报告: 基于光纤无线电（Radio on Fiber, RoF）技术的无外部电源供应基站系统研究

第一部分：研究作者与发表信息

本文的研究由 Tetsuya Miki、Katsuyasu Kawano、Nobuo Nakajima、Naoto Kishi（隶属“the University of Electro-Communications, Tokyo, Japan”） 和 Masaru Miyamoto、Tetsu Aoki（隶属“Iwatsu Co., Ltd., Tokyo, Japan”）联合开展。研究成果发表在《光学学报（Optica Sinica）》增刊第23卷（Vol. 23, Supplement 611）上，于2003年10月发布。这篇论文展示了一个基于光纤无线电技术（Radio on Fiber, RoF）的创新型接入系统，该系统实现了小区基站在无需外部供电设施的情况下运作。

第二部分：研究背景与目的

学术背景：
RoF（Radio on Fiber，光纤无线电）是一项未来无线通信领域中非常重要的技术，在固定以及移动无线接入中扮演关键角色，特别是在像“第4代高移动性通信系统”、“多媒体智能交通系统（Intelligent Transport System，ITS）”以及“无线局域网（WLAN）”等高速无线通信场景中具有重要应用潜力。然而，传统小区基站（Base Station，BS）的供电问题大大增加了系统构建与维护的成本。为基站配备电力设施通常需要备用电池系统、防雷保护系统以及远程监控系统支持，极大增加了经济负担。

研究目的：
本研究的目标是针对小区基站的电力供应难题，设计一种创新型RoF接入系统，完全消除基站外部电源设施的依赖性。通过直接用光纤传输光功率供给基站中的电路，同时优化系统性能，为构建低成本、易维护的高速通信网络提供解决方案。

第三部分：研究流程与方法

研究设计
研究分为以下几个步骤展开：
1. 系统设计与开发： 提出了一个新型RoF系统，其设计着重通过光纤传输光功率，满足基站低功率电路和无线信号传输的需求。 2. 实验测试： 构建实验基站，对系统性能进行优化测试，包括信号的上下行传输性能。 3. 功耗优化与实验条件分析： 使用精准的仪器对基站组件功耗和调制性能进行评估。

详细流程描述

1. 信号传输方案设计：
   提议的系统设计中，利用“光电功率转换”（Optical-to-Electrical Power Conversion）技术，用光纤从中央控制站（Central Station, CS）传输光功率到基站电路，以避免外部供电设施的使用。系统包含UTC-PD（Unitraveling Carrier Photo-Diode，单载流子光电二极管）、InGaAs PIN光电二极管、EA调制器（Electro-Absorption Modulator）、低噪声放大器（Low Noise Amplifier, LNA）及环行器等核心硬件。

2. 功率与调制性能测量：

   • EA调制器的调制性能由其偏置电压控制。实验测试在2.45GHz射频（RF）信号下，EA调制器在0.2V到0.3V之间的偏置电压表现最佳。
   • 通过对信号在开路和阻抗匹配情况下的实验，研究了不同端接条件下RF信号的反射功率比。

3. 整体系统功耗分析：
   使用MMIC（单片微波集成电路）LNA，功率消耗仅为8mW（2.3V电压下3.4mA电流）。实验证明系统整体上下行链路以较低功耗运行，同时RF功率增益达到10.5dB。

4. 上下行传输的性能验证：

   • 在1550nm波长下，基于实验基站测试了2.4GHz频段RoF传输性能。上下行传输中分别采用UTC-PD和EA调制器。
   • 特别优化了上行链路的设计，确保无线信号至光信号的高效转换。测试表明，EA调制器和LNA的结合显著提升了上行链路性能。

创新之处
本研究中提出了一种关键性技术，即通过光纤传输的少量光学功率即可支撑基站的电路运行，完全免去了对传统供电设备的需求。同时，实验中依据EA调制性能和功率消耗的关系优化了控制参数，最大化了系统效率。

第四部分：主要实验结果

1. 光学功率支持基站电路：
   实验证明，该RoF系统成功通过光纤传输光功率驱动基站中EA调制器和LNA等低功耗电路，无需任何外部电力供应。

2. 上行链路性能优化：
   偏置电压为0.25V时，EA调制器功耗仅为0.65mW，同时实现了接收射频信号的最佳调制效果（反射比最低）。

3. 整体传输性能稳定：
   系统整体增益达到了10.5dB，RF至光学信号的转换性能显著优化，验证了低功耗RoF系统在实际无线通信应用中的可行性。

4. 低功耗实现：
   系统设计和设备选择注重低功耗，使得MMIC LNA仅消耗8mW，在此条件下仍保持优良的噪声因数（2dB）和RF增益（8.5dB）。

第五部分：结论与价值

研究结论：
通过本项研究，一个完全无需外部电力供应的创新型RoF接入系统成功构建，展示了利用光纤从中央站点传输光功率驱动基站电路的实现可能性。结果显示，在极低功耗条件下，此系统仍可提供稳定且高效的上下行通信性能，为小区级无线通信基站提供了一种低成本、易维护的新选择。

科学与应用价值：
从科学价值角度，该研究解决了小区基站中电力供应设施高成本和高维护难题，为未来的小型基站部署提供了重要的技术支持。从应用价值来看，此解决方案能够显著降低新一代无线通信网络的部署成本，同时推动高速无线通信技术在多种场景中的普及。

第六部分：研究中的亮点

1. 提出了基于光纤传输少量光功率完全替代传统电力供应的RoF系统。
2. 通过实验优化了EA调制器的偏置电压和功率消耗关系，为低功耗运行提供了数据支撑。
3. 展示了LNA与EA调制器结合在上行链路优化中的实际效果。
4. 低功耗RoF系统在2.4GHz频带实验中的出色性能验证了其实用性。

第七部分：其他相关内容

研究指出，目前仅已有少量上行链路相关技术用于UHF电视广播信号中（参考文献提到的“Lithium Niobium Modulator”），而对于高速移动通信尚处于实验阶段。本研究针对这一空白提出的解决方案为学术界和工业界提供了崭新的思路。