光纤无线系统论文（通用10篇）
光纤无线系统论文 篇1
1 引言
光纤传送无线电信号的想法已经存在了超过20年的时间, 携带宽带无线服务的多种商业产品也都可以买到。在商业的ROF产品中, 新兴的无线标准和扩大的应用领域需要新的功能和能力未得到应用。本文试图提供一个最新的ROF技术的快照, 以满足这些未来的需要。
2 基于光纤的MIMO射频信号
多数入多输出 (MIMO) 是一种多天线技术, 相比于单天线, 它通过空间复用具有更高的数据速率。新的802.11n无线局域网, 802.16e于WIMAX和4G长期深进系统都将使用某种形式的MIMO。虽然光纤非常适合携带不同载波频率的多天线服务, 如GSM/UMTS, TETRA数字和IEEE802.11b/g无线局域网, 他不是直接使用相同的ROF技术, 以相同的载波频率来传播一组信号, 如基于光纤的由MIMO射频信号支撑的多天线。最明显的和传统的解决方案是使用WDM, 副载波复用 (SCM) 或者是更多的光纤, 但是这些在现有的系统中非常昂贵且难以复古合适。
最近我们提出并证明了一种新的相位正交便带频率转换技术, 来解决用光纤发送MIMO无线信号的挑战。图1说明了这个技术, 三个2.45GHzMIMO信号中有2个首先混合, 90MHz LO的分别正交相位输出。这个过程产生一个较低的表带和一个较高的频带用于MIMO1和MIMO2, 然后MIMO3可以结合他们的两个边带, 如混合过程离开原来2, 45GHz的频段空置。现在的复合材料适合光纤传输, 并且个人的MIMO信号能够通过简单的反转之后得以修复。这种技术有吸引力的的特点是它不需要额外的带宽和昂贵的WDM, 如果MIMO信号数目大于等于3, 它还采用比SCM更少的LO, 最终它可以很容易的实现外部附加模块到当前安装的无线光纤设备转变, 从而提供了一种得到完整MIMO能力的低成本的路径。我们已经进行了两个MIMO信号传输的实验, 并验证了所提出的技术的工作原理。
3 有源射频识别定位跟踪系统
到目前为止, 商业射频产品已经被广泛的安装和使用。如在一些大型地方的2G/3G多孔和WLAN信号, 以相对较低的成本, 提供更可靠的无线覆盖通信相关服务。最近射频技术已被用来进行其他类型的交易。
有一个不断增长的需求, 以监察机场安全和航空客运业务。因此, 它是设想未来的空中乘客, 在办理登记手续时, 在他们的登机牌中能够被嵌入有源的射频识别标签。这种标签必须简单、且成本低, 标签产生的无线电信号用于追踪乘客的位置。在伦敦大学学院, 我们一直在调查Zinewave把光纤作为室内定位跟踪系统的骨干。因此, 室内跟踪系统采用的是有源无线标签, 在我们的实验中采用的有源标签在2.4GHz的ISM频段, 能够产生80MHz的线性FM调频无线信号, 然后, 这个调频信号会被已知位置的天线接收到, 接收到的信号又被返回到一个中心集线器。通过测量在三个天线之间到达接收信号的时差, 标签的位置可以被三角确定。使用的TDOA不在需要同步个别的天线单元。一个最初的二维位置跟踪实验正在进行, 进一步的工作是研究802.11b/g无线局域网信号的干扰。
4 无源RFID和线性化技术
无源FRID标签还被发现应用行李识别, 是对现有的条形码标签的补充。由于标签没有自己的电池, 他们从附带的射频信号那里获得所需要的能量, 来供应他们的集成电路。当射频被用来传递无线信号和读取标签的散射数据时, 必须考虑ROF系统的线性功能, 因为所需的无线电功率可以高达+36dBm。在此功率下, 直接调制激光二极管可能产二次谐波。
Crisp等人最近展示了前馈误差校正技术, 此技术的作用是为了减少所产生的二次谐波。光纤被用来同时发送868MHz RFID载体和2.412GHz IEEE802.11g的信号。光纤连接输出的二次谐波, 并反馈到微控制器, 为了抑制不必要的二次谐波, 频率双倍的868MHz载波能够产生独立的二次谐波信号。这些信号通过微控制器的相位和振幅的调整, 被注入到激光器中, 在输出第二阶街区点已经实现了12dB的进步。
另一个值得关注的是三阶互调失真产品, 它的产生和其他共同信号一样出现在同一频段, 我们之前对ROF链接的前反馈补偿技术做过报告, 并且在2.4GHZ范围内实现了对第三阶互调失真的抑制, 从那时起, 奥康纳等人展示了一种宽带自适前反馈技术, 该技术可以自动操作, 无需人工重新调整。他们报告过超过110db/Hz的第三阶咋散的在3GHz和15GHz的动态范围, 在10GHz, 他们实现了接近1GHz的瞬时带宽。
5 数字化的ROF
从最后一节, 明显的是ROF技术模拟的性质需要来自, 特别是直接的调制激光去或外部调制系统的严格的线性功能。最近, 加马奇等人提出了一个有趣的数字化ROF方法。相比于模拟ROF方法, 这个数字化得方法减少了对激光器或调制器的线性要求。大多数无线服务只占据了无线电频谱的一小部分, 通过使用带通采样, 采样的要求只需要至少两倍的射频调制的带宽。然而, 在模拟和数字信号转换器的输入必须仍然能够正常工作在最高信号频率。加马奇等人展示了2.475GHz 6MS/s 16 QAM WIMAX信号的29km唱的数字化射频的联系。据报道, 一个8位分辨率可能达到满意的信噪比 (SNR) 和误差矢量幅度, 虽然上行的要求可能更加苛刻。
6 总结
随着新的无线标准和应用不断涌现, 现有的射速系统必须能够满足新的功能和增强性能的新要求、我们尝试的目的是提供一个ROF最新的技术概述, 以应对未来的应用需求。
摘要：文章展示在实验室和其他的国际组织基于光纤系统的无线电的一些最新技术。
关键词：光载无线通信,光纤,射频产品
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光纤无线系统论文 篇2
一、光及其特性：
1.光是一种电磁波。
可见光部分波长范围是：390-760nm(毫微米).大于760nm部分是红外光，小于390nm部分是紫外光。光纤中应用的是：850nm，1300nm，1550nm三种。
2.光的折射，反射和全反射。
因光在不同物质中的传播速度是不同的，所以光从一种物质射向另一种物质时，在两种物质的交界面处会产生折射和反射。而且，折射光的角度会随入射光的角度变化而变化。当入射光的角度达到或超过某一角度时，折射光会消失，入射光全部被反射回来，这就是光的全反射。不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的(即不同的物质有不同的光折射率)，相同的物质对不同波长光的折射角度也是不同。光纤通讯就是基于以上原理而形成的。
二.光纤结构及种类：
1.光纤结构：
光纤裸纤一般分为三层： 中心高折射率玻璃芯(芯径一般为50或62.5μm)，中 间为低折射率硅玻璃包层(直径一般为125μm)，最外是加强用的树脂涂层。
2.数值孔径：
入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。这个角度就称为光纤的数值孔径。光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的。不同厂家生产的光纤的数值孔径不同(AT&TCORNING)。
3.光纤的种类：
A.按光在光纤中的传输模式可分为： 单摸光纤和多模光纤。
多模光纤：中心玻璃芯教粗(50或62.5μm)，可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。
单模光纤：中心玻璃芯教细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但其色度色散起主要作用，这样单模 光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。
B.按最佳传输频率窗口分：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。
常规型：光纤生产厂家将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上，如1300 μm。
色散位移型：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如：1300μm和1550μm。
C.按折射率分布情况分：突变型和渐变型光纤。
突变型：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的。其成本低，模间色散高。适用于短途低速通讯，如：工控。但单模光纤由于模间色散很小，所以单模光纤都采用突变型。
渐变型光纤：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高模光按正弦形式传播，这能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。
4.常用光纤规格：
单模： 8/125μm，9/125μm，10/125μm
多模： 50/125μm 欧洲标准，62.5/125μm 美国标准
工业，医疗和低速网络： 100/140μm，200/230μm
塑料： 98/1000μm 用于汽车控制。
三.光纤制造与衰减：
1.光纤制造：
现在光纤制造方法主要有：管内CVD(化学汽相沉积)法，棒内CVD法，PCVD(等离子体化学汽相沉积)法和VAD(轴向汽相沉积)法.2.光纤的衰减：
造成光纤衰减的主要因素有： 本征，弯曲，挤压，杂质，不均匀和对接等。本征： 是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。
弯曲： 光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成的损耗。挤压： 光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。
杂质： 光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。
不均匀： 光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。
对接： 光纤对接时产生的损耗，如：不同轴(单模光纤同轴度要求小于0.8μm)，端面与轴心不垂直，端面不平，对接心径不匹配和熔接质量差等。
四.光纤的优点：
1.光纤的通频带很宽。理论可达30亿兆赫兹。
2.无中继段长。几十到100多公里，铜线只有几百米。不受电磁场和电磁辐射的影响。
4.重量轻，体积小。例如：通2万1千话路的900对双绞线，其直径为3英寸，重量8 吨/KM。而通讯量为其十倍的光缆直径为0.5英寸，重量450P/KM。
5.光纤通讯不带电，使用安全可用于易燃，易暴场所。
6.使用环境温度范围宽。
光纤无线系统论文 篇3
关键词： 光学设计； 显微物镜； Zemax； 正向光路； 长工作距离
中图分类号： TH 74文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.014
Optical system design of highresolution microscope objectives for
optical fiber fusion splicer
CHEN Lina， LIU Qiaoling， KE Huaheng， YU Huaen， PENG Jiazhong， LIANG Xiuling
（Fujian Provincial Key Laboratory of Photonics Technology， College of Photonic and
Electronic Engineering， Fujian Normal University， Fuzhou 350007， China）
Abstract： According to the requirement of highquality fiber fusion in the process of optical fiber fusion， a microscope objective for detecting the fiber core is designed to determine the position of the optical fiber core， which is optimized through the optical system design software Zemax. The designed system consists of six lenses. The magnification is eight. The object space NA is 0.25. The working distance is 13.4 mm. The conjugate distance is 85 mm and image receiver is a CCD. The optical lens is optimized through the method of forward optical path with the spectral range of 486～656 nm. Forward optical path design of the microscope objective is practical to detect the fiber core position more clearly and accurately. It has long working distance， short conjugate distance and high accuracy.
Keywords： optical design； microscope objective； Zemax； forward optical path； long working distance
引言随着光纤通信技术的广泛应用，越来越多的光纤线路需要维护和熔接接续。为了获得低熔接损耗的光纤，需要对光纤纤芯进行高精度对准。因此，设计一款适用于光纤熔接机的高质量显微物镜具有重要的意义。显微物镜是用于观察近距离物体，其像距大于物距，这样才起到放大的作用。光学设计一般从长距离方向计算，因此为了便于后续的像差优化，根据光路可逆原理，传统的设计方法均是采用逆向光路进行优化设计。采用逆向光路设计时，物镜的放大率为正向光路设计时的倒数1/β（β为正向光路设计时物镜的放大率），像差经过物镜后缩小，像差校正容易，但是逆向光路设计的光学系统其几何像差调制传递函数（MTF）、星点图等体现的是物面处的成像质量。而显微物镜在实际使用中都是采用正向光路，且正向光路设计的光学系统其几何像差、MTF、星点图等能够直观体现CCD接收靶面处的成像质量，因此正向光路设计的显微物镜更能贴近实际使用状态。本文中的显微物镜是按正向光路进行设计，它能够更加清晰呈现光纤的纤芯位置，提高光纤熔接机的对准精度，从而达到降低光纤熔接损耗的目的。图1纤芯对准系统的结构示意图
Fig.1Structure diagram of fiber
core alignment system1设计思路光纤纤芯对准系统的基本结构示意图如图1示，图中：l为物距；l′为像距；L为共轭距。像面接收器采用CCD，待熔光纤的直径为125 μm（即物高y为0.125 mm），纤芯直径为9 μm。当光纤在CCD的像面宽度上成像为1 mm（即像高y′为1 mm）左右时，能够较理想地实现光纤纤芯的高清晰对准，且光纤所成的像为倒像。因此可得该系统的放大率为β=y′y=-8（1）光学仪器第37卷
第2期陈丽娜，等：光纤熔接机高清显微物镜光学系统设计
图2包层和纤芯在CCD上的实际大小
Fig.2Real size of the cladding and fiber core in the CCD
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图3摄远型初始结构
Fig.3Initial structure of telephoto
此外，为了便于光纤的装夹、调节、对准、熔接等机构的安装，显微物镜的工作距离不能太小。拟定显微物镜的工作距离（即物距）为13.4 mm，长工作距离便于熔接操作。当工作距离为13.4 mm时，根据放大率公式β=nl′n′l（2）式中n和n′为空气的折射率，可得该系统的共轭距L=l′-l=120.6 mm。该系统在正常情况下其共轭距L将超过120 mm。为了缩短整个光路，将共轭距控制在85 mm以内，这为将来仪器的小型化设计提供了可靠的前提保证。本文中的显微物镜是按正向光路进行设计，纤芯和包层经过显微物镜放大后，其直径分别为0.072 mm和1 mm。由于光纤熔接时主要是检测断裂处纤芯的准确位置，光纤成像的最大视场在0.8ω（ω为物镜的视场角）处（如图2示），因此，系统只需校正0.8ω以内的像差即可满足设计要求。为了采集到高质量的光纤图像，显微物镜的数值孔径设置为0.25。系统拟采用高亮度的白光LED，设计光谱为486～656 nm。2优化设计
2.1优化过程为了缩短光学总长，镜头采用摄远型初始结构，由正透镜组和负透镜组组成，如图3所示。根据理论公式可以粗略计算出正负透镜组的基本参数，显微物镜的物距即正透镜组的物距l1为13.4 mm，由于该显微物镜的共轭距为85 mm，拟定其像距即负透镜组的像距l′2为65 mm，正负透镜组间隔d为6.6 mm。显微物镜数值孔径及角度放大率表达式分别为NA=nsin（-u）（3）
γ=u′u=nn′1β（4）式中：n为物方折射率；n′为像方折射率；u为透镜组的入射孔径角；u′为透镜组的出射孔径角。已知显微物镜的数值孔径NA为0.25，放大率β为-8，将值代入式（3）、式（4）可得：sin（-u）=0.25，sinu′=0.031 25。由摄远型初始结构图中的几何关系可知tanu′1=h1-h2d=-l1×tan（-u）-l′2×tanu′d=0.216 3（5）式中：u′1为正透镜组的出射孔径角；l1为正透镜组的物距；l′2为负透镜组的像距；h1和h2分别为光线在正负透镜组上的入射高度。计算出sinu′1=0.211 4，l′1=h1tanu′1=15.995 8 mm，l2=l′1-d=9.395 8 mm。再根据高斯公式及透镜组的光焦度φ的表达式为1l′-1l=1f′（6）
φ=φ1+φ2-dφ1φ2（7）式中：φ1为正透镜组的光焦度；φ2为负透镜组的光焦度。可计算出正负透镜组的焦距值及显微物镜的组合焦距值分别为：f′1=7.293 9 mm，f′2=-10.989 0 mm，f′=7.788 2 mm。由此可得，光纤经过显微物镜成像时可理解为经过了两次角度变化，即u=-14.477 5°→u′1=12.204 4°→u′=1.790 8°。正负透镜组所承担的偏向角δ1、δ2分别为26.681 9°和10.413 6°（见图3）。根据初始像差及其光学设计的经验，一般情况下，每个光学镜头承担的偏向角不要太大，单透镜承担的偏角为6°～9°，双胶合承担的偏角为11°～14°。这是因为光线的偏角越大，该表面的相对孔径也越大，会产生较大的高级像差，优化时很难达到像差平衡。本文显微物镜的正透镜组采用一片单透镜和一组双胶合透镜的透镜组合，而负透镜组则采用三片分离的单透镜组合，共有六片透镜组成。正透镜组剩余的偏折角可由负透镜组来承担。表1透镜组的基本参数
Tab.1Basic parameters of the lens group
组名形式焦距/mm空气间隔/mm正
透
镜
组单透镜16—空气—1双胶合12.57—空气—3.6负
透
镜
组单透镜-15.60—空气—1单透镜34—空气—1单透镜-17.12—
根据前面得到的正负透镜组结构参数，结合几何光学公式可得出每个透镜的焦距值及透镜间的空气间隔，如表1所示。显微系统的照明光源为白光LED，图像接收器件为CCD，为了能在CCD上得到0.8视场内的清晰像，要求显微物镜是平场消色差物镜。由于所设计的显微物镜是一个长工作距离、小视场的系统，有较小的场曲，因此主要校正其轴上像差，即球差和轴向色差，还要考虑彗差。显微物镜是按正向光路进行优化设计，球差、轴向色差等像差经过系统后被放大，这将增加其校正难度。为了得到优良的成像质量，系统的球差可通过正负透镜组合来进行校正。 彗差的校正。系统主要存在子午彗差，根据其定义，添加操作数TRAY，控制像平面上光线与像面交点到主光线的垂轴距离。对同一视场，不同孔径设置操作数TRAY，令其两者之和为零，可有效减小子午彗差。正向光路设计的显微系统像差放大，因此在优化过程中需要加重相应优化操作数的权重。 轴向色差的校正。对于薄透镜系统，其轴向色差系数为ΣC1=Σh2φν（其中h为光线的入射高度，φ为光焦度，ν为阿贝常数），系统在结构上采用双胶合和有空气隙的正负分离透镜组合。在优化过程中，适当地选择φ，ν及h值，使轴向色差系数尽可能小或为零。系统采用冕牌玻璃与火石玻璃的搭配亦可达到减小轴向色差的目的。
2.2设计结果镜头优化后的外形结构和系统参数分别如图4、表2所示。该系统由6片透镜组合而成，其中有一组双胶合透镜，两片双凸透镜，两片弯月形透镜。所选玻璃第一片来自肖特玻璃库，其余五片均来自成都玻璃库，其中玻璃材料从第一片到最后一片依次为：NPK52、HZK6、ZF5、HZF4、BAF3、HLAK4L。冕牌玻璃与火石玻璃的搭配有利于校正像差。
图4显微物镜的布局
Fig.4Layout of the microscope objective
表2显微物镜的系统参数
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Tab.2System parameters of the microscope objective
名称值物方数值孔径NA0.25有效焦距/mm6.738 307总长/mm71.600 55像方数值孔径NA0.032 286 71近轴像高/mm2近轴放大率-7.992 895入瞳直径/mm23.482 99出瞳直径/mm3.545 373
图5为显微物镜的MTF曲线，从MTF曲线可以看出，在空间频率为50 lp/mm处，全视场以内的调制传递函数MTF值均大于0.3，接近衍射极限，具有较高的分辨率。图6为显微物镜的点列图，由图可以看出，该系统各视场的成像弥散斑均方根半径均小于爱里斑半径，能量较集中，符合设计要求。
图5MTF曲线
Fig.5MTF curve图6点列图
Fig.6Spot diagram
显微物镜的像差公差用波像差来衡量，要求光学系统的波像差小于λ/4。显微物镜的几何像差分析如下：（1）球差由于该显微物镜的孔径较大，因此存在高级球差。该系统的边光球差容限值和剩余球差容限值分别为δL′m≤λn′sin2U′m=0.587 6×10-31×0.032 72 mm=0.549 5 mm（8）
δL′≤6λn′sin2U′m=6×0.587 6×10-31×0.032 72 mm=3.297 1 mm（9）图7为显微物镜的球差曲线，由图可知，该系统主波长的实际球差最大值为0.109 9 mm，在边光球差和剩余球差容限范围内，满足设计要求。（2）轴向色差该系统的轴向色差容限值为ΔL′FC≤λn′sin2U′m=0.587 6×10-31×0.032 72 mm=0.549 5 mm（10）由图7可看出，该系统的实际轴向色差最大值为0.033 6 mm，在容限范围内，符合要求。（3）其他像差图8为显微物镜的畸变图，由图可看出，系统的场曲、像散和畸变都很小，该系统主波长的实际子午场曲最大值为0.027 7 mm，弧矢场曲最大值为0.022 4 mm，实际像散最大值为0.005 2 mm，畸变值为0.24%，都满足设计要求。
图7球差曲线
Fig.7Longitudinal aberration curve图8畸变曲线
Fig.8Distortion curve
3公差分析
3.1公差分配原则系统在加工与装调过程中都将产生误差，使最终结果偏离设计结果。为了提高其成像质量，光学系统内所有参数都需要分配可变公差。如果系统对某一参数的变化很敏感，那么对该组公差要有较严的要求，反之则可以采用较为宽松的公差。显微物镜系统对成像质量有较高的要求，且该显微物镜各透镜的半径和厚度值均很小，因此对光学元件公差的要求相对较严。运用Zemax软件中的公差计算与分析程序计算光学系统内各参数性能下降的敏感度，即分析所有元件的加工、装调公差，确定敏感度。公差参数包括半径、光学元件厚度、空气间隔、偏心等。
3.2公差分配结果运用Zemax光学设计软件，通过灵敏度分析、反转灵敏度分析及蒙特卡罗分析得到显微物镜合理的公差分配。通过计算分析每一公差参数在Nyquist空间频率50 lp/mm处的MTF下降情况，最终确定合适的公差。灵敏度公差、蒙特卡罗公差分析结果分别如表3、表4所示。蒙特卡罗公差分析结果显示该显微物镜系统90%以上的蒙特卡罗样本MTF≥0.166 385 252，每个样本为一个模拟加工、装调后的光学系统。对显微物镜公差灵敏度的分析表明，元件的半径、厚度和偏心为敏感公差，其敏感公差主要位于元件3，4，5（表5所示）。因此，需要严格保证这些元件的加工与装调公差，确保最终实现光学系统的高精度、高性能要求。
表3灵敏度的公差分析结果
Tab.3Analysis of sensitive tolerance sensitivity
类型表面序号公差MTF改变量半径公差1+4光圈数
-4光圈数-0.050 733 329
-0.051 019 096表面偏心公差7±0.008 mm-0.051 884 756表面倾斜公差7±0.008 mm-0.052 259 487半径公差9+3光圈数
-3光圈数-0.054 000 761
-0.056 068 687表面偏心公差12±0.005 mm-0.063 947 077
表4蒙特卡罗公差分析结果
Tab.4The result of the analysis using
Monte Carlo method
蒙特卡罗样本百分比MTF值90%≥0.166 385 25250%≥0.203 524 68910%≥0.329 780 993
表5显微物镜的公差要求
Tab.5Tolerance demands of the microscope objective
元件
序号半径公差/
光圈数厚度公差/
mm偏心公差/
mm折射率
公差阿贝常数
公差/%1±4
±5±0.03
±0.03±0.015
±0.015±0.001 012±5
±5
±5±0.03
±0.03
±0.03±0.015
±0.015
±0.015±0.000 8
±0.001 013±3
±4±0.03
±0.03±0.008
±0.015±0.001 014±3
±4±0.03
±0.03±0.008
±0.015±0.001 015±2
±2±0.03
±0.005±0.005
±0.005±0.001 01
4结论所设计的光纤熔接机的显微物镜具有高放大率、高分辨率、结构简单、装配方便、成本低、适合大批量投产等特点。能够实现更高精度的光纤图像纤芯对准，提高图像识别精度，较为准确地定位纤芯位置，提高光纤熔接的质量。在本系统之后的研究中，将进行显微系统的机械结构和装调技术的研制，使生产过程中安装调节显微物镜简便且易操作，从而降低生产成本。参考文献：
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（编辑：张磊）
无线网光纤分布系统工程应用分析 篇4
一、室内深度覆盖面临的问题
室内分布系统作为解决室内深度的有效手段, 如今也覆盖面临诸多问题:首先, 传统室内分布质量差, 存在优化问题多。在覆盖问题上, 深度覆盖不足, 信号外泄, 高层信号混杂, 室内外2G/3G协同性差;在容量问题上, 室内吸收话务偏低, 热点区域话务量大, 容量分布不均衡;在干扰问题上, 直放站和干放使用过多, 干扰严重。第二, 缺乏支持多制式网络的室内分布测试优化工具。第三, 多网合路设计问题多。第四, 器件质量和工程质量问题多。第五, 密集建筑群覆盖需求激增, 建设美化程度要求高, 选址困难。
二、新型光纤分布系统
2.1光纤分布系统简介
光纤分布系统FDS (Fiber Distributed System) 是一种以光纤承载无线信号进行传输和分布的解决方案, 该系统充分发挥光纤承载带宽大和传输损耗小的优势, 适应了电信运营商多业务运营的网络建设需求, 是一种有效的多制式、多业务融合的分布系统建设方案。
目前业界有两种光纤分布实现方案:分别是:基于RRU的x DAS方案和基于BBU的x RRU方案。
x DAS光纤分布系统由近端单元、扩展单元、远端单元组成, 近端单元和扩展单元用光纤连接, 扩展单元与远端单元之间用五类线或复合光缆连接, 远端由扩展单元直接远程供电, 五类线的长度一般要求不超过100m, 复合光缆长度一般要求不超过3Km。
x RRU光纤分布系统由BBU、扩展单元、远端单元组成, BBU和扩展单元用光纤连接, 扩展单元与远端单元之间用五类线连接, 远端单元由扩展单元直接远程POE供电。光纤分布系统采用树形扩展的拓扑结构, 能灵活适应不同的场景规模系统应用时, 只要求将不同制式的信号源统一放置于机房内, 基站输出的电信号分别输入主单元, 完成多业务信号合路和电光变换, 再经光纤和扩展传输单元将其分布到区域内的各远端单元, 然后恢复成原来的射频信号即可覆盖一个特定的区域。
2.2光纤分布系统的特点
光纤分布系统主要有以下特点: (1) 多系统融合, 可融合2G、3G、4G、WLAN、宽带等多种业务。 (2) 降低底噪, 微功率分布, 改善上行覆盖。 (3) 施工方便, 光纤和网线作为路由, 布放方便, 施工便捷。 (4) 设计简单, 端到端设计, 即插即用, 远端可调功率, 系统调整、优化方便。 (5) 全系统监控, 实现网络拓扑各节点实时全面监控, 监控粒度更精细。
三、光纤分布系统适用场景分析
3.1城区无线深度覆盖场景分类
按照建筑物应用类型进行场景分类, 一般分为:交通枢纽、公共场所、写字楼、住宅小区、学校、大型购物中心及聚类市场、政府、机关、医院、宾馆酒店、独立休闲场所、其他等;该分类方式, 可以结合结构、面积、容量等分类方式多维度进行综合分析, 便于建设工程中进行1对1的比照设计。
3.2光纤分布系统覆盖特点
光纤分布系统采用内置射频模块及天线的远端单元对目标区域进行覆盖, 支持2G、3G、WLAN、LTE等多种网络制式。由于内置天线所以光分布远端一般采用室内放装方式进行覆盖, 对于纵深较短的板式楼宇, 也可采用远端单元外接天线方式从对目标区域室外进行覆盖。远端与信源间采用光纤交换机进行连接, 楼层间无需再布放同轴电缆, 从而降低了施工难度。
远端单元均为有源设备, 从工程造价方面考虑, 建议室内安装采用五类线+POE方式进行供电, 室外安装采用光电复合缆+远供方式进行供电。
3.3光纤分布系统同传统无源分布系统对比
光纤分布系统采用有源微功率天线取代了传统无源天线, 信源与天线间采用数字信号进行传输, 可支持多种无线制式进行同缆传输, 特别在工程施工的便利性上较传统无源分布系统有巨大提升, 对施工人员的技术要求低, 同时业主对此类微功率设备的抗拒性也低, 便于物业协调和工程实施。
光纤分布系统同传统无源分布系统详细对比见表1:
四、光纤分布系统分场景建设方案
4.1室外深度覆盖———多层小区、沿街商铺
多层小区及沿街商铺一般楼宇不高但排列密集, 宏基站选址困难, 采用光纤分布系统进行无线覆盖建设隐蔽性强, 远端用户侧设备采用网线或光纤传输、业主易接受。
一般低层设备挂高3-6米, 确保均匀覆盖, 高层楼宇设备对打覆盖, 保证精确覆盖区, 沿路布放, 实现住户、商铺、道路全覆盖, 通常可2G、3G网络一次建设, 并支撑WLAN融合。
4.2室内深度覆盖———酒店、写字楼
酒店、写字楼一般处于城区繁华区域, 面积大, 装修豪华, 话务具有明显的潮汐效应, 光纤分布系统采用光纤及五类线进行末端传输, 可在对无线网络信号覆盖的均匀性和隐蔽性的上述场所进行选择性覆盖。
一般采用微功率远端设备直接放置于目标区域方式进行覆盖, 覆盖面积较大的区域可采用远端+简单分布方式进行建设。
4.3电梯覆盖
电梯是连接各楼层的动态通路, 覆盖时应充分考虑各楼层小区切换问题, 但是传统室分受限于链路功率损失很难做到信号的均匀无切换覆盖, 光纤分布系统采用柔性光缆或五类线把远端直接放置于轿厢顶部采用随动覆盖方式, 可完美解决上述问题。
针对10层以下电梯可采用在电梯间顶楼安装远端单元向下覆盖方式;10层以上电梯一般采设备安装于轿厢顶部, 采用随动线缆进行连接的覆盖方式。
4.4室内外一体化覆盖———高层住宅小区、建筑群
高层小区楼层高度不一、功能多样、室内户型结构复杂, 建筑规模较大, 建筑物布局形式多样, 楼间距大, 一般在50米~100米, 一般都具备地下停车场和电梯。采用光纤分布系统覆盖, 可大大降低走线和物业协调的难度。
一般采取室内一体化覆盖的策略, 即:同时建设室外和室内分布系统, 室外天线主要覆盖建筑外围的客厅和卧室, 室内天线主要覆盖建筑内部的电梯厅、电梯和地下室。
五、总结
综上所述, 新型光纤分布系统支持电信运营商固网宽带和移动无线网络的融合部署, 可多系统融合组网, 满足多业务运营需求。系统采用光纤传输为基础, 最适合在住宅小区等路由复杂、进场困难的场景应用, 相比无源分布系统对未来LTE的升级改造量也较小。但光纤分布系统在国内电信业还处于试商用阶段, 设备性能、组网能力和可靠性等有待进一步验证, 但各运营商应积极参与产品开发并适时推广应用。
摘要：近年来, 无线网室内深度覆盖成为各运营商2G/3G网络从规模建设向精细建设转型的重点, 但室内深度覆盖建设中面临选址、维护等诸多难题, 本文在分析现状的基础上探讨了新型光纤分布系统在无线网深度覆盖中的技术特点和应用场景, 对各运营商在无线网深度覆盖工程中的设备选型和覆盖方案制定有一定的参考价值。
关键词：光纤分布系统,无线接入网,室内深度覆盖,室内外协同覆盖
参考文献
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[6]http://www.comba.com.cn
光纤通信系统试题一 篇5
一、单项选择题（在每小题的备选答案中选出一个正确的答案，并将正确答案的序号填在题干的括号内。每小题1分，共10分）
1．目前普遍采用的实用光纤通信系统是（）
A．相位调制直接检波通信系统B．频率调制直接检波通信系统
C．强度调制直接检波通信系统D．强度调制相干光检测通信系统
2．在目前光纤通信系统中应用最广的光纤是（A）。
A．石英系光纤B．石英芯、塑料包层光纤
C．多成分玻璃纤维D．塑料光纤
3．阶跃光纤中传导的基模是（B）
A．LP00B．LP01C．LP10D．LP11
4．石英光纤的最低损耗窗口是（）μm。
A．0.85B．1.55C．1.31D．1.33
5．光定向耦合器的作用是（）
A．把一路光分成两路光。
B．把两路光合成一路光。
C．把一路光分成两路光或把两路光合成一路光。
D．衰减光信号的大小。
6．在T＞0K时，下面说法正确的是：（）
A．高于费米能级的能级被电子占据的几率小于1/2。
B．高于费米能级的能级被电子占据的几率等于1/2。
C．高于费米能级的能级被电子占据的几率大于1/2。
D．高于费米能级的能级被电子占据的几率等于1。
7．对于光发射机的光源，说法正确的是（）
A．光源的输出光功率越大越好B．光源输出光功率不能过大
C．对光源的P-I曲线的线性要求不高D．可以使用任意发光波长的光源
8．关于光接收机的主放大器，说法正确的是：（）
A．增益大小可调B．位于均衡器之后
C．输出信号的峰峰值为几毫伏数量级D．位于前置放大器之前
9．用光纤传输监控信号时，脉冲调顶法属于（）
A．空分复用B．频分复用
C．时分复用D．码分复用
10．对于含有8个码元的一组码组10011101，若编为mB1C码，其结果是（）。
A．100111010B．100111011C．110011101D．01001110
1二、填空题（每小题1分，共10分）
11．在传播方向上有磁场分量但无电场分量的电磁波称为。
12．在光纤通信中，决定中继距离的主要因素是光纤的和。
13．光纤的是用来表示光纤捕捉光射线能力的物理量。
14．阶跃型光纤的单模传输的条件是
15．光衰减器可分为和两种。
16．激光器主要由激光物质、和激励源组成。
17．异质结半导体激光器的优点是加强了对的限制。
18．要产生光电效应，必须给PN结加上偏压。
19．APD二极管最大的特点是具有
20．中继器的作用是衰减的信号、恢复的波形，使光脉冲得到再生。
三、名词解释（每小题3分，共15分）
21．衬底辐射模
22．波导色散
23．光纤连接器
24．粒子数反转
25．光电检测器的响应时间
四、简答题（每小题5分，共20分）
26．什么是光接收机的灵敏度？若用分贝毫瓦来表示，其定义式是怎样的？
27．简述光隔离器的工作原理
28．简述半导体的光电效应。
29．简述抖动性能的定义及描述方法。
五、画图题（第30小题5分，第31、32小题各10分，共25分）
30．画出LED数字信号内调制原理图。
31．画出光纤数字通信系统的示意方框图。
32．画出外加正向偏压后P-N结的能带分布。
六、计算题（每小题10分，共20分）
33．在阶跃型光纤中，纤芯的折射指数为n1=1.50，包层的折射指数为n2=1.47。
（1）光纤放置在空气中，求数值孔径：
（2）光纤浸在水中（n0=1.33），求光从水中入射到光纤输入端面的最大接收角。
光纤无线系统论文 篇6
目前室内覆盖技术主要采用传统的同轴电缆覆盖方式,主要包括信号源、同轴电缆、功分器、耦合器、室内天线和干线放大器等一系列的设备组成。 传统同轴室内覆盖主要存在一些问题。
大量有源设备的使用引入了过多噪声:采用大功率的直放站作为主设备,使用干线放大器补偿同轴电缆对射频信号的损耗,会使得噪声引入严重,尤其是上行信号的噪声引入。 上行信号噪声的引入及积累,将直接影响基站的接收灵敏度和覆盖范围,对于码分系统,会产生严重的呼吸效应和用户自干扰, 使得覆盖范围不确定,并降低系统用户容量。
无法满足多频段的良好兼容: 同轴电缆的损耗大,使耗电量增加、基站不能远距离放置、大量同轴电缆布放施工困难等问题非常突出;另外,将射频信号直接利用同轴电缆进行布线分布传输,对于不同体制、不同频段的移动通信网络信号在同一种同轴电缆中的传输损耗差异较大,难以实现多系统共享的统一设计与形成相对稳定统一的布线建设技术规范。
不能满足后期的发展需要:在无线IP化的今天,以及3G和后续版本的移动通信系统将开始大规模应用高速数据传输的需求,呼唤着室内覆盖解决方案新模式的建立。
针对以上同轴覆盖系统的弊端,以光纤五类线为传输介质的新一代室内覆盖系统出现了。 本文参照无线光纤分布系统WFDS探讨。
2 无线光纤分布系统的实现方式
无线光纤分布系统WFDS选用能够最低程度地满足无线网无线容量要求的基站作为无线信源,采用光纤作为无线信号分布传输介质,将基站所提供的所有射频载波信号调制回中频进行传输,再将中频信号送达目标覆盖区域后,再重新恢复为原有的射频信号,然后根据各覆盖区域的实际情况采用不同的微小射频功率进行覆盖,完成对目标小区的覆盖要求。
2.1 无线光纤分布系统的组成原理
无线光纤分布系统通过光纤进行信号传输,利用五类线或CATV电缆实现信号的分布。信号源只需要提供0-10d Bm的微功率信号输入到无线光纤分布系统的主单元(MH),主单元将输入信号变换为中频,然后通过电 /光转换有光纤传送到扩展单元(EH),扩展单元再通过光/ 点转换变为中频信号 , 该中频信号又由无线光纤或CATV电缆传送到远端接入单元 (RAU), 最后把中频信号重新变换为射频,并通过低功率功放输出射频信号送入天线,RAU在不解调的情况下输出功率为15d Bm。 系统原理如图1所示。
2.2 无线光纤分布系统的组成
该系统根据建筑物室内覆盖面积的大小以及室内覆盖系统对用户容量的需求不同可采取两种方案:标准型室内分布系统、简约型室内分布系统。
标准型室内分布系统。 标准型室内分布系统由主单元、扩展单元、远端接入单元组成,方案组成与应用图示意如图2所示。 主单元和扩展单元用光纤连接,采用单模光纤,光纤的传输距离一般不超过6km;扩展单元与远端接入单元之间可以采用无线光纤连接,五类线的长度要求一般不超过100m(加延长器可达到170m),远端接入单元通过同轴电缆连接天线。
简约型室内分布系统。 简约型室内分布系统由简约型主单元、传输线、远端接入单元简约型主单元与远端接入单元之间可以采用五类线传输,五类线的长度一般不超过100m(最长170m),远端接入单元通过同轴电缆连接天线。
3 无线光纤分布系统的优势分析
无线光纤分布系统采用光纤宽带技术,提供足够带宽的无线信号传输,支持远距离分布覆盖,以克服传统同轴分布系统信号在传输链路上的损耗;以中频信号的传输技术,降低大功率射频传输的应用,保持射频信号传输链路的信噪比, 采用贴近天线的前置低噪放大,最大限度的改善接收信号的质量, 降低了上行链路噪声;完善的网管监控能力,最大限度的改善工程实施与后期维护工作量,弥补同轴分布系统不能对其整个监控的缺点。 现以华侨城为案例进行讨论。
3.1 方案设计方面
同轴分布系统在方案的设计中, 要严格的计算信号在传输链路上的损耗,如图3所示,大部分有用的信号都浪费在传输链路上, 并且要满足天线功率口的输出功率,这对于覆盖华侨城这样范围大的工程,是需要较长的设计周期来完成方案的设计。 再来看无线光纤分布系统,由于采用模块化的设计 ,主单元与 扩展单元 之间用光 纤连接,单模光纤可达6千米,这对于覆盖对象的大小来说, 都是能满足要求的, 并且信号在光纤中的损耗很小 ,几乎可以 忽略不计 ,而RAU在不解调的 情况下输 出功率都 为15d Bm, 所以在进行设计的时候 , 就不再进行 繁琐的信 号功率分 配计算,只需要考虑走线的路径,把扩展单元拉到覆盖区域,用RAU进行覆盖,如图4所示,从而使方案设计简化,缩短设计周期。
3.2 工程实施方面
同轴分布系统采用1/2、7/8馈线作为传输介质,馈线本身直径很粗,虽然现在电气管道口预留较大,但在施工过程中,穿线麻烦,特别在管道弯曲时,施工难度变大,弯曲半径控制不好,将影响信号的传输。 同时,施工打孔穿线,噪声大,扰民严重,施工周期长;工程的实施还影响到了建筑本身的美观。 这些问题在众多的工程里都反映出来了。 那么,如果采用无线光纤分布系统的覆盖方式,是否会得到一些改观呢? 首先,光纤、五类线本身直径较小,易于走线、布放美观,扰民小,工程周期短。其次,系统本身采用模块化的设计方式,有着很强的可扩展性。 如果覆盖区域由于新建建筑出现新的盲点,我们不需要再对原系统进行繁琐的设计更改,只需要在原来预留的接口装上新的模块就可以解决新盲点的信号覆盖。 可以看出,无线光纤分布系统在工程实施中更显简单快捷。
(1)电梯的覆盖 。 对于华侨城8组团 ,电梯有23部之多,分布各楼体。 采用同轴覆盖方式,由于楼体距离远 ,馈线损耗 大 ,设计困难 ,同时施工难度大,信号分布不均匀,如图5所示。 采用无类线覆 盖方式 ,模块化设 计 ,施工容易 ,天线放在电梯轿箱顶上随其移动, 信号均匀稳定,如图6。
(2)小区的覆盖 。 由于建筑的遮挡 ,很多小区楼体下面几层信号很弱,影响通话。 华侨城也如此,一到三层的信号很弱。 采用同轴覆盖方式,由于楼体之间距离远,需要用大功率干放来补偿路径的损耗, 而无线光纤分布系统,主单元到扩展单元之间是光纤连接,距离可达6公里 ,信号的损耗可以忽略不计 ,这便为小区大范围覆盖奠定了基础。 同时,对于比较高层的楼,由于系统模块化的设计,我们可以很方便地把远端接入单元引入到楼顶,接入板状天线覆盖高层,从而解决高层切换问题。
(3)系统维护方面。 系统维护简单,易于发现故障点,可以降低维护成本,提高经济效益。传统同轴分布系统我们只能监控到干放一级,不能对整个系统进行监控,如果系统某个点出现故障,那么在诊断故障的过程中花费时间就多,解决问题周期就长。 无线光纤分布系统可以监控到整个系统的状态,正弥补了同轴分布系统的不足。
4 无线光纤分布系统在 3G 改造新建中的探讨
第三代移动 通信系统TD-SCDMA经过测试 已经具备了大规模商用的能力,同时在3G时代室内覆盖更具重要性,如何更有效、更快捷地在原2G网络之上改造建设3G室内覆盖,是节省投资,快速占领市场的重要策略。
2G室内分布系统的改造存在几个问题 :GSM系统天线的放置一般较少,而TD-SCDMA的路衰一般比G网高5-10d B,天线的覆盖范围更小;TD-SCDMA提供的是高速数据业务,因此需要更好的信号质量;GSM系统天线一般放置在走廊等非高速数据业务区, 而高速数据业务区往往在天线的距离较远处, 这就意味着天线点需要调整。 若采用同轴分布系统进行2G网络改造,由于2G、3G路衰的不同导致功率难以匹配, 覆盖区域可能存在众多3G信号弱区,如要新增天线点,就面临着复杂的链路预算,可行但建设困难、周期长。 若采用无线光纤分布系统新建3G主路由的方式, 施工简单,对原来的网络没有影响,同时,由于系统模块化设计 ,有着很强的扩展性,我们可以方便地解决3G路衰大造成的信号盲点。 可见这是一种快捷高效的2G升级3G的解决方案。
同时,无线光纤分布系统有GSM、TD-SCDMA两网合一的产品, 这对一些原来没有GSM信号覆盖的新区域建设3G提供了快速建网的机会,缩短了建设的周期,降低了投资成本。
5 结束语
经过多年的同轴室内覆盖建设方式,发现了很多需要改进的地方,那么无线光纤分布系统的出现,正好是对传统同轴分布系统不足点的改进,同时,在2G、3G网络的改造中, 也体现出了很强的可操作性和实用性,无疑,无线光纤分布系统是2G室内覆盖的延伸,是向3G室内覆盖的过渡。
摘要：论文在提出传统同轴室内分布系统存在问题的基础上,简要介绍了一种无线光纤分布系统WFDS(Wireless Fiber Distribution system)的原理、组网模式。通过实际工程项目案例,从方案设计、工程实施、系统维护的角度与同轴分布系统作了对比分析,同时也对2G、3G室内分布改造作了简要的分析说明。
光纤无线系统论文 篇7
关键词：W波段,天线偏振复用,多频段复用,大容量光纤无线融合,射频波段
0引言
W波段(75~110GHz)作为更高频的毫米波,已成为各国在空间通信的研究热点。采用W波段的毫米波通信,能够穿透云层,实现全天候通信,而且相对于微波通信,毫米波通信有着更高的带宽,并且有着较好的方向性和较小的服伺范围,因而能够减少相应的功耗,同样,这一优点也能带来更好的安全性和保密性。
近期,许多国外政府和高校已经开始在W波段光无线传输方面设立项目开展研究。为了满足军事通信的需求,美国DARPA(国防部先进研究项目局)已立项开展100GHz传输100Gbit/s的研究,而日本则立项用W波段解决在自然灾害情况下的高速通信问题。国际上许多对于W波段的光纤无线链路实验都能达到百千兆数量级的传输速率。首先,毫米波部分的频谱可以提供足够的带宽,同时能够在长距离传输中将受到的大气衰减控制在可接受的范围内;其次,高阶调制格式[1,2]将用于提高每个信道的SE(频谱效率);最后,天线偏振复用[3]和多频段复用[4]将用于提供多个独立的信道。文献[5]中同时使用了这三种技术,创下了W波段的记录,使传输速率能够达到400Gbit/s。
本文将对现有的W波段大容量光纤无线融合系统及几种提高容量的途径分别加以描述,阐述其实现方法和技术难点,为这些新技术的实用化提供一定的参考依据。
1光纤无线融合系统
1.1系统结构
W波段光纤无线融合系统的结构如图1所示,大致可以分为四部分:光基带发射器、光升频器、2×2MIMO(多输入多输出)和W波段无线接收器。
光基带发射器主要由ECL(外腔激光器)、I/QMOD(同相/正交调制器)、Pol.Mux(偏振复用器)和偏振保持OC(光耦合器)组成,能够生成两路去相关的信号。生成的信号发送到光纤传输链路中,可以通过EDFA(掺铒光纤放大器)来补偿光纤损耗。
光升频器由一个LO(本地振荡器)、两个PBS(偏振光分束器)、两个OC和两个PD(光电探测器)组成,直接转换光信号的X和Y偏振分量到W波段。由W波段运作的X和Y偏振分量通过两个窄频EA(电放大器)后同时发送到一个2×2MIMO无线链路中。2×2MIMO无线链路包括了发射机和接收机的HA(喇叭天线)两部分。
在W波段无线接收器部分,第一级模拟下变频到低频段的X和Y偏振分量,该信号在120GSa/s的采样率和45GHz电带宽的实时示波器下实现了模/数转换。第二级下变换在DSP(数字信号处理器)中实现。DSP包括了降频变换、CD(色散)补偿、CMA(恒模算法)均衡[6]、载波恢复、差分解码和BER(误码率)计算[7]。
注:Light baseband transmitter:光基带发射器;ATT:衰减器;Light frequency device:光频率设备; SMF:单模光纤;W band wireless receiver:W 波段无线接收器;DL:延迟线;Offline DSP:离线数字信号处理器;Pol.Mux:偏振复用器;AWG:任意波形发生器;PBC:偏振光合路器;RF:射频;Mixer:混频器;Digital Storage OSC:数字存储示波器。
相比于OOK调制,采用QPSK调制格式可以提升系统容量。而为了追求更高的速率,必须使用一种更高效率的调制格式,本文考虑的是16QAM。但必须承认,虽然16QAM有着更高的调制效率,但因为现有设备的局限性,而16QAM作为一种多电平信号,对系统的线性度要求很高,100Gbit/s又是超高频,放大器没有那么好的线性范围,所以在实验中降低了波段范围,即在Q波段(35GHz)实现16QAM。文献 [2]展示了112 Gbit/s的PM16QAM传输链路的实验装置。
整个系统的性能取决于光基带发射器和无线链路。通过使用一些技术,比如高阶调制、天线复用和多频带调制,可以从调制效率、频带利用率和带宽宽度等多方面实现系统的优化。
1.2高阶调制
对于传统的系统而言,调制格式采用二进制的OOK(开关键控),在这种方式下,系统容量会受到带宽限制,SE比较低。因此,为了进一步提升系统的容量,可以采用高阶的调制方式,而根据香农公式,采用M进制的通信系统,总容量会提升log2M倍。目前在光纤无线融合系统中,先进的多电平调制格式主要有QPSK(正交相移键控)和16QAM(16进制正交幅度调制)。
为了实现大容量光纤无线融合系统,首先使用的调制格式为PDM-QPSK(偏振复用-正交相移键控),因为QPSK是一种常用的无线数字信号调制方式,具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性,并且在电路上也较容易实现。使用这种调制方式,已知可以达到的速率为57Gbit/s[1]、108Gbit/s[8]和120Gbit/s[4]。
1.3天线复用
为了达到大容量光纤无线融合系统的要求,可采用MIMO技术以及天线的偏振复用,如图2所示。在无线链路中,一般在采用高阶调制格式时,都有着I路和Q路数据。对于IQ调制的两路信号,天线无法传输虚部的信息,所以需要采用MIMO技术,使用双天线同时传输两路信息。由图2中水平极化部分可以看到,2×2的天线互相对应。实际中天线之间会产生串扰,而这部分串扰可以使用算法抑制或滤除,文献[7]给出了较为详细的分析。
注:DWDM signal:密集波分复用信号;WSS:波形成型器;mm鄄wave:毫米波;ch:信道;Optical Up鄄converter:光升频器。
上面所说的MIMO技术,尚未使用天线复用技术,每个天线仍然处于同一极化水平。由图2可以看到,总共使用了4×4的天线,其中一对2×2为水平极化,另一对2×2为垂直极化,这样设计之后,整个系统的容量相比于2×2天线的系统,能够扩大整整一倍。而对于水平极化和垂直极化之间的串扰问题,经过实验验证,它们之间的隔离度可以达到33dB,文献[8]中给出了详细的解释。
采用天线水平和垂直极化复用(V和H极化复用)后,基于DSP的经典CMA算法可以实现极化多路解复用和串扰的消除。通过采用天线复用技术,对于光和无线设备的信号波特率和性能要求可以降低,无线传输容量也可以增加,但代价是双倍的天线和设备。
1.4多频段复用
1.4.1电的多载波调制
为了进一步提高频谱利用率,扩大整个系统的容量,可考虑使用OFDM(正交频分复用)技术。OFDM能将信道分成若干个正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制到每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分离,这样可以减少ICI(子信道间干扰)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此每个子信道可以看成平坦性衰落,从而可以消除符号间干扰[10]。
我们已经知道QPSK调制方式的理论SE为2bit/s/Hz,16QAM调制方式 的理论SE为4bit/s/Hz。而使用QPSK-OFDM调制格式时,实际SE可以达到3.41bit/s/Hz,文献[11]给出了相关的实验证明。该实验成功地在W波段传输了30.67Gbit/s的PDM-OFDM信号。
1.4.2光的多载波调制
除了提高SE可以扩大整个系统的容量外,增加传输时的频带宽度同样可以提高系统容量。因此,在W波段这样一个较宽的波段中,可以考虑使用WDM(波分复用)技术或DWDM技术来进一步提高系统的带宽和容量。
文献 [3]中详细介 绍了使用 三通道3×40Gbit/s的光PDM-QPSK信号的传输。图3所示为该三通道信号的发射结构图。
注:Multi鄄carrier signal:子载波信号;Optical Heterodyne Up鄄converter:光外差升频器;Pow.Div:功分器;BPD:平衡探测器;Joint鄄channel DSP:联合信道数字信号处理器。
我们可以看到,初始的电带宽为10GHz,每路通道的传输速率正是经过QPSK调制和天线偏振复用后的40Gbit/s,然后使用三通道的WDM技术,最终的数据传输速率为120Gbit/s。这样的多通道技术可以极大地提高数据的传输速率,而且多通道技术可以减少每个子通道的带宽需求,这就给予了子通道优化的可能性。但值得一提的是,这种提高速率的方式是通过牺牲带宽来实现的,在W波段尚未完全利用的初期,这种技术是极为有效的提高容量的方法。
1.4.3多频段复用
基于上述使用WDM技术提高系统容量的方法,以及16QAM调制格式所使用的Q波段,可以想到使用多个波段的调制方式,即同时传输W波段和Q波段的数据。W波段传输PDM-QPSK信号,并使用双通道的WDM技术;Q波段传输PDM16QAM信号,也使用双通道的WDM技术。从原理上可以知道,多频段的复用方式和上述的任何提高系统性能的方式都没有冲突,每增加一个波段都可以使用高阶调制、天线偏振复用和WDM技术,从而大大增加了系统的容量。
文献[5]给出了这样一套系统,其信号的发射端如图4所示。从图中可以看到,W波段调制的PDM-QPSK信号的电带宽为27GHz,使用QPSK和天线复用后传输速率为108Gbit/s;同样,Q波段的PDM-16QAM信号的传输速率为112Gbit/s。因为每个波段都使用了双通道,所以最终的传输速率为2×108Gbit/s和2×112Gbit/s,超过了400Gbit/s的传输速率。这样一个创纪录的速率正是通过使用各种扩大光纤无线融合系统容量的方法而达到的。可以预计,这样的系统仍有着一定的改进空间,阻碍速率继续提高的因素很有可能是电子元件的高频性能以及使用各种方法后所带来的计算复杂度。
注:Dual band signal transmitter:双波段信号发射器
1.5几种技术的比较
本文介绍了几种提高容量的途径,高阶调制、天线偏振复用以及多频段复用,使用这些技术中的一种,或者几种技术相结合,可以不同程度地提高系统的容量。现将这几种技术的增益大小、优点与缺点大致归纳如表1所示。
2结束语
W波段大容量光纤无线融合系统作为一种新的无线光纤通信方式,已经走出了自己的道路。W波段通信,作为一个新的RF频段选择,虽然在国际上已成为一个热点,但对于国内而言,仍只处于实验研究阶段。
光纤无线系统论文 篇8
在地面移动通信迅速发展的今天, 煤矿井下对移动通信的要求也越来越高。煤矿井下巷道具有分布复杂、巷道距离远等特点, 若采用地面传统的架设基站的方式则成本太高, 覆盖也较难完善。针对该问题, 本文以KT28型矿用CDMA多功能无线通信系统为例, 介绍光纤直放站在煤矿井下CDMA无线通信系统中的应用。
1 煤矿井下光纤直放站工作原理
煤矿井下巷道总体呈带状分布, 若采用地面传统的架设基站的方式, 受井下巷道条件的约束, 单个基站覆盖范围非常有限, 要覆盖井下所有巷道, 就需要很多井下基站才能实现, 则成本太高;同时井下巷道弯道和岔道较多, 覆盖也较难完善。
光纤直放站价格较为便宜, 采用光纤直放站将无线电射频信号转换成光信号传送到煤矿井下目标巷道, 同时将井下无线电射频信号转换成光信号传送到地面, 既可解决投资成本问题, 又可解决地面与井下的通信信号传送问题和井下的通信信号覆盖问题。
KT28型矿用CDMA多功能无线通信系统结构如图1所示, 光纤直放站地面近端设备将地面送往井下的无线电射频信号转换成光信号, 该光信号通过光纤传送到井下目标巷道中的本安远端模块, 由本安远端模块再将光信号转换成无线电射频信号, 该信号送入射频单元进行放大, 再通过功分器或耦合器将射频信号分配后, 由天线或泄漏电缆将无线电射频信号传输到目标巷道并完成无线电射频信号的覆盖。反之, 井下本安远端模块则将井下送往地面的无线电射频信号转换成光信号, 该光信号通过光纤传送到地面近端设备, 地面近端设备再将光信号转换成无线电射频信号。光纤直放站的数据传输原理如图2所示。
另外, 地面设备管理平台软件可监测并调整光纤直放站的功放输出、调节增益、监控各模块工作状态。地面设备管理平台软件可实现的功能如表1所示。
2 光纤直放站在矿用CDMA通信系统中的应用
山东枣庄矿业集团柴里煤矿井下巷道长为20 km, 其中主要运输行人巷道长为10 km。为了解决井下流动人员和生产调度中心之间、井下流动人员和地面固定办公电话之间、井下流动人员和井下生产电话之间的通信问题, 该矿选用了煤炭科学研究总院常州自动化研究院研制推出的KT28型矿用CDMA多功能无线通信系统。
KT28型矿用CDMA无线通信系统在柴里煤矿地面机房机柜内布置光纤直放站地面近端设备组件, 组件采用标准的48 V不间断通信电源供电。井下主要巷道共安装12个KZG1矿用无线信号变换器 (光纤直放站本安远端机) , 每个井下变换器配备1台矿用隔爆兼本安不间断电源箱供电, 电源箱通过井下巷道照明电路取电。地面近端设备与井下变换器之间通过专门铺设的井下光缆通信。
光纤直放站的应用解决了柴里煤矿井下巷道无线电射频信号的覆盖问题, 很好地保证了煤矿井下无线通信的质量, 为煤矿井下和生产调度中心实时快速的信息沟通提供了先进可靠的通信平台。该平台不仅解决了煤矿现有巷道的无缝覆盖, 在煤矿井下巷道不断拓展的同时, 还能够方便、灵活、快捷地扩大信号覆盖的范围, 提高了煤矿井下生产的效率, 取得了良好的经济效益。
柴里煤矿的应用实践还证明, 矿用CDMA无线通信系统应用光纤直放站后具有以下特点:
(1) 覆盖设计和工程施工更为灵活。应用光纤直放站后, 设计时无需考虑安装地点能否接收到信号, 也无需考虑收发隔离问题, 方便了井下本安远端机的选址;同时可根据需要采用天线和泄漏电缆组合的方式实现井下巷道信号覆盖无盲区。另外信号能够通过光缆传送到远达20 km的地区, 且传输衰耗很小, 普通单模光纤的衰耗为0.18 dB/km, 并且可以通过调整光纤直放站的增益来补偿光信号的衰减。光缆很细, 容易铺设。
(2) 设备工作稳定, 覆盖效果好。信号通过光缆传送, 不受井下巷道远、环境复杂等因素的影响。
(3) 避免了同频干扰, 可全向覆盖, 干扰少。
(4) 可提高增益而不会自激, 有利于加大下行信号的发射功率。
3 结语
在煤矿井下应用光纤直放站是CDMA无线通信技术的一种创新。本文介绍了光纤直放站在矿用CDMA无线通信系统中应用的工作原理及具体实施方案。应用结果表明, 光纤直放站能够较经济地解决煤矿井下巷道无线电射频信号覆盖的问题, 且通信质量较好, 提高了矿井生产效率。
参考文献
[1]常永宇, 桑林, 张欣.CDMA2000-1X网络技术[M].北京:电子工业出版社, 2006.
[2]啜钢, 高伟东, 彭涛.CDMA2000 1X无线网络规划优化及无线资源管理[M].北京:人民邮电出版社, 2007.
[3]张农.直放站在蜂窝移动通信网中的应用[J].邮电设计技术, 2000 (5) .
光纤无线系统论文 篇9
关键词：无线-光纤宽带接入网络,路由算法,网络拥塞
一、前言
随着多媒体技术的发展,多媒体传输业务被广泛使用,人们对网络通信能力的要求越来越高。就目前来看,主干网建设日渐完善,但“覆盖一公里”问题则制约了网络的发展。无线-光纤混合宽带接入网络集成了无线接入网和光纤接入网的优势,但路由技术一直是无线-光纤混和宽带接入网络的瓶颈。基于以上,本文简要分析了无线-光纤混合宽带接入网络路由技术。
二、无线-光纤混和宽带接入网络概述
无线-光纤混和宽带接入网络(以下简称WOBAN)主要由前端的无线Mesh网和后端光纤网组成。光网络单元ONUs是前端光纤网和无线网的分界点,其能够实现光信号和无线信号的高速转换。在WOBAN中,前端无线网络为Mesh网,后端光纤网为PON[1]。在Mesh网中,其融合了Ad Hoc和WLAN,现有的IEEE80211MAC层协议标准无法支持Mesh网,且当前没有专门针对Mesh网的路由协议标准,因此假定应用80211实现Mesh网的多跳传输,其最大传输速率为54/11/54/Mbps,单跳传输区域限定范围为100米。
三、无线光纤混合宽带接入网络路由技术
3.1前端无线Mesh网路由算法
最短路径路由算法和DARA路由算法是都是常见的路由算法,但二者在Mesh网中的应用都有着一定的局限性,本文提出了应用于WOBAN的Dijkstra算法,以此作为最短路径选择算法,首先提出了MHRA算法(最小跳路由算法),其以跳数为权重,之后提出了MDRA算法(最小时延路由算法),期以时延作为权重,下面来进行具体分析。
3.2MHRA算法
1)建立网络连接矩阵
将WOBAN实际网络拓扑结构进行抽象,得到25×25阶的连接矩阵B,如果B(i,j)=1,则代表节点i到节点j之间存在直接连通链路,链路权重固定,始终为1,如果B(i,j)=0,则代表节点i和节点j之间没有直接连通链路。
2)建立最短路径表
根据权重矩阵,对每一个节点通往其他节点都建立最短路径表,通过Dijkstra算法来选择最短路径。
3)信息统计
用户信号包到达最近路由器的时候,则此最近路由器成为源节点,在用户信号包中,对其目的节点有着明确,一旦目的节点进入到光网络中,则应当选择所要进入光网络的网络单元ONUs作为目的节点,如果用户信号包中信息数据的目的节点是其他用户,则选择该用户的路由器作为目的节点[2]。当数据到达源节点的时候,其会在已经建立好的最短路径表中选择一个到达目的节点的最短路径,之后直接进行发包处理,统计每一个用户信号包的延时信息,为之后的仿真数据比较提供数据支持。
3.3MDRA算法
1)广播链路状态
将当前用户信号包密度λi、有效链路容量Ci等信息周期性的发布到没一条链路i中,在DARA算法中,根据节点相邻链路的数量来实现对有效链路容量Ci的平均分配。
2)预测链路状态
3)链路权重确定
4)链路计算
建立连接矩阵,方法与MHRA算法连接矩阵建立方法一致,对B(i,j)=1的链路进行权重赋值,之后根据Dijkstra算法来确定最短路径。
5)信息统计
根据节点用户信号包的发包数量,在路径计算过程中确定了经过节点,在经过节点进行链路状态的更新,对各个用户数据包的延时进行统计。
MHRA算法在负载较轻环境下时延性能更优良一些,但随着负载的增加,MDRA算法时延性能更好,能够有效实现负载平衡,不会在个别路径集中网络,造成网络拥塞。
四、结论
本文以Dijkstra算法为基础,将其应用到WOBAN的前端无线Mesh网络中,实现了MHRA算法和MDRA算法,并结合仿真结果分析了两种路由算法的性能,随着负载的增加,MDRA算法的应用值得考虑。
参考文献
[1]索凯华.无线-光纤混合宽带接入网络路由技术研究.浙江工业大学,2012
光纤无线系统论文 篇10
建设铁路无线通信光纤直放站对我国铁路无线通信有着十分重要的作用, 在铁路铺设的过程中, 由于要经过各种复杂的路段, 尤其是当列车经过深山和沙漠这种极端的地区的时候, 列车中的乘客的无线通讯设备在这个时候几乎都是处于断线的状态。与此同时, 列车的司机的在驾驶列车的时候, 也要有信号的来源, 如果经过这一区域列车的无线接收系统出现紊乱, 会严重造成列车的正常行驶, 更严重的会造成列车脱轨等安全事故的发生。建设铁路无线通信光纤直放站是对列车的正常行驶和广大乘客的安全保驾护航, 是我国交通运输事业的一项安全举措。
1 铁路无线通信光纤直放站对我国铁路交通起到的推动作用
1.1在铁路中建设无线通信光纤直放站可以大大提高无线网在整个列车中的使用, 与传统的信号发射装置不同, 铁路无线通信光纤直放站与以往最大的优点就是在信号的传输途径上, 铁路无线通信光纤直放站中装置了WCMD 3G/4G信号, 使信号的传输速度更为快捷, 信号的质量更加稳定, 可以实现对整个列车进行无线网的覆盖。作者为了让文章更为实际, 亲自体验过在建设多座铁路无线通信光纤直放站的列车, 经过作者的测试, 在有铁路无线通信光纤直放站的网络信号覆盖的地区, 移动通讯设备的信号是满格, 与普通的列车上移动通讯设备信号时断时续有着相当大优势。
1.2作者通过对张集 (张家口至集宁) 铁路内蒙古段为调查对象, 对光纤直放站在解决弱场覆盖和位置定位的问题上做过一部分分析, 得出了以下结果。张集铁路内蒙古段共有5个中间站:友谊水库、兴和、庙梁、西土城、古营盘, 线路地形虽没有高山、隧道, 但沿线路段有部分丘陵及小山包, 多处有挖方地段, 路堑最高有近50米, 站间距一般在20公里以上, 其中庙梁至西土城站间距离28.6公里, 线路存在弯道。安照铁路无线列调场强覆盖的要求, 车站信号传输距离应达到站间距的一半, 为达到这一要求, 并根据以上地形特点, 在区间增设光纤直放站以加强信号覆盖, 这无疑是一个非常明智的选择。
1.3光纤直放站由近端机和远端机组成, 近端机设在通信机房内, 远端机设在区间, 在近端机和远端机之间利用有线通信沿线敷设的20芯光缆中的11芯、12芯光纤, 将车站无线信号转换成光信号传输到光纤直放站远端机, 再由远端机天线继续进行发射已增强信号覆盖。
2 进行铁路无线通信光纤直放站建设的最佳位置选址工作
2.1铁路无线通信光纤直放站与交通运输总站之间一定要有传输介质的存在, 这样才能确保铁路无线通信光纤直放站能及时获取运输总站发出的信息, 从而根据铁路无线通信光纤直放站所处的地段, 运用信息放大器来增加信息量的发射功率, 让列车接收到电讯号更加准确。
2.2在列车形式在云贵山区这样崎岖的山谷里的时候, 由于回音而可能造成对铁路无线通信光纤直放站发出信号的干扰, 在列车行驶在这样的路线中时, 可能由于回音与无线网络信号混杂而产生电磁波。电磁波对铁路无线通信光纤直放站发出的无线信号有着极大的干扰作用, 从而使得全车的信号覆盖率降低。就是因为这样, 在这种山谷地区, 应该加大对这铁路无线通信光纤直放站的建设, 通过建设成功的多座铁路无线通信光纤直放站之间的联系作用, 才能抵抗电磁波的冲击。因此, 在设置铁路无线通信光纤直放站的位置时应该考虑:远端机覆盖相互独立, 不会因为一台设备而使其它设备中断。
2.3在选择建设铁路无线通信光纤直放站车站的地址时, 应当避免噪音对铁路无线通信光纤直放站的影响。铁路无线通信光纤直放站在接收电台接收端接收列出发出的信号时, 也会收到其他噪音的影响, 使得信息质量存在严重问题。这些杂音会混杂在铁路无线通信光纤直放站发出的信号里, 破坏铁路无线通信光纤直放与列车的有效平衡。因此, 选址的时候要充分考虑植物的优势, 植物会对噪音有吸收作用, 对铁路无线通信光纤直放站的功能有所提升。
2.4在选址的时候要考虑电力系统供应方便的地方作为铁路无线通信光纤直放站的建设地点, 由于铁路无线通信光纤直放站需要可靠的电源, 在铁路系统一般选择沿铁路两边架设的10kV自闭和贯通电源, 两路电源一主一备, 因此, 要考虑电力电缆方便过轨的地方。如果电力供应不可靠, 会严重影响铁路无线通信光纤直放站与列车之间的实时交流, 造成列车驾驶员无法对前方路段进行了解。
3 对铁路光纤直放站位的建设位置做出恰当的调整
3.1 直放站附近地势起伏较大时, 应选择高地段进行立塔, 这样可以减少铁塔高度以降低成本及延长传输距离。
3.2 在建设铁路光纤直放站位时, 应考虑发射塔与电气化铁路回流线的安全距离, 一般选择塔身最近处距回流线不小于3.5米。
3.3电力系统的供应对铁路光纤直放站的影响, 铁路光纤直放站也需要电力的供应。如果, 在铁路光纤直放站的电力系统时断时续会对网络信号的传输起到阻碍的作用。因此, 有铁路光纤直放站应该建设在电力系统供应充足的电线杆附近, 能源源不断的获得电力的供应, 从而保证铁路光纤直放站发出的网络讯号的完整性。
3.4铁路光纤直放站位置一般有设计定位, 设计定位时分析地形, 并进行场强测试, 但由于设计进行场强测试时, 一般路基还没有成效, 特别是无法测出高挖方地段的场强, 而且设计进行场强测试时发射及接收和线路竣工后车站电台发射及列车台接收还有误差, 因此要根据需要进行调整。
4 结束语
随着铁路光纤直放站的建设成功, 为我国的铁路事业的发展起到了强有力的推动作用。铁路光纤直放站发出的无线网络信号能方便快捷地传输到列车中, 不仅服务了广大乘客, 也让列车能及时收到总站发来的路况信息, 从而使列车驾驶员能及时做出判断。这种铁路光纤直放站的全面推广, 对实现我国铁路交通事业从传统的运营变成高速、快捷的人性化服务, 为我国铁路交通事业锦上添花。
摘要：随着铁路运行速度越来越快, 对无线列车调度通信要求100%全覆盖, 光纤直放站作为铁路无线列调重要的补强措施之一, 位置出现偏差时会造成铁路区间出现弱场, 甚至出现盲区, 直接影响铁路运输质量。为满足弱电场区信号的连续覆盖, 解决弱电场区通信问题, 作者通过查阅各种资料, 分析研究出在铁路中对无线通信光纤直放站位置设置的主要方法, 并对位置设置中容易出现的问题做出合理的解释, 对我国铁路未来无线通信光纤直放站位置设置的发展做出展望。
关键词：铁路,无线通信,位置设置
参考文献
[1]钱度铭.单双工兼容制列车无线调度电话系统TW-l2型铁道电台[M].北京:中国铁道出版社, 1994.
[2]钱国峰, 徐华林.地下铁道移动通信设计[M].北京:中国铁道出版社, 1994.
[3]田翠云.移动通信系统[M].北京:人民邮电出版社, 1990.