——记北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室副主任徐坤教授

本刊记者　高 彤

　　
　　在高清视频、数字医疗、物联网以及虚拟现实等需求的强劲推动下，宽带化、泛在化、融合化的信息接入已成为信息社会的重要支柱和发展引擎，为此，世界发达国家纷纷启动了下一代接入网络的国家战略行动。我国人口众多，地域辽阔，信息交互量与日俱增，尤其是随着各种新业务和新终端的不断涌现，以及人—机—物交互需求的与日俱增，要求网络能够在任意时刻、任意地点提供灵活、节能、安全的多业务宽带接入与泛在感知服务，因此，“宽带接入与泛在感知”已成为我国面向信息社会的国家重大需求，而现有技术手段难以有效满足，迫切需要探索新的解决方式，并对其中的关键科学问题开展系统深入的基础研究。
　　北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室副主任徐坤教授，多年来始终坚持以国家重大需求为导向，在国家863计划重大（主题）项目、国家973项目、国家自然科学基金重点项目和国家科技部重大国际合作项目等研究计划以及教育部新世纪人才计划与广东省产学研重点项目的支持下，通过几年努力，在微波光子超宽带无线信号处理、大动态多业务光载无线（Radio over Fiber-RoF）传输以及分布式动态可重构光载无线接入三方面取得了系列研究成果，并在此基础上，构建了“面向宽带接入与泛在感知应用的大动态、可重构、分布式的宽带光载无线系统”研究与应用平台，实现了多频段、多制式微波信号在光域的宽带处理、大动态传输与可重构组网。
　　徐坤教授的研究成果以其先进的技术指标，鲜明的技术特色，引起了国内外学术界的关注，对于光纤无线融合、微波光子技术等相关交叉学科领域的发展起到了一定的带动作用。
　　
悉心研究　解决方案终呈现
　　
　　通过徐坤教授的介绍，我们了解到，“分布式光载无线系统”是实现“宽带接入与泛在感知”的有效途径，其基本原理是利用光子手段来实现多频段、多制式微波信号的产生、传输、获取与组网，充分发挥无线灵活接入和光纤宽带传输的各自优势。但其挑战在于如何实现多频段、多制式微波信号在光域的宽带处理、大动态传输与可重构组网。经过悉心研究，徐坤教授和课题组的成员们一起创新性地提出了基于大动态、可重构、分布式的光载无线系统的解决方案。
　　首先，在微波光子超宽带无线信号处理方面，提出了超宽带、多制式光载无线信号的产生和光载超宽带无线信号的频谱处理技术。
　　在传统的无线通信系统中，大部分微波信号处理功能是在基站中通过电信号处理器来完成，从而受到诸多成本和带宽的限制。光载无线系统中功能集中化的配置和光电域的转换使得在中心局完成一些全光微波信号的处理功能成为可能。研究发现，在光载无线系统中使用全光矢量调制技术可以方便地在光域上实现毫米波复杂调制，高效利用频谱资源，避免了电域调制方法的限制，可以实现光域调制、变频与传输的融合。
　　这一成果创新性地提出了基于MZM非线性特征的微波光子矢量调制结构，并成功产生4ASK、16QAM、16ASK、非均匀16QAM以及更高阶QAM与ASK射频矢量信号。此外还提出了基于电光相位调制器对输入光方向性调制差异特性的微波光子矢量调结构，并成功产生DPASK及星型QAM射频矢量信号。
　　除全光矢量调制信号的产生外，该成果还利用铌酸锂调制器的不同调制区域特性以及波长的调制相关性提出了多种全光超宽带信号（UWB）的光生实现方案，并进行了实验演示。
　　另一方面，光载超宽带无线信号的频谱处理包括光载超宽带信号的滤波、变频和感知。这是实现超宽带多业务光载无线链路以及具有频谱感知功能的分布式动态可重构的光载无线系统的关键技术。
　　微波光子滤波器是指借助现有或经过特殊设计的光子器件或者子系统来完成传统微波滤波器同样的处理功能。虽然光子技术的引入带来了诸如低损耗、高带宽、抗电磁干扰、灵活的可调性和可重构性、强大的并行处理能力等方面的优势，但是依旧没有彻底解决复杂度和成本等问题。
　　针对微波光子滤波器的研究热点和难点，课题组分别基于铌酸锂相位调制器和双电极驱动MZM提出并实验验证了多种新型微波光子带通滤波器结构，相关结构还可以有效地与全光频率上变换结合使用，从而更有利于此技术在ROF系统中的应用，关于这方面的研究在之前国内外鲜有成果发表。
　　除超宽带信号的滤波、变频外，探测泛在环境下微波信号的载频大小，进行信息的获取、处理和分析，也是实现超宽带接入与泛在感知的关键。微波光子频谱分析与感知正是基于此发展起来的一项关键技术，且在复杂电磁环境中，如何实现宽带多频率的频谱感知与较小失真的宽带微波信号分析处理成为一个亟待解决的问题。针对上述挑战，该成果充分利用微波光子技术瞬时宽带处理能力强、质量轻、损耗小、抗电磁干扰能力强等一系列优点，实现了宽带微波的瞬时处理与测量，给微波信号的频谱分析与感知开辟了一条新的研究思路。研究成果主要包括瞬时单频点测量、相干信道化多频点测量及基于光子压缩采样的瞬时多频点频谱感知与分析。分别实现了从单频点到多频点，窄带到宽带的频谱感知与分析。
　　其次，在大动态多业务光载无线系统方面，提出了大动态超宽带微波光子链路和双工及不同拓扑网络下光载无线链路传输的方案。
　　动态范围和宽带是微波光子链路的两个重要评价指标，大的动态范围意味大的无线覆盖范围，更大的传输带宽意味着多业务的支持能力。大动态范围、超宽带的微波光子链路一直是微波光子链路的研究热点和永恒的追求目标。在现代超宽带无线感知系统中，射频信号的大动态接收与传输是微波感知系统中的关键技术。目前微波接收前端和链路已成为下一代超宽带泛在无线感知系统的主要瓶颈。
　　大动态超宽带微波光子链路利用光子技术处理射频信号的高速、宽带和低损耗等突出优点，取代传统的电的低噪放大器、混频器和铜导线，突破传统微波接收前端的技术壁垒。课题组创新性提出了新型数字相干接收的射频光前端与链路系统，设计并成功实现了基于偏振调制与强度相干解调的方案以及射频信号到中频/基带信号的全光下变频。系统相关指标已达到国际先进水平。
　　以多频点、多制式业务传送，天线远端本振信号传输等为代表的高性能应用需求的出现，对光载无线系统提出了新的要求和新的挑战，光纤链路的色散效应将引起信号功率的周期性衰落，从而限制系统的处理带宽、降低系统的性能指标。因此在宽带范围内实现射频信号的长距离、高性能传输将变得尤为重要。
　　在研究中，课题组提出了在宽带范围内（0-18GHz）实现色度色散补偿与高质量射频信号光纤长距离传输的方案，并进行了实验验证与实际业务加载传输演示。其创新点在于应用了强度调制链路与相位调制链路频率响应的互补特性，将两调制器并行使用，适当的控制两路信号的光功率与延时，通过在接收端实现信号的非相干合成，从而使接收到的信号在宽带范围内不受色散影响。该成果的主要优点在于系统结构简单，对接收装置要求低；可在宽带范围内实现功率衰落补偿，满足多业务需求提出的挑战；操作简单易于实现，大大降低成本。由于该成果具有宽带特性，可同时高性能地实现多个信号长距离传输，满足未来多业务混合传输的应用需求，可广泛应用于未来多业务光载无线接入系统中。
　　随着无线业务的种类逐渐增多，为每种业务铺设一套无线传输设施会造成极大的浪费。因此，无线业务的混合传输是未来无线网络的发展趋势。RoF系统因其衰减小，带宽宽的特点，成为射频传输的最佳媒介。然而，RoF混合传输最大的瓶颈在于上下行的串扰。
　　课题组提出了利用两根天线分别进行发送和接收，通过提高两根天线的隔离度将系统上下行隔离的双工技术。该研究成果详细地分析了该双天线系统设计过程中天线间隔离度、链路增益与系统动态范围之间的关系。
　　目前，该领域的研究大多集中于点对点的简单链路，在网络布局复杂的楼内等实际应用中，如何构建点对多点复杂网络拓扑结构的高性能光载无线拓扑网络成为目前面临的一个重要问题，基于粗波分复用技术的星型和树型拓扑结构是低成本实现大范围覆盖的有效解决途径。课题组提出并实现了基于粗波分复用技术的星型和树型拓扑结构的光载无线原型网络，其中采用低成本的直调光收发模块，利用简单的光纤布线，即可实现大范围的射频信号覆盖及动态调控，该网络架构为信息的接入与泛在感知应用提供了网络支撑。与点到点的单链路相比，星型和树型拓扑结构将面临光功率的分配、多波长的复用以及掺铒光纤放大器（EDFA）的使用等诸多问题，另外，本课题中采用了直接调制的光收发模块，因此光纤中色散以及受激布里渊等非线性效应将对链路性能产生明显的影响。实验室对星型和树型网络拓扑结构的性能进行了深入的研究，建立了器件插损、受激布里渊效应、交叉相位调制效应和EDFA噪声等对链路性能影响的数学模型并进行了仿真分析与实验验证，进而提出改善链路性能的方法。研究成果从网络布局、信号质量两方面拓展和保证了光载无线网络在宽带接入与泛在感知业务中的应用。
　　最后，在分布式动态可重构光载无线接入网络方面，提出了认知、协同与高能效的光载无线网络（3C-ROF）和基于分布式光载无线接入网络的MAC层协议设计的解决思路。
　　RoF系统将多信道、多业务信号的产生、发送、接收和处理全部集中在中心局。将信号用光纤传送至多个远端天线单元，基于RoF系统这种与生俱来的中心处理机制，课题组提出并搭建了认知、协同及低能耗（Cognition，Collaboration, Power Conservation-3C）的分布式动态可重构光载无线接入系统。
　　绿色、低功耗是未来网络的发展趋势，如何实现绿色分布式光载无线网络成为目前融合接入网面临的一个重大问题，而对3C-ROF光载无线网络能耗的理论模型研究，以及对网络容量与能耗的均衡极限的分析方法研究是其中关键性的技术。通过研究，课题组创新性地提出了绿色、低功耗分布式动态可重构光载无线网络的能耗模型以及网络容量与能耗的分析方法，用于指导新型网络的设计和优化。首次以模块化思路建立了一套较为完整的理论能耗模型库及能耗分析方法，为研究复杂拓扑结构下绿色、低功耗的智能光载无线网络的组网及优化奠定了理论基础。并依据该成果搭建了3C-ROF分布式天线网络演示与验证系统。
　　另外，光无线融合接入网的迅猛发展，高带宽、多用户与泛在化的接入需求，对光载无线网络提出了新的要求。同时光载无线网络引入的光纤增加了无线传输的额外时延，影响现有无线通信技术的媒体接入控制层(Medium Access Control, MAC)协议，且在一定程度上降低了现有网络吞吐量性能。为了实现多小区、多用户宽带泛在接入，且满足光载无线网络动态可重构属性的需求，需要探索研究具有灵活带宽、高效接入、满足多用户高带宽泛在接入需求的动态可重构光载无线网络的新型媒体接入控制层协议。
　　课题组提了出基于光载无线网络动态可重构属性的MAC层协议的新模型，设计采用了频率和时间双重属性因子的混合MAC层协议，将光纤引入的额外时延考虑进MAC层协议设计中，利用时间同步补偿技术，实现各远端天线单元的逻辑准同步。上述混合MAC层协议新模型解决了微波和光波协同作用下分布式光载无线网络中多小区、多用户、宽带化和泛在化接入的问题。设计基于频率和时间双重属性因子的混合MAC层协议，通过加入频率标识，支持光载无线网络动态可重构属性。
　　
乘胜追击　系统平台巧搭建
　　
　　当研究取得一系列成果之后，徐坤教授带领实验室的成员们乘胜追击，继而开始了研究平台的搭建工作，经过努力，成功搭建了两大研究平台——毫米波宽带、大动态的多业务光载无线接入研究平台和可重构、分布式的光载无线接入研究平台。
　　毫米波宽带、大动态的多业务光载无线接入研究平台的搭建，是基于基于微波光子超宽带无线信号处理和大动态多业务光载无线系统的研究成果该平台通将光纤通信、微波光子信号处理与宽带无线接入技术有机融合，以及自主研制器件与系统的结合，通过突破光单载波有线、无线业务混合调制与传输、光超连续谱多载波射频传输、光载射频信号的光子滤波与高灵敏度相干探测、下行光载波上行传输的再利用以及无线偏振分集传输与自混频接收等关键技术，实现了宽带有线业务（1.25-2.5Gbit/s）、超宽带无线射频业务（1.25-2.5Gbit/s@30-60GHz）以及宽带无线中频业务（2-300Mbit/s@2-15GHz）全双工、混合、长距离接入，系统指标达到国际先进水平。并在国内首次实现了毫米波频段1.3Gbit/s无压缩高清电视业务传输演示，光纤传输距离超过20公里，无线传输距离大于5米。该技术可简化远端基站结构，降低系统传输成本，提高系统传输性能、频谱效率，增大系统覆盖区域和灵活性，实现基于光传输与超宽带无线接入融合的泛在信息感知与接入。研究成果在“三网融合”超宽带接入网络、国防以及航空航天应用中具有广泛前景。
　　接下来基于动态可重构的分布式光载无线接入网络的研究成果，课题组又搭建了可重构、分布式的光载无线接入研究平台。该系统平台下行能实现无线多业务（WiFi、2G、3G和LET）的宽带接入，上行与无线传感器网络技术结合，能实现泛在物联网信息的获取与感知。该平台通过突破多功能综合光载无线交换技术、基于射频信号切换的无线带宽分配技术、高线性、低成本的光纤、无线收发一体的远端节点技术以及无线传感网络与WiFi中继网络的无缝衔接技术，实现了基于WiFi信号50-5000米范围的泛在感知信号汇聚与控制，以及视频监控、环境状态监测、室内定位和宽带业务接入等业务的演示。研究成果将为实现“感知中国”的物联网技术提供一种全新解决方案，还可以广泛应用在面向新一代移动通信网络的分布式宽带无线业务（WiFi、2G、3G与LTE）混合接入。
　　
物尽其用　成果转化力空前
　　
　　由徐坤教授领导的课题组十分重视成果的转化与推广，他们积极与广州飞瑞敖公司合作，研制成功了国内首套光载无线交换机及其分布式天线应用系统。该成果研究水平达到了国际先进水平，填补了国内外WiFi无线通讯及光纤无线电技术领域的空白。目前，已在工业化信息化、智能大厦、智能电网、智能农业、医院无线覆盖、高校物联网实验室等多个领域获得了广泛应用并创造了上千万的产值。此外，课题组还积极参与国家无线通信重大专项，推动分布式光载无线网络在高铁和下一代无线通信方向的应用。
　　近期全球知名的科学新闻杂志《New Scientist》也对徐坤教授组在RoF分布式天线系统及其应用方面的情况进行了题为“Wired is the new wireless: Spreading the web in China”的报道，指出了相关研究的重要性与意义。
　　未来，徐坤教授将带领课题组面向国家“宽带泛在接入”的重大需求，紧密围绕国家大力发展的宽带接入技术、第三代、第四代移动通信技术以及物联网技术，在基于分布式光载无线系统的超宽带接入与泛在感知技术方面继续拓展和创新。