面向5G的光纤无线融合通信技术

1、面向5G的光纤无线融合通信技术移动通信网9月6日消息，2013年宽带通信与物联网前沿技术研讨会昨日下午在深圳金中环酒店举行。会上，来自华中科技大学的张敏明博士带来了题为面向5G的光纤无线融合通信技术”的演讲，阐述了光纤传输在面向5G的无线融合领域应用的关键技术。【OFweek2013宽带通信与物联网前沿技术研讨会专题报道】华中科技大学 张敏明博士以下为演讲内容。第五代移动通信（简称5G）是为满足智能终端的普及以及移动互联网的高速扩容而正在研究开发的新一代移动通信技术。根据国际前沿研究，未来的5G网络建设应该体现”大容量、低能耗、低成本三大技术要求，采用何种体制以及何种技术路线，目前国际上正在开

2、展热烈研究，也提岀多种方案。现有已经部 署的3G和即将部署的4G,射频信号均采用纯无线传输，其重要特征即是”基站和天线”的一体化架构。而未来的5G网络，与现有的3G和4G具有极大的不同，一是天线数目从4根可能增大至128根，致使基站的处理能力要求倍增，能耗也相应增大，可能需要机房设施；二是天线覆盖范围由数公里缩小至数百米， 这就要求基站数目大幅度增加，进一步形成能耗和成本压力；三是大规模天线阵列射频信号数字化的总传 输容量预期将达到T比特量级，传统的信号传输方式成本将会很高。为了解决5G传输存在的瓶颈问题，因此，”光纤无线融合传输”成为国际上面向5G开展研究的关键热点技术之一。随着移动通信技术

3、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度增长。据预测，随着智能终端的普及以及互联网业务的飞速发展，到2020年，移动数据业务流量将增长1000倍，这就给移动和无线接入网络带来了巨大的挑战。按照诺基亚-西门子网络公司的预计，为了在大幅度扩容时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量效率都需要在4G标准上提高一个数量级。首先，在无线网络架构层面，基于云架构大规模协作的无线网络是实现大容量、绿色和低成本 5G 网 络的最佳选择。云架构无线接入网原理结构如图 1-1 所示，利用光纤分配网络连接云机房的基带处理单元(BBU )和室外的远端射频头(RRH )。其通过

4、1) BBU云化方式极大减少基站机房数量，减少配套设备 特别是空调的能耗(目前约占总能耗33%) ；2) 减小小区覆盖以及大规模天线协作大幅提高射频功率效率(目前约占总能耗 30%) ；3) 网络动态资源协同调度避免负载时段潮汐效应造成的大量发射功率浪费；4)集中化大规模协作变小区间干扰为增益，大幅度提高频谱效率； 5) 软件定义无线电技术灵活支持多标准降 低运营成本。其次，在无线传输技术层面，大规模阵列天线多输入多输出( Massive MIMO )技术以其在频谱效率、 能量效率、鲁棒性及可靠性方面巨大的潜在优势，可能成为未来5G 通信中具有革命性的技术之一。多天线多输入多输出( MIMO

5、)技术能够充分挖掘空间维度资源，显著提高频谱效率和功率效率，已经成为4G通信系统的关键技术之一。目前的 IMT-Advanced (4G)标准采用了基于多天线的MIMO传输技术，利用无线信道的空间信息大幅提高频谱效率。 但是现有 4G 蜂窝网络的 8端口多用户 MIMO (MU-MIMO )不可 能满足频谱效率和能量效率的数量级提升需求。 2010年贝尔实验室研究人员提出了大规模阵列天线 MIMO技术，通过在基站使用大数量的天线和相应的波束成型技术，不仅能够显著地克服信道衰落和噪声影响， 而且能够有效克服同信道干扰问题，从而大幅提升通信系统的频谱和功率效率。大规模阵列天线MIMO 技术是 MI

6、MO 技术的扩展和延伸，其基本特征就是在基站侧配置大规模的天线阵列(从几十至几千)，利 用空分多址( SDMA )原理，同时服务多个用户。理论上，无论是在视距环境的强相关信道，还是富散射 下的非相关信道，任意两个用户的信道之间的相关系数随着天线数目的增加成指数形式衰减，比如当基站 侧配置有 100根天线时，任意两个用户的信道之间相关系数趋近于 0，也即是说多用户对应信道之间接近 正交。由于大规模天线阵列带来的巨大阵列增益和干扰抑制增益，使得小区总的频谱效率和边缘用户的频 谱效率得到了极大的提升。此外，在基站侧的天线阵可以增加无线传输的功率效率，从信息论角度看，当 天线数趋于无穷时，对单用户发射

7、功率可以任意小。由于发射端天线数通常远大于用户天线数，其充裕的天线自由度为链路的高鲁棒性和可靠性提供了可能性。大规模阵列天线 MIMO 技术相对常规 MIMO 技术，天线数将增加 12 个数量级，在阵列结构、信道 估计、预编码、检测等技术实现上带来的量变：结构和算法的复杂度呈数量级提高。同时，目前关于大规模阵列天线 MIMO 的研究都忽略了它在云架构无线接入网的无线传输技术层面可能带来的质变 。假设阵列天线由128根天线组成，信号带宽 100MHz，采用16bits量化和8b/10b编码，则其与基带池链路的数 字复合速率将高达 786Gbps!如果不对常规的无线传输技术进行变革，即便采用宽带光

8、纤网络基础设施， 巨额的光电器件和模块成本将使得这项革命性的技术丧失实际应用的可能性。提出利用新型的低成本光纤无线融合传输技术革新常规的无线传输技术，把远端ADC/DAC 等数字化单元剥离并上移到基带池云机房，通过光纤中多域混合复用技术，如频分复用、波分复用和偏振复用等， 用光信号 直接 传输未经数字化的天线待发射或接收到的几十甚至几百路模拟无线信号。实现大规模阵列 天线 MIMO 技术与大规模协作的云架构完美结合的 5G 无线网络。系统结构低成本光纤无线融合传输系统结构如图 1 所示。射频解分路复用fi探测4与单元4单元阵列阵列阵列亠9阵 列 天 线券波长光涤图2.下行方向多域混合复用可配置

9、光载射频原理结构图在发送端：经DAC输出的阵列天线射频信号利用 M个N路（N可取4或8）射频合路器分成 M个射频 信号组，每个组包含 N路信号。然后利用本地 N个中心频率分别为 的较低频率本振和上变频器，把各路 信号的中心频点分别搬移到，形成电频域多频带复用射频信号，再用N个电光调制器调制多波长光源，经波分复用器输入到单根单模光纤进行传输。多波长光源的数量在不使用偏振复用时为M。在波长资源受限的场合（如天线数量过多，M数值太大），可以加入光偏振复用技术，即用偏振控制器和分路器把单波长光信号分成偏振正交的两路光信号，再分别加载一路多频带复用射频信号，此时波长信道数将减半为 M/2在接收端：单模光

10、纤输入的多波长光信号经波分复用器分离以及光探测器光电变换后，恢复岀M组多频带复用射频信号。针对上述各组信号，由同样频率的N个本振下变频恢复岀对应的 N路天线射频信号，经滤波和放大后馈入天线发射。如果发射端采用了光偏振复用技术，则在波分复用器输出端会接入一个由自适应偏振解复用单元，把两路偏振正交但瞬时偏正呈随机状态的光信号稳定的分离开。假设阵列天线数为128根，无线载波频率为3.5GHz，信号带宽200MHz，信道保护间隔10MHz，单波 长采用 8 信道多音调制， 则单光纤中需要 16个波长信道， 激光器调制带宽和探测器的响应带宽约5.1GHz，现有的线性光电子器件可以很好地满足上述技术规格需

11、求， 非常适合规模化应用。 如果加入偏振复用技术， 所需波长数可以减少一半，可以进一步地降低 RRH 结构复杂度。大规模协作配置下时变光纤信道与空间信道联合信道估计技术在信息理论中， Massive MIMO 下多天线的多用户波束成形（ MUBF ）能够通过空分复用极大提高频谱 容量， 粗略地讲， MUBF 的频谱容量增益值为 min（ M ， K）（M， K 分别代表基站侧和终端侧天线数量） 。 大数目 M 可以让基站同时地服务于更多终端，因此可以实现更高的频谱容量。任何多天线MUBF 会面临由于物理传输信道相干时间产生的基本时间的限制。MUBF必须收集每个终端的信道状态信息（CSI），然后

12、用它来计算部分相干时间内的波束成形权重。如前所述，光纤无线融合传输是支撑 Massive MIMO 技术与云架构大规模协作无线网络的必然选择。 我们有理由相信，结合了 FDM、WDM 、PDM 和 Massive MIMO 技术的光纤无线融合系统能同时具备灵活 的扩展性、强的信道容忍度、高频谱利用率、大带宽等特性，十分适合5G的128根多天线应用场景。也正是因为这些技术的引入，导致基于光纤和空间混合信道的 CSI 会同时受到包含光纤色度色散、偏振模色 散和空间多径效应、频率选择性衰落等特性的影响，因此需要研究时变光纤信道与空间信道联合信道估计 技术势在必行。结束语提出研究 面向 5G 的光纤无线融合传输 关键技术， 将需要恒温工作的基带信号处理基站与大规模天线 阵列分离，基站上移到中心机房，再利用光纤无线融合传输技术将集中处理的基站射频信号送至远端天线