CN106304419B - 基于多芯光纤的数字光传输的无线前传系统 - Google Patents

基于多芯光纤的数字光传输的无线前传系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于多芯光纤的数字光传输的无线前传系统，包括：BBU池、馈线式光纤、第二多芯光纤的耦合器单元、分布式光纤以及L个射频拉远单元，即L个RRU单元；其中：所述BBU池通过馈线式光纤连接至第二多芯光纤的耦合器单元，所述第二多芯光纤的耦合器单元的输出端经过分布式光纤连接至L个RRU单元，L的值主要取决于系统接入无线用户数据的个数。本发明基于多芯光纤采用空分复用技术，在空间维度上提升系统的容量，一方面在现有的波分复用技术的同时增加空分复用；另一方面，可较好的克服海量数据传输时多个副载波复用带来的模拟子带干扰问题，通过波长路由器来有效的调度在线波长资源，一定程度上降低了系统的功耗。

Description

基于多芯光纤的数字光传输的无线前传系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体地，涉及一种基于多芯光纤的数字光传输的无线前传系统。
背景技术
随着通信技术的飞速发展，技术标准的不断演进，第四代移动通信技术(4G)的出现，使其数据业务传输速率达到每秒百兆甚至千兆比特，从而可以在一定程度上满足一定的宽带移动通信应用需求。然而，随着智能终端普及、应用以及移动新业务需求持续增长，无线传输速率需求呈指数增长，无线通信的传输速率将仍然难以未来移动通信的应用需求。为了应对多媒体、海量连接等丰富业务的数字洪水的到来，在4G的基础上，未来5G将在系统的吞吐率、时延、连接数量、能耗等方面进一步提升系统性能。5G需要具备比4G更高的性能，支持0.1～1Gbps的用户体验速率，每平方公里一百万的连接数密度，毫秒级的端到端时延，每平方公里数十Tbps的流量密度，每小时500Km以上的移动性和数十Gbps的峰值速率。同时，5G还需要大幅提高网络部署和运营的效率，相比4G，频谱效率提升5～15倍，能效和成本效率提升百倍以上。与此同时，未来5G不仅要能够在用户体验速率、连接数密度和时延等技术层面获得一定创新之外；5G还需要大幅提高网络部署和运营的效率，相比4G，频谱效率提升5～15倍，能效和成本效率提升百倍以上。
为了较好的应对未来5G发展需要，无线接入网(RAN,Radio access network)作为移动运营商赖以生存的重要资产，将面临着前所未有的挑战：1)通过增强空中接口能力来提升RAN接入能力的方式，带来高的能耗；2)高的RAN资本性支出(CAPEX,CapitalExpenditure)和运营成本(OPEX,Operating Expense)；3)用户业务的潮汐效应，导致低的基站利用率；4)用户的接入流量和运营商的收入增幅严重不成比例。正在研发5G移动通信更是通过更高的频谱效率、更多的频谱资源以及更密集的小区部署等特点来满足移动业务流量增长的需求。因此，基于上述诸多挑战，未来移动通信系统需要引入新型的无线接入网构架来提升网络的竞争力。
融合了4C(Clean,Centralized,Cooperative and Cloud)特点的无线接入网C-RAN，是在分布式基站的基础上，通过基带集中处理、协作无线电技术以及基于云计算的基础设施，实现网络资源共享和动态负载均衡。该技术能提供更大、更灵活的带宽接入并支持更多运营标准，不仅是当前LTE时代的主流接入方案，而且符合5G移动通信的接入网构架发展趋势。C-RAN由基站处理单元(Baseband Processing Unit,BBU)、射频拉远单元(Radioremote unit,RRU)及BBU与RRU之间的传输光纤链路组成。其中，RRU向下为空口，BBU向上为网络侧接口，BBU和RRU之间传输的信号为基于通用公共无线接口(Common Public RadioInterface,CPRI)的数字基带信号。在C-RAN系统中，由RRU到BBU之间数据传输称之为无线前传(fronthaul)，而有传统宏基站或者small cell接入的数据为回传(backhaul)。在C-RAN构架下，无线接入主要是指fronthaul(无线前传)。目前，面向C-RAN的无线前传承载方式主要有光纤直驱、光传送网(Optical transport network,OTN)和无源光网络(Passiveoptical access network,PON)系统等。其中，基于光纤直驱方案需占用较多的光纤资源，建设和维护费用及难度较高；基于OTN方案虽可节约光纤资源，但系统设备价格较高且难以满足前传数据对频率抖动的要求；基于PON的方案，可重用现有PON系统的光纤网络，节省光纤资源降低无线接入网络升级成本。
因此，对于5G接入网来说，如何借助光纤接入网系统，通过光纤传输技术高效的实现接入数据传输，即通过现有光纤接入网络系统实现高速率、大容量、高谱效率的无线前传数据的传输，是当前研究的热点和难点之一。与此同时，为了实现高速的数据速率的接入，未来5G技术亦可接收颠覆性的技术，比如采用5G独有技术来实现高效的接入。即在面向未来5G技术发展的基础，如何有效提升系统接入网络的接入速率问题方面，采用能够实现任何高速率传输的方案都是未来能够被接收的方案。
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，基于副载波调制技术的方案本质就是频率复用，需要通过扩充频率资源来实现接入系统容量的增加。然而，随着系统汇聚载波数量增加，需要增加模拟信号的传输带宽，这将会在一定程度上增加光接入网系统中的光电器件的线性度，从而增加因系统扩容而带来成本大量增加。此外，在基于数字前传的光与无线接入方案中，由于达到不同天线的数据需要调制在不同的波长上。因此，为了实现未来不断增加的密集部署天线而带来的高速率、大容量数据的传输，就必须通过增加波长数量来实现。而在实现的网络部署中，由于接入网不断的更新换代，适用于通信波段的波长资源已经从C波段转向L和O波段，且采用增加波长资源来扩容方案一定程度将会因部署光电器件的增加而增加系统成本。因此，基于增加波长资源来实现扩容的方法在一定程度上不能较好的满足未来5G接入网系统的发展。
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多芯光纤的数字光传输的无线前传系统。
根据本发明提供的基于多芯光纤的数字光传输的无线前传系统，包括：BBU池、馈线式光纤、第二多芯光纤的耦合器单元、分布式光纤以及L个射频拉远单元，L个射频拉远单元即L个RRU单元；其中：所述BBU池通过馈线式光纤连接至第二多芯光纤的耦合器单元，所述第二多芯光纤的耦合器单元的输出端经过分布式光纤连接至L个RRU单元，L的值主要取决于系统接入无线用户数据的个数。
优选地，所述BBU池包括：N个BBU单元、波长路由器以及第一多芯光纤的耦合器单元，N个BBU单元的输出端经波长路由器连接至第一多芯光纤的耦合器单元的输入端，所述第一多芯光纤的耦合器单元的输出端连接至馈线式光纤；其中：N值为大于等于2的自然数，N的值主要取决于BBU池的覆盖范围。
优选地，所述BBU单元包括：M个光信号发射机模块、第一波分复用器、第一光环行器、上行信号接收模块；M的值包括任意大于等于1的自然数，M的值主要取决于每个BBU单元能够被使用的光波长数量；
对于下行信号：M个光信号发射机模块发射的光信号连经第一波分复用器、第一光环行器的1端口、第一光环行器的2端口后传输至波长路由器；
对于上行信号：上行信号从波长路由器开始经第一光环行器的2端口、第一光环行器的3端口后传输至上行信号接收模块。
优选地，所述第二多芯光纤的耦合器单元构成了远端节点，能够实现不同芯信号的合与分。
优选地，所述RRU单元包括：第二光环行器、光滤波器、光电探测模块、上变频与电放大器模块、发射天线、接收天线、下变频与电放大器以及上行光信号发射机；
对于下行信号：分布式光纤输出的信号经第二光环行器的2端口、第二光环行器的3端口后进入光滤波器，经过滤波处理的信号依次经过光电探测模块、上变频与电放大器模块后由发射天线发送出去；
对于上行信号：接收天线接收信号依次经下变频与电放大器模块、上行光信号发射机、第二光环行器的1端口、第二光环行器的2端口后由分布式光纤发送出去。
优选地，所述光信号发射机模块用于将下行数字信号转换到光域，包括：DFB激光器、MYG激光器、VCSEL激光器、DBR激光器、或者激光器加外调制器、或者激光器加调制器中的任一种形式；所述外调制器包括：马赫曾德调制器、电致吸收调制器。
优选地，所述第一波分复用器为具有合路、分路功能的波分复用器件，包括：阵列波导光栅。
优选地，所述波长路由器包括：具有波长路由功能的周期性阵列波导光栅、波长选择开关，用于实现不同的下行波长以及上行波长在不同BBU与RRU之间进行交互。
优选地，所述光滤波器为可调光滤波器，包括：光纤布拉格光栅、基于薄膜的可调光滤波器中的一种，用于实现下行波长信号的选择；
所述光电探测模块包括：光电二极管PIN、雪崩二极管APD中的任一种，用于实现光信号到电信号的转换；
所述上行光信号发射机用于产生上行光信号，包括：DFB激光器、MYG激光器、VCSEL激光器、DBR激光器、或者激光器加外调制器、或者激光器加调制器中的任一种形式；所述外调制器包括：马赫曾德调制器、电致吸收调制器。
优选地，L的值包括4、8、16、32、64、128、256、512或者1024。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的基于多芯光纤的数字光传输的无线前传系统在馈线式光纤中采用多芯光纤，实现了颠覆传统基于单模光纤的扩容技术，并基于多芯光纤采用空分复用技术，在空间维度上提升系统的容量，一方面可以使用同一个波长在不同多芯光纤中的不同芯中进行数据传输，即在现有的波分复用技术的同时增加空分复用；另一方面，可较好的克服海量数据传输时多个副载波复用带来的模拟子带干扰问题，以及数字前传系统仅靠提升波长数量来实现系统升级而带来的波长资源受限和升级成本的问题。
2、该系统为了克服无线流量的潮汐效应，设置具有波长路由模块，通过波长路由器来有效的调度在线波长资源，一定程度上降低了系统的功耗。
3、本发明仅在改变馈线式光纤构架，即采用多芯光纤，而不改变分布式光纤构架，一定程度上减低系统升级带来的光纤铺设的安装与运营费用。
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为基于多芯光纤的数字光传输的无线前传系统的结构框图。
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多芯光纤的数字光传输的无线前传系统，包括：BBU池(基带处理单元)池、基多芯光纤构成的馈线式光纤、第二多芯光纤的耦合器单元(fan-in/fan-out)、若干分布式光纤、L个射频拉远单元(指RRU)单元，其中BBU池通过基多芯光纤构成的馈线式光纤连接至第二多芯光纤的耦合器单元(fan-in/fan-out)，第二多芯光纤的耦合器单元(fan-in/fan-out)的输出连接至分布式光纤，分布式光纤输出连接至L个RRU单元；L取2、4、8、16、32、64、128、256、512或者1024等等，其具体值主要取决于系统接入无线用户数据的个数。
所述的BBU池由N个BBU单元、波长路由器和第一多芯光纤的耦合器单元(fan-in/fan-out)，其中，N个BBU单元的数据输出后连接至波长路由器，波长路由器连接到第一多芯光纤的耦合器单元，第以多芯光纤的耦合器单元的输出连接至基于馈线式多芯光纤；N值取2、3，……等任意大于等于2的自然数，其具体值主要取决于BBU池的覆盖范围。
所述的BBU单元由M个光信号发射机模块、第一波分复用器、第一光环行器、上行信号接收模块等都构成；其中，1)对于下行信号来说：M个光信号发射机模块连接至第一波分复用器，第一波分复用器的输出连接至第一光环行器的1端口，第一光环行器的2端口的输出连接至波长路由器；2)对于上行信号来说，来至上行到达至波长路由器，由波长路由器连接至第一光环行器的2端口，由光环行器的3端口输出连接至上行信号接收模块；M值取1、2、3，……等任意自然数，其具体值主要取决于每个BBU单元可被使用的光波长数量。
所述的第二多芯光纤的耦合器单元(fan-in/fan-out)构成了远端节点，能够实现不同芯信号的合与分。
所述的RRU单元主要包括，第二光环行器，光滤波器，光电探测模块，上变频与电放大器模块，发射天线，接收天线，下变频与电放大器，上行光信号发射机等；其中，1)对于下行来说：分布式光纤输出连接至第二光环行器的2端口，由第二光环行器的3端口连接至光滤波器，光滤波器的输出连接至光电探测模块，光电探测模块的输出连接至上变频与电放大器模块，上变频与电放大器模块连接至发射天线，由发射天线实现下行信号的发射；2)对于上行信号：接收天线接收信号后连接至下变频与电放大器模块，由电放大器模块连接至上行光信号发射机，上行光信号发射机连接至第二光环行器的1端口，经由第二光环行器的2端口连接至分布式光纤从而实现上行信号的传送。
光信号发射机模块，主要用于实现下行光信号的产生，用于将下行数字信号转换到光域，可以基于直接调制激光器构成，如DFB、MYG、VCSEL或DBR；或者基于激光器加外调制器构成，其中外调制器可以为马赫曾德调制器、电致吸收调制器等；或者激光器加调制器的组合，如EML；
第一波分复用器，可以为阵列波导光栅，也可以为其他具有合路、分路功能的波分复用器件。
波长路由器，主要实现不同的下行波长以及上行波长在不同BBU与RRU之间进行交互，可以为具有波长路由功能的周期性阵列波导光栅，波长选择开关等器件。
第一/二多芯光纤的耦合器单元(fan-in/fan-out)，主要用于实现多路波长信号到多芯光纤耦合以及多芯光纤传输的多路信号到不同收发机的解耦合。
馈线式光纤为多芯光纤；分布式光纤为普通的标准单模光纤。
光滤波器，为可调光滤波器，主要实现下行波长信号的选择，可以为光纤布拉格光栅，也可以为基于薄膜的可调光滤波器。
光电探测模块，主要实现光信号到电信号的转换，可以为光电二极管PIN，也可以为雪崩二极管APD。
上行信号发射机，主要用于上行光信号的产生，可以基于直接调制激光器构成，如DFB、MYG、VCSEL或DBR；或者基于激光器加外调制器构成，其中外调制器可以为马赫曾德调制器、电致吸收调制器等；或者激光器加调制器的组合，如EML。
如图1所示，本实施例包括：BBU池(基带处理单元)池、基多芯光纤构成的馈线式光纤、第二多芯光纤的耦合器单元(fan-in/fan-out)、若干分布式光纤、L个射频拉远单元(指RRU)单元，其中BBU池通过基多芯光纤构成的馈线式光纤连接至第二多芯光纤的耦合器单元(fan-in/fan-out)，第二多芯光纤的耦合器单元(fan-in/fan-out)的输出连接至分布式光纤，分布式光纤输出连接至L个RRU单元；
BBU池的结构如图1所示，由N个BBU单元、波长路由器和第一多芯光纤的耦合器单元(fan-in/fan-out)，其中，N个BBU单元的数据输出后连接至波长路由器，波长路由器连接到第一多芯光纤的耦合器单元，第以多芯光纤的耦合器单元的输出连接至基于馈线式多芯光纤；
BBU单元结构如图1所示，由M个光信号发射机模块、第一波分复用器、第一光环行器、上行信号接收模块等都构成；其中，1)对于下行信号来说：M个光信号发射机模块连接至第一波分复用器，第一波分复用器的输出连接至第一光环行器的1端口，第一光环行器的2端口的输出连接至波长路由器；2)对于上行信号来说，来至上行到达至波长路由器，由波长路由器连接至第一光环行器的2端口，由光环行器的3端口输出连接至上行信号接收模块；
如图1所示，第二多芯光纤的耦合器单元(fan-in/fan-out)构成了远端节点，能够实现不同芯信号的合与分；RRU单元主要包括，第二光环行器，光滤波器，光电探测模块，上变频与电放大器模块，发射天线，接收天线，下变频与电放大器，上行光信号发射机等；其中，1)对于下行来说：分布式光纤输出连接至第二光环行器的2端口，由第二光环行器的3端口连接至光滤波器，光滤波器的输出连接至光电探测模块，光电探测模块的输出连接至上变频与电放大器模块，上变频与电放大器模块连接至发射天线，由发射天线实现下行信号的发射；2)对于上行信号：接收天线接收信号后连接至下变频与电放大器模块，由电放大器模块连接至上行光信号发射机，上行光信号发射机连接至第二光环行器的1端口，经由第二光环行器的2端口连接至分布式光纤从而实现上行信号的传送。
第一波分复用器，可以为阵列波导光栅，也可以为其他具有合路、分路功能的波分复用器件；波长路由器，主要实现不同的下行波长以及上行波长在不同BBU与RRU之间进行交互，可以为具有波长路由功能的周期性阵列波导光栅，波长选择开关等器件；第一/二多芯光纤的耦合器单元(fan-in/fan-out)，主要用于实现多路波长信号到多芯光纤耦合以及多芯光纤传输的多路信号到不同收发机的解耦合。
馈线式光纤为多芯光纤；分布式光纤为普通的标准单模光纤；光滤波器为可调光滤波器，主要实现下行波长信号的选择，可以为光纤布拉格光栅，也可以为基于薄膜的可调光滤波器；光电探测模块，主要实现光信号到电信号的转换，可以为光电二极管PIN，也可以为雪崩二极管APD。
本实施例提出了面向5G一种基于多芯光纤的数字光传输的无线前传系统。基于多芯光纤采用空分复用技术，在空间维度上提升系统的容量，一方面可以使用同一个波长在不同多芯光纤中的不同芯中进行数据传输，即在现有的波分复用技术的同时增加空分复用；另一方面，可较好的克服海量数据传输时多个副载波复用带来的模拟子带干扰问题，以及数字前传系统仅靠提升波长数量来实现系统升级而带来的波长资源受限和升级成本的问题。同时，该系统为了克服无线流量的潮汐效应，本系统结构具有波长路由模块，通过波长路由器来有效的调度在线波长资源，移动程度上降低了系统的功耗；再者，本发明仅在改变馈线式光纤构架，即采用多芯光纤，而不改变分布式光纤构架，一定程度上减低系统升级带来的光纤铺设的安装与运营费用。同时，本专利涉及的核心技术也通过了前期仿真和实验验证。
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 (8)

1.一种基于多芯光纤的数字光传输的无线前传系统，其特征在于，包括：BBU池、馈线式光纤、第二多芯光纤的耦合器单元、分布式光纤以及L个射频拉远单元，L个射频拉远单元即L个RRU单元；其中：所述BBU池通过馈线式光纤连接至第二多芯光纤的耦合器单元，所述第二多芯光纤的耦合器单元的输出端经过分布式光纤连接至L个RRU单元，L的值取决于系统接入无线用户数据的个数；
所述BBU池包括：N个BBU单元、波长路由器以及第一多芯光纤的耦合器单元，N个BBU单元的输出端经波长路由器连接至第一多芯光纤的耦合器单元的输入端，所述第一多芯光纤的耦合器单元的输出端连接至馈线式光纤；其中：N值为大于等于2的自然数，N的值取决于BBU池的覆盖范围；
所述BBU单元包括：M个光信号发射机模块、第一波分复用器、第一光环行器、上行信号接收模块；M的值包括任意大于等于1的自然数，M的值取决于每个BBU单元能够被使用的光波长数量；
对于下行信号：M个光信号发射机模块发射的光信号连经第一波分复用器、第一光环行器的1端口、第一光环行器的2端口后传输至波长路由器；
对于上行信号：上行信号从波长路由器开始经第一光环行器的2端口、第一光环行器的3端口后传输至上行信号接收模块。
2.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的数字光传输的无线前传系统，其特征在于，所述第二多芯光纤的耦合器单元构成了远端节点，能够实现不同芯信号的合与分。
3.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的数字光传输的无线前传系统，其特征在于，所述RRU单元包括：第二光环行器、光滤波器、光电探测模块、上变频与电放大器模块、发射天线、接收天线、下变频与电放大器以及上行光信号发射机；
对于下行信号：分布式光纤输出的信号经第二光环行器的2端口、第二光环行器的3端口后进入光滤波器，经过滤波处理的信号依次经过光电探测模块、上变频与电放大器模块后由发射天线发送出去；
对于上行信号：接收天线接收信号依次经下变频与电放大器模块、上行光信号发射机、第二光环行器的1端口、第二光环行器的2端口后由分布式光纤发送出去。
4.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的数字光传输的无线前传系统，其特征在于，所述光信号发射机模块用于将下行数字信号转换到光域，包括：DFB激光器、MYG激光器、VCSEL激光器、DBR激光器、或者激光器加外调制器、或者激光器加调制器中的任一种形式；所述外调制器包括：马赫曾德调制器、电致吸收调制器。
5.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的数字光传输的无线前传系统，其特征在于，所述第一波分复用器为具有合路、分路功能的波分复用器件，包括：阵列波导光栅。
6.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的数字光传输的无线前传系统，其特征在于，所述波长路由器包括：具有波长路由功能的周期性阵列波导光栅、波长选择开关，用于实现不同的下行波长以及上行波长在不同BBU与RRU之间进行交互。
7.根据权利要求3所述的基于多芯光纤的数字光传输的无线前传系统，其特征在于，所述光滤波器为可调光滤波器，包括：光纤布拉格光栅、基于薄膜的可调光滤波器中的一种，用于实现下行波长信号的选择；
所述光电探测模块包括：光电二极管PIN、雪崩二极管APD中的任一种，用于实现光信号到电信号的转换；
所述上行光信号发射机用于产生上行光信号，包括：DFB激光器、MYG激光器、VCSEL激光器、DBR激光器、或者激光器加外调制器、或者激光器加调制器中的任一种形式；所述外调制器包括：马赫曾德调制器、电致吸收调制器。
8.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的数字光传输的无线前传系统，其特征在于，L的值包括4、8、16、32、64、128、256、512或者1024。
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