1、面向5G的光纖無線融合通信技術移動通信網9月6日消息，2013年寬帶通信與物聯網前沿技術研討會昨日下午在深圳金中環酒店舉行。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”的演講，闡述了光纖傳輸在面向5G的無線融合領域應用的關鍵技術。【OFweek2013寬帶通信與物聯網前沿技術研討會專題報道】華中科技大學張敏明博士以下為演講內容。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網的高速擴容而正在研究開發的新一代移動通信技術。根據國際前沿研究，未來的5G網絡建設應該體現"大容量、低能耗、低成本"三大技術要求，

2、采用何種體制以及何種技術路線，目前國際上正在開展熱烈研究，也提出多種方案?，F有已經部署的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。而未來的5G網絡，與現有的3G和4G具有極大的不同，一是天線數目從4根可能增大至128根，致使基站的處理能力要求倍增，能耗也相應增大，可能需要機房設施；二是天線覆蓋范圍由數公里縮小至數百米，這就要求基站數目大幅度增加，進一步形成能耗和成本壓力；三是大規模天線陣列射頻信號數字化的總傳輸容量預期將達到T比特量級，傳統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，因此

3、，"光纖無線融合傳輸"成為國際上面向5G開展研究的關鍵熱點技術之一。隨著移動通信技術的發展，基于移動通信網絡的豐富應用帶動了移動數據業務的大幅度增長。據預測，隨著智能終端的普及以及互聯網業務的飛速發展，到2020年，移動數據業務流量將增長1000倍，這就給移動和無線接入網絡帶來了巨大的挑戰。按照諾基亞-西門子網絡公司的預計，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無線網絡的頻譜效率和能量效率都需要在4G標準上提高一個數量級。首先，在無線網絡架構層面，基于云架構大規模協作的無線網絡是實現大容量、綠色和低成本5G網絡的最佳選擇。云架構無線接入網原理結構如圖1-1所

4、示，利用光纖分配網絡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量，減少配套設備特別是空調的能耗（目前約占總能耗33%）；2) 減小小區覆蓋以及大規模天線協作大幅提高射頻功率效率（目前約占總能耗30%）；3) 網絡動態資源協同調度避免負載時段潮汐效應造成的大量發射功率浪費； 4) 集中化大規模協作變小區間干擾為增益，大幅度提高頻譜效率；5) 軟件定義無線電技術靈活支持多標準降低運營成本。其次，在無線傳輸技術層面，大規模陣列天線多輸入多輸出（Massive MIMO）技術以其在頻譜效率、能量效率、魯棒性及可靠

5、性方面巨大的潛在優勢，可能成為未來5G通信中具有革命性的技術之一。多天線多輸入多輸出（MIMO）技術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，已經成為4G通信系統的關鍵技術之一。目前的IMT-Advanced（4G）標準采用了基于多天線的MIMO傳輸技術，利用無線信道的空間信息大幅提高頻譜效率。但是現有4G蜂窩網絡的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量級提升需求。2010年貝爾實驗室研究人員提出了大規模陣列天線MIMO技術，通過在基站使用大數量的天線和相應的波束成型技術，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，從而大

6、幅提升通信系統的頻譜和功率效率。大規模陣列天線MIMO技術是 MIMO 技術的擴展和延伸，其基本特征就是在基站側配置大規模的天線陣列（從幾十至幾千），利用空分多址（SDMA）原理，同時服務多個用戶。理論上，無論是在視距環境的強相關信道，還是富散射下的非相關信道，任意兩個用戶的信道之間的相關系數隨著天線數目的增加成指數形式衰減，比如當基站側配置有100根天線時，任意兩個用戶的信道之間相關系數趨近于0，也即是說多用戶對應信道之間接近正交。由于大規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，在基站側的天線陣可以增加無線傳輸的功率效率，從

7、信息論角度看，當天線數趨于無窮時，對單用戶發射功率可以任意小。由于發射端天線數通常遠大于用戶天線數，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。大規模陣列天線MIMO技術相對常規MIMO技術，天線數將增加12個數量級，在陣列結構、信道估計、預編碼、檢測等技術實現上帶來的"量變"：結構和算法的復雜度呈數量級提高。同時，目前關于大規模陣列天線MIMO的研究都忽略了它在云架構無線接入網的無線傳輸技術層面可能帶來的"質變"。假設陣列天線由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字復合速率將高

8、達786Gbps！如果不對常規的無線傳輸技術進行變革，即便采用寬帶光纖網絡基礎設施，巨額的光電器件和模塊成本將使得這項革命性的技術喪失實際應用的可能性。提出利用新型的低成本光纖無線融合傳輸技術革新常規的無線傳輸技術，把遠端ADC/DAC等數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，如頻分復用、波分復用和偏振復用等，用光信號"直接"傳輸未經數字化的天線待發射或接收到的幾十甚至幾百路模擬無線信號。實現大規模陣列天線MIMO技術與大規模協作的云架構完美結合的5G無線網絡。系統結構低成本光纖無線融合傳輸系統結構如圖1所示。圖1. 系統結構示意圖在下行方向，位于中

9、心單元的基帶處理單元在數字域對用戶數據進行編碼、調制后根據光纖無線融合傳輸信道狀態信息進行預編碼（波束成形）；經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制后加載到光發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進行光域偏振復用（可配置選擇），經波分復用器輸入單模光纖傳輸至遠端大規模陣列天線；天線側經單模光纖輸入的光信號分別經過波分復用器和光偏振分束后由光探測器陣列轉換為多路射頻信號，(6) 然后被與中心側對稱的副載波解調模塊解調，并經濾波放大后饋入天線發射。在上行方向，基本上是上述過程的逆過程。其中數字域信道校準模塊用于系統

10、對上下行傳輸信道非互易性進行自校準，以獲得相應的特征參數供發射機預失真使用。基于光纖無線融合傳輸的集中式基帶池技術目前，市場上已經有很多基于RRH和BBU構架的分布式基站。一些廠家的設備實現了BBU內載波處理資源的動態調度以適應潮汐效應。這樣構架實現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，不能實現跨BBU間的載波處理資源調度，很難根本解決更大覆蓋區域內的潮汐效應。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只能將基帶信號數據和O&M信令數據傳輸到其唯一歸屬的BB

11、U中。這就使得任意一個BBU難以獲取其它BBU所屬RRH的上行基帶信號數據；同樣，任意一個BBU也難以向其它BBU所屬的RRH發送下行基帶信號數據。由于每個BBU所連接的RRH基帶信號數據源受到限制，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上的基帶信號數據。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協議支持多個BBU之間的高速、低延遲、低成本的互聯互通。Infinite Band 技術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。提出可借鑒數據中心網絡的分布式交叉互聯的思想，擬采用分布式的光纖網絡連接多個BBU，將它們構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絡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載波負載均衡，避免部分BBU過載以及部分BBU較空閑的現象發生。這可以實現更大范圍的載波負載均衡，提高設備利用率，降低能耗，并可以更方便地部署協作式MIMO以及干擾消除等信號處理算法，從而增加無線系統的性能增益。面向大規模協作陣列天線的多域復用光載射頻傳輸技術Massive MIMO天線數可能達到數十甚至數百根，如果

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

14、同規模陣列天線的傳輸需要。圖2是下行方向原理結構圖，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構圖在發送端：經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個電光調制器調制多波長光源，經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（如天線數量過多，M數值太大），可以加入光偏振復用技術，即用偏振控制器和分路器把單波長光信號分成偏振正交

15、的兩路光信號，再分別加載一路多頻帶復用射頻信號，此時波長信道數將減半為M/2。在接收端：單模光纖輸入的多波長光信號經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的N路天線射頻信號，經濾波和放大后饋入天線發射。如果發射端采用了光偏振復用技術，則在波分復用器輸出端會接入一個由自適應偏振解復用單元，把兩路偏振正交但瞬時偏正呈隨機狀態的光信號穩定的分離開。假設陣列天線數為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信道多音調制，則單光纖中需要16個波長信道，激光器調制帶寬和

16、探測器的響應帶寬約5.1GHz，現有的線性光電子器件可以很好地滿足上述技術規格需求，非常適合規?；瘧?。如果加入偏振復用技術，所需波長數可以減少一半，可以進一步地降低RRH結構復雜度。大規模協作配置下時變光纖信道與空間信道聯合信道估計技術在信息理論中，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分別代表基站側和終端側天線數量）。大數目M可以讓基站同時地服務于更多終端，因此可以實現更高的頻譜容量。任何多天線MUBF會面臨由于物理傳輸信道相干時間產生的基本時間的限制。MUBF必須收集每個終

17、端的信道狀態信息（CSI），然后用它來計算部分相干時間內的波束成形權重。如前所述，光纖無線融合傳輸是支撐Massive MIMO技術與云架構大規模協作無線網絡的必然選擇。我們有理由相信，結合了FDM、WDM、PDM和Massive MIMO技術的光纖無線融合系統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根多天線應用場景。也正是因為這些技術的引入，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、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合信道估計技術勢在必行。結束語提出研究"面向5G的光纖無線融合傳輸"關鍵技術，將需要恒