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摘要:从接入网看,光纤无线融合是一种很有前途的架构,文章提出了一种基于光纤无线电(ROF)技术的以太网无源光网络(EPON)和全球微波接入互操作性(WiMAX)融合方案,能够同时在光纤中传输EPON基带信号和WiMAX无线射频信号。在此基础上,文章详细说明了该方案的一些特点,包括数据的上下行传输、冗余保护、漫游等问题。
关键词: EPON;WiMAX;融合;ROF
Abstract: The convergence of optical and wireless networking is a promising development for future access network architecture. In this article, we propose a converged network integrating Ethernet Passive Optical Network (EPON) and worldwide interoperability for microwave access (WiMAX) technologies based on Radio Over Fiber (ROF)—which can simultaneously transmit EPON baseband signals and WiMAX wireless radio frequency signals. We then elaborate on the characteristics of the converged network and discuss some important issues: upstream and downstream transmission, redundancy protection, and handover.
Key words: EPON; WiMAX; convergence; ROF
随着网络电视(IPTV)和视频点播等高带宽需求业务的发展,宽带接入已成为热点技术。为了进一步优化组合资源,降低成本和提供更大带宽、更灵活的宽带接入业务,光纤和无线接入网络的融合成为一种很有前途的架构[1-2]。目前,以太网无源光网络(EPON)[3]以其低成本、高带宽及基于以太网的架构等优势得到越来越广泛的应用。与此同时,由IEEE 802.16[4]所规范的全球微波互联接入(WiMAX) 技术正逐步发展为一种主流的无线宽带接入技术。WiMAX和无线局域网(WLAN)接入技术相比,能提供更大的带宽、更远的距离和更好的服务质量(QoS)支持;和蜂窝技术相比,它能提供更好的数据接入服务。因此,以EPON和WiMAX这两种技术的融合将会弥补各自技术的不足,充分发挥光纤接入技术的高带宽与无线技术的灵活性,给用户带来更好的体验,同时可以大大降低网络整体的建设成本和维护费用。这些优势使得这两种技术广为流行并具有广阔的市场前景。
1 融合方案的现状
EPON 和WiMAX之间的融合可采取的方案主要有2种,一种是基带光纤传输技术,即数字基带信号直接在光纤中传输。该技术的思想是EPON的光网络单元(ONU)和WiMAX的基站直接通过以太网接口来连接,光纤中传输的是以太网帧。这种方案实现难度较低、覆盖范围较大,在带宽分配和QoS保障方面具有相对优势及良好的可实现性,文献[5]中有这方面的论述。该方案中的缺点是基站要实现数字基带信号到无线射频信号的转换,成本相对较高。特别是当无线信号频率较高时,由于无线信号衰减的快,需要建设大量基站来覆盖更多的范围,成本的问题就显得更为突出。另外一种方案是射频光纤传输 (ROF)技术[6],即无线射频信号直接在光纤中传输。ROF系统中运用光纤作为基站(BS)与中心站(CS)之间的传输链路,直接利用光载波来传输射频信号(RF)。光纤仅起到传输的作用,交换、控制和信号的再生都集中在中心站上,基站仅实现光电转换。这样可以把复杂昂贵的设备集中到中心站点,让多个远端基站共享这些设备,从而减少基站的功耗和成本。目前,已有大量关于无线局域网(WLAN)与射频光纤传输系统相结合的论文,也有全球移动通信系统(GSM)系统和射频光纤传输技术相结合成功商用的实例。WiMAX在同步光纤网络(SONET)上的传输也有着相关的研究[7-8]。
2 融合方案的架构设计
为了实现基于ROF技术的EPON 和WiMAX的融合,本文设计了如图1的基于ROF技术的EPON和WiMAX的融合架构的设计方案。和标准的EPON系统相比,光线路终端(OLT)和光网络单元基站(ONU-BS)都进行了重新设计,说明如下:
(1) 为了节约成本,便于集中处理,我们把原本属于基站的WiMAX物理层的设备都放到了中心节点OLT处加以实现。IEEE 802.16的物理层定义了系统的工作频段为2~66 GHz,还主要规定了2种调制方式: 单载波调制和正交频分复用调制(OFDM) 。在2~11 GHz频段上主要采用OFDM调制。OFDM技术具备非视距传输能力,能有效抗衰减和抗多径,因此本系统采用了OFDM调制和解调设备。
在11 GHz以下频段有3个频段可以使用:2.5 GHz、3.5 GHz和5.8 GHz。考虑到WiMAX的部署情况,本系统采用了3.5 GHz的频段。WiMAX并未规定具体的载波带宽,系统可以采用1.25 MHz~20 MHz之间的带宽。本系统采用了20 MHz的带宽。这里我们并没有考虑到同频干扰的问题,实际应用中可以采用频率复用和扇区划分技术来更好的利用频谱资源和得到更大的系统吞吐量。在ROF系统应用中,如果RF信号工作的频段不高(低于10 GHz)时一般都采用直接调制技术;如果RF信号工作的频段较高(10 GHz以上)时一般采用外调制技术。本系统因为RF信号工作频的不高固采用了直接调制技术。
(2) 在下行方向为了实现EPON有线基带信号和无线射频信号同时进行传输,也为了区分属于不同基站的射频信号,在OLT端我们采用了副载波复用技术(SCM)。我们将EPON基带信号处于0~2.5 GHz的范围,而把无线信号上变频到3.5 GHz以上的副载波,每个副载波的带宽在20 MHz,中心频点间隔0.1GHz。每个基站对应一个副载波,对于分支比为1∶16的EPON系统来说,一共有16个副载波。我们把基带信号和调制好的副载波合成后,即可直接对激光器进行调制。由于基带信号和副载波处于不同的频段,不会产生干扰,这样以来就实现了下行方向基带信号和无线信号的同时传输。对于远端的ONU-BS来说,当接收到从OLT传来的混合信号时,首先需要把其中包含的基带信号和副载波信号解复用出来,基带信号直接上传到相应的部件进行处理,对副载波信号则需要进行下变频处理。这里我们用到了和OLT同样频率的本振和变频器,通过带通滤波器后,把属于本基站的无线射频信号解调出来,然后通过天线发射出去。也就是说,基站只需要进行下变频处理,而不需要其它设备加以操作,因此节约了成本。
(3) ONU-BS在上行方向上传数据,是采取时分多址接入(TDMA)方式的,基带信号和无线射频信号混合在一起发送。在这样的设计下,EPON的媒体访问控制(MAC)层和WiMAX的MAC层相互配合,为各个ONU-BS分配上行数据的发送时隙,ONU-BS在指定的时隙到来时按照OLT的授权窗口大小发送数据。这样各个ONU-BS的上行数据在到达共享光纤后就会按照预先安排好的次序进行传输,而不会发生冲突。值得注意的是,在ONU-BS端,不需要把无线射频信号上变频到副载波信号。因为不同的ONU-BS位于不同的发送时隙中,彼此的上行射频信号不会冲突。同时由于无线射频信号处于3.5 GHz的频段,而基带信号位于2.5 GHz以下,因此基带信号和无线射频信号也不会发生冲突,可以同时发送。基于这样的设计,OLT端接收设备的复杂度也可以大大降低,没有了副载波之间的交调干扰,也不需要本振和变频器,只需要一个光电探测器和一个WiMAX的OFDM解调器就能够解决问题,成本大大降低。
3 融合方案的特点
基于ROF技术的EPON和WiMAX的融合架构具有以下特点:
(1) 正如前面提到的,由于把无线信号处理的设备和一些上层的功能都放在OLT端统一实现,基站只保留一个下变频的功能。图1中为了方便说明,OLT端用到了N个OFDM调制器,每个基站均对应一个OFDM调制器,实际可以合并为一个。这样在OLT端,所有的基站只需共用一套OFDM调制和解调设备,整个系统的成本大大降低。
(2) 我们知道在现有的无线网络中,基站是不能提供冗余保护或者只提供1+1保护。也就是说,一个基站需要冗余一个基站来进行保护,这种冗余方案是不太经济的。在基于ROF技术的融合方案中,由于把所有的基站设备都移到了OLT端中加以实现,我们就很容易实现N +1冗余保护,而不用N +N冗余保护。也就是说,对于N个基站,我们只需要共用一个冗余基站,而不是冗余N个基站。这样系统稳定性得到了提高,成本也得到了降低。
(3) 在标准的WiMAX架构中,无线资源管理都是集中在各个基站端,不同基站的无线资源管理信息不能及时进行相互交流,这样以来系统就不能实现高效运行。而在本系统中,由于OLT管理所有基站的无线资源,相当于已经有了一个集中控制器,OLT实时地知道所有基站中的无线资源信息。因此OLT能够根据实际情况通过一定的算法实时动态的为各个基站分配无线资源,使无线资源能够得到充分的利用,使负载在各个基站间保持平衡,这样系统效率就能大大得到提高。如果结合多路输入多输出(MIMO)、自适应调制技术等一些先进的无线传输技术,系统效率还会有所提高。
(4) 为了支持用户的移动性,用户在不同WiMAX基站内的漫游是必须考虑的。因为基站与基站之间是不能联系的,如果采用普通的联网方案,OLT和所有的WiMAX基站之间必须要保留有一个控制信道,以便实时交换控制信息。当用户游牧到另一个基站时,通过这个控制信道,OLT能够发出指令,让原来的基站清除和用户之间的连接线路,同时把这个用户增加到现在的基站中。在基于ROF技术的融合架构中,用户在基站之间的游牧相对来说就简单了很多,因为OLT端处理所有的数据,了解所有的信息,因此就不需要保留和各个基站间的控制信道。当OLT察觉到用户在不同基站之间游牧时,只需要切换到新的副载波频率并给用户发送数据。
上面我们分析了基于ROF技术的EPON和WiMAX的融合架构的一些特点。同时,这种混合系统容易受到激光器的非线性效应、光纤的衰减、色散、光纤的非线性效应以及副载波之间交调干扰等因素的影响,而且该方案对调制技术和探测技术的要求较高,随着无线频率的提高,影响会更加明显。另外,因为无线信号在光纤中传输需要时间,随着传输距离的增加,系统MAC层性能也会受到很大的影响[9]。同时在带宽分配算法方面也需要进一步研究,以便更好地为有线基带数据和无线射频信号分配上行传输时隙。
4 结束语
光纤无线融合是一种非常有前途的架构,文章提出了一种基于ROF技术的EPON和WiMAX融合方案,能够同时在光纤中传输EPON基带信号和WiMAX无线射频信号。在此基础上,文章更为详细地说明了该方案的一些特点。融合系统实现了固网移动的融合,为用户带来更好的体验,同时可以大大降低网络整体的建设成本和维护费用,具有非常广阔的市场前景。
5 参考文献
[1] SUEMURA Y, NAKAMURA S, HU J. Converged optical/wireless systems architecture[C]//Proceedings of the Asia-Pacific Optical Communications (APOC’06), 2006, Sep 5,2006, Gwangju, South Korea. SPIE 6354.
[2] SHEN G X, TUCKER R S, CHAE C J. Fixed and mobile convergence architectures for broadband access: Integration of EPON and WiMAX[J]. IEEE Communications Magazine, 2007,6(8):44-50.
[3] IEEE 802.3ah. Amendment: Media access control parameters, physical layers, and management parameters for subscriber access networks[S]. 2004.
[4] IEEE 802.16e. Air interface for fixed and mobile broadband wireless access systems[S]. 2006.
[5] 常宇光, 刘德明, 张曙, 等. 基于固网移动网融合(FMC)的宽带接入网系统[J]. 光通信技术, 2009,33(5):45-49.
[6] 曹培炎. ROF技术在无线接入网络中的应用[J]. 光通信技术, 2005,29(10):22-26.
[7] Sarkar S, Dixit s, Mukherjee b. Hybrid wireless-optical broadband-access network (WOBAN):A review of relevant challenges[J]. Journal of Lightwave Technology, 2007, 25(2): 3329-3340.
[8] GHAZISAIDI N, PAOLUCCI F, MAIER M. SuperMAN: Optical-wireless integration of RPR and WiMAX[J]. Optical Networking, 2009, 18 (3): 249-270.
[9] DANG B L, PRASAD V, NIEMEGEERS I. On the MAC protocols for radio over fiber networks[C]//Proceedings of the 1st International Conference on Communications and Electronics (ICCE’06), Oct10-11,2006, Hanoi, Vietnam. Piscataway, NJ, USA:IEEE, 2006.
收稿日期:2009-09-09
张曙,博士,华中科技大学光电子科学与工程学院光电信息专业博士毕业;研究方向包括光纤通信技术、光纤接入网技术、光纤无线融合技术、家庭网络技术等;参与国家863课题、湖北省科技攻关十五课题、国防预研基金等多个项目;发表学术论文10余篇,申请国家发明专利3项。
刘德明,博士,华中科技大学光电子科学与工程学院教授 、博士生导师,下一代互联网接入系统国家工程实验室主任;主要研究方向包括光纤通信技术、光纤传感技术、光网络技术、太阳能光伏技术以及半导体照明技术等;曾获得国家发明三等奖1项、教育部提名国家自然科学一等奖1项、湖北省技术发明二等奖1项;发表学术论文100余篇,申请国家发明专利30余项。
吴广生,博士,天津大学本科毕业,华中科技大学硕士和博士;研究方向包括光纤接入网技术、光纤无线融合技术、下一代光网络技术等;参与国家863课题及湖北省科技攻关十五课题等多个项目,发表学术论文20余篇,申请国家发明专利10余项。