浅谈光无线融合接入系统

摘要:光纤无线融合即光纤和无线通信网络之间的融合,是固定移动融合技术(FMC)中一个很重要的内容。本文的主要内容是介绍接入网层面上光无线融合的实现,通过统一的网络基础设施向终端用户提供固定和无线/移动的现有或未来的各种业务和应用,从而降低基础设施投资和运营维护的成本。

关键词:FMC PON 宽带无线接入 光无线融合 接入网

1、引言

在过去的几十年里,核心网的带宽容量飞速增长,逐渐可以满足各种高带宽需求业务的应用。与此同时,将终端、家庭网络或小的商业网络等连接到核心网的接入网也必须要升级,才能给用户提供高速和高服务质量的接入体验。

在光纤接入方面,PON作为一个可实现全业务宽带接入的解决方案,在商业和学术领域都备受瞩目。尤其是EPON/GPON技术的出现,使得基于EPON和GPON技术的无源光接入网成为新一代光接入网建设的重要方式。但是它要求铺设大量光纤,才能直接连接数目众多的终端用户,基础设施建设成本较高。在无线接入方面,无线局域网wifi技术(国际标准为IEEE802.11系列)取得了巨大成功之后,新一代无线通信技术如WiMax)国际标准为IEEE802.16d/e)由蓬勃发展起来了。Wifi与WiMax技术都存在两种工作方式,一种是具有基础设施的点对多点模式(PMP),另一种是基于多跳转发Mesh模式。无线接入方式下的单用户平均成本相对较少,而且可为终端用户提供灵活的,无处不在的接入。但无线通信系统中的众多接入点/基站通常需要建设一个宽带的光纤网络来连接到核心网上,这一点仍不能有效地节省初期投资的总体成本。

考虑到将光纤网络和无线通信的发展结合起来,用技术成熟的PON来回程通过无线节点汇聚来的各种无线业务,这样既可以在PON的基础上升级改造,还可以省去对光纤设施的重复投资。

2、光无线融合接入系统结构

如上文所述,WiMax网络可以配置成两种模式:PMP和mesh模式。在PMP模式中,一个基站(BS)服务于在它覆盖范围内的多个用户站(SSs);在Mesh模式中,SSs相互之间可以多跳的方式通信,而不必通过BS来交互。但是,如果SS内的数据流是来自Internet的(如视频点播情景下)或需要被传送到Internet上(如用移动设备上传图片),汇聚的流量终将逐渐传递到BSs,由BSs 接入到Internet上。本文中仅考虑PMP模式,那么如何将BSs回程到核心网中去,这就用到了无源光网络(PON)。

PON是一个点对多点的接入网,从源端到目的端整个路径上都没有有源器件。本文中PON选择了最典型的树形结构,在光链路终端(OLT)和多个光网络用户单元(ONUs)之间传播数据。OLT通常连接到核心网上,ONU被安装在街道路边的设备箱内(既fiber-to-the-curb or FTTC),或居民楼内(既fiber-to-the-building or FTTB),甚至用户家中(既fiber-to-the-home or FTTH)。PON网络中的ONU可以连接多个终端用户设备或网关设备,来提供宽带视频、语音或数据服务。在本文的融合网络中,ONU连接到一个WiMax BS上。该融合网络配置和升级都非常灵活,ONU可以连接到一个WiMax BS,也可以连接用户驻地网的固定网络设备。

3、光无线融合接入关键技术分析

3.1 传输链路层上的融合

在物理层,利用光载无线(ROF)技术直接可以将RF(微波/毫米波)射频信号调制到光上的特点,采用副载波调制的方式,将无线信号和PON基带信号同时承载在一根光纤上,实现多业务综合接入。在WiMax基站发射天线单元上,射频信号可以直接从光信号解调出来。ROF可实现更简单的基站结构,更低的基础设施建设成本,便于进行无缝的无线覆盖和灵活的网络升级。

在引入ROF技术的无线网络中,单单考虑在中心局(CS)和天线站(AS)之间插入了一段光纤链路这个问题的话,它解决的是无线系统物理层的问题。这里的光链路就像一个模拟的透明分布传输系统,它不改变无线信号的帧格式,只是将其尽可能保真的传输到AS处。

它在光和无线煤质之间扮演了虚拟的模拟转发器接口的角色。因而,无线领域的特性给光分布传输网络的设计造成了一些边界和限制条件。

因为无线资源的控制是在CS处,这里需要一种远程无线煤质接入控制,来实现从光域转换到无线域的接入。所以我们可以得出:

(1)中心局需要同时控制光和无线两个领域;

(2)光链路是无线信号的透明传输媒质,为无线协议栈提供模拟传输。

通常无线系统需要考虑的主要问题有:无线资源管理和分配,复用/解复用,同步,时延和定时问题等。

3.2 链路接入控制层上的融合

研究融合网络链路接入控制(MAC)层资源调度的优化,首先我们需要考虑网络融合之后带来的新特征。首先PON和WiMax两种技术具备类似的带宽请求/授权和QoS支持机制;其次两个领域内标准规定业务等级类型可以进行方便的映射。

由于无源光网络和WiMax技术下行接入都是采用广播的形式,各个用户信道时分的复用整个下行链路,ONU或SSs根据相应的鉴别机制来识别是下行数据是否属于自己。所以接入控制实现的关键在于上行传输方向。上行传输方向,由于多个ONU/BSs要时分的共享同一段到达OLT的链路,资源调度显得更加重要。需要考虑如何根据不同的QoS要求,实现综合快速的调度有线/无线信道资源,提供有QoS区分度的各种服务。这就要求综合考虑PON和无线接入资源调度策略,合理的进行各种服务等级映射,使得不同QoS要求的业务能够从用户端到局端保持相一致的,符合链路授权协议的优先等级。另外,由于上行方向才用时分多址的方式,OLT侧和ONU/BSs侧的时钟同步也时分重要。由于各ONU/BSs距离OLT的距离不尽相同,用户信号在各自的无线/光纤路径上传输延时也不同。考虑到不同传输时延的影响,为了避免上行方向的传输冲突或不同时隙叠加,需要实时、准确的进行传输距离测量,进而插入相应的均衡延时,来保证系统各部分的同步。

4.结语

在光无线融合接入系统中,通过结合光纤传输和无线接入各有的优势,可以提供更大容量、更高速率、安全可靠的服务。网络结构可灵活配置和升级且成本较低。符合光纤无线传输系统融合和多业务融合的趋势。本文分别分析了融合接入网络物理传输链路层和数据链路层上需要考虑的问题和关键技术,初步指出了进行融合网络研究的方向。至于具体问题的解决方案和网络性能的进一步优化策略,还需要后续大量的研究工作来完善。

作者简介:潘瑞雪,女,1983年生,2006年毕业于吉林大学,现在中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司从事通信设计工作。

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