CN108494519B - 一种模式复用与无线MIMO相融合的Front-haul光纤传输系统 - Google Patents
一种模式复用与无线MIMO相融合的Front-haul光纤传输系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种模式复用与无线MIMO相融合的Front‑haul光纤传输系统；该系统能提供单模光纤传输系统的六倍容量；或者在容量或速率上的Front‑haul传输压力减小到单模光纤传输系统的六分之一；系统采用大有效折射率差、大有效面积六模式少模光纤，有效减小非线性效应和模式串扰；为特殊应用场景下移动通信Front‑haul长跨距传输提供新思路和保障。
Description
技术领域
本发明涉及一种模式复用与无线MIMO相融合的Front-haul光纤传输系统，可应用于光纤通信、光纤无线接入、光学信息处理和新一代信息技术等领域。
背景技术
随着数据通信与多媒体业务需求的不断增加，移动通信飞速发展并不断满足人们的通信需求；然而，现有移动通信网络采用的前端传输接口在数据速率、带宽、时延方面存在很大的局限性；针对这种情况，中国移动通信研究院等单位提出了下一代前传接口NGFI(Next Generation Front-haul Interface) [1 China mobile research institute, etal. White Paper of Next Generation Fronthaul Interface，v1.0 (2015) ] 以满足第五代移动通信(5G)发展的需求；NGFI是指下一代无线网络主设备中基带处理功能与远端射频处理功能之间的Front-haul前传接口，提供了五种接口划分方案，既可以采用模拟传输，又可采用数字传输技术以降低对系统参量要求，可灵活取舍，为移动通信Front-haul前传网络的进一步研究提供了重要参考。近年来，NGFI中的无线云中心(RCC, radio cloudcenter)与远端射频系统(RRS, radio remote system)之间的Front-haul光纤传输的高速率、高容量、长跨距需求日益剧增。同时，随着无线多入多出(MIMO)技术在4G、5G和未来无线通信中的应用，进一步加剧了Front-haul传输压力[2 X. Liu, H. Zeng, N. Chand, andF. Effenberger, "Bandwidth-Efficient Mobile Fronthaul Transmission for Future5G Wireless Networks," in Asia Communications and Photonics Conference 2015,C. Lu, J. Luo, Y. Ji, K. Kitayama, H. Tam, K. Xu, P. Ghiggino, and N. Wada,eds., OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2015), paperASu3E.4]；当然，目前常规无线MIMO技术研究还处于较少的输入和输出数目[3 Chi-HsiangLin, Chun-Ting Lin, Hou-Tzu Huang, Wei-Siang Zeng, Shou-Chih Chiang, and Hsi-Yu Chang, "60-GHz optical/wireless MIMO system integrated with opticalsubcarrier multiplexing and 2x2 wireless communication," Opt. Express 23,12111-12116 (2015)]；大规模MIMO天线的研究也还处于战略概念和初步地理论仿真阶段，真正部署和实现尚需要较长时间[4 E. Larsson, O. Edfors, F. Tufvesson, T.Marzetta, “Massive MIMO for next generation wireless systems,”IEEECommunications Magazine, 52(2): 186-195 (2014)；5 L. Lu, G. Y. Li, A. L.Swindlehurst, A. Ashikhmin, R. Zhang, “An Overview of Massive MIMO: Benefitsand Challenges,” IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, 8(5):742-758 (2014)； 6 J. Shen, S. Suyama, T. Obara, Y. Okumura, “Requirements ofpower amplifier on super high bit rate massive MIMO OFDM transmission usinghigher frequency bands,” Globecom Workshops (GC Wkshps), 2014: 433-437]。这样，当前迫切的通信需求和MIMO技术带来了Front-haul光纤传输在容量和速率上的巨大压力，尽管通过滤波和压缩可以成倍地降低传输速率，仍然对Front-haul光传输网络造成了极大的压力，对未来Front-haul传输是一个巨大挑战[1； 7 Yiran Ma, Zhiguang Xu,Chengliang Zhang, Huafeng Lin, Qing Wang, Min Zhou, Heng Wang, Jingwen Yu,and Xiaomu Wang, "Demonstration of digital fronthaul over self-seeded WDM-PONin commercial LTE environment," Opt. Express 23, 11927-11935 (2015)； 8 Y. Ma,Z. Xu, H. Lin, M. Zhou, H. Wang, C. Zhang, J. Yu, and X. Wang, "Demonstrationof CPRI over Self-seeded WDM-PON in Commercial LTE Environment," in OpticalFiber Communication Conference, OSA Technical Digest(Optical Society ofAmerica, 2015), paper M2J.6； 9 M. Zhu, X. Liu, N. Chand, F. Effenberger, andG. Chang, "High-Capacity Mobile Fronthaul Supporting LTE-Advanced CarrierAggregation and 8×8 MIMO," in Optical Fiber Communication Conference, OSATechnical Digest (Optical Society of America, 2015), paper M2J.3 ]。
同时，模式复用（MDM）技术是将少模光纤（FMF）中的各个空间模式看作并行传输的子信道，基于FMF的MDM系统本质上就是一个天然的多输入多输出（MIMO）系统；基于FMF的MDM技术已经成为光通信领域的前沿研究热点，是该领域超高速、超大容量、超长距离、高谱效传输最具潜力的实现方式之一，具有极其广阔的应用前景和发展空间 [10 He Wen,Hongjun Zheng, Qi Mo, et al. Few-Mode Fibre-Optic Microwave Photonic Links,Light: Science & Applications, 2017.8, 6, e17021,1-8]。
发明内容
针对上述问题，在国家自然科学基金 (编号61671227和61431009）、山东省自然科学基金（ZR2011FM015）、“泰山学者”建设工程专项经费支持下，本发明提出了一种模式复用与无线MIMO相融合的Front-haul光纤传输系统；本发明所提出的传输系统每增加一种线性偏振模式信号，Front-haul传输容量比单模系统的增加一倍；能够提供与模式数目相同倍数的多倍増容量；有效解决Front-haul光纤传输在容量、速率需求上日益剧增问题，可解决Front-haul光纤传输的频谱效率、部署成本、升级困难等方面面临的挑战，为特殊应用场景下移动通信Front-haul长跨距传输提供新思路和保障。
本专利申请解决其技术问题所采用的技术方案是：
针对特殊应用场景下移动通信Front-haul光纤传输容量的迫切需求，本发明提出了一种模式复用与无线MIMO相融合的Front-haul光纤传输系统；该系统包括无线云中心RRC、光纤传输链路和射频拉远系统RRS；其中，无线云中心RRC具体包括RRC基带处理端与NGFI端口、偏振控制器和六模式可选择性光子灯笼；光纤传输链路是六模式少模光纤传输链路；射频拉远系统RRS包括六模式可选择性光子灯笼、六入六出光电探测及数据与射频处理模块、n×n无线MIMO天线发射模块；RRC基带处理端与NGFI端口经偏振控制器连接到六模式可选择性光子灯笼的六个单模端，光子灯笼锥形少模端熔接到一条大有效折射率差、大有效面积六模式少模光纤传输链路；六模式少模光纤传输链路输出端连接到六模式可选择性光子灯笼的锥形少模端，光子灯笼的六个单模端分别连接到六入六出光电探测及数据与射频处理模块的六个输入端；六入六出光电探测及数据与射频处理模块的六个输出端连接到六个n×n无线MIMO天线发射模块；RC基带处理端与NGFI端口输出六个相同波长或者接近波长或者不同波长的信号分别经偏振控制器单模传输到六模式可选择性光子灯笼的六个单模端，在光子灯笼少模端实现模式转换与复用，复用成一路六模式信号；这六模式信号分别是LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b和LP02信号；该六模式信号经过一条大有效折射率差、大有效面积六模式少模光纤传输链路传输；之后，再进入射频拉远系统RRS中；由六模式可选择性光子灯笼把六模式信号模式转换与解复用为六路单模信号，每个模式信号对应一路单模信号；之后，解复用后的六路单模信号经六入六出光电探测及数据与射频处理模块处理后分别输出到六个n×n无线MIMO天线发射模块进行发射；每个n×n无线MIMO天线发射模块（n=1，···，1024），对应1个有线输入端和n个发射天线；每个n×n无线MIMO天线发射模块具有独立发射功能和联合发射功能；六个n×n无线MIMO天线发射模块采用联合发射功能可构成整体6n×6n无线MIMO天线发射部分；若n=1，天线可整体构成6×6无线MIMO天线的发射部分；若n=8，天线可整体构成48×48无线MIMO天线的发射部分。
本专利申请的有益效果是：
1. 本发明所提出的系统每增加一种线性偏振模式信号，Front-haul传输容量比单模光纤传输系统的增加一倍，能够提高到六倍传输容量；若保持每个模式信号与单模光纤传输系统相同数据速率容量，可把无线MIMO天线的分集增益或复用增益或两者均衡增益提高到六倍；在相同的天线信道容量情况下，本发明所提出的系统在容量或速率上的Front-haul传输压力减小到单模光纤传输系统的六分之一；
2. 系统采用大有效折射率差、大有效面积六模式少模光纤，有效减小非线性效应和模式串扰；采用偏振控制器调整信号偏振态以进一步减小模式串扰；
3. 对应系统采用波长接近或者相同波长或者不同波长来进行传输，对系统中的激光器、光电探测模块性能没有严格要求，会有效降低系统复杂性和成本；
4. 本发明提出的传输系统传输容量大、速率和频谱利用率高、成本低，为特殊应用场景下移动通信Front-haul光纤传输提供了新思路和保障。
附图说明
图1是本发明一种模式复用与无线MIMO相融合的Front-haul光纤传输系统示意图。该系统分为3个功能模块：1是无线云中心RRC，2是光纤传输链路，3是射频拉远系统RRS；其中，无线云中心RRC包括RRC基带处理端与NGFI端口（1）、六个偏振控制器（2）（3）（4）（5）（6）（7）和六模式可选择性光子灯笼（8）；光纤传输链路是六模式少模光纤传输链路（9）；射频拉远系统RRS包括六模式可选择性光子灯笼（10）、六入六出光电探测及数据与射频处理模块（11）、六个n×n无线MIMO天线发射模块（12）（13）（14）（15）（16）（17）；RRC基带处理端与NGFI端口（1）经偏振控制器（2）（3）（4）（5）（6）（7）连接到六模式可选择性光子灯笼（8）的六个单模端，光子灯笼（8）锥形少模端熔接到一条大有效折射率差、大有效面积六模式少模光纤传输链路（9）；少模光纤传输链路（9）输出端连接到六模式可选择性光子灯笼（10）的锥形少模端，光子灯笼（10）的六个单模端分别连接到六入六出光电探测及数据与射频处理模块（11）的六个输入端；六入六出光电探测及数据与射频处理模块（11）的六个输出端连接到六个n×n无线MIMO天线发射模块（12）（13）（14）（15）（16）（17）；每个n×n无线MIMO天线发射模块（n=1，···，1024），对应1个有线输入端和n个发射天线；每个n×n无线MIMO天线发射模块具有独立发射功能和联合发射功能；六个n×n无线MIMO天线发射模块采用联合发射功能可构成整体6n×6n无线MIMO天线发射部分；若n=1，天线可整体构成6×6无线MIMO天线的发射部分；若n=8，天线可整体构成48×48无线MIMO天线的发射部分；
图2是六模式可选择性光子灯笼示意图（a）、锥形少模端横截面图（b）和输出模式图（c）；图（a）中左侧是六个单模端，右侧是一个锥形少模端；图（b）是该锥形少模端横截面；应用时，六条单模光纤分别熔接到六模式可选择性光子灯笼的六个单模端，光子灯笼锥形少模端熔接到一条六模式少模光纤；这样，通过光子灯笼可将输入的六个单模信号分别转换复用到少模光纤，形成一路六模式传输信号；图（c）是这六模式传输信号的输出模式图，分别对应LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b和LP02模式信号。若信号反方向传输，通过光子灯笼可将输入的一路六模式传输信号转换解复用到六条单模光纤，形成六个单模传输信号；
图3是六模式少模光纤横截面图（a）和不同模式信号的脉冲响应图（b）[10]；该少模光纤是大有效折射率差、大有效面积六模式少模光纤，LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b和LP02不同模式信号脉冲响应可以得到模式串扰很小；其多信道非线性串扰也很小；
其中，本专利申请图2、图3中的光子灯笼和少模光纤采用我们课题组相关论文[10]中使用的光子灯笼和少模光纤。
具体实施方式
下面结合实施例和附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不限于此。
实施例1图1是本发明一种模式复用与无线MIMO相融合的Front-haul光纤传输系统示意图。该系统分为3个功能模块：1是无线云中心RRC，2是光纤传输链路，3是射频拉远系统RRS；其中，无线云中心RRC包括RRC基带处理端与NGFI端口（1）、六个偏振控制器（2）（3）（4）（5）（6）（7）和六模式可选择性光子灯笼（8）；光纤传输链路是六模式少模光纤传输链路（9）；射频拉远系统RRS包括六模式可选择性光子灯笼（10）、六入六出光电探测及数据与射频处理模块（11）、六个n×n无线MIMO天线发射模块（12）（13）（14）（15）（16）（17）；RRC基带处理端与NGFI端口（1）经偏振控制器（2）（3）（4）（5）（6）（7）连接到六模式可选择性光子灯笼（8）的六个单模端，光子灯笼（8）锥形少模端熔接到一条大有效折射率差、大有效面积六模式少模光纤传输链路（9）；少模光纤传输链路（9）输出端连接到六模式可选择性光子灯笼（10）的锥形少模端，光子灯笼（10）的六个单模端分别连接到六入六出光电探测及数据与射频处理模块（11）的六个输入端；六入六出光电探测及数据与射频处理模块（11）的六个输出端连接到六个n×n无线MIMO天线发射模块（12）（13）（14）（15）（16）（17）；RRC基带处理端与NGFI端口（1）输出六个相同波长或者接近波长或者不同波长的信号分别经偏振控制器（2）（3）（4）（5）（6）（7）单模传输到六模式可选择性光子灯笼（8）的六个单模端，在光子灯笼（8）锥形少模端实现模式转换与复用，复用成一路六模式信号；该六模式信号经过一条大有效折射率差、大有效面积六模式少模光纤传输链路（9）传输；之后，再进入射频拉远系统RRS中；由六模式可选择性光子灯笼（10）把六模式信号模式转换与解复用为六路单模信号，每个模式信号对应一路单模信号；之后，解复用后的六路单模信号经六入六出光电探测及数据与射频处理模块（11）处理后分别输出到六个n×n无线MIMO天线发射模块（12）（13）（14）（15）（16）（17）进行发射；每个n×n无线MIMO天线发射模块（n=1，···，1024），对应1个有线输入端和n个发射天线；每个n×n无线MIMO天线发射模块具有独立发射功能和联合发射功能；六个n×n无线MIMO天线发射模块采用联合发射功能可构成整体6n×6n无线MIMO天线发射部分；若n=1，天线可整体构成6×6无线MIMO天线的发射部分；若n=8，天线可整体构成48×48无线MIMO天线的发射部分。
图2是六模式可选择性光子灯笼示意图（a）、锥形少模端横截面图（b）和输出模式图（c）；图（a）中左侧是六个单模端，右侧是一个锥形少模端；图（b）是该锥形少模端横截面；应用时，六条单模光纤分别熔接到六模式可选择性光子灯笼的六个单模端，光子灯笼锥形少模端熔接到一条六模式少模光纤；这样，通过光子灯笼可将输入的六个单模信号分别转换复用到少模光纤，形成一路六模式传输信号；图（c）是这六模式传输信号的输出模式图，分别对应LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b和LP02模式信号。若信号反方向传输，通过光子灯笼可将输入的一路六模式传输信号转换解复用到六条单模光纤，形成六个单模传输信号。光子灯笼（8）用作模式转换及复用，光子灯笼（10）用作模式转换及解复用。六模式光子灯笼插入损耗和熔接损耗等较小，其损耗优于4.5dB [11 Wen, H.; XIA, C. ;Velazquez-Benitez, A. ; Chand, N. ; Antonio-Lopez, J. ; huang, b. ; Liu, H. ;Zheng, H. ; Sillard, P. ; Liu, X. ; Effenberger, F. ; Amezcua Correa, R. ;Li, G.; First Demonstration of 6-Mode PON Achieving a Record Gain of 4 dB inUpstream Transmission Loss Budget, Journal of Lightwave Technology,2016, 34(8): 1990-1996]；而常规的6路的合束器或者分束器的实际损耗约10 dB；一个可选择性光子灯笼的损耗优于合束器或者分束器的损耗约5.5 dB；一对可选择性光子灯笼的损耗优于一对合束器或者分束器的损耗11 dB；这在通信领域可有效提高系统功率预算，延长传输距离以及增加接入用户数量。
图3是六模式少模光纤横截面图（a）和不同模式信号的脉冲响应图（b）；该少模光纤是大有效折射率差、大有效面积六模式少模光纤；该少模光纤有效折射率差达到10-3量级，有效面积是标准单模光纤的1.6倍，其1550波段最小衰减系数是LP01模式的0.227dB/km，其最大衰减系数是LP02模式的0.262dB/km；LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b和LP02不同模式信号脉冲响应可得到模式串扰很小；其多信道非线性串扰也很小[10]。
总之，本发明提出了一种模式复用与无线MIMO相融合的Front-haul光纤传输系统；系统采用波长接近或者相同波长或者不同波长来进行传输，对系统中的激光器、光电探测模块性能没有严格的要求，会大大降低系统复杂性和成本；系统采用大有效折射率差、大有效面积少模光纤，有效减小非线性效应和模式串扰；同时采用偏振控制器调整信号偏振态以进一步减小模式串扰；采用光子灯笼实现模式转换复用和模式转换解复用，有效减小损耗，提高系统功率预算，延长传输距离以及增加接入用户数量；本发明所提出的系统每增加一种线性偏振模式信号，Front-haul传输容量比单模光纤传输系统的增加一倍，能够提高到六倍传输容量；若保持每个模式信号与单模光纤传输系统相同数据速率容量，可把无线MIMO天线的分集增益或复用增益或两者均衡增益提高到六倍；在相同的天线信道容量情况下，本发明所提出的系统在容量或速率上的Front-haul传输压力减小到单模光纤传输系统的六分之一；频谱利用率提高；成本有效降低；本发明提出的系统为特殊应用场景下移动通信Front-haul光纤传输提供了新思路和保障。
应当指出的是，具体实施方式只是本发明比较有代表性的例子，显然本发明的技术方案不限于上述实施例，还可以有很多变形；采用更多模式的少模光纤和光子灯笼。本领域的普通技术人员，以本发明所明确公开的或根据文件的书面描述毫无异议的得到的，均应认为是本专利所要保护的范围。
Claims (1)
1.一种模式复用与无线MIMO相融合的Front-haul光纤传输系统；其特征在于：该系统分为无线云中心RRC、光纤传输链路和射频拉远系统RRS共三个功能模块；无线云中心RRC包括RRC基带处理端与NGFI端口（1）、六个偏振控制器（2）（3）（4）（5）（6）（7）和六模式可选择性光子灯笼（8）；光纤传输链路是六模式少模光纤传输链路（9）；射频拉远系统RRS包括六模式可选择性光子灯笼（10）、六入六出光电探测及数据与射频处理模块（11）、六个n×n无线MIMO天线发射模块（12）（13）（14）（15）（16）（17）；RRC基带处理端与NGFI端口（1）经偏振控制器（2）（3）（4）（5）（6）（7）连接到六模式可选择性光子灯笼（8）的六个单模端，光子灯笼（8）锥形少模端熔接到一条大有效折射率差、大有效面积六模式少模光纤传输链路（9）；六模式少模光纤传输链路（9）输出端连接到六模式可选择性光子灯笼（10）的锥形少模端，光子灯笼（10）的六个单模端分别连接到六入六出光电探测及数据与射频处理模块（11）的六个输入端；六入六出光电探测及数据与射频处理模块（11）的六个输出端连接到六个n×n无线MIMO天线发射模块（12）（13）（14）（15）（16）（17）；RRC基带处理端与NGFI端口（1）输出六个相同波长或者接近波长或者不同波长的信号分别经偏振控制器（2）（3）（4）（5）（6）（7）单模传输到六模式可选择性光子灯笼（8）的六个单模端，在光子灯笼（8）少模端实现模式转换与复用，复用成一路六模式信号；这六模式信号分别是LP01、LP11a、LP11b、LP21a、LP21b和LP02信号；该六模式信号经过一条大有效折射率差、大有效面积六模式少模光纤传输链路（9）传输；该少模光纤有效折射率差达到10-3量级，有效面积是标准单模光纤的1.6倍，其1550波段最小衰减系数是LP01模式的0.227dB/km，其最大衰减系数是LP02模式的0.262dB/km；之后，再进入射频拉远系统RRS中；由六模式可选择性光子灯笼（10）把六模式信号模式转换与解复用为六路单模信号，每个模式信号对应一路单模信号；之后，解复用后的六路单模信号经六入六出光电探测及数据与射频处理模块（11）处理后分别输出到六个n×n无线MIMO天线发射模块（12）（13）（14）（15）（16）（17）进行发射；每个n×n无线MIMO天线发射模块（n=1，···，1024），对应1个有线输入端和n个发射天线；每个n×n无线MIMO天线发射模块具有独立发射功能和联合发射功能；六个n×n无线MIMO天线发射模块采用联合发射功能可构成整体6n×6n无线MIMO天线发射部分；若n=1，天线可整体构成6×6无线MIMO天线的发射部分；若n=8，天线可整体构成48×48无线MIMO天线的发射部分。
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| CN103345022A (zh) * | 2013-07-03 | 2013-10-09 | 吉林大学 | 一种基于少模光纤的非对称平面光波导模式复用/解复用器 |
| CN207766272U (zh) * | 2018-03-13 | 2018-08-24 | 聊城大学 | 一种基于模分复用的Front-haul光纤传输系统 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Performance evaluation of XG-PON based mobile front-haul transport in cloud-RAN architecture;Weisheng Hu,etc;《IEEE》;20171130;第984-992页 |
| 一种大有效模面积的折射率渐变型模分复用器;刘倩倩等20171130;《光电子.激光》;20171130;第1180-1184页 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108494519A (zh) | 2018-09-04 |
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