CN113141212B - 面向移动前传的控制字与i/q波形同步传输方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向高效移动前传的控制字与I/Q波形同步传输方法及装置，在发送端对控制字数据进行正交幅度调制QAM星座图映射，转换为控制字QAM符号，然后分别对控制字QAM符号的I/Q分量和移动信号I/Q波形进行时域上采样和数字正交滤波，将滤波后的控制字QAM符号和移动信号I/Q波形在数字域中相加，实现信道聚合；在接收端，光电流经模数转换器数字化，输入多个并行的数字正交滤波器实现信道分离，最后通过时域下采样恢复控制字QAM符号和移动信号I/Q波形。本发明利用时域上采样、数字正交滤波和数字域相加取代复杂的FFT/IFFT运算，不仅显著降低运算复杂度、信号时延和光收发机硬件开发难度，对传统移动前传具有良好的背向兼容性，通信系统构建简单，硬件实现容易。

Description

面向移动前传的控制字与I/Q波形同步传输方法及装置
技术领域
本发明涉及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控制字与I/Q波形同步传输方法及装置。
背景技术
近年来，随着移动通信业务量的增长和移动通信设备的部署日趋密集，传统分布式无线接入网在能耗和信道干扰等方面的问题日益突出，促使无线接入网结构逐渐向云无线接入网(Cloud-radio access network,C-RAN)架构转变。C-RAN是一种适用于5G和B5G的集中化处理(Centralized Processing)、协作式无线电(Collaborative Radio)和实时云计算架构(Real-time Cloud Infrastructure)的绿色无线接入网。通过减少基站机房数量，采用协作化、虚拟化等技术，云接入网可以实现低成本、高带宽、灵活的无线网络运营，从而为信号的完整覆盖提供重要的技术解决方案。
在C-RAN中，采用光纤链路的移动前传承载基带处理单元(baseband unit，BBU)池与远程无线电单元(remote radio unit，RRU)之间的数据传输。现有的移动前传链路主要采用基于通用公共无线电接口(common public radio interface，CPRI)的数字光载无线技术(digital-radio over fiber，D-RoF)。在CPRI中，移动信号的数字化同相(in-phase，I)和正交(quadrature，Q)分量与用于设备控制/管理的控制字(control words，CWs)数据需要进行同步传输。同时，CPRI采用基于二进制开关键控(on-off keying，OOK)调制方式的强度调制/直接检测(intensity modulation/direct detection，IM/DD)光纤传输链路。移动信号的数字化处理和OOK调制方式导致采用CPRI的移动前传具有较低的频谱效率。
为了解决当前移动前传中频谱效率较低的问题，业界提出高效移动前传(efficient mobile fronthaul，EMF)解决方案。EMF主要利用数字信号处理实现移动信号的载波聚合与分离，进而在单波长光纤链路中传输。为了获得控制字数据与移动信号I/Q波形的同步传输，业界提出基于FFT/IFFT运算的信道聚合方案。在这种方案中，当大量的移动信号需要进行信道聚合时，大规模的FFT/IFFT运算将显著提高信道聚合的运算复杂度。即使利用频域加窗FDW技术来降低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，该方案具有较大的计算量、较长的信号时延和硬件实现困难等问题，难以满足移动前传对低复杂度、低时延和低成本的要求。
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基于数字正交滤波的控制字与I/Q波形同步传输方法及装置，能够满足未来移动前传对低复杂度、低时延和低成本的要求。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种面向高效移动前传的控制字与I/Q波形同步传输方法，基带处理单元BBU池和远程无线电单元RRU接收移动前传上/下行中的控制字数据和移动信号I/Q波形。
在发送端，对于控制字数据，首先进行正交幅度调制(Quadrature AmplitudeModulation，QAM)星座图映射，转换为控制字QAM符号，然后对控制字QAM符号的I/Q分量进行K倍时域上采样，即在两个连续的样本之间插入K-1个零，最后将上采样后的控制字QAM符号的I/Q分量分别输入数字正交滤波器(Digital Filter,DF)。对于移动信号I/Q波形，首先将移动前传中的移动信号I/Q波形进行I/Q分离，然后分别对I分量和Q分量进行L倍时域上采样，即在两个连续的样本之间插入L-1个零，最后将上采样后的I分量和Q分量分别输入数字正交滤波器。最后，将数字正交滤波后的控制字QAM符号和数字正交滤波后的移动信号I/Q波形在数字域中相加，进而输入一个数模转换器，数模转换器(Digital-to-AnalogConverter，DAC)输出的电信号通过光强度调制注入单波长光纤链路，从而实现控制字数据和I/Q波形的同步传输。
在上述技术方案的基础上，所述控制字QAM符号对应的时域上采样系数K取决于DAC采样速率Fs_DAC、控制字数据速率Rb_CW和选取的QAM星座图，需满足：Fs_DAC＝Rb_CW/log2N×K，其中N为QAM星座图中的符号点数。
在上述技术方案的基础上，所述移动信号I/Q波形对应的时域上采样系数L取决于DAC采样速率Fs_DAC、移动信号采样速率Fs_MS和控制字QAM符号速率BaudCW，需满足：Fs_DAC>2×(L×Fs_MS+BaudCW)。
在上述技术方案的基础上，利用希尔伯特对设计收发端所使用的数字正交滤波器，该滤波器的脉冲响应为：
hI(t)＝p(t)cos(2πfct)，
hQ(t)＝p(t)sin(2πfct)，
hI(t)、hQ(t)分别表示基于希尔伯特对的I和Q滤波器脉冲响应，p(t)为均方根升余弦脉冲，fc为数字正交滤波器的中心频率，t表示时间。
在上述技术方案的基础上，所述控制字数据对应的数字正交滤波器带宽等于控制字QAM符号速率；移动信号I/Q波形对应的数字正交滤波器带宽等于移动信号采样速率。
在上述技术方案的基础上，所述控制字数据对应的数字正交滤波器中心频率的选取范围取决于控制字QAM符号速率和DAC采样速率，即为[BaudCW/2,(Fs_DAC-BaudCW)/2]；移动信号I/Q波形对应的数字正交滤波器中心频率fc的选取范围取决于移动信号采样速率和DAC采样速率，即为[Fs_MS,Fs_DAC/2-Fs_MS]，且满足fc＝n×Fs_MS(n＝1,2,3,…)。在满足控制字数据和移动信号频谱无重叠的前提下，数字正交滤波器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。
在上述技术方案的基础上，在接收端，首先将光电转换后的电信号经一个模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)数字化，进而输入多个并行的数字正交滤波器，然后对QAM符号进行K倍下采样，对移动信号I/Q波形进行L倍下采样，控制字QAM符号和移动信号I/Q波形完成信道分离。利用传统的QAM信道均衡和星座图逆映射，即可从控制字QAM符号中恢复出控制字数据。
在接收端，数字正交滤波器的脉冲响应是发送端中数字正交滤波器脉冲响应的时域翻转，即满足：
mI(t)＝hI(-t)，
mQ(t)＝hQ(-t)，
hI(t)、hQ(t)为发送端中数字正交滤波器的脉冲响应。
本发明化提供了一种面向高效移动前传的控制字与I/Q波形同步传输及装置，包括：在发送端分离移动前传中的控制字数据与移动信号I/Q波形，在映射单元中，控制字数据进行QAM星座图映射，生成控制字QAM符号，进而将控制字QAM符号和移动信号I/Q波形送入信道聚合单元中实现信道聚合，并输入数模转换单元，然后电光转换单元将电信号转换成为光信号注入光纤链路进行传输；在接收端，光电转换单元首先将光纤链路中接收的光信号转换为电信号并送入模数转换单元，然后数字信号在信道分离单元中分离出控制字QAM符号和移动信号I/Q波形，最后将控制字QAM符号通过信道均衡单元和QAM逆映射单元，从而恢复出控制字数据。
本发明具有以下有益效果：
(1)与基于FFT/IFFT运算的控制字与IQ波形同步传输方法相比，简单的时域过采样、数字滤波和数字域相加取代复杂的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)本发明可以根据移动前传的不同应用场景预先设计和优化数字正交滤波器参数，并将该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数字信号处理芯片计算能力的要求。
(3)针对各种移动前传应用场景中的不同控制字传输速率要求，本发明可以根据链路信噪比选取合适的QAM星座图和设计数字正交滤波器带宽，不仅通信系统构建简单，而且对传统移动前传具有良好的背向兼容性。
附图说明
图1为本发明用于的移动前传链路示意图；
图2为本发明控制字与I/Q波形同步传输发送端步骤框图；
图3为本发明控制字与I/Q波形同步传输接收端端步骤框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明的设计思路是提供一种用于高效移动前传的控制字与I/Q波形同步传输方法。其中，所述移动前传链路如图1所示，包括在发送端分离移动前传中的控制字数据与移动信号I/Q波形110，在QAM映射单元120中，控制字数据进行QAM星座图映射，生成控制字QAM符号，进而将控制字QAM符号和移动信号I/Q波形送入信道聚合单元130中实现信道聚合，并输入数模转换单元140中，然后电光转换单元150将电信号转换成为光信号注入光纤链路160进行传输；在接收端，光电转换单元170首先将光纤链路160中接收的光信号转换为电信号并送入模数转换单元180，然后数字信号在信道分离单元190中分离出控制字QAM符号和移动信号I/Q波形，最后将控制字QAM符号通过信道均衡单元1100和QAM逆映射单元1110，从而恢复出控制字数据1120。
如图2所示为高效移动前传中控制字与I/Q波形同步传输的发送端步骤框图，对于控制字数据1120，首先在QAM映射单元120中进行QAM星座图映射，转换为控制字QAM符号，进而在控制字I/Q分离单元230中进行I/Q分离，然后对控制字QAM符号的I/Q分量在K倍上采样单元240中进行K倍时域上采样，即在两个连续的样本之间插入K-1个零，最后将上采样后的控制字I/Q分量输入控制字数字正交滤波器组250中。对于移动信号I/Q波形260，首先将移动信号I/Q波形在移动信号I/Q分离单元270中进行I/Q分离，然后在L倍上采样单元280中分别对I分量和Q分量进行L倍时域上采样，即在两个连续的样本之间插入L-1个零，最后将上采样后的I分量和Q分量输入移动信号数字正交滤波器组290中。
进一步地，控制字QAM符号对应的时域上采样系数K取决于DAC采样速率Fs_DAC、控制字数据速率Rb_CW和选取的QAM星座图，需满足：Fs_DAC＝Rb_CW/log2N×K，其中N为QAM星座图中的符号点数。
进一步地，移动信号I/Q波形对应的时域上采样系数L取决于DAC采样速率Fs_DAC、移动信号采样速率Fs_MS和控制字QAM符号速率BaudCW，需满足：Fs_DAC>2×(L×Fs_MS+BaudCW)。
进一步地，利用希尔伯特对设计所使用的数字正交滤波器，该滤波器的脉冲响应为：
hI(t)＝p(t)cos(2πfct)，
hQ(t)＝p(t)sin(2πfct)，
hI(t)、hQ(t)分别表示基于希尔伯特对的I和Q滤波器脉冲响应，p(t)为均方根升余弦脉冲，fc为数字正交滤波器的中心频率，t表示时间。
均方根升余弦脉冲的时域表达式为：
Figure GDA0003720428420000041
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：
Figure GDA0003720428420000042
因此，通过合理地选取T和α，可以获得具有灵活通带带宽的数字正交滤波器。
进一步地，控制字数据对应的数字正交滤波器带宽等于控制字QAM符号速率；移动信号I/Q波形对应的数字正交滤波器带宽等于移动信号采样速率。
进一步地，控制字数据对应的数字正交滤波器中心频率的选取范围取决于控制字QAM符号速率和DAC采样速率，即为[BaudCW/2,(Fs_DAC-BaudCW)/2]；移动信号I/Q波形对应的数字正交滤波器中心频率fc的选取范围取决于移动信号采样速率和DAC采样速率，即为[Fs_MS,Fs_DAC/2-Fs_MS]，且满足fc＝n×Fs_MS(n＝1,2,3,…)。在满足控制字数据和移动信号频谱无重叠的前提下，数字正交滤波器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。
如图3所示为高效移动前传中控制字与I/Q波形同步传输的接收端步骤框图，对于控制字数据，将ADC数字化的电信号输入接收端控制字数字正交滤波器组310中，然后在K倍下采样单元320中进行K倍时域下采样，对下采样后的控制字I/Q分量330进行组合获得控制字QAM符号，进而通过均衡器单元340进行QAM信道均衡，最后通过逆映射单元350从控制字QAM符号中恢复出控制字数据1120。对于移动信号I/Q波形，将ADC数字化的电信号输入接收端移动信号数字正交滤波器组370中，然后在L倍下采样单元380中进行L倍时域下采样获得I/Q分量，最后将下采样后的移动信号I/Q分量390进行组合恢复出移动信号I/Q波形260。
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：
mI(t)＝hI(-t)，
mQ(t)＝hQ(-t)，
hI(t)、hQ(t)为发送端数字正交滤波器的脉冲响应。
以上陈述的仅仅是本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明方法和核心装置实质的前提下，在实际实施中可以做出若干更改和润色也应包含在本发明的保护范围以内。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.面向移动前传的控制字与I/Q波形同步传输方法，其特征在于，包括基带处理单元BBU池和远程无线电单元RRU接收移动前传上/下行中的控制字数据和移动信号I/Q波形；
在发送端，首先将控制字数据映射为正交幅度调制QAM星座图中的符号点，然后进行K倍上采样，最后将上采样后的控制字QAM符号进行数字正交滤波；同时，对移动信号I/Q波形进行L倍上采样，将上采样后的I/Q波形亦进行数字正交滤波；最后，将数字正交滤波后的控制字QAM符号和数字正交滤波后的移动信号I/Q波形在数字域中相加，进而输入一个数模转换器，数模转换器输出的电信号通过光强度调制注入单波长光纤链路，从而实现控制字数据和I/Q波形的同步传输。
2.根据权利要求1所述面向移动前传的控制字与I/Q波形同步传输方法，其特征在于：在接收端，首先将光电转换后的电信号经一个模数转换器ADC数字化，进而输入多个并行的数字正交滤波器，然后对QAM符号进行K倍下采样，对移动信号I/Q波形进行L倍下采样，控制字QAM符号和移动信号I/Q波形完成信道分离。
3.根据权利要求1所述面向移动前传的控制字与I/Q波形同步传输方法，其特征在于：在发送端，对于控制字数据，首先进行QAM星座图映射，转换为控制字QAM符号，然后对控制字QAM符号的I/Q分量进行K倍时域上采样，即在两个连续的样本之间插入K-1个零，最后将上采样后的控制字I/Q分量分别输入数字正交滤波器；对于移动信号I/Q波形，将移动前传中的移动信号I/Q波形进行I/Q分离，然后分别对I分量和Q分量进行L倍时域上采样，即在两个连续的样本之间插入L-1个零，最后将上采样后的I分量和Q分量分别输入数字正交滤波器。
4.根据权利要求1或2或3所述面向移动前传的控制字与I/Q波形同步传输方法，其特征在于：所述控制字QAM符号对应的时域上采样系数K取决于DAC采样速率Fs_DAC、控制字数据速率Rb_CW和选取的QAM星座图，需满足：Fs_DAC＝Rb_CW/log2N×K，其中N为QAM星座图中的符号点数。
5.根据权利要求1或2或3所述面向移动前传的控制字与I/Q波形同步传输方法，其特征在于：所述移动信号I/Q波形对应的时域上采样系数L取决于DAC采样速率Fs_DAC、移动信号采样速率Fs_MS和控制字QAM符号速率BaudCW，需满足：Fs_DAC>2×(L×Fs_MS+BaudCW)。
6.根据权利要求1所述面向移动前传的控制字与I/Q波形同步传输方法，其特征在于：数字正交滤波器利用希尔伯特对进行设计，该滤波器的脉冲响应为：
hI(t)＝p(t)cos(2πfct)，
hQ(t)＝p(t)sin(2πfct)，
hI(t)、hQ(t)分别表示基于希尔伯特对的I和Q滤波器脉冲响应，p(t)为均方根升余弦脉冲，fc为数字正交滤波器的中心频率，t表示时间。
7.根据权利要求6所述面向移动前传的控制字与I/Q波形同步传输方法，其特征在于：所述控制字数据对应的数字正交滤波器带宽等于控制字QAM符号速率；所述移动信号I/Q波形对应的数字正交滤波器带宽等于移动信号采样速率。
8.根据权利要求6所述面向移动前传的控制字与I/Q波形同步传输方法，其特征在于：控制字数据对应的所述数字正交滤波器中心频率的选取范围取决于控制字QAM符号速率和DAC采样速率，即为[BaudCW/2,(Fs_DAC-BaudCW)/2]；移动信号I/Q波形对应的所述数字正交滤波器中心频率fc的选取范围取决于移动信号采样速率和DAC采样速率，即为[Fs_MS,Fs_DAC/2-Fs_MS]，且满足fc＝n×Fs_MS，其中n＝1,2,3,…，Fs_DAC表示DAC采样速率，Fs_MS表示移动信号采样速率，BaudCW表示控制字QAM符号速率。
9.根据权利要求1所述面向移动前传的控制字与I/Q波形同步传输方法，其特征在于：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：
mI(t)＝hI(-t)，
mQ(t)＝hQ(-t)，
hI(t)、hQ(t)为发送端数字正交滤波器的脉冲响应。
10.一种面向移动前传的控制字与I/Q波形同步传输装置，其特征在于：包括发送端和接收端，所述发送端包括映射单元、信道聚合单元、数模转换单元和电光转换单元；
发送端分离移动前传中的控制字数据与移动信号I/Q波形，在映射单元中，控制字数据进行QAM星座图映射，生成控制字QAM符号，进而将控制字QAM符号和移动信号I/Q波形送入信道聚合单元中实现信道聚合，并输入数模转换单元，然后电光转换单元将电信号转换成为光信号注入光纤链路进行传输；
其中，在发送端对控制字QAM符号的I/Q分量进行K倍时域上采样，将上采样后的控制字QAM符号的I/Q分量分别输入数字正交滤波器；对于移动信号I/Q波形，首先将移动前传中的移动信号I/Q波形进行I/Q分离，然后分别对I分量和Q分量进行L倍时域上采样，将上采样后的I分量和Q分量分别输入数字正交滤波器，收到的控制字QAM符号和移动信号I/Q波形在数字域中相加，并输入数模转换单元；
所述接收端包括光电转换单元、模数转换单元、信道分离单元和信道均衡单元；光电转换单元首先将光纤链路中接收的光信号转换为电信号并送入模数转换单元，然后数字信号在信道分离单元中分离出控制字QAM符号和移动信号I/Q波形，最后将控制字QAM符号通过信道均衡单元和QAM逆映射单元，从而恢复出控制字数据。
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