面向5G的光纖無線融合通信技術(shù)

1、面向5G的光纖無線融合通信技術(shù) 移動通信網(wǎng)9月6日消息，2013年寬帶通信與物聯(lián)網(wǎng)前沿技術(shù)研討會昨日下午在深圳金中環(huán)酒店舉行。會上，來自華中科技大學的張敏明博士帶來了題為“面向5G的光纖無線融合通信技術(shù)”的演講，闡述了光纖傳輸在面向5G的無線融合領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)?！綩Fweek2013寬帶通信與物聯(lián)網(wǎng)前沿技術(shù)研討會專題報道】華中科技大學張敏明博士以下為演講內(nèi)容。第五代移動通信（簡稱"5G"）是為滿足智能終端的普及以及移動互聯(lián)網(wǎng)的高速擴容而正在研究開發(fā)的新一代移動通信技術(shù)。根據(jù)國際前沿研究，未來的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)應(yīng)該體現(xiàn)"大容量、低能耗、低成本"三大技術(shù)要求

2、，采用何種體制以及何種技術(shù)路線，目前國際上正在開展熱烈研究，也提出多種方案?，F(xiàn)有已經(jīng)部署的3G和即將部署的4G，射頻信號均采用純無線傳輸，其重要特征即是"基站"和"天線"的一體化架構(gòu)。而未來的5G網(wǎng)絡(luò)，與現(xiàn)有的3G和4G具有極大的不同，一是天線數(shù)目從4根可能增大至128根，致使基站的處理能力要求倍增，能耗也相應(yīng)增大，可能需要機房設(shè)施；二是天線覆蓋范圍由數(shù)公里縮小至數(shù)百米，這就要求基站數(shù)目大幅度增加，進一步形成能耗和成本壓力；三是大規(guī)模天線陣列射頻信號數(shù)字化的總傳輸容量預期將達到T比特量級，傳統(tǒng)的信號傳輸方式成本將會很高。為了解決5G傳輸存在的瓶頸問題，因

3、此，"光纖無線融合傳輸"成為國際上面向5G開展研究的關(guān)鍵熱點技術(shù)之一。隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，基于移動通信網(wǎng)絡(luò)的豐富應(yīng)用帶動了移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的大幅度增長。據(jù)預測，隨著智能終端的普及以及互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，到2020年，移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量將增長1000倍，這就給移動和無線接入網(wǎng)絡(luò)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。按照諾基亞-西門子網(wǎng)絡(luò)公司的預計，為了在大幅度擴容時同時滿足綠色和低成本的運營要求，5G無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率和能量效率都需要在4G標準上提高一個數(shù)量級。首先，在無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層面，基于云架構(gòu)大規(guī)模協(xié)作的無線網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)大容量、綠色和低成本5G網(wǎng)絡(luò)的最佳選擇。云架構(gòu)無線接入網(wǎng)原理結(jié)構(gòu)如圖1-1

4、所示，利用光纖分配網(wǎng)絡(luò)連接云機房的基帶處理單元（BBU）和室外的遠端射頻頭（RRH）。其通過1) BBU"云"化方式極大減少基站機房數(shù)量，減少配套設(shè)備特別是空調(diào)的能耗（目前約占總能耗33%）；2) 減小小區(qū)覆蓋以及大規(guī)模天線協(xié)作大幅提高射頻功率效率（目前約占總能耗30%）；3) 網(wǎng)絡(luò)動態(tài)資源協(xié)同調(diào)度避免負載時段潮汐效應(yīng)造成的大量發(fā)射功率浪費； 4) 集中化大規(guī)模協(xié)作變小區(qū)間干擾為增益，大幅度提高頻譜效率；5) 軟件定義無線電技術(shù)靈活支持多標準降低運營成本。其次，在無線傳輸技術(shù)層面，大規(guī)模陣列天線多輸入多輸出（Massive MIMO）技術(shù)以其在頻譜效率、能量效率、魯棒性及可

5、靠性方面巨大的潛在優(yōu)勢，可能成為未來5G通信中具有革命性的技術(shù)之一。多天線多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)能夠充分挖掘空間維度資源，顯著提高頻譜效率和功率效率，已經(jīng)成為4G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前的IMT-Advanced（4G）標準采用了基于多天線的MIMO傳輸技術(shù)，利用無線信道的空間信息大幅提高頻譜效率。但是現(xiàn)有4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的8端口多用戶MIMO（MU-MIMO）不可能滿足頻譜效率和能量效率的數(shù)量級提升需求。2010年貝爾實驗室研究人員提出了大規(guī)模陣列天線MIMO技術(shù)，通過在基站使用大數(shù)量的天線和相應(yīng)的波束成型技術(shù)，不僅能夠顯著地克服信道衰落和噪聲影響，而且能夠有效克服同信道干擾問題，從而

6、大幅提升通信系統(tǒng)的頻譜和功率效率。大規(guī)模陣列天線MIMO技術(shù)是 MIMO 技術(shù)的擴展和延伸，其基本特征就是在基站側(cè)配置大規(guī)模的天線陣列（從幾十至幾千），利用空分多址（SDMA）原理，同時服務(wù)多個用戶。理論上，無論是在視距環(huán)境的強相關(guān)信道，還是富散射下的非相關(guān)信道，任意兩個用戶的信道之間的相關(guān)系數(shù)隨著天線數(shù)目的增加成指數(shù)形式衰減，比如當基站側(cè)配置有100根天線時，任意兩個用戶的信道之間相關(guān)系數(shù)趨近于0，也即是說多用戶對應(yīng)信道之間接近正交。由于大規(guī)模天線陣列帶來的巨大陣列增益和干擾抑制增益，使得小區(qū)總的頻譜效率和邊緣用戶的頻譜效率得到了極大的提升。此外，在基站側(cè)的天線陣可以增加無線傳輸?shù)墓β市剩?/p>

7、從信息論角度看，當天線數(shù)趨于無窮時，對單用戶發(fā)射功率可以任意小。由于發(fā)射端天線數(shù)通常遠大于用戶天線數(shù)，其充裕的天線自由度為鏈路的高魯棒性和可靠性提供了可能性。大規(guī)模陣列天線MIMO技術(shù)相對常規(guī)MIMO技術(shù)，天線數(shù)將增加12個數(shù)量級，在陣列結(jié)構(gòu)、信道估計、預編碼、檢測等技術(shù)實現(xiàn)上帶來的"量變"：結(jié)構(gòu)和算法的復雜度呈數(shù)量級提高。同時，目前關(guān)于大規(guī)模陣列天線MIMO的研究都忽略了它在云架構(gòu)無線接入網(wǎng)的無線傳輸技術(shù)層面可能帶來的"質(zhì)變"。假設(shè)陣列天線由128根天線組成，信號帶寬100MHz，采用16bits量化和8b/10b編碼，則其與基帶池鏈路的數(shù)字復合速率將

8、高達786Gbps！如果不對常規(guī)的無線傳輸技術(shù)進行變革，即便采用寬帶光纖網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，巨額的光電器件和模塊成本將使得這項革命性的技術(shù)喪失實際應(yīng)用的可能性。提出利用新型的低成本光纖無線融合傳輸技術(shù)革新常規(guī)的無線傳輸技術(shù)，把遠端ADC/DAC等數(shù)字化單元剝離并上移到基帶池云機房，通過光纖中多域混合復用技術(shù)，如頻分復用、波分復用和偏振復用等，用光信號"直接"傳輸未經(jīng)數(shù)字化的天線待發(fā)射或接收到的幾十甚至幾百路模擬無線信號。實現(xiàn)大規(guī)模陣列天線MIMO技術(shù)與大規(guī)模協(xié)作的云架構(gòu)完美結(jié)合的5G無線網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)低成本光纖無線融合傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖在下行方向，位于

9、中心單元的基帶處理單元在數(shù)字域?qū)τ脩魯?shù)據(jù)進行編碼、調(diào)制后根據(jù)光纖無線融合傳輸信道狀態(tài)信息進行預編碼（波束成形）；經(jīng)預失真處理補償上下行傳輸鏈路非互易性造成的信號畸變，送入DAC獲得射頻信號；對這些射頻信號分組副載波調(diào)制后加載到光發(fā)射機陣列輸出多波長光載射頻信號；再利用光偏振合束技術(shù)進行光域偏振復用（可配置選擇），經(jīng)波分復用器輸入單模光纖傳輸至遠端大規(guī)模陣列天線；天線側(cè)經(jīng)單模光纖輸入的光信號分別經(jīng)過波分復用器和光偏振分束后由光探測器陣列轉(zhuǎn)換為多路射頻信號，(6) 然后被與中心側(cè)對稱的副載波解調(diào)模塊解調(diào)，并經(jīng)濾波放大后饋入天線發(fā)射。在上行方向，基本上是上述過程的逆過程。其中數(shù)字域信道校準模塊用于系

10、統(tǒng)對上下行傳輸信道非互易性進行自校準，以獲得相應(yīng)的特征參數(shù)供發(fā)射機預失真使用?；诠饫w無線融合傳輸?shù)募惺交鶐С丶夹g(shù)目前，市場上已經(jīng)有很多基于RRH和BBU構(gòu)架的分布式基站。一些廠家的設(shè)備實現(xiàn)了BBU內(nèi)載波處理資源的動態(tài)調(diào)度以適應(yīng)潮汐效應(yīng)。這樣構(gòu)架實現(xiàn)了初步的集中式基帶池的思想，但是一般來說，單個BBU所支持的處理能力有限，一般只能支持10個左右宏站的載波處理；另外，不能實現(xiàn)跨BBU間的載波處理資源調(diào)度，很難根本解決更大覆蓋區(qū)域內(nèi)的潮汐效應(yīng)。當前的RRH加BBU的分布式基站的一個特點是，RRH是固定連接在某個BBU的處理板的。RRH只能將基帶信號數(shù)據(jù)和O&M信令數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡湮ㄒ粴w屬的B

11、BU中。這就使得任意一個BBU難以獲取其它BBU所屬RRH的上行基帶信號數(shù)據(jù)；同樣，任意一個BBU也難以向其它BBU所屬的RRH發(fā)送下行基帶信號數(shù)據(jù)。由于每個BBU所連接的RRH基帶信號數(shù)據(jù)源受到限制，不同BBU之間的基帶處理資源也難以彼此補充、互相利用：即閑置的BBU處理能力并不能用來處理其它負載重的BBU上的基帶信號數(shù)據(jù)。因此，集中化基帶池需要解決的問題是：提供一個高容量、低延遲的交換矩陣以及相關(guān)協(xié)議支持多個BBU之間的高速、低延遲、低成本的互聯(lián)互通。Infinite Band 技術(shù)可以提供極大的交換帶寬（20Gbps-40Gpbs/port）和極低的交換延遲，并廣泛應(yīng)用于超級計算機。然而

12、，其成本高達2萬元每端口，難以滿足低成本的要求。提出可借鑒數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的分布式交叉互聯(lián)的思想，擬采用分布式的光纖網(wǎng)絡(luò)連接多個BBU，將它們構(gòu)成一個集中式的基帶池。載波基帶信號可以通過這個分布式的光纖網(wǎng)絡(luò)交換到集中式基帶池中任意一個BBU來進行信號處理。由此，集中式基帶池可以有效地實現(xiàn)載波負載均衡，避免部分BBU過載以及部分BBU較空閑的現(xiàn)象發(fā)生。這可以實現(xiàn)更大范圍的載波負載均衡，提高設(shè)備利用率，降低能耗，并可以更方便地部署協(xié)作式MIMO以及干擾消除等信號處理算法，從而增加無線系統(tǒng)的性能增益。面向大規(guī)模協(xié)作陣列天線的多域復用光載射頻傳輸技術(shù)Massive MIMO天線數(shù)可能達到數(shù)十甚至數(shù)百根，如

13、果采用空分復用傳輸，即采用與天線數(shù)相同芯數(shù)光纜直接連接，每根天線獨占一芯光纖。其成本和資源代價顯然過高，無規(guī)?；瘧?yīng)用價值。如果僅采用波分復用傳輸，即單光纖中利用與天線數(shù)相等的百量級波長數(shù)復用技術(shù)，以邏輯上點對點方式并行承載百量級路數(shù)射頻信號。同樣的，由于波長信道數(shù)太多，需要的光電子器件數(shù)量過多，系統(tǒng)成本和能耗過高，也不適合規(guī)?；瘧?yīng)用。提出基于頻分復用、波分復用和偏振復用的可配置光載射頻技術(shù)，采用電域多頻帶復用技術(shù)實現(xiàn)天線射頻信號分組聚合，再利用高線性寬頻帶光電組件調(diào)制到光波上，同時引入光偏振復用技術(shù)進一步把需要的光波長信道數(shù)降低一半。三種復用技術(shù)在頻域、波長域和偏振域的復用都可靈活配置，以滿足

14、不同規(guī)模陣列天線的傳輸需要。圖2是下行方向原理結(jié)構(gòu)圖，上行方向與此類似。圖2. 下行方向多域混合復用可配置光載射頻原理結(jié)構(gòu)圖在發(fā)送端：經(jīng)DAC輸出的陣列天線射頻信號利用M個N路（N可取4或8）射頻合路器分成M個射頻信號組，每個組包含N路信號。然后利用本地N個中心頻率分別為 的較低頻率本振和上變頻器，把各路信號的中心頻點分別搬移到 ，形成電頻域多頻帶復用射頻信號，再用N個電光調(diào)制器調(diào)制多波長光源，經(jīng)波分復用器輸入到單根單模光纖進行傳輸。多波長光源的數(shù)量在不使用偏振復用時為M。在波長資源受限的場合（如天線數(shù)量過多，M數(shù)值太大），可以加入光偏振復用技術(shù)，即用偏振控制器和分路器把單波長光信號分成偏振正

15、交的兩路光信號，再分別加載一路多頻帶復用射頻信號，此時波長信道數(shù)將減半為M/2。在接收端：單模光纖輸入的多波長光信號經(jīng)波分復用器分離以及光探測器光電變換后，恢復出M組多頻帶復用射頻信號。針對上述各組信號，由同樣頻率的N個本振下變頻恢復出對應(yīng)的N路天線射頻信號，經(jīng)濾波和放大后饋入天線發(fā)射。如果發(fā)射端采用了光偏振復用技術(shù)，則在波分復用器輸出端會接入一個由自適應(yīng)偏振解復用單元，把兩路偏振正交但瞬時偏正呈隨機狀態(tài)的光信號穩(wěn)定的分離開。假設(shè)陣列天線數(shù)為128根，無線載波頻率為3.5GHz，信號帶寬200MHz，信道保護間隔10MHz，單波長采用8信道多音調(diào)制，則單光纖中需要16個波長信道，激光器調(diào)制帶寬

16、和探測器的響應(yīng)帶寬約5.1GHz，現(xiàn)有的線性光電子器件可以很好地滿足上述技術(shù)規(guī)格需求，非常適合規(guī)?；瘧?yīng)用。如果加入偏振復用技術(shù)，所需波長數(shù)可以減少一半，可以進一步地降低RRH結(jié)構(gòu)復雜度。大規(guī)模協(xié)作配置下時變光纖信道與空間信道聯(lián)合信道估計技術(shù)在信息理論中，Massive MIMO下多天線的多用戶波束成形（MUBF）能夠通過空分復用極大提高頻譜容量，粗略地講，MUBF的頻譜容量增益值為min（M，K）（M，K分別代表基站側(cè)和終端側(cè)天線數(shù)量）。大數(shù)目M可以讓基站同時地服務(wù)于更多終端，因此可以實現(xiàn)更高的頻譜容量。任何多天線MUBF會面臨由于物理傳輸信道相干時間產(chǎn)生的基本時間的限制。MUBF必須收集每個

17、終端的信道狀態(tài)信息（CSI），然后用它來計算部分相干時間內(nèi)的波束成形權(quán)重。如前所述，光纖無線融合傳輸是支撐Massive MIMO技術(shù)與云架構(gòu)大規(guī)模協(xié)作無線網(wǎng)絡(luò)的必然選擇。我們有理由相信，結(jié)合了FDM、WDM、PDM和Massive MIMO技術(shù)的光纖無線融合系統(tǒng)能同時具備靈活的擴展性、強的信道容忍度、高頻譜利用率、大帶寬等特性，十分適合5G的128根多天線應(yīng)用場景。也正是因為這些技術(shù)的引入，導致基于光纖和空間混合信道的CSI會同時受到包含光纖色度色散、偏振模色散和空間多徑效應(yīng)、頻率選擇性衰落等特性的影響，因此需要研究時變光纖信道與空間信道聯(lián)合信道估計技術(shù)勢在必行。結(jié)束語提出研究"面向5G的光纖無線融合傳輸"關(guān)鍵技術(shù)，將需要恒