《基于光功率传输技术的5G网络和物联网Radio-Over-Fiber系统的支持》

主要作者与发表信息
本文由 Fahad M. A. Al-Zubaidi、J. D. López Cardona、D. S. Montero 和 Carmen Vázquez 撰写，并发表在 Journal of Lightwave Technology （《光波技术杂志》）第39卷第13期，2021年7月1日出版。第一作者为 Universida Carlos III de Madrid（西班牙马德里卡洛斯三世大学）电子技术系的博士生。第二作者、第三作者和第四作者同属于该系，Carmen Vázquez 是 IEEE 高级会员。

研究背景与目的
当前5G移动通信技术对传输速率、低延迟和节能提出了巨大需求。在此背景下，Radio-over-Fiber（RoF，光纤上的射频信号传输）技术被认为十分适合实现低损耗、高带宽需求的分布式无线网络，将其作为5G前传的潜在架构已经被广泛关注。然而，Remote Antenna Units（RAUs，远端天线单元）的安装数量和功率需求不断攀升，这导致传统电力传输方案存在瓶颈。

为了解决这些挑战，本文提出了利用 Power-over-Fiber（PoF，光功率传输技术）为远程天线单元供能。同时，作者研究了 PoF 在下一代无线接入网络（Radio Access Network, RAN）的5G业务中，光纤传输数据与功率共存时的性能表现，目标是设计一个能够高效融合 PoF 和 RoF 的系统架构，兼容5G NR（New Radio）标准的高频与高带宽需求。

研究工作流程

1. 整体设计图与案例研究
作者设计了一个基于中央处理单元（Central Office，CO）与远端天线单元（RAUs）的集中式架构，其中利用单模光纤（Single Mode Fiber, SMF）同时实现光数据（5G信号）以及光功率传输。通过对一个特殊的案例，如在大型体育场的物联网设备（IoT）和高密度无线覆盖需求场景，作者对PoF的使用进行了验证。

• 提出的研究场景：例如在一个足球场中，大量IoT设备需要被远程控制；该区域需支持高带宽的虚拟现实应用、视频流等服务，连接半径为10公里左右。

2. 模拟研究：分析设计参数与色散影响
为了评估5G NR信号在PoF共存条件下的传输性能，作者进行了计算机模拟，主要针对以下参数开展分析： - 链路长度（Link Length）对误差矢量幅值（Error Vector Magnitude, EVM）和信号质量的影响。 - SMF的色散效应（Chromatic Dispersion）的非线性特性及其如何影响射频信号（RF carrier frequency）。

研究采用的波形使用了循环前缀正交频分复用（CP-OFDM）调制格式。在不同场景下，分别比较了多个频率下的EVM表现，捕捉色散对远距信号的衰减模式。

3. 实验测试
作者搭建了一个实验平台，测试了随链路长度增加、光功率信号干扰时的信号质量： - 搭建了一个光纤前传传输系统，光纤长度分别为100米、5公里和10公里。 - 同步测试不同调制方案（QPSK、16QAM、64QAM、256QAM）在不同信号带宽（100 MHz）和高频（最高达20 GHz）上的传输性能。 - 使用高功率激光器（High-Power Laser, HPL）结合数据光信号进行多路波分复用（MUX），并在光纤终端使用光电二极管（Photodiode, PD）解调射频信号，最终通过频谱分析仪评估EVM。

4. 非线性效应分析与PoF性能评估
作者还特别分析了非线性光纤效应（例如受激拉曼散射[SRS]和自相位调制[SPM]）对传输质量的影响，说明高功率光信号既可能对数据造成干扰，也可能通过补偿色散效应优化信号。

实验结果与数据支持

1. PoF对RoF性能影响
通过实验，作者发现： - 当HPL功率水平低于0.5 W时，不同调制格式下的EVM优于5G NR标准。 - 对于5 km及10 km链路，当HPL功率水平接近1 W时，信号开始显著退化（特别是高阶调制如256QAM）。这是由于HPL的光谱噪声和SRS效应叠加所致。 - 在极高功率水平（2 W）下，非线性光效应通过部分补偿色散而进一步优化了信号质量，EVM明显改善。

2. 功率供能能力案例
作者测试了在10公里链路末端，870 mW的光功率被成功传递并转化为226.2 mW的电能（转化效率26%）。这足以为IoT传感器系统、低功耗无线节点以及远程模块供电。例如： - IoT传感器如温湿度监测装置。 - 小型无线“dot”基站，为高密度区域提供冗余覆盖服务。

3. 色散对系统设计的影响
作者通过仿真和实验指出，随着链路长度或频率上升，色散诱导的信号衰减问题必须在设计阶段予以仔细考虑。理论值表明，色散引起的首个信号熄灭点（fading notch）与频率和长度的平方成正比。

研究结论与价值

1. 技术突破与创新方案
   作者首次整合了PoF与RoF技术，证明其在5G前传中的可行性。通过高功率激光器和光纤传输的非线性效应，部分缓解了色散带来的信号劣化问题。

2. 应用与扩展前景
   研究通过实验展示了可行的系统设计方案，不仅能够支持5G NR高带宽业务，还可为IoT设备供电，拥有巨大潜力。尤其是在复杂的场景中，如赛事场馆或密集型城市网络，PoF技术为低功耗的分布式网络提供了一种简化更高效的解决方案。

3. 成本效益
   在现有光纤基础设施上延伸PoF功能，有助于降低额外布线的成本，并能与分布式电力供能互为补充。

研究亮点

• 首次验证了PoF与RoF的协同工作机制，不仅实现了供能，还通过光纤非线性效应优化了信号质量。
• 利用SRS、SPM和交叉相位调制（XPM），支持增强色散超长链路的射频信号传输。
• 利用PoF供能拓展物联网支持范围，为未来低功耗基站运营和IoT设备管理提供了可能途径。
  

重要意义
这项研究体现了通过新技术融合实现5G前传多任务的可行性，因此它为下一代高速网络架构设定了新的基准，也为未来无线行业和物联网的融合提供了重要启发。