CN117978279A - 一种K-means数字模拟光纤无线电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线电技术领域，公开了一种K‑means数字模拟光纤无线电方法。所述K‑means数字模拟光纤无线电方法包括如下步骤：S1、离线生成模拟RoF信号，模拟RoF信号既可以是OFDM也可以是DMT信号；S2、对模拟RoF信号进行K‑means非均匀量化生成数字PS‑(2R+1)2‑QAM/PS‑(2R+1)‑PAM符号，量化因子为R；S3、计算模拟RoF信号非均匀量化后的残余量化误差；S4、将模拟RoF信号的数字量化信号与残余模拟量化误差信号进行时域交织，生成时分复用(TDM)的KDA‑RoF信号。本发明提出的K‑means数字模拟光纤无线电方法，解决了前人研究的DA‑RoF方案中，量化噪声大、SQNR低、量化噪声畸变对原始OFDM/DMT重构影响剧烈等问题，相比A‑RoF和DA‑RoF方案提升了SNR，同时解决了数字光纤无线电(D‑RoF)方案频谱效率低、CPRI‑EDR低等问题。
Description
技术领域
本发明属于无线电技术领域，涉及正交频分复用(OFDM)/离散多载波(DMT)信号的K-means非均匀量化技术，量化误差提取技术，时分复用技术，以及通信系统收发端的数字信号处理(DSP)算法，尤其涉及一种K-means数字模拟光纤无线电方法。
背景技术
移动数据流量的快速增长给网络运营商带来了重大挑战，预计流量将从2017年的14艾字节/月激增至2023年的惊人的110艾字节/月。智能设备的广泛使用对网络容量造成了相当大的压力，运营商难以满足不断增长的需求。为了解决这种异常高的数据流量，迫切需要大幅增强网络致密化。一种普遍建议的降低致密化成本的解决方案是采用云无线接入网络(C-RAN)，它带来了各种好处，例如增加容量以及减少资本和运营支出。在C-RAN架构中，基带单元(BBU)集中在办公室，而远程无线电单元(RRU)则战略性地部署在每个接入站点。前传链路主要利用光纤，在BBU和RRU之间建立连接。目前，商业前传解决方案的主导标准协议是数字通用公共无线电接口(CPRI)。然而，值得注意的是，CPRI协议引入了显着的带宽效率低下问题，需要大量容量，大约是用户数据速率的16倍。作为替代方法，模拟光纤无线电(A-RoF)方案提出了较低RRU成本的优势，并通过直接传输未改变的信号波形来获得更高水平的频谱效率(SE)。然而，这种方法在传输过程中更容易受到噪声和非线性损伤的影响，导致恢复的信噪比(SNR)和误差矢量幅度(EVM)下降。
最近，混合数字模拟光纤无线电(DA-RoF)方案取得了显着的发展，提出了SNR和SE之间的平衡折衷。在之前的一项研究中[X.Liu,"Hybriddigital-analogradio-over-fiber(DA-RoF)modulationandde modulationachievingaSNRgainoveranalogRoFof>10dBathalvedspectralef ficiency,"inOpticalFiberCommunicationConference(2021),paperTu5D.4.]，研究人员使用强度调制和直接检测(IM-DD)系统成功传输了8-GbaudDA-RoF信号。与A-RoF方法相比，这一成就带来了12.8dB的显着SNR增益，尽管SE减半。在此成果的基础上，DA-RoF方案在标准单模光纤(SSMF)[Y.Xuetal.,"Coherentdigital-analogradio-over-fiber(DA-RoF)systemwithaCPRI-equivalentdataratebeyond1Tb/sforfronthaul,"OptExpress30,29409-29420(2022).]和非耦合7芯光纤[Y.Zhu,C.Zhang,X.Zeng,H.Jiang,Y.Xu,X.Xie,Q.Zhuge,andW.Hu,"1λ10.5Tb/sCPRI-equivalentrate1024-QAMtransmissionviaself-homodynedigital-analogradio-over-fiberarchitecture,"inEuropeanConferenceonOpticalCommunication(2022),paperTh3A.5.]双偏振相干系统中得到了进一步验证。参考文献[Y.Zhu,C.Zhang,J.Lin,Y.Xu,Q.Zhuge,W.Hu,Z.Chen,W.Hu,andX.Xie,"203.6Tb/sCPRI-equivalentrate1024-QAMDA-RoFfronthaulwithcomb-basedWDMandSDMsuperchannel,"inOpticalFiberCommunicationConference(2023),paperTh4C.6.]展示了DA-RoF方案在基于梳状波分复用和空分复用(WDM/SDM)超级通道内的成功传输，实现了总CPRI等效数据速率(CPRI-EDR)203.6Tb/s.得益于数字部分出色的抗噪声性能，DA-RoF方案有效保留了原有OFDM/DMT的大部分特性。然而，DA-RoF方案中的模拟量化误差仍然容易受到噪声和非线性的影响。模拟部分的保真度降低阻碍了精确的OFDM/DMT重建，从而降低了恢复的SNR。为了提高模拟量化误差的保真度，研究人员通过δ-Σ调制(DSM)[M.Wang,J.Yu,X.Zhao,W.Li,Y.Wei,X.Yang,J.Shi,C.Bian,T.Xie,F.Zhao,J.Yu,W.Zhou,andK.Wang,"SNRimproveddigital-delta-sigma-modulationradio-over-fiberschemeforD-band4.6-kmphotonics-aidedwirelessfronthaul,"Opt.Lett.48,3997-4000(2023).]和脉冲编码调制(PCM)[M.Wangetal.,"SNRimproveddigital-cascaded-pulse-code-modulationradio-over-fiberschemesupporting16,777,216QAMformobilefronthaul,"J.Opt.Commun.Netw.15,948-957(2023).]等方法研究了残余模拟误差的再次数字化。然而，模拟部分的重新量化会导致所需带宽的增加，从而导致CPRI-EDR的降低。
在上述RoF方案中，模拟OFDM/DMT信号的量化采用均匀量化方案。然而，对于非均匀分布信号(例如OFDM、DMT)，均匀量化方案提出了较低的信号量噪功率比(SQNR)界限。
因此，本发明提出无线前传场景中的一种解决方案，即一种新颖的K-means数字模拟光纤无线电方法解决上述技术问题。
发明内容
基于上述提出的技术问题，本发明提出一种K-means数字模拟光纤无线电方法，解决前人研究的DA-RoF方案中，量化噪声大、SQNR低、量化噪声畸变对原始OFDM/DMT重构影响剧烈等问题，相比A-RoF和DA-RoF方案提升了SNR，同时解决了数字光纤无线电(D-RoF)方案频谱效率低、CPRI-EDR低等问题。
本发明提出的K-means数字模拟光纤无线电方法，包括如下步骤：
S1、离线生成模拟RoF信号，模拟RoF信号既可以是OFDM也可以是DMT信号；
S2、对模拟RoF信号进行K-means非均匀量化生成数字PS-(2R+1)2-QAM/PS-(2R+1)-PAM符号，量化因子为R；
S3、计算模拟RoF信号非均匀量化后的残余量化误差；
S4、将模拟RoF信号的数字量化信号与残余模拟量化误差信号进行时域交织，生成时分复用(TDM)的KDA-RoF信号；
S5、KDA-RoF信号经过发送端DSP处理，送入通信实验系统中进行传输，并由接收端示波器采样获得接收信号；
S6、接受信号经过接收端DSP，时分解复用，KDA-RoF信号解调，OFDM/DMT解调后，得到OFDM/DMT携带的超高阶QAM信号；
S7、计算超高阶QAM信号的SNR与EVM，评估方案性能；
所述方法的工作流程为：模拟RoF信号经过KDA-RoF调制，生成了非均匀数字量化信号D1K与残余模拟量化误差信号A1K；这两部分通过TDM技术在时域上进行交织，生成KDA-RoF符号，经过发送端数字信号处理后，通过任意波形发生器(AWG)产生KDA-RoF电信号，送入通信传输系统中进行传输；接收端通过数字示波器(OSC)采样，然后进行DSP处理与KDA-RoF信号解调，恢复出OFDM/DMT信号，再对OFDM/DMT解调，恢复出OFDM/DMT携带的原始高阶QAM信号，并计算SNR与EVM，从而评估方案性能。
优选的，所述模拟RoF信号既可以是OFDM信号也可以是DMT信号。
优选的，所述OFDM/DMT信号服从高斯分布，模拟RoF信号量化后的信号为PS-QAM/PS-PAM。
优选的，由于采用了K-means非均匀量化方案，所以产生的数字信号星座点间的距离不同，信号概率密度高的地方量化间隔小，星座点密集，反之，信号概率密度低的地方量化间隔大，星座点稀疏。
优选的，所述方法适用于多种通信系统，包括但不限于光子辅助的毫米波太赫兹系统、全电毫米波太赫兹系统、极化复用的相干传输系统、直调直检系统、多模/多芯光纤传输系统，具有很好的普适性。例如，在光子辅助的毫米波/太赫兹系统中，KDA-RoF电信号在I/Q调制器中完成电-光转换，与另一路光信号在光电探测器(PD)中拍频产生毫米波/太赫兹电信号，并通过天线和透镜进行自由空间传输，接收端的天线接收高频电信号后，经过低噪声放大器与混频器，将高频信号下变频至中频，然后由示波器进行采样，将采样下来的数据进行接收端DSP与KDA-RoF解调，从而恢复出原始发送符号，用以评估系统的性能提升。
优选的，在光生毫米波/太赫兹系统中，KDA-RoF电信号在IQ调制器中完成电-光转换，与另一路光信号在光电探测器(PD)中拍频产生毫米波/太赫兹射频信号，并通过天线进行自由空间传输，接收端的天线接收高频电信号后，经过低噪声放大器与混频器，将高频信号下变频至中频，然后由示波器进行采样。
优选的，所述接收端DSP与KDA-RoF解调，OFDM解调等是发送端的逆过程。
优选的，所述KDA-RoF的调制参数，比如PS-QAM/PS-PAM阶数、量化因子的大小、量化次数、K-means的初始分类、迭代次数等，都可以根据不同系统、不同的信道特性、不同传输指标等具体情况具体选择。
此外，本发明的关键部分是KDA-RoF的调制与解调，原理如下：模拟RoF信号(在此以OFDM信号为例，DMT同理)S被分成一个数字部分与一个模拟部分。数字部分是由K-means聚类算法产生的非均匀量化的数字信号D1K，由于OFDM信号的时域幅度服从复高斯分布，D1K自然是概率整形的正交幅度调制(PS-QAM)信号。经过K-means非均匀量化后，残留的模拟误差A1K通过(W-D1K)提取，作为KDA-RoF方案中的模拟段。KDA-RoF方案中量化因子(R)的选择涉及恢复的SNR和符号错误之间的权衡。随着量化因子的增大，高阶PS-(2R+1)2-QAM信号封装了更多的原始OFDM信息，导致模拟部分中存在的OFDM特征减少。因此，减轻了A1K的失真对OFDM恢复的影响，有助于提高恢复的SNR。然而，高阶PS-(2R+1)2-QAM信号更容易受到噪声和收发器非线性引起的损害，而数字部分中的符号错误可能导致恢复的SNR下降。因此，需要根据实际信道情况，选取合适的量化因子，从而实现最佳的解调SNR与EVM。此后，将模拟RoF信号的数字量化部分D1K，模拟量化误差部分A1K进行时分复用，生成KDA-RoF信号。KDA-RoF的解调是调制的逆过程。
另外，本发明还有需要补充说明的内容，包括：
(1)DA-RoF的调制参数，比如PS-QAM/PS-PAM阶数，量化因子的大小，量化次数，K-means的初始分类，迭代次数等，都可以根据不同系统，不同的信道特性，不同传输指标等具体情况具体选择，具有很高可调性与适用性。
(2)本发明具有良好的通用性，同时适用于如光子辅助的毫米波太赫兹系统，全电毫米波太赫兹系统，极化复用的相干传输系统，直调直检系统，多模/多芯光纤传输系统等多种应用场景。
(3)OFDM和DMT信号都可作为模拟RoF信号用于此方案
与相关技术相比较，本发明提出的K-means数字模拟光纤无线电方法具有如下有益效果：
本发明提出一种K-means数字模拟光纤无线电方法：
1、本方案采用K-means聚类算法对OFDM/DMT进行非均匀量化，压缩了模拟量化误差，降低了其携带的OFDM/DMT信息，从而降低了模拟误差畸变对OFDM/DMT重构造成的影响，从而进一步提升了解调SNR，此外K-means非均匀量化算法相比于传统的Lloyd算法复杂度更低；
2、相较于A-RoF，本方案提升了OFDM信号的抗噪性能,提升了恢复的无线信号的SNR，实现了超高阶QAM的传输；
3、相比DA-RoF，本方案采用K-means聚类算法对OFDM进行非均匀量化，压缩了模拟量化误差，降低了其携带的OFDM信息，从而降低了模拟误差畸变对OFDM重构造成的影响，从而进一步提升了解调SNR；
4、相比D-RoF，本方案又节约了带宽，大幅提升了CPRI-EDR，实现了信号的高频谱效率传输，为未来无线前传提供了好的解决方案。
附图说明
图1为KDA-RoF方案的具体原理与系统架构图；
图2为OFDM经过K-means非均匀量化后的星座图与放大细节图。
图中标号：
附图1:
S:模拟RoF信号(OFDM/DMT)；
D1K:模拟RoF信号经过K-means后的非均匀量化PS-QAM/PS-PAM符号；
A1K:残余模拟量化误差；
A1K’:系统传输后接收的A1K；
D1K’:系统传输后接收并判决后的D1K；
S’:系统传输后的数字与模拟信号部分相加恢复出的S。
附图2:
S:模拟RoF信号(OFDM/DMT)；
D1K:模拟RoF信号非均匀量化后的信号(以PS-QAM为例)；
Eud1,Eud2,Eud3:K-means非均匀量化后的各个星座点之间的欧式距离。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
请结合参阅图1-2，其中，图1为本发明提出的K-means数字模拟光纤无线电方法的一种较佳实施例的结构示意图；图2为图1所示的A部分放大示意图。
K-means数字模拟光纤无线电方法包括如下步骤：
S1、离线生成模拟RoF信号，模拟RoF信号既可以是OFDM也可以是DMT信号；
S2、对模拟RoF信号进行K-means非均匀量化生成数字PS-(2R+1)2-QAM/PS-(2R+1)-PAM符号，量化因子为R；
S3、计算模拟RoF信号非均匀量化后的残余量化误差；
S4、将模拟RoF信号的数字量化信号与残余模拟量化误差信号进行时域交织，生成时分复用(TDM)的KDA-RoF信号；
S5、KDA-RoF信号经过发送端DSP处理，送入通信实验系统中进行传输，并由接收端示波器采样获得接收信号；
S6、接受信号经过接收端DSP，时分解复用，KDA-RoF信号解调，OFDM/DMT解调后，得到OFDM/DMT携带的超高阶QAM信号；
S7、计算超高阶QAM信号的SNR与EVM，评估方案性能；
所述方法的工作流程为：模拟RoF信号经过KDA-RoF调制，生成了非均匀数字量化信号D1K与残余模拟量化误差信号A1K；这两部分通过TDM技术在时域上进行交织，生成KDA-RoF符号，经过发送端数字信号处理后，通过任意波形发生器(AWG)产生KDA-RoF电信号，送入通信传输系统中进行传输；接收端通过数字示波器(OSC)采样，然后进行DSP处理与KDA-RoF信号解调，恢复出OFDM/DMT信号，再对OFDM/DMT解调，恢复出OFDM/DMT携带的原始高阶QAM信号，并计算SNR与EVM，从而评估方案性能。
所述模拟RoF信号既可以是OFDM信号也可以是DMT信号。
所述OFDM/DMT信号服从高斯分布，模拟RoF信号量化后的信号为PS-QAM/PS-PAM。
由于采用了K-means非均匀量化方案，所以产生的数字信号星座点间的距离不同，信号概率密度高的地方量化间隔小，星座点密集，反之，信号概率密度低的地方量化间隔大，星座点稀疏。
所述方法适用于多种通信系统，包括但不限于光子辅助的毫米波太赫兹系统、全电毫米波太赫兹系统、极化复用的相干传输系统、直调直检系统、多模/多芯光纤传输系统。
在光生毫米波/太赫兹系统中，KDA-RoF电信号在IQ调制器中完成电-光转换，与另一路光信号在光电探测器(PD)中拍频产生毫米波/太赫兹射频信号，并通过天线进行自由空间传输，接收端的天线接收高频电信号后，经过低噪声放大器与混频器，将高频信号下变频至中频，然后由示波器进行采样。
所述接收端DSP与KDA-RoF解调，OFDM解调等是发送端的逆过程。
所述KDA-RoF的调制参数，比如PS-QAM/PS-PAM阶数、量化因子的大小、量化次数、K-means的初始分类、迭代次数等，都可以根据不同系统、不同的信道特性、不同传输指标等具体情况具体选择。
在本发明中，OFDM和DMT信号都可作为模拟RoF信号用于此方案，而在此以OFDM为例进行方案阐述：
如附图1所示，输入的OFDM信号S被非均匀量化，生成数字部分D1K，如附图2所示，鉴于模拟OFDM信号的幅度遵循复高斯分布，所得数字段D1K本质上表现为PS-r-QAM信号，其中r等于(2R+1)2，R为量化因子，其决定了量化信号的量化格式。从附图2的放大图中可以看出，量化级别之间的距离不同，分布越密集的小信号部分，量化间隔越小，而分布概率低的大信号部分，量化间隔很大，这种非均匀量化有助于减小量化误差。量化后，非均匀量化误差A1K为由(W-D1K)提取。然后，数字部分D1K和模拟部分A1K分别进行归一化，最后通过TDM技术聚合以生成KDA-RoF信号。
KDA-RoF解调是调制的相反过程，如附图1所示。输入信号通过时分解复用技术解聚合，分离的数字和模拟段被放大到原始幅度水平。经过一系列的判决和加法运算，OFDM波形S’可以由恢复的数字部分D1K’和模拟A1K’重构。重构后的OFDM解调为超高阶QAM信号，并计算其解调SNR与EVM，从而评估方案性能。
与相关技术相比较，本发明提出的K-means数字模拟光纤无线电方法具有如下有益效果：
本方案采用K-means聚类算法对OFDM/DMT进行非均匀量化，压缩了模拟量化误差，降低了其携带的OFDM/DMT信息，从而降低了模拟误差畸变对OFDM/DMT重构造成的影响，从而进一步提升了解调SNR，此外K-means非均匀量化算法相比于传统的Lloyd算法复杂度更低；
相较于A-RoF，本方案提升了OFDM信号的抗噪性能，提升了恢复的无线信号的SNR，实现了超高阶QAM的传输；
相比DA-RoF，本方案采用K-means聚类算法对OFDM进行非均匀量化，压缩了模拟量化误差，降低了其携带的OFDM信息，从而降低了模拟误差畸变对OFDM重构造成的影响，从而进一步提升了解调SNR；
相比D-RoF，本方案又节约了带宽，大幅提升了CPRI-EDR，实现了信号的高频谱效率传输，为未来无线前传提供了好的解决方案。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种K-means数字模拟光纤无线电方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、离线生成模拟RoF信号，模拟RoF信号既可以是OFDM也可以是DMT信号；
S2、对模拟RoF信号进行K-means非均匀量化生成数字PS-(2R+1)2-QAM/PS-(2R+1)-PAM符号，量化因子为R；
S3、计算模拟RoF信号非均匀量化后的残余量化误差；
S4、将模拟RoF信号的数字量化信号与残余模拟量化误差信号进行时域交织，生成时分复用(TDM)的KDA-RoF信号；
S5、KDA-RoF信号经过发送端DSP处理，送入通信实验系统中进行传输，并由接收端示波器采样获得接收信号；
S6、接受信号经过接收端DSP，时分解复用，KDA-RoF信号解调，OFDM/DMT解调后，得到OFDM/DMT携带的超高阶QAM信号；
S7、计算超高阶QAM信号的SNR与EVM，评估方案性能；
所述方法的工作流程为：模拟RoF信号经过KDA-RoF调制，生成了非均匀数字量化信号D1K与残余模拟量化误差信号A1K；这两部分通过TDM技术在时域上进行交织，生成KDA-RoF符号，经过发送端数字信号处理后，通过任意波形发生器(AWG)产生KDA-RoF电信号，送入通信传输系统中进行传输；接收端通过数字示波器(OSC)采样，然后进行DSP处理与KDA-RoF信号解调，恢复出OFDM/DMT信号，再对OFDM/DMT解调，恢复出OFDM/DMT携带的原始高阶QAM信号，并计算SNR与EVM，从而评估方案性能。
2.根据权利要求1所述的K-means数字模拟光纤无线电方法，其特征在于，所述模拟RoF信号既可以是OFDM信号也可以是DMT信号。
3.根据权利要求1所述的K-means数字模拟光纤无线电方法，其特征在于，所述OFDM/DMT信号服从高斯分布，模拟RoF信号量化后的信号为PS-QAM/PS-PAM。
4.根据权利要求1所述的K-means数字模拟光纤无线电方法，其特征在于，由于采用了K-means非均匀量化方案，所以产生的数字信号星座点间的距离不同，信号概率密度高的地方量化间隔小，星座点密集，反之，信号概率密度低的地方量化间隔大，星座点稀疏。
5.根据权利要求1所述的K-means数字模拟光纤无线电方法，其特征在于，所述方法适用于多种通信系统，包括但不限于光子辅助的毫米波太赫兹系统、全电毫米波太赫兹系统、极化复用的相干传输系统、直调直检系统、多模/多芯光纤传输系统。
6.根据权利要求5所述的K-means数字模拟光纤无线电方法，其特征在于，在光生毫米波/太赫兹系统中，KDA-RoF电信号在IQ调制器中完成电-光转换，与另一路光信号在光电探测器(PD)中拍频产生毫米波/太赫兹射频信号，并通过天线进行自由空间传输，接收端的天线接收高频电信号后，经过低噪声放大器与混频器，将高频信号下变频至中频，然后由示波器进行采样。
7.根据权利要求1所述的K-means数字模拟光纤无线电方法，其特征在于，所述接收端DSP与KDA-RoF解调，OFDM解调等是发送端的逆过程。
8.根据权利要求1所述的K-means数字模拟光纤无线电方法，其特征在于，所述KDA-RoF的调制参数，比如PS-QAM/PS-PAM阶数、量化因子的大小、量化次数、K-means的初始分类、迭代次数等，都可以根据不同系统、不同的信道特性、不同传输指标等具体情况具体选择。
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