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研究背景及发表信息

本文是由 Juan Dayron López-Cardona、Rubén Altuna、David Sánchez Montero 和 Carmen Vázquez 等研究者完成的研究工作，研究所属机构为 Universidad Carlos III de Madrid，发表在 *Journal of Lightwave Technology*（光波技术学报）上，发表时间为 2021 年 8 月 1 日，期刊卷号为 Vol. 39, No. 15，页码范围为 4951–4957。

此研究集中于一种名为“光纤供电”（Power over Fiber, PoF）的技术，其核心是利用单模光纤（Single Mode Fiber, SMF）为远端无线通信节点（Remote Radio Head, RRH）提供电力和通信支持，并运用休眠模式来优化这些节点的能耗管理，从而进一步提升 5G 移动通信网络的能源效率。

背景及研究目的

学术背景

随着5G通信网络的快速发展，移动接入网（Radio Access Networks, RAN）的前传链路（fronthaul）对容量和功耗提出了更高的要求。为了在网络集中的C-RAN（Cloud-RAN, Centralized-RAN）架构中响应这些需求，远程无线单元（Remote Radio Heads, RRHs）的设计趋向于简化并降低功耗。然而，远端RRH的连续供电模式通常导致能耗增加，尤其是在流量低的区域或时段。

光纤供电（PoF）技术是一种新兴的方法，通过光纤传递能量来解决传统供电问题。PoF技术可避免电磁干扰、减轻系统重量，同时提供良好的电气隔离能力。在光纤供电领域，单模光纤（SMF）因其较低的损耗和长距离传输能力，尤其在远达10公里或更长的距离下，是一种适合应用于C-RAN网络的理想材料。

研究目的

本研究的目的是展示一种集成光纤供电的新型系统，该系统能够远程为低功耗的5G远程无线节点（RRH）供电，支持控制功能，并提供休眠模式以优化系统的整体能耗。研究广泛探讨了光纤供电结合休眠模式在C-RAN架构中的应用潜力，评估了系统的实验性能，以及休眠模式在节能方面的执行效果。

研究流程及方法

研究分为以下几个核心过程：

1. 系统配置及设计

实验系统的设计包括中央站（Central Office, CO）和远程无线接收单元（Remote Receiver Unit, RRH）。设计中将光纤供电系统集成到C-RAN架构中。具体系统元件包括：

• 中央站（CO）： CO配备一个1480nm波长的拉曼光纤激光器（High Power Laser, HPL），其最大功率为5瓦。此外，CO还包括通信单元（Communication Unit）和控制单元（Control Unit），用于与RRH之间建立双向通信和实施远程控制，包括休眠模式的切换。

• 远程无线接收单元（RRH）： RRH硬件由主板和通信板两部分组成。主板包括能量管理单元、DC/DC转换器（具有最大功率点追踪功能）、电池和传感器。RRH的通信板专注于实现低功耗的上下行通信。

整个系统基于三根单模光纤（SMF）完成能量传输和通信，其中两根用于1310nm波长通信，另一根用于1480nm的电力传输。

2. 实验设置与性能评估

为了验证系统性能，研究团队建立了长度为14.43公里的单模光纤链路，采用分光器在RRH处进行光功率分配。实验中评估了以下重要特性：

• 光纤损耗和非线性效应分析，包括受激布里渊散射（SBS）和受激拉曼散射（SRS）的研究。
• 光伏电池和DC/DC转换器的效率测试，以量化物理电能转化的能力。
• 系统的功耗分析，包括RRH在不同工作模式下的能耗。

3. 数据分析方法

研究采用 MATLAB 软件作为中央站的数据控制和分析工具。测试中，通过中央站的指令对远程单元进行操作，包括切换休眠模式、监控电池电量、上下行通信测试等。

实验结果及分析

1. 供电性能

• 在实验配置下，1480nm的光纤供电系统为14.43公里光纤链路远端RRH提供了226mW的电能，中央站发出的输入光功率为2.24W，系统总效率达到10%。
• 光伏电池的光电转化效率为30%，通过设计散热片避免了因过热造成的性能下降。
• DC/DC转换器在最大功率点的转化效率为90%。

2. 非线性效应评估

实验验证了在1480nm波长下，受激拉曼散射（SRS）对系统效率的影响较小，因为SRS产生的光谱大部分仍位于光伏电池可转化的1300-1600nm波段内。然而在多波长共享（shared scenario）中，SRS对数据信道可能带来负面影响，这一问题需结合滤波器进行进一步优化。

3. 休眠模式功耗

• 休眠模式1（SM1）： RRH断开负载，仅保持通信功能，功耗为33mW。与正常工作状态相比，节能约50%。
• 休眠模式2（SM2）： 所有非必要模块均关闭，仅控制单元工作，功耗下降至5.8mW。RRH可通过控制激光脉冲被唤醒。

4. 系统总体性能

• 系统实现了光纤供电与低功耗通信功能的集成。
• 在实验场景下，RRH支持双向数据交换，数据率达到6.6kb/s。
• POF系统能够在分散的5G节点部署中实现功率集中管理，并显著降低非活跃时间段的功耗。

研究意义与应用价值

科学价值

该研究展示了一种新型光纤供电系统在低功耗5G远程无线节点中的应用，其优越的能源管理能力能够提升下一代无线网络的整体能效。研究首次结合C-RAN架构，对PoF系统的光学能量传输机制进行了深入详尽的实验验证，包括1480nm波长下的非线性效应分析。

工程与应用价值

• 该系统可为偏远地区提供可持续的网络覆盖，并作为备用网络支持自然灾害响应。
• 系统设计具有高度可扩展性，为未来5G网络的能源供给策略提供了技术支持。
• 集成的休眠模式功能将有助于减少5G通信网络的碳排放，为绿色网络发展提供创新技术解决方案。

研究亮点

1. 成功实现距离达14.43公里的光纤长距离供电。
2. 提出并验证了双模式休眠功能，为节能操作提供了新思路。
3. 使用广谱拉曼光纤激光器（1480nm），避免了布里渊散射（SBS）的负面效应。
4. 系统整体光到电效率达到10%，优于目前同类研究。

通过上述研究，本文为实现绿色、高效的未来通信网络奠定了理论及实验基础，为5G无线系统提供了新的技术方案和实用方法。