基于光纖傳送網(wǎng)的5G 移動(dòng)通信前傳關(guān)鍵技術(shù)探討

蔣耀宇

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司東莞分公司，廣東 東莞 523000）

0 引言

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展與現(xiàn)代化先進(jìn)技術(shù)的支持下，當(dāng)前我國移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及其技術(shù)研究領(lǐng)域中也取得了較為顯著的突破和發(fā)展成就。其中，與傳統(tǒng)的3G、4G 技術(shù)相比，5G 移動(dòng)通信作為一種更為先進(jìn)的新型技術(shù)，在我國移動(dòng)通信領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，并且取得了較好的應(yīng)用效果。值得注意的是，5G移動(dòng)通信技術(shù)形式下，對光纖傳送網(wǎng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的移動(dòng)通信前傳技術(shù)設(shè)計(jì)與構(gòu)建是整個(gè)技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用的核心，而當(dāng)前的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，其前傳網(wǎng)絡(luò)多采用CPRI 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，并不能很好的滿足5G 移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)需求，需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜以及扇區(qū)、天窗數(shù)量更多的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)形式構(gòu)建，以實(shí)現(xiàn)更高的網(wǎng)絡(luò)通信帶寬獲取，從而在新的前傳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與功能支持下，對5G 移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)需求進(jìn)行滿足。因此，本文將通過對5G 移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等分析，對基于光載射頻技術(shù)的移動(dòng)通信前傳技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行研究，以供參考。

1 5G 移動(dòng)通信技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀分析

5G 移動(dòng)通信技術(shù)是最新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)。5G 移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用，逐漸推動(dòng)了5G通信時(shí)代以及現(xiàn)代社會(huì)的全面信息化時(shí)代到來。需要注意的是，5G 移動(dòng)通信技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展作為推動(dòng)5G 通信時(shí)代以及現(xiàn)代社會(huì)全面信息化實(shí)現(xiàn)的最為關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，又是以移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用作為基礎(chǔ)支持的。而當(dāng)前我國移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展中，隨著無線網(wǎng)絡(luò)的接入應(yīng)用，在無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持下的BBU 池組化實(shí)現(xiàn)，也是其技術(shù)發(fā)展的重要方向和趨勢，而這種技術(shù)模式在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與發(fā)展中，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對基帶資源的有效結(jié)合運(yùn)用，而且能夠提升其網(wǎng)絡(luò)通信中的頻率資源利用率，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量擴(kuò)展和增加。在上述BBU 池組化趨勢下的基帶池架構(gòu)，與傳統(tǒng)的無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)存在較大的不同，能夠在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)與組建中，利用網(wǎng)絡(luò)寬帶中較為靈活的BBU 以及RRU 通信接口，來對移動(dòng)通信過程中無線信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定以及低延遲、低誤碼功能需求進(jìn)行滿足，從而達(dá)到更好的移動(dòng)通信傳輸與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)效果[1-2]。

2 5G 移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)架構(gòu)及特點(diǎn)分析

集中式/云無線接入網(wǎng)絡(luò)（C-RAN）是以當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與技術(shù)發(fā)展條件為支持的一種新型無線接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也是5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和構(gòu)建中所采用的主要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)模式，其具體架構(gòu)如圖1 所示。在該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，BBU 作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的基帶單元結(jié)構(gòu)部分，其在網(wǎng)絡(luò)通信與信號(hào)傳輸中主要進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的處理功能提供和支持，而RRU 作為信號(hào)傳輸?shù)纳漕l拉遠(yuǎn)單元部分，則是以射頻信號(hào)傳輸與接收為主。此外，根據(jù)該網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)形式可看出，其基本結(jié)構(gòu)組成主要包含BBU 與RRU 兩個(gè)功能單元，并且對兩個(gè)單元之間采用CPRI（通用公共無線電接口）或者是OBSA（開放式基站架構(gòu)聯(lián)盟）進(jìn)行連接與定義。其中，CPRI 作為C-RAN 結(jié)構(gòu)中最為常見的通信接口協(xié)議模式，主要由數(shù)據(jù)鏈路結(jié)構(gòu)層和物理層組成，并且對C-RAN 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的基站數(shù)據(jù)處理控制單元以及基站收發(fā)單元之間的接口關(guān)系進(jìn)行定義，能夠直接對直放站數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)端傳輸支持。

圖1 C-RAN 網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)分析

3 基于光載射頻技術(shù)的移動(dòng)通信前傳技術(shù)應(yīng)用

3.1 光載射頻技術(shù)概述

所謂光載射頻技術(shù)，即將射頻信號(hào)直接加載在光波上，然后利用光纖對信號(hào)進(jìn)行傳送，接收端配置有光電探測器，該設(shè)備的作用是將光纖傳送來的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換成射頻信號(hào)，然后對用戶端利用天線發(fā)送射頻信號(hào)，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。光載射頻系統(tǒng)中包含中心站、基站及連接BS 與CS 的光纖鏈路；CS 擔(dān)負(fù)自愿分配、調(diào)制解調(diào)基帶及射頻信號(hào)、交換路由等工作；BS 負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換光電信號(hào)、收發(fā)射頻信號(hào)等；通過光纖鏈路將BS與CS 連接。

圖2 光載射頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1.1 中心站調(diào)制方式

在光載射頻系統(tǒng)中，調(diào)制方式包含兩種：外調(diào)制與直接調(diào)制。直接調(diào)制方式的激光器驅(qū)動(dòng)電流為射頻信號(hào)，激光器對輸出的光波強(qiáng)度進(jìn)行控制，產(chǎn)生光載射頻信號(hào)；外調(diào)制則與激光器無直接關(guān)系，是在激光器外完成的調(diào)制方式，如電光、磁光、聲光等調(diào)制，經(jīng)激光器輸出的光波經(jīng)晶體，在外加電場的作用下，產(chǎn)生磁光、電光或彈光等效應(yīng)，加載信號(hào)的射頻信號(hào)為晶體驅(qū)動(dòng)的電壓，對外調(diào)制器輸出光信號(hào)的相位、幅度、頻率等進(jìn)行控制。直接調(diào)制技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)性高、原理簡單等優(yōu)勢，但因激光器的頻率啁啾及馳豫振蕩問題，對數(shù)據(jù)速率及調(diào)制帶寬存在局限；而外調(diào)制中調(diào)制器與激光器相互獨(dú)立，激光器對射頻信號(hào)的調(diào)制影響較小，因此數(shù)據(jù)速率及調(diào)制帶寬相對較高。

3.1.2 基站探測方式

現(xiàn)階段，在光載射頻系統(tǒng)中，接收端采用光電探測器，其優(yōu)勢在于響應(yīng)帶寬高、噪聲小等；探測器數(shù)據(jù)的光功率與光電流呈正比，如一組光信號(hào)中包含多個(gè)頻率成分時(shí)，各頻率分量在廣場模平方之和組成光電流直流部分，各頻率分量光信號(hào)通過外差拍頻方式得到光電流射頻部分，然后從光電流中將需傳輸給無線用戶終端的射頻信號(hào)提取出來，通過天線傳送給用戶[3]。

3.1.3 光載射頻技術(shù)的優(yōu)勢

通過光載射頻技術(shù)的分析可知，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在如下五方面：第一，光載射頻技術(shù)的實(shí)施，是對當(dāng)前光纖傳送網(wǎng)中光纖通信的優(yōu)勢充分利用：損耗低、帶寬大、抗電磁干擾能力強(qiáng)等；第二，隨著投入使用的射頻信號(hào)頻率不斷提高、數(shù)據(jù)速率不但加快，因電子瓶頸效應(yīng)的存在，高頻高速率信號(hào)在電域處理難度不斷增大，而光載射頻系統(tǒng)中在光電轉(zhuǎn)換前，濾波、移相等信號(hào)處理完全可在光域內(nèi)完成；第三，光載射頻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，BS 單元的組成比較簡單，主要包含射頻收發(fā)裝置、放大電路及光電探測器等設(shè)備，基站的大小、成本均可有效控制；第四，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)共傳，利用無線接入的射頻信號(hào)與有線接入的基帶信號(hào)，在光波上可同時(shí)利用光載射頻技術(shù)加載，然后利用光電探測器轉(zhuǎn)換，提供不同的業(yè)務(wù)類型；第五，光載射頻技術(shù)的應(yīng)用場景多元，除在移動(dòng)通信接入網(wǎng)中應(yīng)用外，在軍事網(wǎng)絡(luò)、智慧交通系統(tǒng)等場景中均可應(yīng)用。

3.2 基于光載射頻系統(tǒng)的模擬前傳網(wǎng)絡(luò)

該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是在C-RAN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中引入光載射頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)在移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)中傳輸，在BBU中集中了價(jià)格昂貴的模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器件，使RRU 結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化。在C-RAN 網(wǎng)絡(luò)中引入光載射頻技術(shù)，在為用戶提供多種業(yè)務(wù)服務(wù)的同時(shí)，基礎(chǔ)設(shè)施、資源也得到高度共享，大大提升了用戶的體驗(yàn)感受。在當(dāng)前5G 移動(dòng)通信的快速發(fā)展中，對移動(dòng)通信容量、速率要求大幅提升，相比數(shù)字移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)，基于光載射頻技術(shù)的模擬移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)速率、時(shí)延、信號(hào)帶寬等方面優(yōu)勢更加明顯，如在相同速率傳輸情況下，模擬移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)需要的帶寬更小，且在信號(hào)抖動(dòng)、同步等方面要求更低。現(xiàn)階段，基于光載射頻系統(tǒng)的模擬移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)方案主要針對單一頻段實(shí)現(xiàn)，集中在高頻毫米波段或低于6 GHz 的低頻波段，因此在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案方面主要包含基于副載波復(fù)用的中頻前傳網(wǎng)絡(luò)、基于時(shí)分復(fù)用低頻前傳網(wǎng)絡(luò)及基于毫米波的前傳網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)論

本文對基于光載射頻技術(shù)的模擬移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行研究，實(shí)際中還有諸多移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案，如基于模擬與數(shù)字混合組網(wǎng)的移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)、基于多模多核光纖復(fù)用的移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)、基于高低頻混合組網(wǎng)的移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)等，均在5G 移動(dòng)通信光纖傳送網(wǎng)中匹配度較高。雖然模擬移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)發(fā)展時(shí)間較短，技術(shù)也尚未完全成熟，但在5G 移動(dòng)通信技術(shù)的推動(dòng)下及光載射頻技術(shù)的研究中，該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案的優(yōu)勢已經(jīng)非常明顯：第一，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，系統(tǒng)中中心站-基站結(jié)構(gòu)與移動(dòng)前傳中BBU-RRU 結(jié)構(gòu)的匹配度較高，所有在移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)中完全可融入光載射頻系統(tǒng)；第二，在頻譜方面，5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)需要的頻率波段較高，而本文研究的高頻毫米波段在光纖傳輸中進(jìn)行數(shù)據(jù)加載與5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)需求相符，應(yīng)用的可行性較高；第三，在組網(wǎng)方面，5G 網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)一直都是超密集組網(wǎng)方向，而基于光載射頻技術(shù)的模擬移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)鏈路中RRU 結(jié)構(gòu)簡單，符合密集部署的要求；第四，在時(shí)延方面，5G 網(wǎng)絡(luò)對時(shí)延要求更高，為增強(qiáng)用戶的體驗(yàn)，RRU 端光載射頻信號(hào)探測、收發(fā)等處理均比較簡單，時(shí)間延遲可大幅降低。

事實(shí)上，對基于光纖傳送網(wǎng)的5G 移動(dòng)通信前傳關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，能夠?yàn)?G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案的設(shè)計(jì)和合理選擇應(yīng)用提供有效的參考和支持，從而促進(jìn)基于光纖傳送網(wǎng)的5G移動(dòng)通信技術(shù)進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用。