光纖無(wú)線融合傳輸為5G鋪路

第五代移動(dòng)通信（簡(jiǎn)稱(chēng)“5G”）是為滿(mǎn)足智能終端的普及以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展而正在研究開(kāi)發(fā)的新一代移動(dòng)通信技術(shù)。未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)應(yīng)該體現(xiàn)大容量、低能耗、低成本三大技術(shù)要求?，F(xiàn)已商用的3G和4G，射頻信號(hào)均采用純無(wú)線傳輸，其重要特征是基站和天線的一體化架構(gòu)。而未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)，與現(xiàn)有的3G和4G具有極大的不同，一是天線數(shù)目可能從4根增至128根，致使基站的處理能力倍增，能耗也相應(yīng)增大，可能需要機(jī)房設(shè)施升級(jí)；二是天線覆蓋范圍由數(shù)公里縮小至數(shù)百米，這就要求基站數(shù)目大幅增加，進(jìn)一步形成能耗和成本壓力；三是大規(guī)模天線陣列射頻信號(hào)數(shù)字化的總傳輸容量預(yù)計(jì)將達(dá)到T比特量級(jí)，傳統(tǒng)的信號(hào)傳輸方式成本將會(huì)很高。為了解決5G傳輸存在的瓶頸問(wèn)題，“光纖無(wú)線融合傳輸”成為國(guó)際上面向5G開(kāi)展研究的關(guān)鍵熱點(diǎn)技術(shù)之一。

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的豐富應(yīng)用帶動(dòng)了移動(dòng)數(shù)據(jù)量的激增。據(jù)預(yù)測(cè)，隨著智能終端的快速普及以及互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，到2020年移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量將增長(zhǎng)1000倍，這就給移動(dòng)和無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。為了在網(wǎng)絡(luò)大幅擴(kuò)容的同時(shí)滿(mǎn)足綠色和低成本的運(yùn)營(yíng)要求，5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率和能量效率都需要在4G標(biāo)準(zhǔn)上提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層面，基于云架構(gòu)大規(guī)模協(xié)作的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)建大容量、綠色和低成本5G網(wǎng)絡(luò)的最佳選擇。云架構(gòu)無(wú)線接入網(wǎng)利用光纖分配網(wǎng)絡(luò)連接云機(jī)房的基帶處理單元（BBU）和室外的遠(yuǎn)端射頻頭（RRH），可以通過(guò)BBU“云”化方式極大減少基站機(jī)房的數(shù)量，減少配套設(shè)備特別是空調(diào)的能耗（目前約占總能耗的33%）；減少小區(qū)覆蓋以及大規(guī)模天線協(xié)作，大幅提高射頻功率效率（目前約占總能耗的30%）；網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)資源協(xié)同調(diào)度避免負(fù)載時(shí)段潮汐效應(yīng)造成的大量發(fā)射功率浪費(fèi)；集中化大規(guī)模協(xié)作，變小區(qū)間干擾為增益，大幅度提高頻譜效率；軟件定義無(wú)線電技術(shù)靈活支持多標(biāo)準(zhǔn)，從而降低運(yùn)營(yíng)成本。

在無(wú)線傳輸技術(shù)層面，大規(guī)模陣列天線多輸入多輸出（Massive MIMO）技術(shù)以其在頻譜效率、能量效率、魯棒性及可靠性方面巨大的潛在優(yōu)勢(shì)，可能成為未來(lái)5G通信中具有革命性的技術(shù)之一。多天線多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)能夠充分挖掘空間維度資源，顯著提高頻譜效率和功率效率，已經(jīng)成為4G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前的IMT-Advanced（4G）標(biāo)準(zhǔn)采用了基于多天線的MIMO傳輸技術(shù)，利用無(wú)線信道的空間信息大幅提高頻譜效率。但是現(xiàn)有4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的8端口多用戶(hù)MIMO（MU-MIMO）不可能滿(mǎn)足頻譜效率和能量效率的數(shù)量級(jí)提升需求。大規(guī)模陣列天線MIMO技術(shù)是MIMO技術(shù)的擴(kuò)展和延伸，其基本特征就是在基站側(cè)配置大規(guī)模的天線陣列（從幾十至幾千），利用空分多址（SDMA）原理，同時(shí)服務(wù)多個(gè)用戶(hù)。

利用新型的低成本光纖無(wú)線融合傳輸技術(shù)替換常規(guī)的無(wú)線傳輸技術(shù)，把遠(yuǎn)端ADC/DAC等數(shù)字化單元?jiǎng)冸x并上移到基帶池云機(jī)房，通過(guò)光纖中多域混合復(fù)用技術(shù)，如頻分復(fù)用、波分復(fù)用和偏振復(fù)用等，用光信號(hào)“直接”傳輸未經(jīng)數(shù)字化的天線，待發(fā)射或接收到幾十甚至幾百路模擬無(wú)線信號(hào)，就可以構(gòu)建大規(guī)模陣列天線MIMO技術(shù)與大規(guī)模協(xié)作的云架構(gòu)完美結(jié)合的5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

低成本光纖無(wú)線融合傳輸系統(tǒng)具有全新的結(jié)構(gòu)。其關(guān)鍵技術(shù)包括：基于光纖無(wú)線融合傳輸?shù)募惺交鶐С丶夹g(shù)、面向大規(guī)模協(xié)作陣列天線的多域復(fù)用光載射頻傳輸技術(shù)、大規(guī)模協(xié)作配置下時(shí)變光纖信道與空間信道聯(lián)合信道估計(jì)技術(shù)等。

研究“面向5G的光纖無(wú)線融合傳輸”關(guān)鍵技術(shù)，需要將恒溫工作的基帶信號(hào)處理基站與大規(guī)模天線陣列分離，基站上移到中心機(jī)房，再利用光纖無(wú)線融合傳輸技術(shù)將集中處理的基站射頻信號(hào)送至遠(yuǎn)端天線陣列。與現(xiàn)有的3G和4G純無(wú)線傳輸系統(tǒng)相比較，“光纖無(wú)線融合傳輸”具有明顯的優(yōu)越性：第一，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端無(wú)機(jī)房和低能耗的天線陣列，大幅降低5G網(wǎng)絡(luò)的能耗；第二，可以構(gòu)建遠(yuǎn)端無(wú)機(jī)房基站，大幅度降低5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和維護(hù)成本；第三，基于光纖承載射頻技術(shù)，單根光纖可以傳輸128路天線射頻信號(hào)，可極大提高5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量。