基于模拟和数字光载无线技术的5G移动前传关键技术研究

发布时间：2020-06-19 22:47

【摘要】：截止目前,我国第4代移动通信用户10.3亿,基站有334万,月户均移动互联网接入流量2.7GB(引自工信部数据)。中美欧日韩均表示要在2020年实现5G(第5代移动通信)商用,分别于2017年11月、2016年7月、2016年11月、2016年7月和2018年发布5G频谱规划。随着高速互联网接入服务、高清虚拟现实多媒体娱乐、物联网技术等应用的蓬勃发展,5G时代全球数据流量将呈指数级别的增长。作为5G集中式无线接入网中核心部分的移动前传,将面临着大容量、高频谱效率、低成本、低延时等各方面挑战。为满足这些需求,基于数字光载无线(D-RoF)和模拟光载无线(A-RoF)的移动前传,分别以其具有非线性容忍度高和高频谱效率的优势,成为国内外的研究热点技术。但另一方面,D-RoF面临频谱效率低的关键问题;A-RoF面临实现复杂度高,非线性失真严重等热点问题,这些都是5G移动前传中亟待解决的。针对以上科学问题,本文开展了系统深入的研究,提出并实验验证了高阶增量总和调制和4级脉冲幅度调制(PAM-4)结合的数字移动前传、采用噪声整形差分脉冲编码调制的数字移动前传、改进的噪声整形脉冲编码调制的数字移动前传、基于数字余弦变换和分段量化的数字移动前传、基于数字域码分复用信道聚合的模拟移动前传、基于数字域码分复用的控制信息与数据波形传输方案。主要创新点如下:(1)针对基于D-RoF的移动前传(简称:数字移动前传)频谱效率低,以及传统的基于增量总和调制的数字移动前传传输性能不够理想的现状,本文提出一种高阶增量总和调制结合PAM-4的数字移动前传。实验结果表明,相比传统的增量总和调制,解调信号的误差矢量幅度(EVM)提升68%以上,同时相比于通用公共无线电接口(CPRI),频谱效率提高3~4倍(见H.Li et al.,Opt.Express,2017,25(1):1-9.)。(2)针对数字移动前传频谱效率低,以及基于差分脉冲编码调制(DPCM)的数字移动前传性能不足的现状,本文提出一种基于噪声整形的DPCM(NS-DPCM)数字移动前传方案,降低量化噪声在正交频分复用(OFDM)信号的数据子载波上的分布。实验结果表明,相比DPCM,解调信号的EVM提升40%以上,同时相比于CPRI,频谱效率提高3~10倍(见H.Li et al.,Opt.Express,2018,26(9):11407-11417.)。(3)基于NS-DPCM的数字移动前传方案存在的两个问题:需要训练序列确定线性预测器系数从而增加开销,以及在空闲子载波上的量化噪声会影响5G场景中的非同步传输。针对这两个问题,本文提出了一种改进的基于噪声整形的脉冲编码调制算法,用于高频谱效率的数字移动前传。采用改进的噪声整形滤波器,进一步降低量化噪声功率在OFDM信号的数据子载波上的分布,以及采用低通滤波器,从而获得更好的旁瓣抑制比,以适应非同步业务对信号波形的要求。实验结果表明,相比之前的NS-DPCM,信号量化噪声比可以提高5.7dB,同时旁瓣抑制比也有~50dB的提高(见H.Li et al.,Technical Digest of ECOC’2018,2018.paper Tu3B.4.)。(4)针对基于频分复用的信道聚合技术用于模拟移动前传时,存在计算复杂度高的热点问题,本文提出基于数字域码分复用(CDM)的高频谱效率低复杂度信道聚合技术。用符号选择和加法的操作代替了快速傅里叶变换/快速傅里叶逆变换,相比于基于频分复用的数字信道聚合,将实数乘法操作数降低至0次,同时保持了同样的传输性能(见H.Li et al.,Technical digest of OFC’2017,2017.paper Th3A.5.)。(5)针对5G中多站点之间协作通信需要控制信息高质量、高频谱效率传输的关键问题,本文提出了基于数字域码分复用的控制信息与数据波形传输架构设计,将控制信号用正交幅度调制(QAM),并分配相应的正交码,再与基带OFDM信号一同经过CDM信道聚合,经过一条光纤链路传输。实验结果表明,在接收光功率大于-22dBm的情况下,OFDM无线信号能高质量的恢复,同时16QAM控制信号可以无误码传输(见H.Li et al.,IEEE Photon.Journal,2018,10(2):Article#:7902710.)。(6)针对数字移动前传频谱效率低,以及当前数字移动前传中降低量化噪声的方法都是用相同数量的量化比特将每个基带OFDM信号样本点数字化,且这些方法难以进一步提升频谱效率的现状,本文提出了一种基于数字余弦变换(DCT)结合分段量化的数字移动前传方案,将OFDM信号的实部、虚部分别经过DCT变换得到一组能量集中的系数,再对系数进行分段量化。实验结果表明,相比CPRI,频谱效率提高4~12倍(见H.Li et al.,Opt.Letters,2018,43(20):5130-5133.)。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.5

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