶信號。

為了實現(xiàn)資源的配置，我們提出了基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)光開關(guān)矩陣的射頻切換技術(shù)來實現(xiàn)動態(tài)可控ROF網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。圖5中，在IRG內(nèi)部，利用中心控制單元發(fā)出的指令控制MEMS光開關(guān)選路。這樣，利用60 GHz頻段和2.4 GHz頻段的ROF網(wǎng)絡(luò)，以及光開關(guān)矩陣，就能夠?qū)崿F(xiàn)樓內(nèi)多頻段多業(yè)務(wù)的無線智能覆蓋，極大增加了頻譜效率并有效降低整體能耗。

AP：接入點(diǎn)

BA：雙向放大器

BPF：帶通濾波器

DML：直調(diào)激光器

EA：電放大器

EDFA：摻鉺光纖放大器

HDTV：高清晰度電視

IRG：智能駐地網(wǎng)關(guān)

LO：本振

LPF：低通濾波器

MEMS：微電子機(jī)械系統(tǒng)

MZM：馬赫-曾得爾調(diào)制器

NRZ：不歸零碼

ONU：光網(wǎng)絡(luò)單元

PC：相位控制器

PD：光探測器

PS：微波相位延遲線

RAU：遠(yuǎn)端天線單元

SMF：單模光纖

STB：機(jī)頂盒

圖5 2.4 GHz和60 GHz頻段動態(tài)可控ROF系統(tǒng)鏈路結(jié)構(gòu)圖

2 智能光載無線網(wǎng)絡(luò)的媒體訪問控制層技術(shù)

在構(gòu)建有效網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，還需要考慮怎樣實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部公平有效的資源共享，這就需要為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)配備合理的資源分配機(jī)制——媒體訪問控制(MAC)層協(xié)議。

智能RoF網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議目前尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)^[4]，國際研究主要集中在對傳統(tǒng)的無線通信標(biāo)準(zhǔn)如Wi-Fi、WiMAX的MAC協(xié)議改進(jìn)其響應(yīng)時間等相關(guān)參數(shù)以抵消光纖引入的時延從而使其適用于RoF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(diǎn)接入/沖突避免(CSMA/CA)的協(xié)議喪失有效性。因此，提出專為RoF系統(tǒng)設(shè)計的MAC層協(xié)議勢在必行。

我們提出基于光載無線網(wǎng)絡(luò)動態(tài)可重構(gòu)屬性的MAC層協(xié)議的新模型^[5]。主要包括設(shè)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(jìn)MAC層協(xié)議設(shè)計中，利用時間同步補(bǔ)償技術(shù)，實現(xiàn)各遠(yuǎn)端天線單元的邏輯準(zhǔn)同步，從而通過加入頻率標(biāo)識，支持光載無線網(wǎng)絡(luò)動態(tài)可重構(gòu)屬性。在上述混合MAC幀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步提出了低功耗動態(tài)可控MAC幀結(jié)構(gòu)^[6]，圖6所示為MAC幀結(jié)構(gòu)，圖6(a)和(b)分別是下行MAC幀結(jié)構(gòu)和上行MAC幀結(jié)構(gòu)。通過在MAC幀結(jié)構(gòu)中設(shè)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(jìn)而降低能耗。通過將光纖引入的額外時延考慮進(jìn)MAC層協(xié)議設(shè)計中，利用時間同步補(bǔ)償技術(shù)，實現(xiàn)各RAU的邏輯準(zhǔn)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(luò)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(luò)的能耗。

(a)下行MAC幀結(jié)構(gòu)

(b)上行MAC幀結(jié)構(gòu)

RAU：遠(yuǎn)端接入單元

圖6 MAC幀結(jié)構(gòu)

3 動態(tài)可重構(gòu)智能光載無線系統(tǒng)

RoF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(jì)的RoF系統(tǒng)將射頻信號加載到光載波上，并經(jīng)遠(yuǎn)距離傳輸，在基站通過寬帶天線實現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)多業(yè)務(wù)無線信號的傳送。本節(jié)圍繞認(rèn)知、協(xié)同與低能耗，有線無線資源聯(lián)合調(diào)度等核心特征，分析智能RoF系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 認(rèn)知、協(xié)同與低能耗的智能RoF系統(tǒng)

RoF系統(tǒng)與生俱來的中心處理機(jī)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(gòu)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(jī)制，提出并搭建了具有認(rèn)知、協(xié)同及低能耗的分布式動態(tài)可重構(gòu)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(yuǎn)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(gòu)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(rèn)知、協(xié)同與低能耗3個特點(diǎn)。其中認(rèn)知指的是中心站通過遠(yuǎn)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(shè)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(luò)的動態(tài)可重構(gòu)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(shè)施，同時可在整個系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求小時，關(guān)閉部分冗余設(shè)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)

RoF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(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度，從而最大化RoF網(wǎng)絡(luò)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(luò)的路由算法進(jìn)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(luò)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(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)分為兩個域，在中心站(CO)中構(gòu)建出3個路徑計算單元(PCE)，其中兩個子PCE分別負(fù)責(zé)光網(wǎng)絡(luò)域和無線網(wǎng)絡(luò)域的算路，父PCE負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)兩個域的路徑計算，當(dāng)業(yè)務(wù)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(luò)中的全局最優(yōu)路徑。

協(xié)議部分主要針對智能RoF網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議進(jìn)行資源調(diào)度。當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)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(wù)分配合適的光波資源，達(dá)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(dāng)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(dá)到更高的網(wǎng)絡(luò)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(guān)鍵單元器件技術(shù)

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(yīng)的組成器件，從而適應(yīng)RoF系統(tǒng)信號處理頻域提升和業(yè)務(wù)集中的特點(diǎn)。本節(jié)針對智能ROF的關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)分析頻譜感知、全光ADC、微波光子濾波器和智能天線等關(guān)鍵單元技術(shù)。

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(jìn)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(guān)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(guān)鍵技術(shù)，它利用微波光子技術(shù)瞬時寬帶處理能力強(qiáng)、質(zhì)量輕、損耗小、抗電磁干擾能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)、寬帶的頻譜感知與分析。

基于相干信道化瞬時多頻點(diǎn)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(diǎn)和高精度的信號進(jìn)行感知處理的技術(shù)?；诠庾訅嚎s采樣的瞬時多頻點(diǎn)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(yīng)用ADC的數(shù)字ROF系統(tǒng)。和傳統(tǒng)的ROF系統(tǒng)相比，數(shù)字ROF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。

ADC：模數(shù)轉(zhuǎn)換器

BPF：帶通濾波器

BS：基站

CO：中心站

DCA：數(shù)模轉(zhuǎn)換器

E/O：電光轉(zhuǎn)換

O/E：光電轉(zhuǎn)換

RF：射頻

SMF：單模光纖

圖7 應(yīng)用ADC的數(shù)字RoF系統(tǒng)

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(jìn)行，近年來備受各國科學(xué)家的重視。目前全球相關(guān)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(dǎo)體光放大器(SOA)中的非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NPR)效應(yīng)來實現(xiàn)全光ADC的方法^[7]，其原理結(jié)構(gòu)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N個基于NPR效應(yīng)的量化編碼單元組成的量化編碼矩陣。每一個基于NPR效應(yīng)的量化編碼單元由兩個級聯(lián)的偏振開關(guān)(PSW)組成，如圖8(d)所示。其中PSW₁實現(xiàn)預(yù)量化編碼，由于隨著抽樣光脈沖強(qiáng)度的增強(qiáng)，PSW₁的SOA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(qiáng)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(guān)PSW₂，其作用是實現(xiàn)增益的動態(tài)補(bǔ)償。圖8(b)所示為量化編碼單元的傳輸函數(shù)，圖8(c)所示為相應(yīng)的編碼輸出，預(yù)量化編碼和增益動態(tài)補(bǔ)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(fù)時間在皮秒級別，因而基于NPR效應(yīng)的全光ADC，其轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到幾百Gs/s (Giga-Samples Per Second)。

(a)基于SOA中NPR效應(yīng)的全光ADC原理結(jié)構(gòu)圖

(b)量化編碼單元#1，#2，#3的傳輸函數(shù)

(c)量化編碼單元#1，#2，#3的編碼輸出

(d)量化編碼單元的原理結(jié)構(gòu)圖

(e)偏振開關(guān)的原理結(jié)構(gòu)圖

ATT：可調(diào)衰減器

BPF：帶通濾波器

ISO：隔離器

MSB：最高比特位

NPR：非線性偏振旋轉(zhuǎn)

NPR-QC：基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的量化編碼器

ODL：光延遲線   

PBS：偏振分束器

PC：偏振控制器

PSW：偏振開關(guān)

SOA：半導(dǎo)體光放大器

Splitter：分束器

圖8 一種利用SOA中的NPR效應(yīng)實現(xiàn)全光ADC的方法

4.3 微波光子濾波技術(shù)

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(jìn)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(gòu)、無電磁干擾(EMI)、低損耗和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因而這一類器件已經(jīng)引起了越來越多的人們的興趣。在ROF系統(tǒng)中，中心站主要完成一些信號處理功能，如光電變換、下變頻、基帶信號處理等，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(fù)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(yīng)(FIR)濾波器來說，把耦合器的一個輸出端和輸入端相連即構(gòu)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T的延遲，理論上說，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?？梢岳霉庾泳w取代光纖環(huán)制作微波光子濾波器。利用光子晶體波導(dǎo)分束器作為耦合單元，利用慢光波導(dǎo)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。

DFB：分布反饋式

FIR：有限沖激響應(yīng)

IIR：無限沖激響應(yīng)

MZM：馬赫-曾得爾調(diào)制器

PD：光電探測器

RF：射頻

圖9 IIR微波光子濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

4.4 智能天線技術(shù)

智能天線的基本原理是通過改變各天線單元的權(quán)重在空間形成方向性波束，主波束對期望用戶的信號進(jìn)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(guān)鍵技術(shù)。而電磁帶隙結(jié)構(gòu)(EBG)是一種周期排列的結(jié)構(gòu)，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(UC-EBG)結(jié)構(gòu)由于不需要過孔，相對其他類型EBG結(jié)構(gòu)更易于加工制造。印刷的EBG結(jié)構(gòu)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(gòu)應(yīng)用于系統(tǒng)相當(dāng)于引入一個人工磁壁。通過合理設(shè)計，EBG結(jié)構(gòu)還可以多頻工作，如利用分形結(jié)構(gòu)的自相似特性，在共面型EBG結(jié)構(gòu)中引入分形，可得到多個帶隙^[10]，該結(jié)構(gòu)可對天線的多個工作頻段性能同時進(jìn)行改善。圖10(a)為UC-EBG結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)引入了一級分形，通過對該結(jié)構(gòu)進(jìn)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。

(a)電磁帶隙結(jié)構(gòu)

(b)該結(jié)構(gòu)的表面波帶隙

圖10 EBG在天線的應(yīng)用

5 結(jié)束語

由于同時具備無線化和寬帶化，光載無線技術(shù)深受業(yè)內(nèi)重視并已經(jīng)在國際上得到了應(yīng)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(gòu)的智能光載無線接入網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)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(gòu)微波光波融合網(wǎng)絡(luò)提供堅實的理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

6 參考文獻(xiàn)

[1] SHARMA V, SINGH A, SHARMA A K. Challenges to radio over fiber (RoF) technology and its mitigation schemes -- A review [J].Optik -- International Journal for Light and Electron Optics, 2012,123(4):338-342.

[2] ZHANG Chongfu, WANG Leyang, QIU Kun. Proposal for all-optical generation of multiple-frequency millimeter-wave signals for ROF system with multiple base stations using FWM in SOA [J].Optcs Express, 2011,19(15):13957-13962.

[3] 徐坤，李建強(qiáng). 面向?qū)拵o線接入的光載無線系統(tǒng)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009.

[4] Capmany j, Ortega b, Pastor d. A tutorial on microwave photonic filters [J]. Journal of Lightwave Technology, 2006,24(1): 201-209.

[5] SHEN Xi, XU Kun, SUN Xiaoqiang, et al. Optimized indoor wireless propagation model in Wi-Fi-RoF network architecture for RSS-Based localization in the Internet of things [C]//Proceedings of the 2011 International Topical Meeting on Microwave Photonics & 2011 Asia-Pacific Microwave Photonics Conference(MWP/APMP’11), Oct 18-21, 2011, Singapore. Piscataway, NJ,USA: IEEE,2011: 274-277.

[6] SHEN Xi, XU Kun, SUN Xiaoqiang, et al. Dynamically reconfigurable radio-over-fiber network with medium access control protocol to provide access to train passengers [J].Science China: Information Sciences,tobe published.

[7] Wen huashun, Wang hongxiang, Ji yuefeng. All-optical quantization and coding scheme for ultrafast analog-to-digital conversion exploiting polarization switches based on nonlinear polarization rotation in semiconductor optical amplifiers [J]. Optics Communications, 2012,285(18):3877-3885.

[8] SHEN Xi, XU Kun, WU Jian, et al. Enabling technologies for Green radio-over-fiber distributed antenna system based wireless sensor network [J].China Communication, 2011, 8(8): 56-63.

[9] KOVACS P, URBANEC T. Electromagnetic band gap structures:Practical tips and advice for antenna engineers [J]. Radioengineering, 2012,21(1):414-421.

[10]Iera a, Floerkemeier c, Mitsugi j, et al. The Internet of things [Guest Editorial][J]. IEEE Wireless Communications, 2010,17(6):8-9.

收稿日期：2012-07-08

作者簡介

田慧平，北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師，2007年入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃；研究方向為光通信與微納光子器件；已主持完成基金項目3項；已發(fā)表論文70余篇，其中SCI檢索刊40余篇。

徐坤，清華大學(xué)電子工程系獲物理電子學(xué)工學(xué)博士畢業(yè)，北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，信息光子學(xué)與光通信國家重點(diǎn)實驗室副主任，IEEE光纖無線融合技術(shù)分委員會、亞太微波光子學(xué)會技術(shù)委員會委員；研究方向為微波光子信號處理技術(shù)及其應(yīng)用以及基于光載無線系統(tǒng)的分布式天線網(wǎng)絡(luò)；已完成基金項目15項，其中主持6項。

紀(jì)越峰，北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，國家“973”計劃項目首席科學(xué)家，國家“863”計劃項目首席專家，北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信研究院執(zhí)行院長，國家重點(diǎn)實驗室常務(wù)副主任，電子信息國家級實驗教學(xué)示范中心(建設(shè)單位)主任，國務(wù)院學(xué)位委員會學(xué)科評議組成員，中國通信學(xué)會會士；研究方向為寬帶網(wǎng)絡(luò)與光波通信；研究成果先后獲得國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎、國家科技進(jìn)步獎二等獎、國家級教學(xué)成果獎二等獎。