面向5G的光纤无线融合通信技术.docx

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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，目前国际上正在开展热烈研究，也提出多种方案。

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（MassiveMIMO）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）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MIMO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1~2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。

图1.系统结构示意图

　　在下行方向，位于中心单元的基带处理单元在数字域对用户数据进行编码、调制后根据光纤无线融合传输信道状态信息进行预编码（波束成形）；经预失真处理补偿上下行传输链路非互易性造成的信号畸变，送入DAC获得射频信号；对这些射频信号分组副载波调制后加载到光发射机阵列输出多波长光载射频信号；再利用光偏振合束技术进行光域偏振复用（可配置选择），经波分复用器输入单模光纤传输至远端大规模阵列天线；天线侧经单模光纤输入的光信号分别经过波分复用器和光偏振分束后由光探测器阵列转换为多路射频信号，（6）然后被与中心侧对称的副载波解调模块解调，并经滤波放大后馈入天线发射。

　　在上行方向，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系统对上下行传输信道非互易性进行自校准，以获得相应的特征参数供发射机预失真使用。

　　基于光纤无线融合传输的集中式基带池技术

　　目前，市场上已经有很多基于RRH和BBU构架的分布式基站。

一些厂家的设备实现了BBU内载波处理资源的动态调度以适应潮汐效应。

这样构架实现了初步的集中式基带池的思想，但是一般来说，单个BBU所支持的处理能力有限，一般只能支持10个左右宏站的载波处理；另外，不能实现跨BBU间的载波处理资源调度，很难根本解决更大覆盖区域内的潮汐效应。

当前的RRH加BBU的分布式基站的一个特点是，RRH是固定连接在某个BBU的处理板的。

RRH只能将基带信号数据和O&M信令数据传输到其唯一归属的BBU中。

这就使得任意一个BBU难以获取其它BBU所属RRH的上行基带信号数据；同样，任意一个BBU也难以向其它BBU所属的RRH发送下行基带信号数据。

由于每个BBU所连接的RRH基带信号数据源受到限制，不同BBU之间的基带处理资源也难以彼此补充、互相利用：

即闲置的BBU处理能力并不能用来处理其它负载重的BBU上的基带信号数据。

因此，集中化基带池需要解决的问题是：

提供一个高容量、低延迟的交换矩阵以及相关协议支持多个BBU之间的高速、低延迟、低成本的互联互通。

　　InfiniteBand技术可以提供极大的交换带宽（20Gbps-40Gpbs/port）和极低的交换延迟，并广泛应用于超级计算机。

然而，其成本高达2万元每端口，难以满足低成本的要求。

提出可借鉴数据中心网络的分布式交叉互联的思想，拟采用分布式的光纤网络连接多个BBU，将它们构成一个集中式的基带池。

载波基带信号可以通过这个分布式的光纤网络交换到集中式基带池中任意一个BBU来进行信号处理。

由此，集中式基带池可以有效地实现载波负载均衡，避免部分BBU过载以及部分BBU较空闲的现象发生。

这可以实现更大范围的载波负载均衡，提高设备利用率，降低能耗，并可以更方便地部署协作式MIMO以及干扰消除等信号处理算法，从而增加无线系统的性能增益。

　　面向大规模协作阵列天线的多域复用光载射频传输技术

　　MassiveMIMO天线数可能达到数十甚至数百根，如果采用空分复用传输，即采用与天线数相同芯数光缆直接连接，每根天线独占一芯光纤。

其成本和资源代价显然过高，无规模化应用价值。

如果仅采用波分复用传输，即单光纤中利用与天线数相等的百量级波长数复用技术，以逻辑上点对点方式并行承载百量级路数射频信号。

同样的，由于波长信道数太多，需要的光电子器件数量过多，系统成本和能耗过高，也不适合规模化应用。

　　提出基于频分复用、波分复用和偏振复用的可配置光载射频技术，采用电域多频带复用技术实现天线射频信号分组聚合，再利用高线性宽频带光电组件调制到光波上，同时引入光偏振复用技术进一步把需要的光波长信道数降低一半。

三种复用技术在频域、波长域和偏振域的复用都可灵活配置，以满足不同规模阵列天线的传输需要。

图2是下行方向原理结构图，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，恢复出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个本振下变频恢复出对应的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，MassiveMIMO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MassiveMIMO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MassiveMIMO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