5G基站前传和中传的无线光通信方案设计

5G基站前传和中传的无线光通信方案设计

渊中国电子科技集团公司第三十四研究所袁广西桂林1004冤

杨乾远袁孙晖袁马拥华袁刘学

摘要院针对光缆不能达到5G基站前传和中传的应用场景袁提出采用无线光通信手段解决其大容量的无线传输需求袁并提出了无线光通信系统的设计方案遥采用4通道无线光传输的方案实现最高100Gb/s的通信速率曰搭建了无线光通信测试系统进行测试袁测试结果表明无线光通信设备可以在1.1km的通信距离达到100Gb/s的通信速率袁其通信性能可以满足5G基站前传和中传的要求遥

关键词院无线光通信曰100Gb/s曰自动跟踪曰前传和中传中图分类号院TN929.533文献标识码院A

文章编号院1002-5561渊2019冤09-0023-04

开放科学渊资源服务冤标识码渊OSID冤院

DOI院10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2019.09.005

Designoffreespaceopticalcommunicationschemeforforwardandintermediatetransmissionof5Gbasestation

YANGQianyuan,SUNHui,MAYonghua,LIUXue

渊The34thResearchInstituteofCETC,GuilinGuangxi1004,China冤

Abstract:Inviewoftheapplicationscenariothatopticalcablecannotreach5Gbasestationforwardandintermediatetransmission,thispaperproposestousefreespaceopticalcommunicationmeanstosolveitslargecapacitywirelesstransmissionrequirements,andputsforwardthedesignschemeoffreespaceopticalcommunicationsystem.Four-channelwirelessopticaltransmissionschemeisusedtoachievethehighestcommunicationrateof100Gb/s.Afreespaceopticalcommunicationtestsystemisbuilttotestthesystem.Thetestresultsshowthatthefreespaceopticalcommunicationequipmentcanreachthecommunicationrateof100Gb/satacommunicationdistanceof1.1km,anditscommunicationperformancecanmeettherequirementsof5Gbasestationforwardandintermediatetransmission.

Keywords:freespaceopticalcommunication;100Gb/s;automatictracking;forwardandintermediatetransmission

0引言

第五代移动通信渊5G冤被誉为野数字经济新引擎冶袁为自动驾驶尧物联网尧虚拟现实/增强现实渊VR/AR冤社交尧大数据尧云计算尧区块链尧人工智能和智能制造等提供关键支撑袁是人类社会生产尧生活方式产生又一次重大变革的技术基础遥随着工信部向中国电信尧中国移动尧中国联通和中国广电发放5G商用牌照袁标志着5G正式开始商用化袁5G离我们越来越近遥5G基站

收稿日期院2019-08-07遥

作者简介院杨乾远渊1980-冤袁男袁四川合江人袁大学本科学历袁高级工程师遥主要研究方向是无线光通信技术遥负责完成和即将完成的省部级尧国家级项目10余项曰获得省部级科技进步三等奖2项遥

作为5G网络覆盖的基础袁其规模将会越来越大袁要完成我国5G信号的全覆盖袁预计要建设大量的室外基站遥由于5G的频段高尧覆盖范围小以及5G基站在市区的建设密度大袁且部分5G基站建设时会受到地形环境等因素的袁导致光缆无法达到袁需要采用无线传输方式解决基站的接入遥在国外袁由于土地私有化等因素袁在基站建设时光缆到位率差袁大概有30%以上的基站需要采用无线接入的方式遥5G基站的接入网络分为前传尧中传和回传袁前传速率为25Gb/s袁中传速率为25耀100Gb/s袁回传速率在100Gb/s以上袁如此高的通信速率是目前传统的无线通信手段毫米波/微波通信无法解决的遥而无线光通信是采用激光为载波的一种点对点的无线通信方式袁其具备通信容量大尧不占用能到达的5G基站接入的最佳无线通信手段遥

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频谱资源和不向外辐射电磁波等特点[1]袁是解决光缆不

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之间称之为前传曰DU与CU之间称之为中传曰CU与核

5G基站接入网络的结构分为有源天线单元渊AAU冤尧分布单元渊DU冤和集中单元渊CU冤遥AAU与DU心网络渊EPC冤的连接称之为回传遥CU尧DU和AAU可以采取分开部署和合并部署的方式袁所以会出现多种网络部署形态袁其接入网络结构如图1所示遥

15G基站无线接入需求分析

的情况遥由于基站需要根据网络的覆盖情况进行部署袁在市区受地形环境等因素影响时袁光缆不能到达的地方大多为AAU和DU部署的地方袁即前传和中传遥而前传和中传的距离通常在1km以内袁距离较近袁雨尧雾和大气湍流等恶劣天气不会对无线光通信造成影响袁可以充分发挥无线光通信容量大的优势袁所以袁无线光通信将是解决光缆不能到达基站前传和中传的最佳无线传输手段遥

2无线光通信系统设计

针对光缆不能到达5G基站前传和中传对无线光通信的应用需求袁本文设计了无线光通信系统袁其原理图如图2所示遥系统主要由通信处理单元尧光学天线单元和自动跟踪单元组成遥通信处理单元主要完成接口转换尧光电转换尧纠错编码尧信号复用/解复用尧电光转换和光功率放大等处理遥光学天线单元主要完成

图15G基站接入网络结构

发射激光束的扩束尧整形以及接收光信号的汇聚尧滤光和耦合等处理遥自动跟踪单元主要完成激光束的实时精确自动跟踪遥

2.1通信处理单元设计

针对无线光通信的通信主要有相干通信和强度调制/直接探测渊IM/DD冤通信遥相干光通信可以通过相移键控尧正交振幅调制等多种格式的高阶调制袁实现大容量的通信袁其接收灵敏度比IM/DD通信高约10耀20dB遥目前袁应用最成熟的数字相干光通信是通过模数渊AD冤转换采样将信号转换到数字域

通常情况下袁前传尧中传和回传都采用光纤连接遥前传距离在几百米以内袁采用增强通用公共无线电接口渊eCPRI冤袁通信速率在25Gb/s以内曰中传通过10GE尧25GE尧50GE或100GE接口采用光缆连接袁

通信速率要求在10耀100Gb/s之间袁在市区时距离通常在1km以内曰回传主要是CU与核心网之间的连接袁通信速率最大可能达到100Gb/s以上袁CU通常会选择条件较好的汇聚机房部署袁不会出现光缆不能到达

图2无线光通信系统实现原理图

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处理袁再通过数字信号处理器或现场可编程门阵列等数字信号处理技术来对中频信号进行二次解调袁并对各种噪声尧信道损伤进行均衡等复杂的数字信号处理袁需要用到的窄线宽激光器尧相干光调制器尧混频器尧平衡探测器和高速AD等袁价格昂贵尧成本高遥另外袁无线相干光通信必须将接收光信号耦合到单模光纤袁对自动跟踪精度要求高袁使自动跟踪单元更加复杂袁成本增加遥

IM/DD的通信是通过调制激光信号的强度来传输信号的通信方式袁它的优点是结构简单尧易于实现尧技术成熟和成本低袁相关关键器件环境适应性好尧可靠性高袁是激光通信应用最广泛的通信遥为了降低成本尧便于无线光通信的工程应用推广袁本文采用IM/DD的通信遥

一般单个基站需要部署3耀4个扇面天线来保证360毅的无线信号覆盖袁所以袁前传时单基站通常需要在AAU与DU之间传输3耀4路25Gb/s的光信号曰而中传一般是采用10GE尧25GE尧50GE或100GE接口连接遥根据5G基站前传和中传的需求袁无线光通信系统最高通信速率设计为100Gb/s遥通信处理单元由接口转换电路尧发射信号处理电路尧调制驱动器尧密集波分

连接DU和CU遥在无线光传输线路侧处理方案与前传时相同袁采用这种方案的优点是可以提高无线光通信系统的通用性袁针对前传和中传应用环境只需更换用户侧光模块即可遥

2.2光学天线单元设计

光学天线设计采用1路发射尧4路接收的光路结构袁光学天线前面板布局如图3所示遥整个光路由发射主镜尧接收主镜尧次镜尧滤光片尧聚焦镜和光纤滤光器等组成遥发射和接收光路均采用透射式结构袁主镜采用非球面透镜遥为了保证在不同的通信距离使光学天线接收的光斑能同时覆

图3光学天线光路布局示意图

盖4个接收镜筒袁发射光路采用可变焦设计袁通过改变次镜与主镜的距离来实现发散角的调节遥发射主镜口径设计为25mm袁主镜和次镜的距离设计为134.5耀144mm渊可调节冤袁变焦范围为0.5耀5mrad渊连续可

渊DWDM冤激光器尧波分复用器尧光功率放大器尧光电探测器尧放大电路和接收信号处理电路等组成遥

当无线光通信系统用于前传时袁单基站需要同时传输4路25Gb/s的光信号袁提供4路透明传输光接口袁每路最大通信速率为25Gb/s袁用户侧光模块选择与AAU和DU接口兼容的光模块遥4路光接口分别通过光电转换将信号转换为电信号袁再对4路信号分别DWDM激光信号袁经光功率放大后通过光学天线发射出去遥为了保证足够的接收功率余量来抵抗雨尧雾等恶劣天气对链路光功率的衰减袁光功率放大输出功率设计为80mW遥在接收端采用4路接收镜筒分别对4路DWDM激光信号进行接收袁并进行光/电转换袁解码后再转换为与用户接口兼容的激光信号曰接收光电探测器采用雪崩光电二极管渊APD冤探测器袁在25Gb/s通信速率时接收灵敏度可达到-18dBm遥在光学天线端采用DWDM激光信号进行收发的主要目的是可以通过滤光的方式来实现4路空间激光信号的相互隔离袁避免4路信号间的相互干扰遥

10GE尧25GE尧50GE或100GE的接口连接袁在用户侧选与10GE尧25GE尧50GE尧100GE兼容的光模块来

当无线光通信系统用于中传时通常是采用进行纠错编码袁然后将4路信号转换为4个波长的

变冤遥4路接收光路每路接收1个波长的光信号袁采用了两级滤光的方式院第一级滤光采用空间滤光的方式袁在接收聚焦镜前加滤光片袁滤光片带宽为5nm袁主要滤除空间背景光袁减小背景光对通信的影响曰第二级滤光采用光纤滤光的方式袁将滤光片通过钢管与光纤封装在一起袁带宽为0.8nm袁从4个波长中滤出1个目标波长的光信号袁隔离其它3个波长遥为了减小设备的体

积重量袁接收透镜口径不易太大袁设计为60mm袁耦合到62.5滋m的多模光纤袁数字孔径为0.25袁焦距为设计为120mm袁接收视场为0.52mrad遥

根据设计参数袁4路信号发射总功率为80mW袁每路信号发射功率为20mW渊即13dBm冤袁发射光路效率为95%袁发射光发散角最小为0.5mrad袁接收口径为60mm袁接收光路的主镜尧次镜尧滤光片和聚焦镜等透

过率引起的损耗为1dB遥耦合损耗包括空间光耦合到光纤的损耗0.5dB和光纤耦合到APD探测器的损耗为3dB袁APD接收灵敏度为-18dBm袁大气损耗按照工程经验为1dB/km袁按照最远通信距离1km计算链路功率冗余袁如表1所示遥接收功率冗余为10.8dB袁可以保证在雨尧雾等恶劣天气条件下通信的可靠性遥2.3自动跟踪单元设计

应用于5G基站前传和中传的无线光通信设备是

基于固定点架设袁通常安装在铁塔尧楼顶等确保没有阻挡空间光链路的高点遥由于发射激光束的发散角

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表1链路功率冗余计算列表

参数发射功率发射光路损耗数值单位13.0-0.3dBmdB发散角几何损耗-15.4dB备注每路信号光发射功率为13dBm发射光路效率为95%为0.5mrad袁接收口径为冤2+360mm袁通信距离为1km袁考虑光斑的AAU袁1套无线光通信系统最多可连接4个扇面天线的AAU曰当用于中传时袁通过1套无线光通信系统袁经10GE尧25GE尧50GE或100GE的接口连接DU和CU遥

为了验证用于5G基站前传和中传的无线光通信性能袁本文对无线光通信系统进行了外场测试袁测试连接如图5所示遥通信距离为1.1km袁误码测试仪采用安立的MP1900A型测试仪袁该测试仪单通道测试速率可达到25Gb/s遥由于只有1台测试仪袁在测试时将测试仪光输出接口通过1分4的光纤分路器分别接入一端无线光通信设备的4个光输入接口袁保证4个通道均有测试信号在传输曰另一端无线光通信设备的光输出和光输入接口环回袁误码仪通过环回测试轮流分别对

高斯分布袁计算公式为10lg渊大气损耗接收光路损耗1.0-1.0dBdB大气散射和吸收引起的损耗主镜尧次镜尧滤光片和聚焦镜等透过率引起的损耗空间光耦合到62.5滋m光纤的损耗62.5滋m光纤耦合到APD探测器损耗光纤耦合损耗APD耦合损耗光功率-0.5-3.0-7.2-1810.8dBdBdBmdBmdBAPD接收到的APD接收灵敏度功率冗余25Gb/s时接收灵敏度为-18dBm-4路接收信号进行通信误码率测试袁测试仪通信速率设置为25Gb/s袁测试时长为241h袁期间经历了雨尧雾和晴天强湍流等天气袁统计通信误码率为1.25伊10-10袁可以满足5G基站前传和中传对误码率的要求遥

-小袁铁塔尧高楼的刚性晃动袁以及安装支架的热胀冷缩等因素都可能导致激光束偏离接收镜头袁出现接收功率变小而使通信质量下降甚至通信中断袁需要采用自动跟踪技术来保证两端光学天线始终处于精确对准状态遥由于固定点架设对跟踪速度的要求较低袁所以采用低成本的基于功率检测的自动跟踪方案遥自动跟踪单元由二维步进转台和自动跟踪控制器组成袁主要是根据接收功率的大小来调节光学天线的俯仰和方位轴袁搜索到两端光学天线同时接收到最大功率的光束指向位置袁用于调节俯仰和方位轴的执行机构采用步进电机驱动的二维转台[2]遥

图5无线光通信系统测试连接示意图

4结束语

无线光通信具备大容量尧不占用频谱资源等特点袁是解决光缆不能到达5G基站前传和中传的最佳无线传输手段遥本文针对5G基站前传和中传介绍了无线光通信系统的设计思路尧工作原理及试验情况袁试验验证了无线光通信系统的大容量通信性能袁为后续工程应用收集了数据尧奠定了基础遥本次试验仅仅只是验证了无线光通信系统的通信容量和通信性能袁下一步还需要将无线光通信系统连接到5G基站的前传和中传网络中上业务进行验证袁并根据验证的情况进一步对接口尧编码等进行改进袁同时还需要完善网管功能遥参考文献

[1]徐林袁刘立国袁甘润袁等.单波道10Gb/s大容量无线光通信设备设计和实验研究[J].光通信技术袁2016袁40渊9冤院50-52.[2]曾智龙袁王志勇袁雷利娟袁等.一种新型155Mb/s大气激光通信机研制[J].光通信技术袁2009袁33渊6冤院38-40.3应用连接与试验结果分析

应用于5G基站前传和中传的无线光通信应用连接示意图如图4所示遥当用于前传时袁通过1套无线光通信系统传输4路25Gb/s的光信号袁连接DU到基站

图45G基站前传和中传的无线光通信应用连接示意图

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