CN106160989A - 无源光网络中用于容量增强的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在无源光网络中用于容量增强的方法以及装置，该方法包括以下步骤：A.缓存N个时序的基带信号的数字电信号，N表示所需缓存的基带信号序列的数量；B.将N个时序的基带信号的数字电信号依次串联后在第一数模转换单元中进行数模处理；其中，该第一数模转换单元的采样频率为处理单个基带信号序列的数字电信号的N倍。该第一数模转换单元包括窄带到宽带转化器和数字到模拟格式转换器。本发明的方案具有容量增强，性能提升，DSP成本低以及合理的PAPR的优点。

Description

无源光网络中用于容量增强的方法及装置
技术领域
本发明主要涉及光通信技术领域，具体地，涉及用于无源光网络中用于容量增强的方法及装置。
背景技术
对于4G LTE或即将到来的5G移动网络中不断增长的带宽需求，主导下一代移动网络(NGMN：Next Generation Mobile Network)的云协调无线接入网络(C-RAN：Coordinated Radio Access Network)的基本共识已在行业/市场的组织和龙头企业之间达成。因为采用CPRI的前端回传(FH：FrontHaul)业务拥塞已经成了发展5G的瓶颈，为了大力支持和促进C-RAN的实施，大容量前端回传的关键技术突破将成为技术和业务方面的强大动力。
最近，如全业务接入网(FSAN:Full Service Access Network)和国际电信联盟(ITU-T)论坛等标准化组织已经在移动前端回传(MFH:Mobile FrontHaul)问题上成立了工作组。同时，世界最大的通信公司中国移动已早在2015率先试验和计划部署C-RAN系统。日本NTT DoCoMo公司表示，它也将在2016开始计划部署C-RAN系统。C-RAN技术的亮点是能够进行集中基带数字信号处理(DSP：Digital Signal Processing)计算，高效地控制/管理在基带单元(BBU:Baseband Unit)处理，集中供冷以及购置/租赁不动产的成本。
现有技术中有两种类型的传输方法可实现CRAN的MFH：数字化光纤无线电(D-RoF：Digitized Radio over Fiber)和模拟光纤无线电(A-RoF:Analog Radio over Fiber。非归零(NRZ：non-return-to-zero)D-RoF的最典型的两个协议实现是通用公共无线接口(CPRI:Common Public Radio Interface)和开放基站标准倡议(OBSAI:OpenBase station Standard Initiative)。图1示出了基于D-RoF的光网络构架的示意图。表1列出了D-RoF的优缺点。因为基于D-RoF的MFH的传输产生的信号质量衰降可忽略不计，D-RoF在目前的4G时代比较受欢迎，然而D-RoF需要非常大的带宽资源。随着诸如大规模MIMO技术的发展和采用，MFH容量激增，D-RoF由于其对带宽的要求将使其成为次优的选择。
表1D-RoF的优缺点(在FH中的NRZ格式)
优点 易于检测，并且20公里光纤的OOK格式的FH传输具有无误码保证
缺点 由于NRZ格式的低频谱效率而导致的在前端回传的带宽巨大
第二种MFH方法是A-RoF，在先进的DSP的协助下，该方法可以在MFH操作中维持信号质量，对无线参数透明，相对于D-RoF需要更少的光传输带宽。图2A示出了采用中频复用器的光网络构架的示意图，图2B示出了具有ADC/DAC和IF复用/解复用的A-RoF方案的示意图。如图2A和图2B所示，A-RoF的主要特征为
1.在FH链路上的传输迷你的具有高频谱利用率的高阶调制信号，节约了光纤带宽。
2.数字信号处理(DSP：Digital Signal Processing)补偿了失真，并减弱了由模拟传输带来的信号损伤。
表2A-RoF的优点(高频谱利用率)
根据表2，在FH中高频谱效率的符号传输本身就节省可观的带宽。此外，和中频复用一起实现时，在FH网络中，通过同时并行传输多路无线数，A-RoF获得了进一步的整体的容量扩展。
如表1所得出的，基于D-RoF的FH方案需要非常大的带宽资源，1个10GHz的收发机在一个波长内能够支持的CPRI前端回传不超过8个通路。而基于A-RoF的FH方案，在窄带(例如，1GHz光收发机)上能支持更多的通路。然而，当支持大于15个通路(或载波)的无线数据同时传输时，在电光调制中引入的交调失真(IMD:Intermodulation Distortion)是非常具有挑战性的限制。因此，本发明所要解决的问题是如何使得峰均比(PAPR：Peak to Average PowerRatio)不随着复用数量的增加而增加并且打破通路(或载波)数量的瓶颈以在一个光收发机上支持更多的通路和提高容量。
目前有两种方案可以通过采用基于A-RoF的中频复用(IF-MUX:Intermediate Frequency Multiplexing方案在FH中促进多路无线数据的同时传输。
第一种方案依赖于频域副载波复用的方法。第二种方案则依赖于离散傅里叶变换的载波聚合方法。然而，这两种方案都存在一定的局限。其一体现在系统容量方面：第一种方案能提供共计8路载波的复用；第二种方案能提供共计6路载波的复用。其二体现在对现有基带处理的兼容性方面：第一种方案中预加重的算法和第二种方案在下行方向上的载波聚合皆无法实现对现有基带处理的兼容。其三体现在技术本身的局限以及计算复杂度：这两种方案由于采用了频率复用方法，载波交调导致了严重的信号损伤，以及随着载波数量增加后引入的功率峰均比过高导致的光线路线性能下降，另外还包括额外的预加重算法和载波聚合都对计算复杂度和功耗提出了额外的挑战。
如图2B所示，每个天线上的数据经不同的IF子载波被复用，相应地在时间域中，多个数据(波长)的叠加产生了正向叠加的振幅峰值并导致PAPR的不良增加。虽然上述第二种方案能够克服PAPR问题,然而IFFT大小将随着IF通路数目的增加而线性地增加，DSP中的存储和功耗也会随之增加。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种在无源光网络的光线路终端中用于容量增强的方法以及装置。
根据本发明的第一个方面,提供了一种在无源光网络的光线路终端中用于容量增强的方法，该方法包括以下步骤：A.缓存N个时序的基带信号的数字电信号，N表示所需缓存的基带信号序列的数量；B.将该N个时序的基带信号的数字电信号依次串联后在第一数模转换单元中进行数模处理；其中，该第一数模转换单元的采样频率为处理单个基带信号序列的数字电信号的N倍。
有利地，本发明的第一个方面的步骤B之后还包括：将经过数模处理后的模拟电信号进行电光转换并通过光纤向光网络单元传输。
有利地，该第一数模转换单元包括窄带到宽带转化器和数字到模拟格式转换器。
根据本发明的第二个方面,提供了一种在无源光网络的光网络单元中用于容量增强的方法，该方法包括以下步骤：a.将经过光电转换的模拟电信号在模数转换单元中进行模数量化处理，其中，该模数转换单元的采样频率为处理单个基带信号序列的模拟电信号的N倍；b.将经该模数量化处理后串联的数字电信号按照时序依次拆分成N个基带信号序列，N表示所需缓存的基带序列的数量；以及c.每个信号序列经由第二数模转换单元进行数模处理并上变频至射频。
有利地，本发明的第二个方面的步骤a之前还包括：接收来自光线路终端的模拟光信号并将模拟光信号进行该光电转换。
根据本发明的第三个方面,提供了一种在无源光网络的光线路终端中用于容量增强的装置，该装置包括以下单元：缓存单元，其用于缓存N个时序的基带信号的数字电信号，N表示所需缓存的基带信号序列的数量；串联单元，其用于将N个时序的基带信号的数字电信号依次串联；以及第一数模转换单元，其用于对串联后的数字电信号进行数模处理，其中，该第一数模转换单元的采样频率为处理单个基带信号序列的数字电信号的N倍。
有利地，该装置还包括：电光转换单元，其用于将经过数模处理后的模拟电信号进行电光转换并通过光纤向光网络单元传输。
有利地，该第一数模转换单元包括窄带到宽带转化器和数字到模拟格式转换器。
根据本发明的第四个方面,提供了一种在无源光网络的光网络单元中用于容量增强的装置，该装置包括以下单元：模数转换单元，其用于将经过光电转换的模拟电信号在模数转换单元中进行模数量化处理，其中，该模数转换单元的采样频率为处理单个基带信号的模拟电信号的N倍；串联拆分单元，其用于将经该模数量化处理后的串联的数字电信号依次拆分成N个时序信号；以及第二数模转换单元，其用于将每个时序信号进行数模处理。
有利地，该装置还包括：光电转换单元，其用于接收来自光线路终端的模拟光信号并将该模拟光信号进行光电转换。
本发明所公开的方案至少具有如下优点：
1.容量增强：例如本发明的实施例在一个光收发机上可以支持48通路的无线前端回传，每个通路有20MHz带宽。而当采用CPRI前端时，一个光收发机通常只支持8个通路。
2.性能提升：20公里光纤传输的48通路的每一路信号质量(例如，EVM)符合4G-LTE的64QAM的要求。
3.DSP成本低：只需要有限的DSP资源，也即，数据缓存和矩阵变化。
和D-RoF相比，本方案可以极大地提升前端容量；和基于A-RoF的IF-MUX相比，本方案可以节省DSP开销(例如，中频-射频转换)，当无线通路的数量在远程无线射频单元(RRH：Remote Radio Head)中继续增加，控制DSP的成本变得更有优势；和IF-MUX前端方案相比，本方案不存在交调失真和PAPR问题并具有更好的传输性能。
附图说明
通过下文对结合附图所示出的实施例进行详细说明，本发明的上述以及其他特征将更加明显，本发明附图中相同或相似的标号表示相同或相似的步骤。
图1示出了基于D-RoF的光网络构架的示意图；
图2A示出了采用中频复用器的光网络构架的示意图；
图2B示出了具有ADC/DAC和IF复用/解复用的A-RoF方案的示意图；
图3示出了根据本发明的一个实施例的容量增强的示意图；
图4示出了根据本发明的一个实施例的串联方案的示意图；
图5示出了IF-MUX OFDMA的PAPR性能的示意图；
图6示出了场景1的IF-MUX OFDMA和本发明串联方案的EVM性能比较的示意图；
图7示出了根据本发明的场景1的64QAM星座图的示意图；
图8示出了根据本发明的场景2的EVM性能的示意图；以及
图9示出了根据本发明的场景2的64QAM星座图的示意图。
具体实施方式
在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。需要说明的是，尽管本文中以特定顺序描述了本发明中有关方法的步骤，但是这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果，相反，本文中所描述的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
以下将结合图3详细介绍根据本发明所公开的无源光网络的光线路终端中用于容量增强的方法以及装置。
图3示出了根据本发明的一个实施例的容量增强数据波形和频谱的示意图。根据本发明的一个实施例，在无源光网络的光线路终端中用于容量增强的方法包括：
A.缓存N个时序的基带信号的数字电信号，N表示所需缓存的基带信号序列的数量，例如N＝8；
B.将来自N个时序的基带信号的数字电信号依次串联后在第一数模转换单元中进行数模处理；
其中，该第一数模转换单元的采样频率为处理单个基带信号序列的数字电信号的N倍。
例如，图3中的B处所缓存的8个时序的基带信号依次串联，并将C处的第一数模转换单元中的采用频率提高至原来采样频率的8倍。原来采样频率指的是处理单个载波的基带信号序列时的采用频率。其中，第一数模转换单元可包括窄带到宽带转化器和数字到模拟格式转换器。
然后，将经过数模处理后的模拟电信号进行电光转换并通过光纤向光网络单元传输。
在光网络单元中，首先，将经过光电转换的模拟电信号在模数转换单元中进行模数量化处理，其中，该模数转换单元的采样频率为处理单个基带信号序列的模拟电信号的N倍。
然后，将经模数量化处理后串联的数字电信号按照时序依次拆分成N个基带信号序列，N表示所需缓存的基带序列的数量，例如N＝8。
接着，每个信号序列经由第二数模转换单元进行数模处理并上变频至射频。
在模数转换之前还包括接收来自光线路终端的模拟光信号并将该模拟光信号进行光电转换。
图3中的缓存和串联功能可以以简单和低廉的价格实现，并且还在例如光线路终端中引入了相对宽带的数模转换模块。例如，在基带单元(BBU：BaseBand Unit)中需要有用于8个通路的160MHz带宽的数模转换单元和在RRH中的相应的模数转换单元。本领域技术人员应该理解的是，当有更多的基带信号序列需要串联时，分组和传输时，数模/模数转换单元的采样频率会相应地提高。
图4示出了根据本发明的一个实施例的串联方案的示意图。如图4所示，在DSP中，例如，每个长度为L的8个时序的数据首先被缓存在大小为[L,8]的二维矩阵中，然后重新调整为大小为[8L,1]的一维度矩阵。本领域技术人员应该理解的是，串联的颗粒度是可调整的，串联的颗粒度可以是例如符号或帧，相应地，缓存单元容量也需要调整。在数模转换单元中，例如8倍的系统时钟触发数模转换并输出用于光纤传输的宽带数据。当配置有带宽更宽的数模转换单元和更高的频率时钟的时候，基于本发明的前端方案可以支持更多的通路。
结合图3，根据本发明的一个实施例,提供了一种在无源光网络的光线路终端中用于容量增强的装置，该装置包括以下单元：缓存单元，其用于缓存N个时序的基带信号的数字电信号，N表示所需缓存的基带信号序列的数量；串联单元，其用于将N个时序的基带信号的数字电信号依次串联；以及第一数模转换单元，其用于对串联后的数字电信号进行数模处理，其中，该第一数模转换单元的采样频率为处理单个基带信号序列的数字电信号的N倍。该装置还可包括：电光转换单元，其用于将经过数模处理后的模拟电信号进行电光转换并通过光纤向光网络单元传输。该第一数模转换单元包括窄带到宽带转化器和数字到模拟格式转换器。
结合图3，根据本发明的另一个实施例，提供了一种在无源光网络的光网络单元中用于容量增强的装置，该装置包括以下单元：模数转换单元，其用于将经过光电转换的模拟电信号在模数转换单元中进行模数量化处理，其中，该模数转换单元的采样频率为处理单个基带信号的模拟电信号的N倍；串联拆分单元，其用于将经该模数量化处理后的串联的数字电信号依次拆分成N个时序信号；以及第二数模转换单元，其用于将每个时序信号进行数模处理。该装置还可包括：光电转换单元，其用于接收来自光线路终端的模拟光信号并将模拟光信号进行光电转换。
如在上文中所解释的，高PAPR会牺牲电光(E/O:Electrical toOptical)转换单元的调制线性度。理论上，串联方案可将PAPR维持在原有水平。图5示出了不同的信号序列数目和其相应的测量的PAPR之间的关系，对于串联方案来说，当所测试的信号序列数目范围从1到48时，PAPR的值维持基本不变。而对于IF-MUX方案来说，当所测试的信号序列数目范围从1提高到24时，引入了将近13dB的PARP增加。
图6示出了IF-MUX OFDMA和本发明的串联方案的EVM性能比较的示意图。在场景1中，信号序列数目为24，调制方式为64QAM，每路信道的数据带宽为20MHz光纤距离为20公里。对于本发明的串联方案来说，每路信道的EVM都小于8％(8％为64QAM的EVM发生要求)，并且串联方案的EVM性能明显优于IF-MUX方案。这主要由两个原因：1)在E/O单元中，低PAPR能带来更大的调制深度，因而能获得更好的信噪比和系统性能；2)不存在信道之间的交调失真。图7示出了根据本发明的场景1的64QAM星座图的示意图,从经过20km光纤传输后实测结果中可以观察到非常清晰的如图7所示的24个64QAM星座图以及对应的480MHz的频谱图。
图8示出了根据本发明的场景2的EVM性能的示意图，图9示出了根据本发明的场景2的64QAM星座图的示意图。在场景2中，信号序列数目为48，调制方式为64QAM，每路信号序列的数据带宽为20MHz光纤距离为20公里。对于本发明的串联方案来说，每路信道的EVM都小于8％(8％为64QAM的EVM发生要求)。和图7相类似地，从经过20km光纤传输后实测结果中可以观察到非常清晰的如图9所示的48个64QAM星座图以及对应的960MHz的频谱图。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (10)

1.一种在无源光网络的光线路终端中用于容量增强的方法，所述方法包括以下步骤：
A.缓存N个时序的基带信号的数字电信号，所述N表示所需缓存的基带信号序列的数量；以及
B.将所述N个时序的基带信号的数字电信号依次串联后在第一数模转换单元中进行数模处理；
其中，所述第一数模转换单元的采样频率为处理单个基带信号序列的数字电信号的N倍。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B之后还包括：
将经过数模处理后的模拟电信号进行电光转换并通过光纤向光网络单元传输。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一数模转换单元包括窄带到宽带转化器和数字到模拟格式转换器。
4.一种在无源光网络的光网络单元中用于容量增强的方法，所述方法包括以下步骤：
a.将经过光电转换的模拟电信号在模数转换单元中进行模数量化处理，其中，所述模数转换单元的采样频率为处理单个基带信号序列的模拟电信号的N倍；
b.将经所述模数量化处理后串联的数字电信号按照时序依次拆分成N个基带信号序列，所述N表示所需缓存的基带序列的数量；以及
c.每个信号序列经由第二数模转换单元进行数模处理并上变频至射频。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤a之前还包括：
接收来自光线路终端的模拟光信号并将所述模拟光信号进行所述光电转换。
6.一种在无源光网络的光线路终端中用于容量增强的装置，所述装置包括以下单元：
缓存单元，其用于缓存N个时序的基带信号的数字电信号，所述N表示所需缓存的基带信号序列的数量；
串联单元，其用于将所述N个时序的基带信号的数字电信号依次串联；以及
第一数模转换单元，其用于对串联后的数字电信号进行数模处理，其中，所述第一数模转换单元的采样频率为处理单个基带信号序列的数字电信号的N倍。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
电光转换单元，其用于将经过数模处理后的模拟电信号进行电光转换并通过光纤向光网络单元传输。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一数模转换单元包括窄带到宽带转化器和数字到模拟格式转换器。
9.一种在无源光网络的光网络单元中用于容量增强的装置，所述装置包括以下单元：
模数转换单元，其用于将经过光电转换的模拟电信号在模数转换单元中进行模数量化处理，其中，所述模数转换单元的采样频率为处理单个基带信号的模拟电信号的N倍；
串联拆分单元，其用于将经所述模数量化处理后的串联的数字电信号依次拆分成N个时序信号；以及
第二数模转换单元，其用于将每个时序信号进行数模处理。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
光电转换单元，其用于接收来自光线路终端的模拟光信号并将所述模拟光信号进行光电转换。
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