面向5G的光纖無(wú)線(xiàn)融合通信技術(shù)

1、面向5G的光纖無(wú)線(xiàn)融合通信技術(shù) 移動(dòng)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(huì)昨日下午在深圳金中環(huán)酒店舉行。會(huì)上，來(lái)自華中科技大學(xué)的張敏明博士帶來(lái)了題為“面向5G的光纖無(wú)線(xiàn)融合通信技術(shù)”的演講，闡述了光纖傳輸在面向5G的無(wú)線(xiàn)融合領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。【OFweek2013寬帶通信與物聯(lián)網(wǎng)前沿技術(shù)研討會(huì)專(zhuān)題報(bào)道】華中科技大學(xué)張敏明博士以下為演講內(nèi)容。第五代移動(dòng)通信（簡(jiǎn)稱(chēng)"5G"）是為滿(mǎn)足智能終端的普及以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的高速擴(kuò)容而正在研究開(kāi)發(fā)的新一代移動(dòng)通信技術(shù)。根據(jù)國(guó)際前沿研究，未來(lái)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(xiàn)，目前國(guó)際上正在開(kāi)展熱烈研究，也提出多種方案。現(xiàn)有已經(jīng)部署的3G和即將部署的4G，射頻信號(hào)均采用純無(wú)線(xiàn)傳輸，其重要特征即是"基站"和"天線(xiàn)"的一體化架構(gòu)。而未來(lái)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(xiàn)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(jī)房設(shè)施；二是天線(xiàn)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(jìn)一步形成能耗和成本壓力；三是大規(guī)模天線(xiàn)陣列射頻信號(hào)數(shù)字化的總傳輸容量預(yù)期將達(dá)到T比特量級(jí)，傳統(tǒng)的信號(hào)傳輸方式成本將會(huì)很高。為了解決5G傳輸存在的瓶頸問(wèn)題，因

3、此，"光纖無(wú)線(xiàn)融合傳輸"成為國(guó)際上面向5G開(kāi)展研究的關(guān)鍵熱點(diǎn)技術(shù)之一。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的豐富應(yīng)用帶動(dòng)了移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的大幅度增長(zhǎng)。據(jù)預(yù)測(cè)，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(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量將增長(zhǎng)1000倍，這就給移動(dòng)和無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。按照諾基亞-西門(mén)子網(wǎng)絡(luò)公司的預(yù)計(jì)，為了在大幅度擴(kuò)容時(shí)同時(shí)滿(mǎn)足綠色和低成本的運(yùn)營(yíng)要求，5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率和能量效率都需要在4G標(biāo)準(zhǔn)上提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。首先，在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層面，基于云架構(gòu)大規(guī)模協(xié)作的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)是實(shí)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(wú)線(xiàn)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(jī)房的基帶處理單元（BBU）和室外的遠(yuǎn)端射頻頭（RRH）。其通過(guò)1) BBU"云"化方式極大減少基站機(jī)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(xiàn)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(dòng)態(tài)資源協(xié)同調(diào)度避免負(fù)載時(shí)段潮汐效應(yīng)造成的大量發(fā)射功率浪費(fèi)； 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(wú)線(xiàn)電技術(shù)靈活支持多標(biāo)準(zhǔn)降低運(yùn)營(yíng)成本。其次，在無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)層面，大規(guī)模陣列天線(xiàn)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(shì)，可能成為未來(lái)5G通信中具有革命性的技術(shù)之一。多天線(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)采用了基于多天線(xiàn)的MIMO傳輸技術(shù)，利用無(wú)線(xiàn)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(hù)MIMO（MU-MIMO）不可能滿(mǎn)足頻譜效率和能量效率的數(shù)量級(jí)提升需求。2010年貝爾實(shí)驗(yàn)室研究人員提出了大規(guī)模陣列天線(xiàn)MIMO技術(shù)，通過(guò)在基站使用大數(shù)量的天線(xiàn)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(wèn)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(xiàn)MIMO技術(shù)是 MIMO 技術(shù)的擴(kuò)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(xiàn)陣列（從幾十至幾千），利用空分多址（SDMA）原理，同時(shí)服務(wù)多個(gè)用戶(hù)。理論上，無(wú)論是在視距環(huán)境的強(qiáng)相關(guān)信道，還是富散射下的非相關(guān)信道，任意兩個(gè)用戶(hù)的信道之間的相關(guān)系數(shù)隨著天線(xiàn)數(shù)目的增加成指數(shù)形式衰減，比如當(dāng)基站側(cè)配置有100根天線(xiàn)時(shí)，任意兩個(gè)用戶(hù)的信道之間相關(guān)系數(shù)趨近于0，也即是說(shuō)多用戶(hù)對(duì)應(yīng)信道之間接近正交。由于大規(guī)模天線(xiàn)陣列帶來(lái)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(hù)的頻譜效率得到了極大的提升。此外，在基站側(cè)的天線(xiàn)陣可以增加無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)墓β市剩?/p>

7、從信息論角度看，當(dāng)天線(xiàn)數(shù)趨于無(wú)窮時(shí)，對(duì)單用戶(hù)發(fā)射功率可以任意小。由于發(fā)射端天線(xiàn)數(shù)通常遠(yuǎn)大于用戶(hù)天線(xiàn)數(shù)，其充裕的天線(xiàn)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(xiàn)MIMO技術(shù)相對(duì)常規(guī)MIMO技術(shù)，天線(xiàn)數(shù)將增加12個(gè)數(shù)量級(jí)，在陣列結(jié)構(gòu)、信道估計(jì)、預(yù)編碼、檢測(cè)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)上帶來(lái)的"量變"：結(jié)構(gòu)和算法的復(fù)雜度呈數(shù)量級(jí)提高。同時(shí)，目前關(guān)于大規(guī)模陣列天線(xiàn)MIMO的研究都忽略了它在云架構(gòu)無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)層面可能帶來(lái)的"質(zhì)變"。假設(shè)陣列天線(xiàn)由128根天線(xiàn)組成，信號(hào)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(fù)合速率將

8、高達(dá)786Gbps！如果不對(duì)常規(guī)的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)進(jìn)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(xiàng)革命性的技術(shù)喪失實(shí)際應(yīng)用的可能性。提出利用新型的低成本光纖無(wú)線(xiàn)融合傳輸技術(shù)革新常規(guī)的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，把遠(yuǎn)端ADC/DAC等數(shù)字化單元?jiǎng)冸x并上移到基帶池云機(jī)房，通過(guò)光纖中多域混合復(fù)用技術(shù)，如頻分復(fù)用、波分復(fù)用和偏振復(fù)用等，用光信號(hào)"直接"傳輸未經(jīng)數(shù)字化的天線(xiàn)待發(fā)射或接收到的幾十甚至幾百路模擬無(wú)線(xiàn)信號(hào)。實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列天線(xiàn)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)低成本光纖無(wú)線(xiàn)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?hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、調(diào)制后根據(jù)光纖無(wú)線(xiàn)融合傳輸信道狀態(tài)信息進(jìn)行預(yù)編碼（波束成形）；經(jīng)預(yù)失真處理補(bǔ)償上下行傳輸鏈路非互易性造成的信號(hào)畸變，送入DAC獲得射頻信號(hào)；對(duì)這些射頻信號(hào)分組副載波調(diào)制后加載到光發(fā)射機(jī)陣列輸出多波長(zhǎng)光載射頻信號(hào)；再利用光偏振合束技術(shù)進(jìn)行光域偏振復(fù)用（可配置選擇），經(jīng)波分復(fù)用器輸入單模光纖傳輸至遠(yuǎn)端大規(guī)模陣列天線(xiàn)；天線(xiàn)側(cè)經(jīng)單模光纖輸入的光信號(hào)分別經(jīng)過(guò)波分復(fù)用器和光偏振分束后由光探測(cè)器陣列轉(zhuǎn)換為多路射頻信號(hào)，(6) 然后被與中心側(cè)對(duì)稱(chēng)的副載波解調(diào)模塊解調(diào)，并經(jīng)濾波放大后饋入天線(xiàn)發(fā)射。在上行方向，基本上是上述過(guò)程的逆過(guò)程。其中數(shù)字域信道校準(zhǔn)模塊用于系

10、統(tǒng)對(duì)上下行傳輸信道非互易性進(jìn)行自校準(zhǔn)，以獲得相應(yīng)的特征參數(shù)供發(fā)射機(jī)預(yù)失真使用。基于光纖無(wú)線(xiàn)融合傳輸?shù)募惺交鶐С丶夹g(shù)目前，市場(chǎng)上已經(jīng)有很多基于RRH和BBU構(gòu)架的分布式基站。一些廠(chǎng)家的設(shè)備實(shí)現(xiàn)了BBU內(nèi)載波處理資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度以適應(yīng)潮汐效應(yīng)。這樣構(gòu)架實(shí)現(xiàn)了初步的集中式基帶池的思想，但是一般來(lái)說(shuō)，單個(gè)BBU所支持的處理能力有限，一般只能支持10個(gè)左右宏站的載波處理；另外，不能實(shí)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(dāng)前的RRH加BBU的分布式基站的一個(gè)特點(diǎn)是，RRH是固定連接在某個(gè)BBU的處理板的。RRH只能將基帶信號(hào)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(gè)BBU難以獲取其它BBU所屬RRH的上行基帶信號(hào)數(shù)據(jù)；同樣，任意一個(gè)BBU也難以向其它BBU所屬的RRH發(fā)送下行基帶信號(hào)數(shù)據(jù)。由于每個(gè)BBU所連接的RRH基帶信號(hào)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(bǔ)充、互相利用：即閑置的BBU處理能力并不能用來(lái)處理其它負(fù)載重的BBU上的基帶信號(hào)數(shù)據(jù)。因此，集中化基帶池需要解決的問(wèn)題是：提供一個(gè)高容量、低延遲的交換矩陣以及相關(guān)協(xié)議支持多個(gè)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(jí)計(jì)算機(jī)。然而

12、，其成本高達(dá)2萬(wàn)元每端口，難以滿(mǎn)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(gè)BBU，將它們構(gòu)成一個(gè)集中式的基帶池。載波基帶信號(hào)可以通過(guò)這個(gè)分布式的光纖網(wǎng)絡(luò)交換到集中式基帶池中任意一個(gè)BBU來(lái)進(jìn)行信號(hào)處理。由此，集中式基帶池可以有效地實(shí)現(xiàn)載波負(fù)載均衡，避免部分BBU過(guò)載以及部分BBU較空閑的現(xiàn)象發(fā)生。這可以實(shí)現(xiàn)更大范圍的載波負(fù)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(hào)處理算法，從而增加無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的性能增益。面向大規(guī)模協(xié)作陣列天線(xiàn)的多域復(fù)用光載射頻傳輸技術(shù)Massive MIMO天線(xiàn)數(shù)可能達(dá)到數(shù)十甚至數(shù)百根，如

13、果采用空分復(fù)用傳輸，即采用與天線(xiàn)數(shù)相同芯數(shù)光纜直接連接，每根天線(xiàn)獨(dú)占一芯光纖。其成本和資源代價(jià)顯然過(guò)高，無(wú)規(guī)?；瘧?yīng)用價(jià)值。如果僅采用波分復(fù)用傳輸，即單光纖中利用與天線(xiàn)數(shù)相等的百量級(jí)波長(zhǎng)數(shù)復(fù)用技術(shù)，以邏輯上點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式并行承載百量級(jí)路數(shù)射頻信號(hào)。同樣的，由于波長(zhǎng)信道數(shù)太多，需要的光電子器件數(shù)量過(guò)多，系統(tǒng)成本和能耗過(guò)高，也不適合規(guī)模化應(yīng)用。提出基于頻分復(fù)用、波分復(fù)用和偏振復(fù)用的可配置光載射頻技術(shù)，采用電域多頻帶復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)射頻信號(hào)分組聚合，再利用高線(xiàn)性寬頻帶光電組件調(diào)制到光波上，同時(shí)引入光偏振復(fù)用技術(shù)進(jìn)一步把需要的光波長(zhǎng)信道數(shù)降低一半。三種復(fù)用技術(shù)在頻域、波長(zhǎng)域和偏振域的復(fù)用都可靈活配置，以滿(mǎn)足

14、不同規(guī)模陣列天線(xiàn)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(lèi)似。圖2. 下行方向多域混合復(fù)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(xiàn)射頻信號(hào)利用M個(gè)N路（N可取4或8）射頻合路器分成M個(gè)射頻信號(hào)組，每個(gè)組包含N路信號(hào)。然后利用本地N個(gè)中心頻率分別為 的較低頻率本振和上變頻器，把各路信號(hào)的中心頻點(diǎn)分別搬移到 ，形成電頻域多頻帶復(fù)用射頻信號(hào)，再用N個(gè)電光調(diào)制器調(diào)制多波長(zhǎng)光源，經(jīng)波分復(fù)用器輸入到單根單模光纖進(jìn)行傳輸。多波長(zhǎng)光源的數(shù)量在不使用偏振復(fù)用時(shí)為M。在波長(zhǎng)資源受限的場(chǎng)合（如天線(xiàn)數(shù)量過(guò)多，M數(shù)值太大），可以加入光偏振復(fù)用技術(shù)，即用偏振控制器和分路器把單波長(zhǎng)光信號(hào)分成偏振正

15、交的兩路光信號(hào)，再分別加載一路多頻帶復(fù)用射頻信號(hào)，此時(shí)波長(zhǎng)信道數(shù)將減半為M/2。在接收端：?jiǎn)文９饫w輸入的多波長(zhǎng)光信號(hào)經(jīng)波分復(fù)用器分離以及光探測(cè)器光電變換后，恢復(fù)出M組多頻帶復(fù)用射頻信號(hào)。針對(duì)上述各組信號(hào)，由同樣頻率的N個(gè)本振下變頻恢復(fù)出對(duì)應(yīng)的N路天線(xiàn)射頻信號(hào)，經(jīng)濾波和放大后饋入天線(xiàn)發(fā)射。如果發(fā)射端采用了光偏振復(fù)用技術(shù)，則在波分復(fù)用器輸出端會(huì)接入一個(gè)由自適應(yīng)偏振解復(fù)用單元，把兩路偏振正交但瞬時(shí)偏正呈隨機(jī)狀態(tài)的光信號(hào)穩(wěn)定的分離開(kāi)。假設(shè)陣列天線(xiàn)數(shù)為128根，無(wú)線(xiàn)載波頻率為3.5GHz，信號(hào)帶寬200MHz，信道保護(hù)間隔10MHz，單波長(zhǎng)采用8信道多音調(diào)制，則單光纖中需要16個(gè)波長(zhǎng)信道，激光器調(diào)制帶寬

16、和探測(cè)器的響應(yīng)帶寬約5.1GHz，現(xiàn)有的線(xiàn)性光電子器件可以很好地滿(mǎn)足上述技術(shù)規(guī)格需求，非常適合規(guī)模化應(yīng)用。如果加入偏振復(fù)用技術(shù)，所需波長(zhǎng)數(shù)可以減少一半，可以進(jìn)一步地降低RRH結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。大規(guī)模協(xié)作配置下時(shí)變光纖信道與空間信道聯(lián)合信道估計(jì)技術(shù)在信息理論中，Massive MIMO下多天線(xiàn)的多用戶(hù)波束成形（MUBF）能夠通過(guò)空分復(fù)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(xiàn)數(shù)量）。大數(shù)目M可以讓基站同時(shí)地服務(wù)于更多終端，因此可以實(shí)現(xiàn)更高的頻譜容量。任何多天線(xiàn)MUBF會(huì)面臨由于物理傳輸信道相干時(shí)間產(chǎn)生的基本時(shí)間的限制。MUBF必須收集每個(gè)

17、終端的信道狀態(tài)信息（CSI），然后用它來(lái)計(jì)算部分相干時(shí)間內(nèi)的波束成形權(quán)重。如前所述，光纖無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)融合系統(tǒng)能同時(shí)具備靈活的擴(kuò)展性、強(qiáng)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(xiàn)應(yīng)用場(chǎng)景。也正是因?yàn)檫@些技術(shù)的引入，導(dǎo)致基于光纖和空間混合信道的CSI會(huì)同時(shí)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(shí)變光纖信道與空間信道聯(lián)合信道估計(jì)技術(shù)勢(shì)在必行。結(jié)束語(yǔ)提出研究"面向5G的光纖無(wú)線(xiàn)融合傳輸"關(guān)鍵技術(shù)，將需要恒