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基于WiMAX的射频光纤传输(RFoF)系统性能研究1

日期:2024-03-29 02:34
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摘要: 北京锦坤科技有限公司 北京邮电大学 硕士学位论文 基于WiMAX的射频光纤传输(RFoF)系统性能研究 姓名:邢妍 申请学位级别:硕士 专业:电磁场与微波技术 指导教师:叶培大 20080301 摘要 在这个科技发展日新月异的时代,作为高新技术的通信领域,更是以****的速度迅速发展着,而其中的无线通信技术更是*具市场发展潜力和应用前景的一个分支。现阶段,无线通信技术已经影响 到人们生活的方方面面。Wi心802.16标准是20世纪末刚刚兴起的一个无线城域网标准,用来解决“*后一公里"的通信要...

北京锦坤科技有限公司

北京邮电大学

硕士学位论文
基于WiMAX的射频光纤传输(RFoF)系统性能研究
姓名:邢妍
申请学位级别:硕士
专业:电磁场与微波技术
指导教师:叶培大

20080301

摘要
在这个科技发展日新月异的时代,作为高新技术的通信领域,更是以****的速度迅速发展着,而其中的无线通信技术更是*具市场发展潜力和应用前景的一个分支。现阶段,无线通信技术已经影响 到人们生活的方方面面。Wi心802.16标准是20世纪末刚刚兴起的一个无线城域网标准,用来解决“*后一公里"的通信要求。虽然, 它的问世时间很短,却由于其自身的高质量、高带宽、高性价比等优 点,获得了业界广泛的青睐。在2007年10月,无线宽带技术WiMAX 已经正式成为第四个3G(第三代移动通信)标准,这无疑为其更广泛的商用奠定下良好的基础。在我国,基于IEEE 802.16e的移动 WiMAX也已经进入了小规模的试验阶段,相信随着相关产品的进一 步开发,WiMAX在国内会得到更多的肯定。 然而,WiMAX/802.16标准定义的工作频段为2。66GHz,在这 样的工作频段下,无线信号在大气中由于反射和吸收造成的损耗也是 不容忽视的。因此,需要建设大量的基站以实现大覆盖的范围,从而 使搭建网络的费用大幅提高。论文针对这个问题,考虑采用RoF (Radio over Fiber)技术中的射频光纤传输技术(RF-over-fiber, RFon与WiMAX技术相结合,实现符合WiMAX/802.16标准的宽 带无线信号的高质量传输。 论文对基于WiMAX的射频光纤传输系统性能进行了分析研究, 主要工作如下: (1)阐述了WiMAX系统和RFoF系统的工作原理、系统结构 和技术现状,设计了基于、M㈣的RFoF系统方案。 (2)建立理论分析模型,对RFoF系统进行了功率预算和载波 带宽选择分析,并提出了该类系统的设计建议。 (3)构建仿真平台,从误码率、频谱和星座图等多个方面研究 了xPSK、xQAM、OFDM等典型的射频调制信号经RFoF系统传输 后的性能,并提出了系统优化的建议。
关键词:WiMAX IEEE 802.16 RoF OFDM QAM xPSK

PERFORMANCE STUDYON WiMAX-BASED RF(RADIO
FREQUENCY)OVER FIBER SYSTEMS
ABSTRACT
Nowadays,science and technologies are developing rapidly. Communications technologies,especially the wireless communications, are now playing more and more important roles in people’S everyday life. As the latest wireless Metropolitan Area Network standard, WiMAXIEEE 802.16 standard iS designed to fulfill the requirements of ¨the last one kilometer¨in networks.It features high quality,broad bandwidth,high performance and low price.In Oct.2007,WiMAX was ratified as the fourth 3G standard.It’S no doubt that this is a milestone for its further application.Several experiment networks based on IEEE 802.16e WiMAXhave been constructed in China and it is believed that WiMLⅨtechnologies will be widely applied with more available products. The carrier frequencies ofWiMAXEEE 802.16 standard lie among 2—66 GHz.In such circumstances.the reflection and absorbability of atmosphere cannot be ignored.Hence a large quantity of base stations arg needed tO fulfill the requirement of coverage,and finally the cost of facilities of the whole network increases.In order to address this issue. this paper propose a solution which combines WiMAX technology with one of Radio over Fiber technology···-RF(Radio Frequency)over Fiber to provide high quality transmission of broadband wireless signals. The integration of WiMAXX and RFOF(WiMAX.RFOF system for simplicity)is studied in this paper. (1)WiMAX and RFoF technology,including operation principles, technical features,and current status are extensively and systematically investigated.A RFoF system based onWiMAXiS designed.The structure of point·-to·-point downlink between center station and base station are mainly discussed.

(2)Theoretical models of power budget and carrier bandwidth selection are established.The feasibility of the system is analyzed based on existing apparatus.Several instructions on system construction are given. (3)A simulation platform is presented.The performance of RFoF system based on different kinds of WiMAX mainstream modulation methods are firstly analyzed by BER and signal constellation and then evaluated by simulation.Several comments on optimizing of practical
systems are given.
KEYWORDS:WiMAX,IEEE 802.16 standard,RoF,OFDM,QAM,xPSK

**章绪论

1.1 引言
21世纪是一个科学技术高速发展的时代,通信技术的发展更是日新月异。在过去的几十年里,通信技术改变着人们的生活方式。通信技术中的宽带接入技术,由于自身的种种优势,在上个世纪90年代得到了广泛的发展和应用,渐渐 成为F1常生活的重要组成部分。现有的接入技术按照其传输介质的不同,可以分为无线接入技术和有线技术。无线接入是指从交换节点到用户驻地网或用户终端之间,部分或全部采用无线手段接入的技术,目前常见的无线接入技术包括GSM、UWB、WLAN、 WiMAX、WCDMA、TD.SCDMA等。有线接入是指从交换节点到用户驻地网或用户终端之间,全部采用有线手段接入的技术,主要包括目前广泛使用的ADSL 技术和正在逐步兴起的PON技术等。无线接入模式和有线接入模式,各自有其优点,然而也都存在自身的弊端。 因此,近年来,众多研究机构都在讨论将无线通信与有线通信技术相融合,充分发挥两类接入技术的优势,实现1+1>2的网络结构,减少各自不利的方面。


1.2研究背景
随着各种无线新业务的不断涌现,对带宽的需求也在与同俱增。如何低成本 的提供宽带业务,渐渐成为业界关注的热点问题。
1999年,IEEE成立了802.16工作组,工作组的名称为宽带无线接入标准 (Broadband Wireless Access Standard),专门研究宽带固定无线接入技术规范, 建立一个全球统一的宽带无线接入标准。IEEE 802.16标准定义了无线城域网(wMAN)空中接口规范l¨。无线城域网概念的推出是为了满足日益增长的宽带 接入市场的需要。IEEE 802.16标准主要为无线城域网中“*后一公里’’或“*初一公里”连接提供缺少的一个环节。2001年4月,一个由业界主要无线宽带 接入厂商和芯片制造商发起的非营利的工业贸易联盟——“微波接入全球互通 (WiMAX)论坛一正式成立【啦捌。它的目标是促进IEEE 802.16标准规定的宽带 无线网络的应用推广,保证采用相同标准的不同厂商的宽带无线接入设备之间的互通性与互操作性。2007年10月,无线宽带技术WiMAX以OFDMA WMANTDD的名义,正式成为第四个3G(第三代移动通信)标准。虽然WiMAX技术 与我国重点推广的TD.SCDMA标准存在一定的竞争,但是目前基于IEEE 802.16d的固定WiMAX在国内已经处于试验阶段,而基于IEEE 802.16e的移动 WiMAX也已经开始了小规模的试验,相信随着相关产品的进一步成熟,WiMAX作为TD.SCDMA的补充和平行方案,在国内同样也会有较大的发展空间。 IEEE 802.16标准规定的WiMAX系统的工作频率范围是2 GHz.66 GHz。

随着工作频率的不断提高,无线信号在大气中由于反射和吸收所造成的损耗也在增加,相应的基站覆盖范围逐渐减小|4,-si。因此,WiMAX组网采用微蜂窝以及 微微蜂窝覆盖模式,这样就需要大量的基站以实现大范围的覆盖,使得网络的搭 建成本和维护成本增加。寻求一种有效地降低成本的方法,成为WiMAX技术成 功商用的关键问题之一。于是,RoF(Radio over Fiber)技术——种光纤通信 与无线通信相结合的技术,得到了业界的广泛关注。RoF技术是指利用光纤代替传统的大气作为传输媒质来传送宽带信号的一种传输技术,是近年来新兴的交叉 学科——微波光子学的一个重要的研究方向16]。对它的研究早在上世纪80年代 末、90年代初就已经开始进行,用户对无线接入网络的带宽需求成为其发展的推动力【7117J。利用这种技术,能够实现大容量、低成本的射频信号传输和宽带无 线接入,以及分布式网络覆盖模式。该技术现阶段主要应用于**代蜂窝移动通信系统中室内覆盖部分和第三代蜂窝移动通信技术中的射频拉远技术。 利用RoF技术中的射频光纤传输技术与WiMAX技术相结合实现宽带接入具有诸多优点。采用WiMAX无线接入技术建网,便捷迅速。无线技术在布网方 面的灵活性远非有线技术可比,例如在郊区或者大楼内部使用无线技术组网方便快捷。WiMAX技术*初就是致力于组建造价低廉的网络,可以极大地节省建网 费用,降低投资风险。WiMAX系统还具有可升级性和有效的服务质量控制等优 点。另外,WiMAX技术的一大特点是对移动性的支持,使用户摆脱了“有线"的束缚,更加方便灵活。而利用光纤实现有线接入,*突出的优势在于传输距离方面,使基站的选址问题不再受到地域的限制,更加灵活,有效的降低了基站的维护成本。光纤的损耗小,近似看作是“无损"的介质,从而保证系统的性能。光纤还具有易于进行多路的合成和分解,容量大,抗电磁干扰性能好等优点。另 外,相对于射频电缆而言,光纤的价格便宜,更容易实现低成本的网络覆盖。将 光纤有线与WiMAX无线接入方式相结合,实现两者的优势互补,为用户提供高带宽、灵活的接入手段。


1.3本文结构及主要工作
本文主要对基于WiMAX的射频光纤传输(RF.oveF-fiber,RFoF)系统的 性能进行研究和分析,对这个新的3G移动通信系统标准的无线信号结合RFoF光纤传输系统的应用前景进行了前瞻性的探索研究。 **章主要讨论了WiMAXEE802.16标准。从WiMAX/IEEE 802.16标准 的产生背景入手,介绍了标准的发展历程、体系结构、应用优势以及WiMAX的 MAC层和物理层的特点等问题。第三章首先简要介绍了光纤通信系统,而后讨论了现阶段宽带无线通信面临的挑战,进而引出了RoF的概念,对其基本组成结构,主要特点以及目前的主要应用场合进行了研究;并着重从光纤中传输的信 号和调,tl/检测原理两方面对其技术原理进行分类讨论。第四章提出了一种基于WiMAX的射频光纤传输系统结构的设计方案。从功率预算和载波带宽选择两个 角度,验证了系统的可用性,以及可用条件。第五章中提出了包括xPSK-RFoF、 xQAM.RFoF和OFDM.RFoF在内的三个仿真模型,分别涵盖Wi删802.16标 准的正交频分复用和单载波接入两种物理层结构,并针对这三个系统的物理媒质依赖子层进行仿真分析。第六章对全文进行总结,并对接下来的研究提出进一步 的要求,对系统的应用前景进行展望。 论文的主要工作如下:
(1)阐述了WiMAX系统和RFoF系统的工作原理、系统结构和技术现状, 设计了基于WiMAX的RFoF系统方案。
(2)建立理论分析模型,对RFoF系统进行了功率预算和载波带宽选择分 析,提出了该类系统的设计建议。
(3)构建仿真平台,从误码率、频谱和星座图等多个方面,研究了xPSK、
xQAM、OFDM等典型的射频调制信号经RFoF系统传输后的性能,提出了系统 优化的建议


**章:射频光纤传输技术原理
本章前两节中介绍并讨论了光纤通信系统及现阶段宽带无线通信所面临的 挑战,在此基础上引出了现代通信系统中*具发展潜力与应用前景的技术——RoF技术。本章对RoF系统的概念、产生背景、基本结构、特点和主要的应用场合进行了阐述,并着重从光纤中传输的信号和调N/检测原理两方面对其技术 原理进行分类讨论。


2.1光纤通信系统
光纤通信系统就是以光纤作为传输介质,光波作为载波传输信息的通信系 统。光纤通信系统与无线通信系统相比,具有显著的优点:传输容量大、抗电磁干扰、保密性好、损耗低等。*基本的光纤通信系统由光发送机、光通信信道(光 纤)和光接收机组成,如图3.1所示。


光发送机部分主要由数据信号源、光调制器、光源以及相应的驱动电路组成;光通信信道为光纤,当传输较长的距离时,还需要光中继器;光接收机由光探测器,低噪声放大器以及相应的接收电路组成。通常根据光纤中传输信号的类型, 可以将光纤通信系统分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。模拟光纤通信系统的主要应用领域是传输模拟电视视频、音频信号。由于数字光纤传输系统具 有更高的灵敏度、更好的传输质量,大容量长距离光纤通信系统大多采用数字光纤通信系统。 数字光纤通信系统在长距离传输中,由于光纤介质的损耗而使光信号强度发生衰减,因此,需要使用中继器对衰减的信号进行放大,同时还需要对信号进行 整形与定时。在设计一个光纤通信系统时,*大中继距离是一个重要的考虑因素。 数字光纤传输系统的*大中继距离是指在光发送机和光接收机之间,不设置中继站时*远能够传输的距离。这是由于对于一定的传输距离而言,中继距离决定了 使用的中继器的数量,从而关系到整个光纤传输系统的建设与维护成本。光纤通 信系统的*大中继距离主要由以下四个方面因素所决定:

(1)发送机输出耦合进光纤的平均光功率。耦合进光纤的光功率越大,中继 距离越长。

(2)光纤的损耗。光纤损耗是光纤的*基本特性。如果在激光器发射端(z=0
处)的信号光功率为P(0),在光纤中经过距离z的传播之后,其功率为P(z):


光纤的损耗和光波波长有关,和光纤的制作工艺也有极大的关系。光纤线路的损 耗包括光纤活动连接器损耗和光纤熔接损耗,以及光纤的每公里损耗。如果光纤 每公里损耗越小,则信号光功率在光纤中的损耗也就越小,光信号在光纤中所能够传输的距离就越远。 

(3)光纤的色散。色散是光纤的一个重要的参数。光纤的色散主要由两方面 引起:一是光源发出的不是单色光,即光源中的光波频率不同;二是由于调制信 号有一定的带宽。实际光源发出的光不是单色的,而是有一定的波长范围,这就 是通常所说的光源的线宽。因此,在对光源进行调制时,可以认为信号是按照同 样的方式对光源谱线中的每一分量都进行了调制。一般的调制带宽比光源窄得多,因而可以将光源的线宽看作是已调信号带宽,但对高速和线宽极窄的光源, 情况却不是这样。进入光纤中的是一个调制了的光谱,如果是单模光纤,将激发 出基模;如果是多模光纤,贝U激发出大量的模式。所以,光纤中的信号能量是由不同的频率成分和模式组成的,它们具有不同的传播速度,造成信号的展宽,引 起复杂的色散现象。若光纤的色散效应很大,则经过一定距离传输后,信号的波 形就出现严重失真。随着传输距离的增长,信号波形失真就越严重。在数字通信 系统中,波形失真将引起码间干扰,使得光接收机的灵敏度降低,从而影响系统 的中继距离。


 (4)满足一定误比特率要求的光接收机灵敏度。接收灵敏度越高,也就是满 足系统误比特率要求的*低接收光功率越小,中继距离就越长。 对于某一光纤通信系统来说,发送光功率和光接收灵敏度一般都是已知的,影响系统中继距离的因素主要是损耗限制和色散限制[21J。










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