CN106302291A - 基于滤波的正交频分复用技术的前传光网络下行传输系统 - Google Patents

基于滤波的正交频分复用技术的前传光网络下行传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于滤波的正交频分复用技术的前传光网络下行传输系统，包括：基带处理单元、馈线式光纤，远端节点、若干分布式光纤和若干远端天线单元，其中在基带处理单元将用户信息使用基于滤波器的正交频分复用信号利用光模块通过馈线式光纤传输到远端节点，远端节点将来自基带处理单元的光信号通过分布式光纤传输到远端天线发射。本发明利用基于滤波器的正交频分复用技术使下行链路有较好的对抗符号间干扰和子载波间干扰的能力，可实现下行数据信号无缝汇聚，提高系统频谱效率。

Description

基于滤波的正交频分复用技术的前传光网络下行传输系统
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，具体地，涉及一种基于滤波的正交频分复用技术的前传光网络下行传输系统。
背景技术
近年来，第四代移动通信技术(4G)网络的迅速普及以及第五代移动通信技术(5G)网络的快速发展，网络节点的部署密度和所需容量日趋增加。集中化无线接入网(RAN,Radio access network)由于其便捷的资源管理、低能耗、低成本及易于操作等优势逐渐受到业界关注，即通过基带处理单元(Baseband Processing Unit,BBU)及远端射频单元(Radio remote unit,RRU)的分离，使系统运行效率大大提升。BBU和RRU之间的传输链路称为无线前传光传输系统，目前该传输系统的传输协议以通用公共无线电接口(CommonPublic Radio Interface,CPRI)为主，而CPRI是一种基于数字信号传输方式的接口协议，虽然CPRI对无线信号传输方式进行了严格的规定，但随着信号速率的增加，其较低的速率标准日益无法满足未来无线站点所需容量。
模拟前传网络(Analog Fronthaul)相比于上文中所提的数字前传网络(DigitalFronthaul)可以有效提高传输效率，典型地，20Mhz带宽的射频信号需要2.5Gb/s IQ数字采样信号来传输。另外，鉴于速率增加带来的光电器件的成本、调度算法的复杂性的增加，目前传统的基于OOK调制的前传光网络下行系统仍面临色散容限低、频谱效率低、灵活性差等比较严重的问题，因此需要一种适用于下一代前传光网络下行传输系统的新型调制码型。
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiple，OFDM)技术为目前4G标准的空口调制技术，在光通信中因其抗色散性能好、易于进行信道估计，可实现灵活的频谱资源管理等优点，被行业内普遍认为是下一代光网络很有潜力的调制和复用技术，将其与前传光网络结合将会有很好的应用前景。然而，OFDM在光系统的应用中仍面临着一些挑战，OFDM的时域矩形窗成型函数对应频域的sinc函数，它具有很高的边模效应，会导致带内功率泄漏，造成严重的子载波间干扰(ICI)，因而将会对前传光网络下行系统的时域/频域同步性提出非常严格的要求，为了避免子带信号间干扰则需加入一定的保护间隔，使频谱效率下降，而且提升了系统的接收成本与复杂度。
基于滤波器的正交频分复用调制技术利用滤波器技术对OFDM的信号按需求划分子带进行滤波处理，可以将OFDM符号低于20dB的边模抑制比提升至超过40dB。基于滤波器的正交频分复用调制技术在保留传统的OFDM抗色散性能好、速率高、带宽灵活分配的基础上，可以有效减少ISI和ICI对传输系统的干扰，提升系统的接收性能；在此基础上，由于基于滤波器的正交频分复用调制技术利用FIR滤波器降低了信号的带外功率泄漏，因此相比OFDM调制技术，它可以实现在相同的传输速率下获得更高的频谱效率。
与此同时，经对现有文献检索发现，当前有关基于光纤接入网的无线前传系统主要从数字和模拟两个方面展开，并采用各种不同技术提升系统的容量和传输速率。比如，Xiang Liu,Huaiyu Zeng等人在2015年亚太光通信会议上(Asia Communications andPhotonics Conference,ACP)发表了《Bandwidth-Efficient Mobile FronthaulTransmission for Future 5G Wireless Networks》论文，提出采用模拟副载波调制技术，通过信号调制在不同的副载波上来获取传输数据的汇聚，从而实现无线接入速率的增加。然而，该系统中为了实现副载波调制，且有效克服OFDM边模抑制比较高问题，在不同副载波之间需要添加一定的保护间隔，一定程度降低了系统的频谱效率，不能较好的满足未来5G发展的需要。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于滤波的正交频分复用技术的前传光网络下行传输系统。
根据本发明提供的基于滤波的正交频分复用技术的前传光网络下行传输系统，包括：BBU池、馈线式光纤、远端节点、分布式光纤、若干个远端天线单元，所述BBU池的输出端通过馈线式光纤连接至远端节点，所述远端节点的输出信号通过分布式光纤分发至若干个远端天线单元。
优选地，所述BBU池包括：N个BBU单元和第二波分复用器，N个BBU单元的数据输出端连接至第二波分复用器的输入端，第二波分复用器的输出端连接光放大器的输入端，光放大器的输出端连接至馈线式光纤。
优选地，所述BBU单元用于产生下行的基于滤波器的正交频分复用信号的基带信号，具体地，所述BBU单元包括：下行数据信号生成模块、基于滤波器的正交频分复用调制模块、N个光信号调制模块以及第一波分复用器，其中：
所述下行数据信号生成模块生成的下行数据信号依次经过基于滤波器的正交频分复用调制模块、光信号调制模块后到达第一波分复用器，由所述第一波分复用器分发包含下行数据的下行光F-OFDM信号。
优选地，所述基于滤波器的正交频分复用调制模块用于生成电域内的基于滤波器的正交频分复用信号，该电域内的基于滤波器的正交频分复用信号即F-OFDM信号，能够作为下行调制信号驱动光调制模块。
优选地，所述光信号调制模块用于将所述基于滤波器的正交频分复用调制模块产生的F-OFDM信号调制在光上，输出包含下行数据的下行光F-OFDM信号。
优选地，所述远端天线单元用于接收下行光F-OFDM信号，并通过天线分发到终端用户；所述远端天线单元包括：光滤波器、光电探测器、射频放大器、上变频器以及天线；具体地，通过分布式光纤发送的信号依次经光滤波器、光电探测器、上变频器、射频放大器后传输至天线，由天线实现下行数据的发送。
优选地，所述远端节点由光分路/合路器构成，采用1:N光分路/合路器，N为前传光网络中的远端天线的数量，N取值包括：64、128、256、512或者1024；其中，所述光分路/合路器包括：splitter或者波分复用器件。
优选地，BBU单元中的滤波器包括：FIR滤波器、升余弦滤波器、高斯滤波器中的任一种。
优选地，所述光信号调制模块采用强度调制方式，或者直接调制方式。
优选地，光分布式光纤和馈线式光纤的长度包括：10km、20km或者50km。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明改造了现有的前传光网络下行的调制技术，以正交频分复用技术抗色散能力强、易于进行信道估计等特点为基础，首次提出利用基于滤波器的正交频分复用技术提升接入网的下行接入能力，以实现更高的下行速率和频谱效率。与基于正交频分复用的前传光网络相比，本发明将信号功率谱的边模抑制比提升30dB以上，降低了下行各个子带信号之间的干扰，使得光前传光网络下行传输系统对对抗符号间干扰(ISI)和子载波间干扰(ICI)拥有更好的性能，提升了系统的性能。同时，由于减少了循环前缀(CP)的加入，本发明可以支持更高的传输速率，满足目前对前传光网络对更高速率和带大带宽的需求。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明基于滤波器的正交频分复用的前传光网络下行传输系统的结构示意图。
图2为详细的基于滤波器的正交频分复用调制发送和接收的原理框图。
图3为正交频分复用调制信号符号和基于滤波器的正交频分复用调制信号符号的功率密度谱。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的基于滤波的正交频分复用技术的前传光网络下行传输系统，包括：基带数据处理单元池、馈线式光纤、远端节点、若干分布式光纤和若干远端天线单元，其中在基带处理单元池中将用户信息用基于滤波器的正交频分复用调制，然后调制信号利用光模块送入馈线式光纤传输到远端节点，远端节点将来自基带处理单元池的光信号通过分布式光纤传输到远端天线发射。本发明利用基于滤波器的正交频分复用技术使下行链路具有较好的对抗符号间干扰和子载波间干扰的能力，下行系统可以在传输速率相同的情况下拥有更高的频谱效率，并且降低了下行各个子带信号间的干扰。
如图1所示，本发明提供的系统包括：基带处理单元池、基带处理单元、馈线式光纤、远端节点、若干分布式光纤以及若干远端天线单元，其中：基带处理单元池主要由下行数据产生模块、基于滤波器的多载波调制模块、光调制模块组成，基带处理单元将调制信号通过馈线式光纤送入远端节点，然后远端节点将基带处理单元的信号分开送入分布式光纤的进行传输，分布式光纤的另一端与远端天线单元相连，远端天线单元-1、远端天线单元-2…远端天线单元-N(N可取值为64、128、256、512或1024)，其中N由远端天线单元数决定，远端天线单元包括光电检测器、射频放大器、变频器和天线。
基带处理单元主要由下行数据产生模块、基于滤波器的正交频分复用调制模块、光调制模块组成，采用基于滤波器的正交频分复用调制方法，具体地，下行数据产生模块用于控制汇聚到基带处理单元的用户数据的产生与管理。基于滤波器的正交频分复用调制模块对下行数据产生模块产生的数据进行调制。在基于滤波器的正交频分复用调制的发射端，经过串并转换，将经过基带处理单元中下行数据产生模块后的用户数据经过M阶调制(M＝4、16、64，遵守LTE-A标准)的映射，经过正交频分复用调制和滤波器处理后得到滤波后的信号，具体的步骤取决于具体的调制方法。此处，基于滤波器的正交频分复用调制中子载波数、滤波器的参数等均可调节，具体地要根据用户数、用户的带宽需求、用户的数据流统计特性等灵活分配，以最大程度提升基于滤波器的正交频分复用调制光接入网的性能。调制端产生电域内的基于滤波器的多载波模拟信号以作为下行调制信号用于驱动光调制器，通过直接调制/强度调制等方法实现下行基于滤波器的多载波调制数据的发射。
远端天线单元包括：射频放大器、若干光电检测器、变频器以及若干发射天线。远端节点将下行信号分成N路传给远端天线，远端天线通过分布式式光纤与远端节点相连。在天线端，下行光信号通过光电检测器转化为电信号，然后射频放大器用于对经过光纤传输后衰减的射频信号进行电放大，最后进入变频器上变频，通过天线发射。
远端节点实现来自基带处理单元的下行数据通过馈线式光纤后的下行数据通过分布式光纤传送到远端天线单元进行处理。
下行基带处理单元的滤波器可采用FIR滤波器，比如切比雪夫FIR滤波器，也可采用(均方根)升余弦滤波器、高斯滤波器等，具体取决于具体的基于滤波器的正交频分复用调制方式的选择，且滤波器通带宽度、截止频率等参数可调节。
下行用户的复用方式可采用波分复用(WDM)、波长堆叠的波分复用(Stacked-WDM)、时分复用(TDM)、时分/波分复用(TWDM)等，具体的复用方式将决定远端节点和基带处理单元的构成，比如对于波分复用，基带处理单元利用第一阵列波导光栅用于下行多波长的复用，源端节点利用第二阵列波导光栅用于下行多波长的解复用。
下行光调制模块可采用强度调制方式，比如马赫曾得调制器(MZM)，利用外置激光光源加偏置电压进行调制，也可采用直接调制方式，比如DFB激光器，VCSEL激光器等。光源具有波长可调谐功能，用于实现将不同光节点的数据调制到不同波长。特别地，当采用相干光系统时，则需要采用光IQ调制器或者电IQ调制器加光调制器等。
下行基于滤波器的正交频分复用数据接收光线转换模块为光电检测器，例如可采用APD光电检测器、PIN光电检测器等。
远端节点可以为光分路/合路器，采用1:N光分路/合路器，N为前传光网络中的远端天线的数量，N取值为64、128、256、512或1024(具体的RRU的个数主要依据系统中的传输光纤的长度、系统的功率预算等设定)，亦可以采用阵列波导光栅，用于实现传送给各个天线的下行信号的波分复用。
光分布式光纤和馈线式光纤的长度为10km、20km、50km；
远端节点可以为splitter，也可以为阵列波导光栅，具体地，取决于前传光网络的结构，比如时分复用结构则采用splitter，波分复用结构则采用阵列波导光栅。
具体地，基带处理单元中发送给用户端的数据首先汇聚到媒体接入控制模块，然后经过基于滤波器的正交调制模块产生调制数据，通过光调制模块产生下行基于滤波器的正交频分复用调制的光调制信号。基带处理单元将信号传输到远端节点送入分布式光纤进行传输。通过的分布式光纤的信号被送入远端天线，它首先利用光电检测器对接收光信号进行接收，转换成电信号后通过射频放大器送入中频射频终端上变频到射频信号，最后通过天线端发射。
图2展示了基于滤波器的正交频分复用信号调制和解调的框图，在发射端映射到各个子载波的下行信号经过基于数字信号处理(DSP)的逆快速傅里叶变换(IFFT)变换成时域波形，然后时域波形添加循环前缀(CP)通过一个特定的FIR滤波器进行滤波滤掉旁瓣，最后将各个子带信号聚合成一路，因为旁瓣减少，子带信号之间的保护间隔可以大大减小。接收端将上述过程反之进行。
图3展示了基于滤波器的正交频分复用信号与普通的正交频分复用信号的功率谱，从图中可以看出基于滤波器的正交频分复用信号拥有更好的边模抑制比。
本实例采用基于滤波器的正交频分复用技术作为前传光网络下行传输系统的调制方案，具有以下优点：
1)本系统下行采用基于滤波器的正交频分复用技术，在保留了正交频分复用技术抗色散性能好，易于进信道估计的基础上，将传统的OFDM信号的边模抑制比从20dB提升到超过40dB，有效地降低了下行各个子带信号之间的干扰。
2)本下行传输系统由于基于滤波器的正交频分复用技术的引入，使得系统对对抗符号间干扰(ISI)和子载波间干扰(ICI)拥有很好的性能。
3)本系统通过滤波技术使得信号的带外泄露功率受到大幅抑制，可以显著提升前传光网络下行系统的频谱效率，以适应未来光通信的发展趋势。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于滤波的正交频分复用技术的前传光网络下行传输系统，其特征在于，包括：BBU池、馈线式光纤、远端节点、分布式光纤、若干个远端天线单元，所述BBU池的输出端通过馈线式光纤连接至远端节点，所述远端节点的输出信号通过分布式光纤分发至若干个远端天线单元。
2.根据权利要求1所述的基于滤波的正交频分复用技术的前传光网络下行传输系统，其特征在于，所述BBU池包括：N个BBU单元和第二波分复用器，N个BBU单元的数据输出端连接至第二波分复用器的输入端，第二波分复用器的输出端连接光放大器的输入端，光放大器的输出端连接至馈线式光纤。
3.根据权利要求2所述的基于滤波的正交频分复用技术的前传光网络下行传输系统，其特征在于，所述BBU单元用于产生下行的基于滤波器的正交频分复用信号的基带信号，具体地，所述BBU单元包括：下行数据信号生成模块、基于滤波器的正交频分复用调制模块、N个光信号调制模块以及第一波分复用器，其中：
所述下行数据信号生成模块生成的下行数据信号依次经过基于滤波器的正交频分复用调制模块、光信号调制模块后到达第一波分复用器，由所述第一波分复用器分发包含下行数据的下行光F-OFDM信号。
4.根据权利要求3所述的基于滤波的正交频分复用技术的前传光网络下行传输系统，其特征在于，所述基于滤波器的正交频分复用调制模块用于生成电域内的基于滤波器的正交频分复用信号，该电域内的基于滤波器的正交频分复用信号即F-OFDM信号，能够作为下行调制信号驱动光调制模块。
5.根据权利要求3或4所述的基于滤波的正交频分复用技术的前传光网络下行传输系统，其特征在于，所述光信号调制模块用于将所述基于滤波器的正交频分复用调制模块产生的F-OFDM信号调制在光上，输出包含下行数据的下行光F-OFDM信号。
6.根据权利要求1所述的基于滤波的正交频分复用技术的前传光网络下行传输系统，其特征在于，所述远端天线单元用于接收下行光F-OFDM信号，并通过天线分发到终端用户；所述远端天线单元包括：光滤波器、光电探测器、射频放大器、上变频器以及天线；具体地，通过分布式光纤发送的信号依次经光滤波器、光电探测器、上变频器、射频放大器后传输至天线，由天线实现下行数据的发送。
7.根据权利要求1所述的基于滤波的正交频分复用技术的前传光网络下行传输系统，其特征在于，所述远端节点由光分路/合路器构成，采用1:N光分路/合路器，N为前传光网络中的远端天线的数量，N取值包括：64、128、256、512或者1024；其中，所述光分路/合路器包括：splitter或者波分复用器件。
8.根据权利要求2所述的基于滤波的正交频分复用技术的前传光网络下行传输系统，其特征在于，BBU单元中的滤波器包括：FIR滤波器、升余弦滤波器、高斯滤波器中的任一种。
9.根据权利要求3所述的基于滤波的正交频分复用技术的前传光网络下行传输系统，其特征在于，所述光信号调制模块采用强度调制方式，或者直接调制方式。
10.根据权利要求1所述的基于滤波的正交频分复用技术的前传光网络下行传输系统，其特征在于，光分布式光纤和馈线式光纤的长度包括：10km、20km或者50km。
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