CN113132008B - 面向高效移动前传的弹性带宽信道聚合分离方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种面向高效移动前传的弹性带宽信道聚合分离方法及装置。在发送端，首先针对不同带宽的移动信号动态地选取I/Q波形的过采样系数和数字正交滤波器的中心频率与带宽。然后，对移动信号I/Q波形进行时域上采样和数字正交滤波。最后，通过数字域相加实现不同带宽的移动信号在频域中无谱重叠的信道聚合。在接收端，光电流经模数转换器后输入多个并行的数字正交滤波器实现信道分离，进而通过时域下采样恢复发送的移动信号。与基于FFT/IFFT运算的传统弹性带宽信道聚合分离方法相比，本发明不仅显著降低高效移动前传中光收发机数字信号处理的运算复杂度、信号时延和设计与开发难度，而且通信系统构建简单，硬件易实现。

Description

面向高效移动前传的弹性带宽信道聚合分离方法及装置

技术领域

本发明属于光纤无线融合接入技术领域，尤其是面向5G和B5G移动前传的高频谱效率、低复杂度、低时延和硬件易实现的弹性带宽移动信号聚合分离方法及装置。

背景技术

随着移动互联网的快速发展和智能手机的迅速普及，无线接入网的数据流量呈现爆炸式增长。传统的分布式无线接入网已无法满足用户对带宽和性能的需求，因此业界提出云无线接入网(Cloud-radio access network,C-RAN)。通过协作技术在基站间共享基带处理资源，C-RAN可以提供高速灵活、低成本和低能耗的无线宽带接入。在C-RAN中，传统分布式基站的远程无线电单元(RRH)被拉远至无限接近射频天线。同时，基带处理单元(BBU)迁移并集中于中心机房，形成虚拟化BBU池。因此，C-RAN中出现了一个连接BBU池和RRH的重要部分，即移动前传。

传统的移动前传主要基于数字光载无线(D-RoF)技术，如通用公共射频接口(CPRI)和开放基站架构协议(OBSAI)。在D-RoF中，不同天线单元发送(接收)的移动信号被采样和量化，通过时分复用方式聚合连续时间波形的同相和正交数字比特流，最后利用强度调制直接检测(IMDD)通断键控(OOK)光链路实现信道聚合比特流的传输。虽然D-RoF技术对信号传输损伤具有良好的容忍性，但是信号的数字化处理极大降低移动前传的带宽利用率。随着移动信号带宽的增大，载波聚合信道数目的增加，以及小蜂窝基站的密集部署，基于D-RoF的移动前传将面临严重的数据速率瓶颈。

近年来，为了获得高带宽利用率的移动前传，业界提出基于模拟光载无线(A-RoF)技术的高效移动前传。在数字信号处理(DSP)中频变换的基础上，高效移动前传主要采用基于FFT/IFFT运算的频分复用方式聚合不同天线单元发送(接收)的移动信号，并在单波长IMDD模拟光链路中实现信道聚合信号的传输。虽然该方案能够有效地实现移动信号的弹性带宽信道聚合与分离，但是当大量的移动信号需要进行信道聚合与分离时，大规模的FFT/IFFT运算将显著提高信道聚合与分离的运算复杂度。即使利用频域加窗FDW技术降低FFT/IFFT的长度，FFT/IFFT和FDW涉及的大量乘法运算也不可避免。因此，该方案具有较大的运算量、较长的信号时延和硬件实现困难等问题，难以满足移动前传系统对运算复杂度、时延和成本的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种面向高效移动前传的弹性带宽信道聚合分离方法及装置，能够满足未来移动前传系统对低运算复杂度、低时延和低成本的需求。

为了实现上述目标，本发明采用的技术方案是：一种面向高效移动前传的弹性带宽信道聚合分离方法及装置，包括BBU端和RRU端发送/接收移动前传链路中不同带宽的移动信号。

在发送端，首先对不同带宽的移动信号进行I/Q分离，同时在时域K倍上采样I分量和Q分量，即在两个连续样本之间插入K-1个零。上采样系数K取决于数模转换器DAC的采样速率和移动信号的采样速率。然后，将上采样后的I分量和Q分量分别进行数字正交滤波，进而在数字域中将滤波后的移动信号I/Q分量相加，从而实现移动信号的弹性带宽信道聚合。最后，将聚合信号输入一个数模转换器DAC完成数模转换。

在接收端，首先将光电转换后的电信号经过一个模数转换器ADC完成模数转换。然后，对模数转换后的电信号进行多路并行的数字正交滤波和时域下采样。最后，通过I/Q重组完成移动信号的弹性带宽信道分离与恢复。

在上述方案的基础上，移动信号对应的时域过采样系数K取决于DAC的采样速率F_{S_DAC}和移动信号的采样速率F_{S_MS}，需满足：F_{S_DAC}＝2×(K+1)×F_{S_MS}。

在上述方案的基础上，利用希尔伯特对的方法设计发送端所使用的数字正交滤波器，该滤波器的脉冲响应为：

h^I(t)＝p(t)cos(2πf_ct)

h^Q(t)＝p(t)sin(2πf_ct)

h^I(t)和h^Q(t)分别表示移动信号I分量和Q分量对应的发送端数字正交滤波器的脉冲响应。p(t)为均方根升余弦脉冲，f_c为数字正交滤波器的中心频率，t表示时间。

在上述方案的基础上，数字正交滤波器的带宽BW_DF取决于移动信号的带宽BW_MS和移动信号的采样速率F_{S_MS}，即BW_MS≤BW_DF≤F_{S_MS}。

在上述方案的基础上，数字正交滤波器的中心频率的选取范围取决于移动信号的采样速率和DAC的采样速率。即为[F_{S_MS},F_{S_DAC}/2-F_{S_MS}]，并且满足f_c＝n×F_{S_MS}(n＝1,2,3,…,)。在满足数字正交滤波器的通带无频谱重叠的基础上，数字正交滤波器的中心频率可以根据信道传输特性按照前述设计准则进行灵活选取。

在上述方案的基础上，通过合理选取均方根升余弦脉冲p(t)的采样周期可以获得具有弹性通带带宽的数字正交滤波器。

在上述方案的基础上，接收端数字正交滤波器的脉冲响应是发送端数字正交滤波器脉冲响应的时域翻转，即满足：

m^I(t)＝h^I(-t)

m^Q(t)＝h^Q(-t)

m^I(t)和m^Q(t)分别为移动信号I分量和Q分量对应的接收端数字正交滤波器的脉冲响应。

本发明还提供了一种面向高效移动前传的弹性带宽信道聚合分离装置，包括：在下行发送端，BBU端(410)产生的不同带宽移动信号(420)首先完成I/Q分离(430)，同时根据移动信号的带宽对I分量和Q分量进行灵活的时域上采样(440)。然后，将上采样后的移动信号分别输入发送端数字正交滤波器(450)。最后，滤波后的移动信号在数字域中相加(460)，进而输入一个DAC(470)。DAC输出的电信号通过电光转换单元(480)后注入单波长光纤链路。在下行接收端，光电转换单元(4100)首先将接收光信号转换为电信号并送入一个ADC(4110)，进而输入多个并行的接收端数字正交滤波器(4120)进行数字匹配滤波。最后，通过与发送端相同系数的时域下采样(4130)和I/Q重组(4140)恢复发送的移动信号，并馈入RRU。同样地，在上行传输时，收发端通过与下行传输时相同的信号处理步骤和装置完成不同带宽移动信号的信道聚合与分离。

本发明的优点及有益效果如下：

(1)与基于FFT/IFFT运算的弹性带宽信道聚合分离方法相比，简单的时域上/下采样、数字滤波和数字域相加取代FFT/IFFT运算，从而显著降低高效移动前传链路中光收发机数字信号处理的运算复杂度和信号时延；

(2)本发明可以根据无线通信系统的空中接口标准预先设计不同带宽移动信号的过采样系数和数字正交滤波器参数，并将过采样系数和滤波器参数存储于现场可编程门阵列FPGA的内部逻辑寄存器中，从而降低高效移动前传链路中光收发机的硬件设计与开发对DSP芯片计算能力的要求；

(3)本发明涉及的DSP处理功能均可采用当前技术成熟且商用的功能模块实现，同时高效的数字正交滤波器组设计方法亦适用于本发明中收发端的并行数字滤波器设计。因此，基于本发明的高效移动前传光收发机构建简单，硬件易实现。

附图说明

图1.高效移动前传系统示意图。

图2.基于本发明的移动信号弹性带宽信道聚合装置示意图。

图3.基于本发明的移动信号弹性带宽信道分离装置示意图。

图4.基于本发明的高效移动前传系统示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例。

针对现有技术存在的高运算复杂度、较大信号时延和硬件实现困难等问题，本发明提供一种面向高效移动前传的弹性带宽信道聚合分离方法及装置。该方法及装置能够降低高效移动前传链路中光收发机数字信号处理的运算复杂度和信号时延，并且硬件易实现，从而有效解决现有技术的相关问题。

本发明的设计思路是提供一种适用于高效移动前传的弹性带宽信道聚合分离方法及装置。在BBU池(110)和RRH端(1120)，高效移动前传系统利用基于DSP中频变换的频分复用方式实现不同天线单元发送/接收的移动信号的弹性带宽信道聚合(130、1130)与分离(1110、1180)，并在单波长IMDD模拟光链路中进行聚合信号的上行/下行传输，如图1所示。由于聚合在光纤链路中的移动信号频谱没有发生改变，并且光纤链路中的模拟光信号比D-RoF中OOK信号具有更高的频谱效率，所以与传统的D-RoF移动前传相比，高效移动前传的带宽利用率获得显著提高。

本发明主要实现图1中BBU池(110)和RRH端(1120)的移动信号弹性带宽信道聚合(130、1130)与分离(1110、1180)。通过I/Q分离与重组、时域上采样与下采样和数字正交滤波，本发明将显著降低传统高效移动前传链路中光收发机DSP的运算复杂度、信号时延和硬件设计开发难度。由于本发明可采用当前技术成熟的商用DSP功能模块和高效的数字正交滤波器组设计方法开发光收发机硬件，因此基于本发明的高效移动前传光收发机构建简单、硬件易实现。

为使本发明所要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

基于本发明的移动信号弹性带宽信道聚合装置如图2所示。BBU池(110)和RRH端(1120)发送的不同带宽移动信号(210)首先在I/Q分离单元(220)中完成I/Q分离。然后，在上采样单元(230)中分别对I分量和Q分量进行时域上采样。上采样系数取决于DAC的采样速率和移动信号的采样速率。进一步，将上采样后的I分量和Q分量分别送入数字正交滤波器(250)中。最后，将滤波后的移动信号在数字域中相加，并且输入一个DAC，从而实现不同带宽移动信号的信道聚合。

进一步地，在发送端，不同带宽的移动信号对应不同的时域上采样系数K。上采样系数K取决于DAC的采样速率F_{S_DAC}和移动信号的采样速率F_{S_MS}，需满足：F_{S_DAC}＝2×(K+1)×F_{S_MS}。

进一步地，利用希尔伯特对方法设计发送端所使用的数字正交滤波器，该滤波器的脉冲响应为：

h^I(t)＝p(t)cos(2πf_ct)

h^Q(t)＝p(t)sin(2πf_ct)

h^I(t)和h^Q(t)分别移动信号I分量和Q分量对应的发送端数字正交滤波器的脉冲响应。p(t)为均方根升余弦脉冲，f_c为数字正交滤波器的中心频率。

进一步地，数字正交滤波器带宽BW_DF取决于移动信号的采样速率F_{s_MS}和带宽BW_MS。通过合理选取均方根升余弦脉冲p(t)的采样周期，可以获得满足不同移动信号带宽需求的数字正交滤波器脉冲响应。均方根升余弦脉冲p(t)的时域表达式为：

其中，T为采样周期，α为滚降系数。当α≤1时，p(t)对应的频域表达式为：

因此，均方根升余弦脉冲p(t)的采样周期T仅需满足：1/F_{s_MS}≤T≤1/BW_MS。

进一步地，数字正交滤波器的中心频率f_c的选取范围取决于移动信号的采样速率和DAC的采样速率，即为[F_{s_MS},F_{s_DAC/2}-F_{s_MS}]，且满足f_c＝n×F_{s_MS}(n＝1,2,3,…,)。在满足数字正交滤波器的通带无频谱重叠的基础上，数字正交滤波器的中心频率可以根据信道传输特性按照前述设计准则进行灵活选取。

基于本发明的移动信号弹性带宽信道分离装置如图3所示。首先，ADC数字化后的电信号输入多个并行的数字正交滤波器(310)完成数字匹配滤波。然后，通过时域下采样单元(320)和I/Q重组单元(330)分离和恢复发送的不同带宽移动信号(340)。

进一步地，在接收端，数字正交滤波器的脉冲响应是发送端数字正交滤波器脉冲响应的时域翻转，即满足：

m^I(t)＝h^I(-t)

m^Q(t)＝h^Q(-t)

m^I(t)和m^Q(t)分别为移动信号I分量和Q分量对应的接收端数字正交滤波器的脉冲响应。

基于本发明的高效移动前传系统示意图如图4所示。在下行发送端，BBU端(410)产生的不同带宽移动信号(420)首先完成I/Q分离(430)，同时根据移动信号的带宽对I分量和Q分量进行灵活的时域上采样(440)。然后，将上采样后的移动信号分别输入发送端数字正交滤波器(450)。最后，将滤波后的移动信号在数字域中相加(460)，并且输入一个DAC(470)。DAC输出的电信号通过电光转换单元(480)后注入单波长光纤链路。在下行接收端，光电转换单元(4100)首先将接收光信号转换为电信号并送入一个ADC(4110)，进而输入多个并行的接收端数字正交滤波器(4120)进行数字匹配滤波。最后，通过与发送端相同系数的时域下采样(4130)和I/Q重组(4140)恢复出发送的移动信号，进而馈入RRU。同样地，在上行传输时，收发端通过与下行传输时相同的信号处理步骤完成不同带宽移动信号的信道聚合与分离。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种面向高效移动前传的弹性带宽信道聚合分离方法，其特征在于，通过灵活的时域过采样和数字正交滤波，在基带处理单元BBU池和远程无线电单元RRU端实现不同带宽移动信号的信道聚合与分离；

在发送端，首先分离出不同带宽移动信号的I分量和Q分量，同时对I分量和Q分量进行时域上采样；然后，将上采样后的I分量和Q分量分别进行数字正交滤波，并且在数字域中将滤波后的移动信号I/Q分量相加，从而实现移动信号的弹性带宽信道聚合；最后，在一个数模转换器DAC中完成聚合信号的数模转换；

在接收端，首先使用一个模数转换器ADC完成光电流的模数转换；然后，对模数转换后的电信号进行多路并行的数字正交滤波和时域下采样；最后，通过I/Q重组完成移动信号的弹性带宽信道分离与恢复。

2.根据权利要求1所述的一种面向高效移动前传的弹性带宽信道聚合分离方法，其特征在于：移动信号对应的时域过采样系数K取决于DAC的采样速率F_{S_DAC}和移动信号的采样速率F_{S_MS}，需满足：F_{S_DAC}＝2×(K+1)×F_{S_MS}。

3.根据权利要求1所述的一种面向高效移动前传的弹性带宽信道聚合分离方法，其特征在于：利用希尔伯特对的方法设计发送端所使用的数字正交滤波器，该滤波器的脉冲响应为：

h^I(t)＝p(t)cos(2πf_ct)

h^Q(t)＝p(t)sin(2πf_ct)

h^I(t)和h^Q(t)分别表示移动信号I分量和Q分量对应的发送端数字正交滤波器的脉冲响应，p(t)为均方根升余弦脉冲，f_c为数字正交滤波器的中心频率，t表示时间。

4.根据权利要求3所述的一种面向高效移动前传的弹性带宽信道聚合分离方法，其特征在于：数字正交滤波器的带宽BW_DF取决于移动信号的带宽BW_MS和移动信号的采样速率F_{S_MS}，即BW_MS≤BW_DF≤F_{S_MS}。

5.根据权利要求3所述的一种面向高效移动前传的弹性带宽信道聚合分离方法，其特征在于：数字正交滤波器中心频率的选取范围取决于移动信号的采样速率F_{S_MS}和DAC的采样速率F_{S_DAC}，即为[F_{S_MS},F_{S_DAC}/2–F_{S_MS}]，并且满足f_c＝n×F_{S_MS}，n＝1,2,3,…,在满足数字正交滤波器的通带无频谱重叠的基础上，数字正交滤波器的中心频率根据信道传输特性按照前述设计准则进行选取。

6.根据权利要求5所述的一种面向高效移动前传的弹性带宽信道聚合分离方法，其特征在于：选取均方根升余弦脉冲p(t)的采样周期设计具有弹性通带带宽的数字正交滤波器。

7.根据权利要求1所述的一种面向高效移动前传的弹性带宽信道聚合分离方法，其特征在于：接收端数字正交滤波器的脉冲响应是发送端数字正交滤波器脉冲响应的时域翻转，即满足：

m^I(t)＝h^I(-t)

m^Q(t)＝h^Q(-t)

m^I(t)和m^Q(t)分别为移动信号I分量和Q分量对应的接收端数字正交滤波器的脉冲响应。

8.一种面向高效移动前传的弹性带宽信道聚合分离装置，其特征在于：在下行发送端，BBU端(410)产生的不同带宽移动信号(420)首先完成I/Q分离(430)，同时根据移动信号的带宽对I分量和Q分量进行灵活的时域上采样(440)；然后，将上采样后的移动信号分别输入发送端数字正交滤波器(450)；最后，将滤波后的移动信号在数字域中相加(460)，并且输入一个DAC(470)；DAC输出的电信号通过电光转换单元(480)后注入单波长光纤链路；在下行接收端，光电转换单元(4100)首先将接收光信号转换为电信号并送入一个ADC(4110)，进而输入多个并行的接收端数字正交滤波器(4120)进行数字匹配滤波；最后，通过与发送端相同系数的时域下采样(4130)和I/Q重组(4140)恢复发送的移动信号，进而馈入RRU；同样地，在上行传输时，收发端通过与下行传输时相同的信号处理步骤完成不同带宽移动信号的信道聚合与分离。

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