基于光纖的無(wú)線信號(hào)與電能融合傳輸系統(tǒng)研究

  隨著信息技術(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(guī)模的推廣和使用。無(wú)線通信技術(shù)將迎來(lái)質(zhì)的飛躍，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量也將呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)，并且這種增長(zhǎng)正在加速光纖無(wú)線電(Radio over Fiber，RoF)系統(tǒng)的發(fā)展。

  無(wú)線化和寬帶化是當(dāng)今通信業(yè)乃至整個(gè)信息業(yè)的熱點(diǎn)，兩者結(jié)合將產(chǎn)生巨大的潛力[1]。光纖無(wú)線電技術(shù)是將射頻(Radio Frequency，RF)信號(hào)傳輸?shù)街醒刖?Central Office，CO)和遠(yuǎn)程天線單元(Remote Access Unit，RAU)之間光纖鏈路中的關(guān)鍵技術(shù)。在當(dāng)前的RoF系統(tǒng)中，數(shù)字信號(hào)被廣泛使用，但模擬信號(hào)的使用對(duì)于提高射頻信號(hào)的數(shù)據(jù)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(hào)數(shù)據(jù)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(qū)域。RAU數(shù)量的增加，進(jìn)一步增加了移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的運(yùn)營(yíng)管理成本，所以需要對(duì)RAU進(jìn)行更加簡(jiǎn)單與經(jīng)濟(jì)的管理。光纖傳能(Power-over-Fiber，PWoF)是一種將通用光纖的數(shù)據(jù)信號(hào)和光電功率同時(shí)進(jìn)行傳輸?shù)礁鞣N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(zhuǎn)換后，為遠(yuǎn)端單元提供更清潔、安全的能源技術(shù)。PWoF系統(tǒng)能在惡劣的環(huán)境以及極端的天氣下維持相對(duì)穩(wěn)定的能量傳送，且傳輸能量為高功率。PWoF系統(tǒng)在傳輸過(guò)程中損耗與電能相比較低，對(duì)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(tǒng)在各種極端傳輸場(chǎng)景中的應(yīng)用。

  關(guān)鍵技術(shù)

  對(duì)于RoF-PWoF系統(tǒng)，主要涉及到光纖材料的選取、RoF系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)、信號(hào)觀測(cè)點(diǎn)的選取以及PWoF系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

  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(tǒng)。并且，可以在同一根光纖中提供具有光數(shù)據(jù)信號(hào)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(duì)饋電效率的影響。光纖的選擇對(duì)于系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)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?yàn)閱文９饫w的直徑小，所以其核心區(qū)小，也就嚴(yán)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(yuǎn)傳輸距離一般為幾千米，而單模光纖較遠(yuǎn)，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(yīng)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(nèi)包層組成。由于雙包層光纖的雙核結(jié)構(gòu)，使該種光纖能夠同時(shí)傳輸光數(shù)據(jù)信號(hào)和高功率饋電光，而信號(hào)和饋電光之間沒(méi)有明顯的串?dāng)_。因此，在試驗(yàn)中，最優(yōu)選擇為雙包層光纖。

  RoF與PWoF系統(tǒng)

  光纖通信可以為網(wǎng)絡(luò)提供穩(wěn)定、高速的接入支持，可以滿足長(zhǎng)距離傳輸?shù)男枰?而無(wú)線通信可以讓用戶擺脫線纜的束縛，具有很強(qiáng)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)線通信技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)[1]，光載無(wú)線系統(tǒng)適應(yīng)這個(gè)時(shí)代的特點(diǎn)，能夠滿足用戶日益增長(zhǎng)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(jí)保駕護(hù)航。光載無(wú)線通信系統(tǒng)通常由中心局、光纖鏈路(Optic Link)、基站(Base Station，BS)和用戶終端(User Station)4部分組成[2-4]。

  一個(gè)基本的RoF系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，而且RoF系統(tǒng)還可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)過(guò)調(diào)制的信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖鏈路傳輸?shù)竭_(dá)接收端，也就是RAU端。隨后，傳輸?shù)男盘?hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后得到其原始信號(hào)。RoF系統(tǒng)在增加中心局的成本和設(shè)備復(fù)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(tǒng)維護(hù)的成本以及難度[4]。

  在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，需要設(shè)立信號(hào)觀察點(diǎn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)。信號(hào)觀測(cè)點(diǎn)主要位于以下部位：一側(cè)是調(diào)制器的輸出信號(hào)，此觀測(cè)點(diǎn)可以對(duì)信號(hào)光譜進(jìn)行分析;另一側(cè)是在光纖傳輸中的信號(hào)，此觀測(cè)點(diǎn)可測(cè)量還原信號(hào)，分析觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)后對(duì)RoF系統(tǒng)的有效性進(jìn)行分析[4]。

  光纖傳能系統(tǒng)，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(zhuǎn)換成光能傳輸?shù)南到y(tǒng)。光作為能量傳輸?shù)男问脚c傳統(tǒng)的電能傳輸相比有著顯著的優(yōu)點(diǎn)，其中最明顯的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)發(fā)送與接收設(shè)備的絕緣性能不做要求。光纖傳能系統(tǒng)主要由光電轉(zhuǎn)換模塊、光源、光纖、光接收模塊組成。

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

  RoF-PWoF系統(tǒng)模型以及仿真結(jié)果分析

  系統(tǒng)模型

  融合系統(tǒng)主要是基于RoF系統(tǒng)之上，整體框架都是在RoF系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行改進(jìn)，然后在此基礎(chǔ)上加入PWoF系統(tǒng)使能對(duì)遠(yuǎn)端天線單元供電，本試驗(yàn)利用OptiSystem軟件對(duì)其進(jìn)行仿真并得到相關(guān)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)框架如圖1所示。

  圖1 RoF-PWoF融合系統(tǒng)框架圖

  由圖1可知，融合系統(tǒng)主要由兩部分組成，上半部分為信號(hào)的傳送，下半部分為融合系統(tǒng)雙向傳輸性能的驗(yàn)證。首先，在CO端由一個(gè)激光器產(chǎn)生光學(xué)模擬信號(hào)，之后再加入不同的調(diào)制信號(hào)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后信號(hào)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(hào)和饋電光與之前被處理的信號(hào)組合，經(jīng)過(guò)循環(huán)器(CIR)進(jìn)入光纖，然后到達(dá)RAU端。

  在RAU端，首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行光功率的測(cè)量，在線監(jiān)測(cè)通道光功率(OPM)計(jì)算出該系統(tǒng)的光功率傳遞效率;之后，信號(hào)再由光電二極管(PD)將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。電信號(hào)由信號(hào)分析儀(SA)等進(jìn)行測(cè)量，得到相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，在RAU中輸入光信號(hào)并傳輸?shù)紺O，在CO端經(jīng)過(guò)放大，經(jīng)過(guò)光電二極管轉(zhuǎn)化為電信號(hào)等過(guò)程;另外，需要測(cè)量信號(hào)質(zhì)量，評(píng)估該系統(tǒng)的雙向傳輸性能。在試驗(yàn)中，加入循環(huán)器(CIR)的主要目的是使該系統(tǒng)可以進(jìn)行雙向傳輸，區(qū)分不同方向的信號(hào)。

  仿真結(jié)果分析

  在進(jìn)行仿真時(shí)，將仿真分為信號(hào)單獨(dú)傳輸與融合傳輸兩部分。先進(jìn)行光學(xué)信號(hào)單獨(dú)傳輸模擬，隨后進(jìn)行光信號(hào)以及電信號(hào)的兩種信號(hào)融合傳輸，并驗(yàn)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(hào)仿真結(jié)果。其中，加入光脈沖信號(hào)經(jīng)EDFA放大后波形如圖2(a)所示，還原后如圖2(b)所示。對(duì)比圖2(a)與圖2(b)發(fā)現(xiàn)信號(hào)的頻率與調(diào)制信號(hào)的頻率基本一致。

圖2 光學(xué)信號(hào)傳輸對(duì)比圖

  兩種信號(hào)融合接收信號(hào)的BER特性，因?yàn)镺ptiSystem的軟件環(huán)境的限制，選用雙向光纖，并測(cè)量該系統(tǒng)的雙向傳輸性能。通過(guò)BER特性分析可以發(fā)現(xiàn)，模擬信號(hào)在系統(tǒng)中的傳輸效率較好。融合系統(tǒng)的雙向傳輸性能驗(yàn)證基于上述試驗(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)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(hào)分隔開(kāi)，在RAU端輸入激光信號(hào)，該激光信號(hào)被正弦信號(hào)調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)通過(guò)光纖傳輸?shù)竭_(dá)CO端，并在CO端經(jīng)過(guò)放大及光電轉(zhuǎn)換等，從而驗(yàn)證系統(tǒng)的雙向傳輸性能。

  結(jié)束語(yǔ)

  通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的探究與試驗(yàn)和仿真軟件的仿真，本設(shè)計(jì)基于RoF系統(tǒng)與PWoF系統(tǒng)的仿真得到實(shí)現(xiàn)，說(shuō)明這兩個(gè)系統(tǒng)的融合傳輸在理論上成立。通過(guò)單個(gè)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)融合傳輸的試驗(yàn)仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)信號(hào)的傳輸效果較好，證明該方案具有實(shí)際的送電能力，與數(shù)字信號(hào)之間具有很高的隔離性。光學(xué)供電的RoF系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)RAU所需的電力輸送和同一光纖中RoF數(shù)據(jù)信號(hào)的雙向傳輸，能夠傳輸驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)端天線單元所需的光學(xué)數(shù)據(jù)和功率。

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