基于无源光网络结构的宽带无线信号覆盖网络

摘要

一种基于无源光网络结构的宽带无线信号覆盖网络，第一光纤功率分配器/合波器，将光发射机的光载波信号分配给多个光纤功率分配器；多个用户终端单元，对应接收光纤功率分配器的光载波信号，通过天线发射到空中，同时通过天线接收用户上行RF信号；光波长复用/解复用器件，汇集多个用户终端单元的用户上行光信号，向上行方向传输；第二光纤功率分配器/合波器，汇集用户上行光信号并向上行方向传输；宽带光接收机，将接收到的多波长的用户上行光信号转换为有多个带宽的宽带RF信号送往上层设备。本发明解决了大规模大型室内多用户同时实现宽带无线通信的问题，增强了对上行光信号功率水平动态变化的适应性，可以适应多种不同无线通讯体系的功能要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种宽带无线信号覆盖网络。特别是涉及一种适合用于较大规模和大型的室内宽带无线信号覆盖的基于无源光网络结构的宽带无线信号覆盖网络。

背景技术

随着3G技术的普及，4G和毫米波技术的不断发展，无线技术有进一步向高频率段发展的趋势，并且是多种制式和多种频带信号共存的方式。由于高频信号空间衰减大和电缆传输特性的限制，尤其是在复杂的室内环境下，宽带无线信号的传输和覆盖问题已变得日益突出。统计表明，大部分无线信号收发是室内环境下发生的，不解决室内环境的无线宽带覆盖将无法提供满意的宽带无线服务，室内覆盖已经成为新一代无线通讯技术中亟待解决的问题。光纤传输无线信号是被普遍看好的方式，这主要是因为光纤具有高带宽和低损耗的特性，2G时代的光纤直放站就是一个很好的例子，光纤直放站实现了基站信号拉远的功能。然而，目前的光纤直放站是基于点对点的方式，在应用到点对多点的光纤分布式天线系统(ODAS)情况下，一个突出的问题就是上行信号光传输难以很好地解决，在用户增多的情况下，波长资源有限和光电器件价格较高的问题使系统成本急剧上升。针对上行光传输问题，近期在FTTH的技术发展值得关注，通过采用局端高功率光源和用户端采用注入锁定F-P腔半导体激光器的WDMPON技术是一种被看好的低成本FTTH上行光传输方式，完全可以在ODAS中加以借鉴；然而还应当看到，即使是采用DWDM全部系列的光波长，其数量仍然是有限的，当用户数量进一步增大时，波长资源有限的矛盾便会突出，因此如何在WDMPON的构架下实现多于DWDM全系列波长数量的多用户接入也是一个十分重要的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过采用下行广播宽带覆盖和上行波分复用的光纤分布天线系统结构来实现较大规模和大型的室内宽带无线信号覆盖，通过光纤多带信号传输和用户终端的移频匹配，可以适应多种不同无线通讯体系(制式)和不同用户规模的覆盖要求，并且在WDMPON的构架下，通过光波长重用的方式实现多于DWDM全系列波长数量的多区域多用户接入的基于无源光网络结构的宽带无线信号覆盖网络。

本发明所采用的技术方案是：一种基于无源光网络结构的宽带无线信号覆盖网络，包括有：光发射机，用于将基站下行宽带RF信号调制成光载波信号并发射，针对更多用户情况，多个系统带宽的RF信号经过频移构成多带RF信号一起调制到光信号上；第一光纤功率分配器/合波器，将来至光发射机的光载波信号分配给多个光纤功率分配器，每一个光纤功率分配器进行最终分配；多个用户终端单元，对应接收光纤功率分配器最终分配的光载波信号，经过光电转换和频移处理后通过天线发射到空中，同时通过天线接收用户上行RF信号，经频移处理后调制特定波长光源，形成上行光载波信号；光波长复用/解复用器件，汇集来自多个用户终端单元所发出的用户上行光信号，向上行方向传输；第二光纤功率分配器/合波器，汇集来自多个光波长复用/解复用器件的用户上行光信号，并向上行方向传输；宽带光接收机，用于将接收到的多波长的用户上行光信号转换为有多个带宽的宽带RF信号送往上层设备。

对于大规模的宽带无线信号覆盖网络，为避免上行光接收出现的相同波长的光拍频干扰，必须将上行多带RF信号的频率限制在一定频带内，这种限制与所采用的光多波长体系相关，具体的与所采用的DWDM光滤波器特性和多用户的光源波长相关；各不同用户采用系统分配的不同的频道频率调制上行光信号，整个网络中对应一台光接收机，不允许同时出现两个相同的频率频道同时上行。

宽带光接收机具有入射光信号动态范围自适应调整能力，以适应PON结构特有的光信号变化特点，宽带光接收机通过在宽带光电探测器之前加入多波长光纤前置放大器，实现针对输入多波长光信号大动态变化的快速增益控制功能，以确保各上行用户光信号能保持增益的相对稳定和进入到宽带光电探测器的光信号具有合适的功率水平，宽带光接收机中还集成了接收宽带光电探测器信号的宽带自动增益控制RF放大器和多带频移下转换模块。

所述的网络采用单纤上行结构时，包括有光发射机，用于将站下行宽带RF信号调制构成多带RF信号光载波并发射；一个光纤功率分配器，用于将来自光发射机的多带RF光载波信号分配给多个用户终端单元；多个用户终端单元，对应接收光纤功率分配器分配的光载波信号，经过光电转换和必要的频移处理后通过天线发射到空中，同时通过天线接收移动用户上行RF信号，经必要的频移处理后调制特定波长光源，形成上行光载波信号；一个光波长复用/解复用器件，将来自大功率CW多波长光源的多波长光源信号分配给多个用户终端单元，汇集来自多个用户终端单元所发出的用户上行光信号，并向上行方向传输；大功率CW多波长光源，作为用户终端单元特定波长光发射机的激励光源；光环行器，将用户上行光信号与多波长激励光源信号分离，使用户上行光信号进入宽带光接收机，由宽带光接收机转换为有多个带宽的宽带RF信号送往上层设备。

所述的网络采用双纤上行结构时，包括有光发射机，用于将基站下行宽带RF信号调制构成多带RF信号并发射；一个光纤功率分配器，用于将来自光发射机的多带RF光载波信号分配给多个用户终端单元；多个用户终端单元，对应接收光纤功率分配器分配的光载波信号，经过光电转换和必要的频移处理后通过天线发射到空中，同时通过天线接收移动用户上行RF信号，经必要的频移处理后调制特定波长光源，形成上行光载波信号；大功率CW多波长光源，作为用户终端单元的特定波长光发射机的光源信号；光波长复用/解复用器件，将来自大功率CW多波长光源的多波长光源信号分配给多个用户终端单元；第二光波长复用/解复用器件，汇集来自多个用户终端单元的上行光信号，发送给光接收机，由宽带光接收机，转换为有多个带宽的宽带RF信号送往上层设备。

所述的大功率CW多波长光源包括有：前级光纤放大器，用于提供宽带ASE辐射；后级光纤放大器，用于对多波长信号进行功率放大；连接在前级光纤放大器(7.1)和后级光纤放大器(7.3)之间的疏状光滤波器。

所述的多个用户终端单元是一个光电混合的双向收发模块，下行信号传送包括一个宽带光接收机；一个宽带RF放大器，用于放大宽带光接收机(5.1)输出的RF信号；模块共用双功器，通过天线发送下行RF信号；上行信号传送包括接收上行RF信号的天线，模块共用双功器，一个宽带RF放大器，一个注入锁定F-P腔半导体激光器，来自大功率CW多波长光源的特定波长光信号将注入锁定F-P腔半导体激光器锁定在特定波长，注入锁定F-P腔半导体激光器经宽带RF放大器(5.4)的输出调制后形成上行光信号。

所述的多个用户终端单元是一个光电混合的双向收发模块，下行信号传送包括一个宽带光接收机；一个宽带RF放大器，用于放大宽带光接收机(5.1)输出的RF信号；模块共用双功器，通过天线发送下行RF信号；上行信号传送包括接收上行RF信号的天线，模块共用双功器，一个宽带RF放大器，一个电吸收宽带电光调制器，宽带RF放大器的输出调制在电吸收宽带电光调制器上，来自大功率CW多波长光源的特定波长光信号在电吸收宽带电光调制器中经RF信号调制后形成上行光信号。

所述的多个用户终端单元具有频移功能，下行信号传送中所述的宽带光接收机至模块共用双功器之间还依次设置有下行宽带RF前级放大器、第一OUN本振单元、下行带通滤波器和下行宽带RF功率放大器；上行信号传送中所述的模块共用双功器至电光调制宽带光发射机之间还依次设置上行宽带RF低噪声放大器、第一OUN本振单元、上行带通滤波器和上行宽带光发射机驱动放大器。

所述的多个系统带宽的RF信号分别用于覆盖不同的多个区域，以便在各自区域内实现系统空中接口限制的最大用户数量，这一方法也适用于室外多蜂窝基站天线与基站控制中所述的多个系统带宽的RF信号还是不同制式的无线通迅信号，包括不同频段、不同调制方式以及有重迭频段的情况，在用户终端单元中经不同的RF通路和天线发出或接收，用于实现不同制式的无线通迅信号覆盖。

本发明的基于无源光网络结构的宽带无线信号覆盖网络具有以下优点和积极效果：

①通过光纤传输宽带无线信号的方式，将无线基站信号直接传输到分区天线，在不占用发射塔频率资源的情况下，解决室内无线信号覆盖问题；通过采用多带信号光传输充分利用了光纤传输的带宽资源，尤其是选择特殊频段的上行ROF方案，为覆盖提供了更多的频道资源，解决了大规模大型室内多用户同时实现宽带无线通信的问题。

②通过上行光信号共用同一个光接收机的方式进一步降低了基于WDMPON上行方案的成本，采用光波长重用方式解决了波长数量有限和用户数量庞大之间的矛盾，并通过增加自适应前置光放大器的方法增强了对上行光信号功率水平动态变化的适应性。

③通过WDMPON结构和低成本特定波长光发射机方案降低了上行信号光传输方案的成本

④本解决方案具有可以灵活升级和配置的优点，可以适应多种不同无线通讯体系的功能要求。

附图说明

图1是基于无源光网络的光纤分布天线(ODAS)网络的整体结构示意图；

图2是多用户上行光信号光谱结构和RF频带限制示意图；

图3是包含自适应光信号功率控制的上行光接收机的结构框图；

图4是基于注入锁定波长上行WDMPON的光纤分布天线(ODAS)网络结构示意图；

图5是基于EA调制器的上行WDMPON的光纤分布天线(ODAS)网络结构示意图；

图6是基于光纤放大器的大功率CW多波长光源结构示意图；

图7是实现用户光发射机特定波长的用户终端单元结构示意图；

图8是实现用户光发射机特定波长的另一种实施例的用户终端单元结构示意图；

图9是具有移频功能的用户终端单元结构示意图；

图10是具有多制式无线信号覆盖功能的光纤分布天线(ODAS)网络结构示意图；

图11是具有多制式无线信号覆盖功能的用户终端单元结构示意图。

其中：

1：光发射机                             2：宽带光接收机

2.1：多波长光纤前置放大器               2.2：宽带光电探测器

2.3：宽带自动增益控制RF放大器和多带频移下转换模块

3：第一光纤功率分配器/合波器

3′：第二光纤功率分配器/合波器          4：光纤功率分配器

5：用户终端单元                         5.1宽带光接收机

5.21：注入锁定F-P腔半导体激光器

5.22：电吸收宽带电光调制器

5.3：宽带RF放大器                       5.32：下行宽带RF功率放大器

5.33：下行带通滤波器                    5.34：OUN下行宽带RF功率放大器

5.35：OUN下行带通滤波器                 5.4：宽带RF放大器

5.41：上行宽带光发射机驱动放大器        5.42：上行宽带RF低噪声放大器

5.43上行带通滤波器                      5.44：OUN上行宽带RF低噪声放大器

5.45：OUN上行带通滤波器                 5.5：模块共用双功器

5.6：第一OUN本振单元                    5.7：第二OUN本振单元

5.8：OUN RF双工器+天线                  6：光波长复用/解复用器件

6′：第二光波长复用/解复用器件          7：大功率CW多波长光源

7.1：前级光纤放大器              7.2：疏状光滤波器

7.3：后级光纤放大器              8：光环行器

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于无源光网络结构的宽带无线信号覆盖网络做出详细说明。

本发明所提出的一种从无线基站控制中心(或称基站局端)到室内用户天线的DAS方案是，充分利用宽带RF技术和光发射机/接收机的大带宽优势，通过采用无源光网络(PON)结构，下行为广播覆盖方式；上行在采用WDMPON结构的基础上，通过光波长重用方式解决波长数量有限和用户数量庞大之间的矛盾，上行的多波长光信号到达基站局端后采用尽可能少的宽带光接收机，在实现大规模多点室内覆盖的情况下，进一步减少局端设备数量，降低系统成本。

本发明通过一种两级构架的光纤无源网络结构实现基于光传输的宽带无线信号覆盖，具体包括采用尽可能少的局端光发射机和光接收机，WDMPON用户上行光传输解决方案和光波长分区重用的多区用户解决方案。

如图1所示，本发明的基于无源光网络(PON)结构的宽带无线信号覆盖网络包括有：光发射机1，用于将无线通信系统基站控制器局端下行宽带RF信号调制在光载波上，通常是单个光波长信号，为增加覆盖点数量，实现局部环境更多的宽带无线用户能同时在线，将多个系统带宽的宽带RF信号通过频移方式构成多带RF信号，并调制在光波上发射；第一光纤功率分配器/合波器3，通过一根光纤(通常是单模光纤)连接光发射机1，并将光发射机1所发射的信号分配给多个光纤功率分配器4，每一个光纤功率分配器4进行最终分配；多个用户终端单元(OUN)5，对应接收光纤功率分配器4最终分配的光信号，在多个用户终端单元5经过光电转换输出多带RF信号，多带RF信号通过频移和带通选择在各个隔离区间还原到无线系统的空中接口频带，放大后通过天线发射到空中，各个隔离区(用户)通过频率重用最大限度满足区内同时多用户实现宽带接入的需求，用户终端单元(OUN)5同时通过天线接收移动用户上行的RF信号，经必要的放大和频移处理后调制在特定波长光源上构成用户上行光信号，频移处理将根据系统要求进行，其原则是，在全部宽带光接收机2的接收带宽内，为每个处于覆盖系统内的移动用户提供唯一的无线频道；光波长复用/解复用器件6汇集并传送多个用户终端单元5所发出的用户上行光信号；第二光纤功率分配器/合波器3′(反向的光纤功率分配器)，汇集多个光波长复用/解复用器件6汇集的用户上行光信号，并通过光纤传送给基站处的宽带光接收机2，转换为宽带RF信号后送往上层设备。上行信号的总RF带宽与下行信号完全对应，各个隔离区的上行容量采用共享机制，在各个隔离区内可实现的最大上行容量为系统空中接口频带限定的最高容量(类似于室外天线的单独扇区)，因此能够适应局部多用户同时接入的要求。

对于大规模的宽带无线信号覆盖网络，来自不同大用户并汇集到第二光纤功率分配器/合波器3′的上行光信号会出现同波长(光波同波长，RF不同频段)同时注入宽带光接收机2的情况，为避免上行光接收可能出现的相同波长的光拍频干扰，应当限制RF的频段，将上行多带RF信号的频率限制在一定频带内，这种限制与所采用的光多波长体系相关，具体的与所采用的DWDM光滤波器特性相关。简单地讲，比如在DWDM光滤波器带宽较窄的情况下，光拍频干扰的频宽也会略低，这样在选择系统的多带RF信号频率低端的时候便可以向低频放宽；而多带RF信号频率高端受DWDM光滤波器间隔大小限制，间隔越大，多带RF信号频率高端可越高。如图2所示，对于所采用的DWDM体系，假定光滤波器通带内频率带宽为f1，通带间隔f2，当RF传输频带在f1~f2-f1时，光波拍频干扰即能得到很好规避。

用户上行的多波长光信号可以有两种上行结构，即单纤上行和双纤上行结构。

如图4所示，所述的网络采用单纤上行结构时，包括有光发射机1，用于将基站下行宽带RF信号调制构成多带RF信号光载波并发射；一个光纤功率分配器4，用于将来自光发射机1的多带RF光载波信号分配给多个用户终端单元5；多个用户终端单元5，对应接收光纤功率分配器4分配的光载波信号，经过光电转换和必要的频移处理后通过天线发射到空中，同时通过天线接收移动用户上行RF信号，经必要的频移处理后调制特定波长光源，形成上行光载波信号；一个光波长复用/解复用器件6，将来自大功率CW多波长光源7的多波长光源信号分配给多个用户终端单元5，并汇集来自多个用户终端单元5所发出的用户上行光信号，向上行方向传输；局端的大功率CW多波长光源7，作为用户终端单元5特定波长光发射机的激励光源；在基站或局端采用的光定向传输器件，即光环行器8，将用户上行光信号与局端多波长激励光源信号分离，使用户上行光信号进入宽带光接收机2，由宽带光接收机2转换为宽带RF信号送往上层设备。由于采用单纤的局端激励信号和OUN上行信号共路传输方案，可减少光纤数量和光复用/解复用器数量，但在局端需要采用光环行器8将上行光信号与多波长激励信号分离，使上行光信号进入宽带光接收机2。

而在双纤上行结构中，上行的多波长光信号在基站或局端直接进入宽带光接收机2。

如图5所示，所述的网络采用双纤上行结构时，包括有光发射机1，用于将基站下行宽带RF信号调制构成多带RF信号并发射；一个光纤功率分配器4，用于将来自光发射机1的多带RF光载波信号分配给多个用户终端单元5；多个用户终端单元5，对应接收光纤功率分配器4分配的光载波信号，经过光电转换和必要的频移处理后通过天线发射到空中，同时通过天线接收移动用户上行RF信号，经必要的频移处理后调制特定波长光源，形成上行光载波信号；局端的大功率CW多波长光源7，作为用户终端单元5的特定波长光发射机的光源信号；光波长复用/解复用器件6，将来自大功率CW多波长光源7的多波长光源信号分配给多个用户终端单元5；第二光波长复用/解复用器件6′，汇集来自多个用户终端单元5的上行光信号，发送宽带给光接收机2，由宽带光接收机2，转换为有多个带宽的宽带RF信号送往上层设备。这里通过光纤分配至用户的特定波长CW光信号将作为用户终端单元5的特定波长光源，OUN上行光信号经另一根光纤和第二光波长复用/解复用器件6′传回局端，进入宽带光接收机2，这种方案不需要采用光环行器。

如图3所示，所述的宽带光接收机2具有入射光信号动态范围自适应调整能力，以适应PON结构特有的光信号变化特点。包括：多波长光纤前置放大器2.1，接收多波长光纤前置放大器2.1输出信号的宽带光电探测器2.2，和具有宽带自动增益控制RF放大器和多带频移下转换模块2.3，多波长光纤前置放大器2.1实现针对输入多波长光信号大动态变化的快速增益控制功能，以确保各上行用户光信号能保持增益的相对稳定和进入宽带光电探测器2.2的光信号具有合适的功率水平，使上行信号变化过程中宽带光接收机2始终能得到高质量的RF信号。

如图6所示，所述的大功率CW多波长光源7包括有：前级光纤放大器7.1，用于提供宽带ASE辐射；后级光纤放大器7.3，用于对多波长信号进行功率放大；连接在前级光纤放大器7.1和后级光纤放大器7.3之间的疏状光滤波器7.2，疏状光滤波器7.2的各中心波长与远端的光波长复用/解复用器件各中心波长准确对应，疏状光滤波器可以采用一对同于远端光波长复用/解复用器件的器件实现。

如图7所示，所述的多个用户终端单元5是一个光电混合的双向收发模块，下行信号传送包括一个宽带光接收机5.1，其RF带宽能覆盖全部下行信号带宽，包括采用频移方式的多带信号的总带宽；一个宽带RF放大器5.3，用于放大宽带光接收机5.1输出的RF信号；模块共用双功器5.5和天线，并通过天线发送下行RF信号；上行信号传送包括接收上行RF信号的天线，模块共用双功器5.5，一个宽带RF放大器5.4，一个注入锁定F-P腔半导体激光器5.21，来自大功率CW多波长光源7的特定波长光信号经光复用/解复用器6后分配给特定用户，将注入锁定F-P腔半导体激光器5.21锁定在特定波长，注入锁定F-P腔半导体激光器5.21的RF带宽能覆盖全部上行信号带宽，注入锁定F-P腔半导体激光器5.21经宽带RF放大器5.4的输出调制后形成上行光信号。ONU5中可包含频率上/下转换模块，使ONU能够将光传输的宽带信号频带与用户终端频带匹配，既可以适应频移多带方式下的信号覆盖要求，也可在光纤IF传输条件下实现更高频段如毫米波等频率信号的覆盖。

如图8所示，所述的多个用户终端单元5是一个光电混合的双向收发模块，还可以是：下行信号传送包括一个宽带光接收机5.1，其RF带宽能覆盖全部下行信号带宽，包括采用频移方式的多带信号的总带宽；一个宽带RF放大器5.3，用于放大宽带光接收机5.1输出的RF信号；模块共用双功器5.5，通过天线发送下行RF信号；上行信号传送包括接收上行RF信号的天线，模块共用双功器5.5，一个宽带RF放大器5.4，一个电吸收宽带电光调制器5.22，宽带RF放大器5.4的输出调制在电吸收宽带电光调制器5.22上，来自大功率CW多波长光源7的特定波长光信号在电吸收宽带电光调制器5.22中经RF信号调制后形成上行光信号。宽带电光调制器5.22光信号由外部注入，其波长由外部注入信号决定，其RF带宽能覆盖全部上行信号带宽。ONU中可包含频率(上/下)转换模块，使ONU能够将光传输的宽带信号频带与无线用户终端频带匹配，既可以适应频移多带方式下的信号覆盖要求，也可在光纤IF传输条件下实现更高频段如毫米波等频率信号的覆盖。

如图9所示，下行信号传送中所述的宽带光接收机5.1至模块共用双功器5.5之间还可以依次设置有下行宽带RF前级放大器5.31、第一OUN本振单元5.6、下行带通滤波器5.33和下行宽带RF功率放大器5.32；上行信号传送中所述的模块共用双功器5.5至电光调制宽带光发射机5.21之间还可以依次设置上行宽带RF低噪声放大器5.42、第一OUN本振单元5.6、上行带通滤波器5.43和上行宽带光发射机驱动放大器5.41。

本发明所述的传输的多个系统带宽的RF信号用于覆盖不同的多个区域，在各自区域内能够实现系统空中接口限制的最大用户数量，类似于蜂窝基站范围内的频率重用，这种宽带多带信号光传输的方式也适用于室外多蜂窝基站天线与基站控制中心的信号传输。

本发明所述的传输的多个系统带宽的RF信号还可以是不同制式的无线通迅信号，不同制式既包括不同频段、不同调制方式，甚至有重迭频段的情况也可采用移频方式加以解决，在用户终端单元5中可经不同的RF通路和天线发出，用于实现不同制式的无线通迅信号覆盖。

图10是一种实现多制式无线信号覆盖的光纤分布天线(ODAS)网络结构的示意图，通过将多制式无线信号分别用不同频段RF信号携带，实现多制式无线信号的覆盖，这种方式要求用户终端单元(ONU)5中有与多制式无线信号对应的RF单元，包括不同的天线系统；当多制式无线信号的自身频段并不冲突且在光发射和接收机频率带宽之内时，这些不同频段RF信号可与各制式无线信号频段对应，当有冲突时可以采用合适的频谱搬移方式在光发射和接收机频率带宽之内选择新的频段。

图11是多制式无线信号覆盖的光纤分布天线(ODAS)网络结构中一种具有移频传输和覆盖的用户终端单元(ONU)5结构的进一步说明，这种OUN是在多制式无线信号的传输频带与覆盖频带不同的情况下采用的方式，其中第一OUN本振单元5.6和第二OUN本振单元5.7频率根据系统要求确定，两组滤波器5.33，5.43和5.35，5.45分别对应两种制式无线信号的空中频段和光传输频段，两个双工器+天线单元5.5、5.8则是仅对应两种制式无线信号空中频段的情况。