面向5G的光纤无线融合通信技术

适用于5G的光纤无线融合通信技术移动通信网9月6日2013年宽带通信和物联网前沿技术研讨会昨天下午在深圳金中酒店举行。会议上，华中科技大学张敏明博士以“用于5G的光纤无线融合通信技术”为题，说明了光纤传输在5G的无线融合领域应用的核心技术。OFweek2013宽带通信和事物的互联网前沿技术研讨会专题报告华中科技大学张敏明博士以下是演讲内容。第五代移动通信(以下简称“5G”)是为了智能终端的普及和移动互联网的高速扩展而研发的下一代移动通信技术。国际前沿研究表明，今后5G网络建设应反映“大容量、低功耗、低成本”三大技术要求、采用哪些系统及哪些技术路线，目前国际上正在进行热点研究，并提出了多种方案。现有部署的3G和即将部署的4G的无线信号是纯无线传输，其特点是“基站”和“天线”的集成体系结构。与现有3G和4G非常不同的未来5G网络可能需要计算机房设施，因为天线数量可以从4个增加到128个，所以基站的处理性能要求增加了一倍，能耗也相应增加。二是天线范围从几公里减少到数百米。为此，基站的数量大幅增加，需要进一步增加能耗和成本压力。第三，大规模天线阵列RF信号数字化的总传输容量预计将达到传统信号传输方式成本较高的t位水平。为了解决5G传输中出现的瓶颈，“fiber wireless fusion transfer”已成为国际上针对5G进行研究的关键热点技术之一。随着移动通信技术的发展，基于移动通信网络的丰富应用带动了移动数据业务的大幅增长。随着智能终端的普及和互联网业务的快速发展，预计到2020年移动数据业务流量将增长1000倍，移动和无线接入网络面临着巨大的挑战。诺基亚西门子网络公司预测，在大规模扩展时，为了同时满足绿色和低成本的运营要求，5G无线网络的频谱效率和能效都需要在4G标准中实现更高水平的提高。首先，在无线网络体系结构级别基于云体系结构进行大规模协作的无线网络最适合实现高容量、环保、低成本的5G网络。云体系结构无线访问网络原理结构使用结构连接云线的基带处理单元(BBU)和室外远程无线电头(RRH)分布，如图1-1所示。1)通过BBU“云”方法，大大减少基站机房数量，减少附件设备，特别是空调的能耗(目前总能耗的33%左右)；2)通过减少单元复盖范围和大规模天线协作，显着提高RF能效(目前总能耗的30%左右)；3)网络动态资源协作调度，防止了负载期间潮汐效应造成的大规模发射功率浪费。4)集中、大规模协作、可变区域之间的干扰是有益的，大大提高了频谱效率。5)软件定义了灵活支持无线技术的多个标准，从而降低了运营成本。第二，在无线传输技术级别，大规模阵列天线多输入多输出(Massive MIMO)技术在频谱效率、能效、健壮性和可靠性方面具有潜在的巨大优势，并将成为未来5G通信的创新技术之一。多天线多输入多输出(MIMO)技术充分挖掘空间维资源，显着提高频谱效率和电源效率，已成为4G通信系统的关键技术之一。当前的IMT-Advanced(4G)标准使用基于多天线的MIMO传输技术，利用无线信道中的空间信息显着提高频谱效率。但是，现有4G蜂窝网络的8端口多用户MIMO(MU-MIMO)无法满足频谱效率和能效的量化提高要求。2010年，bell laboratory research提出了大规模阵列天线MIMO技术，该技术通过在基站中使用大量天线及其波束形成技术，不仅可以大大克服信道衰落和噪声影响，还可以有效克服相同的信道干扰问题，显着提高通信系统的频谱和功率效率。大规模阵列天线MIMO技术是MIMO技术的扩展和扩展，其基本特征是在基站侧配置大规模天线阵列(数十到数千个)，并使用空分多连接(SDMA)原理同时为多个用户提供服务。理论上，两个用户的信道之间的相关系数以指数形式衰减，与视距环境的强相关信道或富散射状态的非相关信道无关，随着天线数量的增加。例如，在基站侧配置了100个天线的情况下，两个用户的信道之间的相关系数接近于0。即，多用户响应通道之间的正交接近。大规模天线阵列带来的大规模阵列增益和干扰抑制增益大大提高了总体频谱效率和边缘用户的频谱效率。此外，基站侧的天线阵列可以提高无线传输的功率效率，因为从信息论的角度来看，天线数量变得无限时，单个用户发送功率可以变得任意小。发射天线的数量通常多于用户天线的数量，因此天线自由度足够大，可以提高链路的鲁棒性和可靠性。大规模阵列天线MIMO技术与传统MIMO技术相比，天线数量增加了一至二倍，从而增加了阵列结构、信道估计、预编码、检测等技术实施的“可变”:结构和算法的复杂性。此外，目前对大规模阵列天线MIMO的研究忽略了云体系结构无线接入网络无线传输技术级别可能发生的“质性变化”。阵列天线由128个使用16bits量化和8b/10b编码的天线组成，与基带池链路的数字复合速度高达786Gbps！如果现有的无线传输技术没有变化，即使使用宽带光纤网络基础设施，由于巨大的光电设备和模块成本，这项创新技术实际应用的可能性也将消失。建议采用新的低成本光纤无线融合传输技术，该技术可以剥离远程ADC/DAC等数字设备，将其移动到基带全云房间，并通过分频多路复用、波分多路复用、偏振多路复用等光纤的多域混合多路复用技术，直接“传输”数字天线可以发送和接收的数十个或数百个模拟无线信号。5G无线网络将大规模阵列天线MIMO技术与用于大规模协作的云体系结构完美结合。系统结构低成本光纤无线融合传输系统结构如图1所示。图1 .系统结构图位于下行方向的中央单元中的基带处理单元在数字域中对用户数据进行编码，调制后，根据光纤无线融合传输通道状态信息进行预编码(波束形成)。为了从DAC获取收发器信号，补偿由于传输链路不兼容而引起的信号失真的预失真处理：对这些RF信号进行子载波调制后加载到光发射机阵列的多波长光载波RF信号输出；利用光偏振耦合技术的光偏振复用(可配置)通过波长分割多路复用器通过单模光纤传输到远程大规模阵列天线。通过单模光纤引入的天线侧光信号分别由波分复用器和光偏振分束器后的光电探测器阵列转换为多通道RF信号，(6)由中央侧和对称的副载波解调模块解调，并在滤波放大后由天线发射。上行链路方向基本上是上述过程的逆过程。其中，数字域信道校准模块用于在系统中自我校准上行链路传输信道紧急性，以获得发射器预失真的适当特性参数。基于光纤无线融合传输的集中式基带池技术目前市场上有很多基于RRH和BBU体系结构的分布式基站。一些制造商的设备实现了BBU内部载波处理资源的动态调度，以适应潮汐效应。该框架实现了早期集中式基带池的构想，但通常单个BBU支持的处理能力有限，通常仅支持约10个宏工作站的载波处理。此外，无法执行BBU之间的载波处理资源调度，很难从根本上解决更大复盖区域的潮汐效应。当前RRH BBU分布式基站的一个特点是RRH固定在连接到BBU的处理板上。RRH只能将基带信号数据和OM信号数据传输到唯一拥有的BBU。因此，很难获取其中一个BBU所属的RRH的上基带信号数据。同样，BBU很难将下行基带信号数据发送到其他BBU所属的RRH。由于每个BBU所连接的RRH基带信号数据源受到限制，因此不同BBU之间的基带处理资源也很难相互补充和利用。也就是说，空闲BBU处理功能不用于处理其他负载较重的BBU的基带信号数据。因此，集中式基带池需要解决的问题是提供高容量、低延迟交换矩阵和相关协议，以支持多个BBU之间的高速、低延迟、低成本互连。Infinite Band技术可以提供最大交换带宽(20gbps-40gpps/port)和极低的交换延迟，广泛应用于超级计算机。但是，每个端口高达2万元，很难满足低成本要求。提出了将多个BBU连接到分布式光网络，形成中央基带池的数据中心网络的分布式互连的想法。载波基带信号可以通过此分布式光纤网络交换到中央基带池中的任何BBU来执行信号处理。因此，集中式基带池可以有效地实现载波负载平衡，从而避免某些BBU过载和某些BBU闲置。这使得部署信号处理算法(如广泛的载波负载平衡、提高设备利用率、降低能耗、协作MIMO和干扰消除)更加容易，从而提高无线系统的性能增益。大规模协作阵列天线的多域多路复用光载波射频传输技术Massive MIMO天线数可达数十或数百个，使用空分多路传输时，每个天线均通过与天线数相等的核心数光缆直接连接。成本和资源成本太高，没有大规模应用程序价值。如果仅使用波分复用传输，即使用与天线数相同的后级波长数多路复用技术，在逻辑上以点对点方式并行承载后级通路数RF信号。同样，由于波长通道太多，需要的光电设备太多，系统成本和能耗太高，不适合大规模应用。提出了基于分频多路复用、波分多路复用和偏振多路复用的可配置光载波射频技术，采用电区域多频带多路复用技术实现天线RF信号包聚合，使用高线性宽带光电子组件调制为光波，同时引入了光偏振复用技术，进一步将所需的光波长通道数减少一半。频域、波长域和极化域的三种复用技术可以灵活配置，以满足不同规模阵列天线传输的需要。图2是向下方向原理结构图，上行方向与此类似。图2 .下行方向多域混合复用可配置光载波射频原理结构图在传输部：通过DAC输出的阵列天线RF信号被分割为m个n-way (n优选4或8) RF耦合器的RF信号组，每个组包含n-way信号。然后，利用本地n个中心频率分别低频率局部振动和上变频转换器，分别移动每个道路信号的中心频率，创建频域多波段复用RF信号，用n个电光调制器调制多波长光，通过波分多路复用器输入并传输到单个单模式光纤。如果不使用偏振复用，则多波长光源的数量为m。在波长资源有限的情况下(例如，天线太多，m值太大)，可以添加光偏振复用技术，偏振控制器和拆分器可以将单波长光信号分割为偏振正交的双向光信号，并分别加载多频带多路复用无线信号。波长通道数将减少一半，达到M/2。接收端：单模光纤输入的多波长光信号在光电探测器光转换后被波分多路复用器分离，m集多波段多路复用RF信号恢复。对于上述每个信号组，由相同频率的n个本振频率变换恢复相应的n-way天线RF信号，进行滤波和放大，然后由天线发射。如果发射机使用光偏振复用技术，则在波分多路复用器输出端连接了自适应偏振分解多路复用设备，从而使两个偏振垂直，但瞬时偏振稳定地离开具有随机状态的光信号。阵列天线数为128个，无线载波频率为3.5GHz，信号带宽为200MHz，信道保护间隔为10MHz，单波长使用8信道多音调制时，在单个结构中需要16个波长通道，激光调制带宽和探测器的响应带宽约为5.1GHz，现有的线性光电设备可以很好地满足上述技术规范要求，非常适合大规模应用。添加偏振复用技术可以将所需的波长数减少一半，进一步降低RRH结构的复杂性。大规模协作配置中时变光纤通道和空间通道联合通道估计技术在信息论中，Massive MIMO下多个天线的多用户波束(MUBF)可以通过空分复用显着增加频谱容量，大致上，MUBF的频谱容量增益值为min(M，K)(M，K分别表示基站侧和终端侧天线数)如果m较多，基站可以同时为更多终端提供服务，因此频谱容量可能更大。所有多天线MUBF都将面临物理传输通道一致时间所产生的基本时间限制。MUBF必须收集每个终端的通道状态信息(CSI)，然后使用它在部分一致的时间计算波束形成权重。如上所述，结构无线融合传输是支持被动MIMO技术和云体系结构的大型协作无线网络的重要选择。光纤无线融合系统结合了FDM、WDM、PDM和Massive MIMO技术，具有灵活的可扩展性、强通道容差、高频谱利用率、高带宽等特点，相信适合5G的128个多天线应用是合理的选择。由于这些技术的引入，基于光纤和空间混合通道的CSI将受到同时包括光纤色度分布、偏振模式分布和空间多路径效果、频率选择性衰落等特性的影响，因此需要研究时变光纤通道和空间通道组合通道估计技术。结束语提出了“用于5G的光纤无线融合传输”的关键技术，该技术将需要一定温度调节工作的基带信号处理基站从大