光载信息能量同传方案及其通信检测应用

兰子林，邹喜华，白文林，李沛轩，李 阳，潘 炜，闫连山，蒋灵明，陈 亮

（1. 西南交通大学信息科学与技术学院，四川成都 611756；2. 北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

1 引言

当前，随着5G/6G通信、物联网等技术［1，2］的迅速发展，小型化、密集化的微基站和感知前端被大规模部署以提供大容量宽带业务、泛在感知和互联能力［3，4］. 然而，海量微基站和感知前端给其部署成本和能耗带来了极大压力. 光载信息能量同传技术为新型微微基站和感知前端的部署提供了一种新的有效解决方案［5］，具有链路简单无源、维护方便、抗恶劣环境等优势.

光载信息能量同传技术利用不同类型激光器分别产生宽带信号光和高功率能量激光，并通过单根光纤从中心站远距离传送至基站. 其中，信号光通过光电探测器转换为待传信息；能量光通过光伏或光电探测转换为电能，为终端有源器件提供能源.1978年美国贝尔实验室搭建了基于光纤传能（Power over Fiber，PoF）技术的原理样机，为远端的声音报警系统供电［6］. 随后，该实验室通过PoF 技术实现了基站和远端单元之间语音信号的双向传输［7］，但传输能量和通信速率都比较低.2003 年，Tetsuya 团队［8］利用PoF 系统通过基站发送了2.4 GHz 带宽的无线信号，实现了通信速率的提升. 2008 年，Wake 团队［9］通过基站部署的大功率激光器为远端单元供电，实现了基于IEEE 802.11g 标准的64-QAM OFDM 宽带信号传输，而且，该PoF系统转换的电功率被调节成不同电压为多个终端供电. 2012 年，Lethien团队［10］将多终端供电的概念扩展到能量自主的微微小区远端天线单元的光纤无线电（Radio over Fiber，RoF）系统，功率信号、射频信号和数字信号被组合在一根多模光纤中，实现了100 m 多模光纤传输及5 m无线信号覆盖. 此后，日本的Matsuura 团队长期致力于大功率长距离PoF 系统的设计与改进.2015 年，该团队提出了使用双包层光纤（Double-Cladding Fiber，DCF）的60 W 光纤功率馈电［11］，用于带有光功率远程天线单元的光纤无线电系统，该系统的光纤传输距离为300 m，在接收端能够提供10 W 的电能. 而且，该团队使用DCF 进行功率信号和数字信号的传输［12］：DCF 单模内核用于数字信号的上行链路和下行链路的同时传输，DCF 多模内包层用于对远程无线单元（Remote Access Unit，RAU）进行光功率传输，实现了DCF 上的双向RoF 传输，光载传能功率为400 mW.2018 年，该团队通过偏移发射技术［13］和中心发射技术［14］改善了多模光纤的模式色散，使用多模光纤实现了4 km 长度的光功率馈电［15］.2019年，该团队创新性提出了使用双包层光纤的150 W 光纤功率馈电系统［16］，实现了光载1 km 传输的7.08 W 电能传送，是目前为止最大的功率距离乘积.另外，2018 年，Umezawa 团队［17］设计并制造了通过多芯光纤进行光载信息能量同传方案测试，RoF系统中实现了92 GHz 频段的12 Gbps 数据传输速率. 上述方案都是通过多芯光纤、双包层光纤和多模光纤来实现光纤的信能共传. 然而，2021 年Al-Zubaidi 等人［18］使用单模光纤（Single Mode Fiber，SMF）也同样实现了光纤的信能共传，实验演示了经过10 km的SMF链路传输后可为光伏电池提供870 mW的光功率.

本文设计并实验验证了一种基于光纤一体化分布式链路的光载信息能量同传方案，利用直调型微波光子模拟收发前端，同步实现了低成本的能量远程配送与高频宽带信号的采集传输. 首先，设计了长距离传输的PoF 子链路，实现了165 mW 功率的2 km 多模光纤长度的能量传送. 在此基础上，设计并实验演示了基于PoF系统的RoF和电磁干扰检测子链路. 在RoF子链路中，完成了2.4 GHz 载频、1 GHz 带宽的16QAM-OFDM信号的2 km 单模光纤传输；在电磁干扰检测子链路中，验证了对高铁GSM-R（Global System for Mobile Communications-Railway）通信系统内的电磁信号的远程采集与检测，并实现了对带内、邻带和带外等多种干扰信号的高精度检测和识别.

2 光载信息能量同传总体方案设计

光载信息能量同传总体方案设计如图1 所示. 在中心站，布置多组模拟微波光子前端模块，该微波光子前端由直调激光器（Directly Modulated Lasers，DML）、光电探测器（PhotoDetector，PD）和光环形器组成，分别完成下行链路的电光转换与上行链路的光电转换. 每个微波光子前端模块发射不同波长的信息光载波，通过波分复用器（Wavelength Division Multiplexer，WDM）复用至一根光纤进行远距离传输. 另外，由多个高功率激光器构成了集中式光纤馈电装置，且利用锥形光纤耦合技术进行激光能量耦合. 这里DML 与高功率激光器（High-Power Laser Diode，HPLD）的工作光波段分别为1 550 nm 和980 nm. 然后，信息光载波和激光能量信号通过N×1锥形光纤束耦合器将传输能量光（红色）的多模光纤（MultiMode Fiber，MMF）和传输信息光（蓝色）的SMF 进行耦合至一体化DCF 中. 该DCF 是由单模光纤内芯和多模光纤内包层组成，两者分离且独立完成高功率能量光和信号光的传输［12］. 接着，通过DCF链路远距离传输至远端N个分布式节点的微波光子前端. 在远端节点处，首先通过可调光耦合器灵活分配每一个节点的远端微波光子前端所需要的光功率. 配置智能化能量反馈系统，根据每一个节点的信息量大小和所需能耗的大小，配置节点的能量占比. 然后，在不同的节点处通过光插分复用器（Optical Add Drop Multiplexer，OADM）来选择对应波长的信息传输信道，利用1×N锥形光纤束分束器分离信息光与能量光. 光伏激光能量转换器（Photovoltaic Power Converter，PPC）将大功率能量光转换成远端微波光子前端中DML 和PD 所需的电能.DML 将天线接收的电磁信号调制到光载波上，通过光环形器和回传链路发送至中心站，构成上行通信链路；PD 将来自中心站的信息光信号恢复为电信号，通过天线发送给用户.

图1 光载信息能量同传方案

此外，通过对中心站的多组微波光子模组进行不同定义，可以实现该能量信息同传方案各节点的不同功能，各个节点协同完成宽带通信、多域探测等多种业务，以模拟微波光子一体化实现网络化能量分发和信息协同.

3 光纤传能方案设计及测试

光纤传能系统基本结构如图2所示，主要由HPLD、多模传能光纤、PPC、DC-DC 升降压模块［19］和远端负载模块组成.HPLD 作为发射机，产生数瓦大功率激光，通过传能光纤远距离将激光能量传送至接收机. 在接收机中，PPC 将激光能量光电转换为稳定的电压和电流，从而为远端负载供电. 值得注意的是，PPC 可以提供最高8 V 的电压，DC-DC 升降压模块将输出电压转换成±5 V的稳定电压.

图2 光纤传能系统基本结构

进而，测试PoF 系统的能量转换效率. 通过改变HPLD 的输出激光功率和多模光纤的传输长度，测试PPC 输出的电压和电流来完成PoF 系统的能效转换检测. 图3给出了HPLD的输出光功率为3 W时，PoF系统在20 m 和2 km 多模光纤传输的I-V 特性曲线、P-V 特性曲线. 由图中可以得到，输出电压为0～7.1 V 时PoF 系统处于线性工作区域，可以保持稳定的工作电流输出和线性的功率增长［20］. 当输出电压为7.1 V 时，PPC 达到其最大工作功率点（Maximum Power Point Track，MPPT）［21］. 此时，PoF 系统在2 km 长度的最大输出电功率为165 mW. 由于多模光纤的传输损耗为3.5 dB/km，传输2 km 光功率损耗7 dB，相较于20 m 系统最大输出电功率损耗662.2 mW.

图3 20 m和2 km传输距离下PoF系统的能量转换特性

表1 给出了PoF 系统能量转换效率测试结果，系统设置为MPPT. 当HPLD 的输出光功率为1 W 时，20 m和2 km 长度对应的能量转换效率分别为30.4%和6.4%. 当HPLD 的输出光功率为3 W 时，20 m 和2 km 长度对应的能量转换效率分别为27.6%和5.5%. 因此，相同距离下，随着输出光功率提升，输出电功率相应线性提升，但转换效率降低；在相同输出光功率下，随着距离增加，输出电功率和能量转换效率均显著降低.

表1 PoF能量转换效率测试结果

4 光载信息能量同传方案的通信检测应用

基于上述PoF子链路，设计了光载信息能量同传方案，并通过单节点RoF 通信传输和铁路电磁干扰检测进行功能和性能验证.

4.1 基于PoF的大带宽信号传输

光载信息能量同传的RoF 通信链路结构如图4 所示.PoF系统设置为MPPT，HPLD 的输出光功率为3 W，通过2 km 多模光纤传输至远端，DC-DC 降压模块将PPC 的输出电压转换为±5 V，从而为远端节点的DML供电. 实验中使用的DML（KG-DML-15-18G-10-SM-FA）的额定功率为110 mW，根据表1 可知PoF 系统在2 km多模光纤传输长度的最大输出电功率为165 mW，该PoF 系统仅可支持单个DML 的信息传输，因此通过点对点的实验测试验证PoF系统的RoF传输.

图4 基于PoF的大宽带信号传输方案

RoF 链路中，利用任意波形产生器生成2.4 GHz 载频、1 GHz带宽的16QAM-OFDM 矢量信号，通过DML调制至光载波上. 然后，通过2 km单模光纤传输至中心站后，利用PD完成光电转换恢复传输的电矢量信号. 采用采样率为40 GSa/s的实时示波器完成数字采集并结合数字信号处理算法对16QAM-OFDM矢量信号进行解调.

首先，分析RoF 链路中B 点处的电信号频谱. 图5给出了背靠背和2 km 传输后16QAM-OFDM 的信号频谱，由图可知基于光载信息和能量共传2 km 后信噪比仍可达到24 dB.

图5 PoF-RoF 链路中背靠背和2 km 单模光纤传输后16QAM-OFDM信号频谱图

然后，对基于PoF的RoF 链路中宽带信号的传输性能进行分析.2 km 信息能量共传距离下，系统的误码率曲线和星座图如图6 所示. 分别取输入光功率为-3 dBm、-6 dBm 和-9 dBm 时的星座图进行对比. 随着PD 输入光功率减小，BER 增大，星座图模糊，系统传输数据性能相应变差；当PD输入光功率大于-4.1 dBm时，RoF系统解调信号的BER达到前向纠错门限3.8×10-3.

图6 PoF-RoF链路中传输距离为2 km时BER曲线及星座图

4.2 基于光载信息能量同传的高铁电磁干扰检测

GSM-R 系统是我国及欧盟各国铁路通信专用的数字移动通信系统，一旦受到电磁干扰或电磁攻击，支撑高铁无线车地通信的GSM-R 系统可能会被干扰或中断，轻则导致延误、堵塞，重则导致交通事故［22］. 因此，针对铁路无线通信系统进行宽带电磁干扰检测极为重要. 目前，铁路管理部门主要通过来巡检列车定时对高铁GSM-R 通信系统的电磁干扰进行检测，然后通过“五步干扰清除法”来清除高铁沿线的干扰源［23，24］. 然而，这种方法主要针对静态干扰源，无法实时地监测和处理铁路沿线的电磁干扰源，尤其难以应对实际铁路环境中的一些突发干扰. 对此，国内的一些高铁线路实施了GSM-R 网格化监测系统（如武广高铁），但覆盖频段有限且成本高昂，不利于进一步的推广应用［25，26］. 本文作者在前期工作中，提出了一种基于微波光子学的铁路电磁干扰检测方法，通过光纤链路传输电磁信号，可以远距离实时地监测铁路沿线的电磁干扰［27］. 并且，本文提出的光载信息能量同传的方式可通过电磁不敏感的光纤传输电能，为远端收发设备提供或储备能量. 它能够在高电压、高磁场、高辐射等极端场景下正常工作，这对于频繁暴露在高压列车牵引供电等环境下的高铁GSM-R 通信系统以及电磁干扰监测系统的不间断运行具有重要意义. 在此基础上，利用该光载信息能量同传系统，可实现高铁GSM-R通信以及电磁干扰监测.

基于光载信息能量同传的高铁电磁干扰检测方案如图7所示，其基本结构与光载信能同传方案相同，PoF系统为远端DML供电. 在电磁干扰检测应用中，将远端微波光子前端模块分布式布置于高铁沿线轨旁监测节点，用于高铁沿线电磁信号的采集与接收. 实验中，通过矢量信号源设置GSM-R专用的GMSK调制格式信号（中心频率设置为930 MHz，符号速率为270.83 Kb/s）为工作频点. 同时，通过微波源产生3种不同频率（930 MHz，930.2 MHz和932 MHz）的正弦单音信号作为电磁干扰源，分别模拟GSM-R系统受到的带内干扰、邻带干扰和带外干扰. 采集的电磁信号通过2 km RoF链路传输至中心站，通过信号分析仪观测接收信号的频谱图、星座图和眼图，进而分析GSM-R系统所受到的电磁干扰类型.

图7 基于光载信息能量同传的高铁电磁干扰检测方案图

在带内干扰、邻带干扰和带外干扰情形下，GSM-R信号的频谱图、星座图及眼图如图8 所示. 无干扰时，频谱图中无异常频点，星座图集中，眼图清晰，信号质量好；受到带内干扰时，工作频点峰值功率略高于无干扰情形，星座图分散，眼图模糊，信号质量差；受到邻带干扰时，工作频点附近出现相邻频率为930.2 MHz 的异常信号，星座图分散，眼图模糊，信号质量差；受到带外干扰时，在932 MHz 频点处出现异常信号，星座图集中、眼图清晰，信号质量好.

图8 不同干扰下GSM-R 铁路无线通信专网的电磁信号的频谱图、星座图及眼图对比

因此，该方案可以通过频域、时域有效识别GSM-R通信网络中的多种干扰类型，而且对隐秘性强、影响大的带内干扰仍可以精准识别，从而为高铁通信干扰预警与干扰清除提供依据. 该光载信息能量同传的高铁电磁干扰检测方案将有助于推动广域、长距离覆盖的高铁沿线电磁干扰检测应用.

5 结论

本文设计并实验验证了一种光载信息能量同传方案，基于光纤一体化分布式系统实现了长距离多节点的无源光网络系统构建，利用集中式光纤馈电装置和微波光子前端同步实现了高频宽带模拟信号与高功率激光能量的传输. 在实验中，首先对PoF 方案的整体性能进行测试，在2 km多模光纤传输距离下实现了165 mW电能供应. 在此基础上，实现了RoF和电磁干扰检测，RoF传输方案中完成了2.4 GHz载频、1 GHz带宽的16QAMOFDM矢量信号的2 km单模光纤传输；在电磁干扰检测方案中，通过频域和时域同时对高铁GSM-R无线通信系统内的带内、邻带和带外干扰进行高精度检测与识别.因此，本文提出的光纤分布式一体化的光载信息能量同传方案，可以为强电磁干扰、强辐射等的特殊场景中的通信探测提供极具应用价值的解决方案.