基于DD-MZM自干擾消除的帶內(nèi)全雙工光載無線系統(tǒng)

俞映紅，肖石林，張云昊，張少杰，馮翰林，周 釗

（1.上海交通大學(xué) 區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240；2.國家電網(wǎng)湖南省電力公司信息通信公司，長沙410000）

基于DD-MZM自干擾消除的帶內(nèi)全雙工光載無線系統(tǒng)

俞映紅1，肖石林1，張云昊1，張少杰1，馮翰林1，周 釗2

（1.上海交通大學(xué) 區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240；2.國家電網(wǎng)湖南省電力公司信息通信公司，長沙410000）

為提升無線頻譜資源利用率，擴(kuò)展無線通信容量，設(shè)計了一種帶內(nèi)全雙工光載無線系統(tǒng)。系統(tǒng)基于雙驅(qū)動馬赫曾德爾調(diào)制器（D D-M ZM）實(shí)現(xiàn)寬工作頻帶的自干擾消除。利用O pt i syst em搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過M at l ab仿真無線信道，驗(yàn)證并分析該帶內(nèi)全雙工無線系統(tǒng)的傳輸性能。

帶內(nèi)全雙工；D D-M ZM；自干擾消除

0　引言

隨著移動通信業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展以及用戶需求的不斷提升，增大傳輸容量、擴(kuò)展覆蓋范圍、提高頻譜利用率成為下一代無線通信接入網(wǎng)絡(luò)的主要研究熱點(diǎn)。在基于波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（WDM-PON）結(jié)構(gòu)的光載無線（RoF）通信系統(tǒng)中，相比于頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）而言，應(yīng)用帶內(nèi)全雙工傳輸模式（用同一頻帶同時傳輸上下行信號）倍增了頻譜利用率，從而增加了無線通信的傳輸容量。

帶內(nèi)全雙工系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問題是帶內(nèi)自干擾。接收天線接收到鄰近發(fā)射天線發(fā)出的強(qiáng)干擾信號。該干擾信號與接收信號占用相同的頻帶，無法通過預(yù)選帶通濾波器濾掉，只能通過安置在接收天線后級的自干擾消除系統(tǒng)消除。自干擾消除技術(shù)包括電子學(xué)方案和光學(xué)方案。電子學(xué)方案成本較低、易于集成，但是由于電子器件的帶寬、線性度等因素，僅可在10MHz級別的較窄頻帶內(nèi)抑制自干擾信號[1,2]。光學(xué)方案則利用光學(xué)器件的寬帶寬、高精度等特點(diǎn)，采用平衡光電探測、巴倫（Balun）等技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬帶自干擾信號的消除。平衡光電探測需要兩路光路實(shí)現(xiàn)自干擾消除，應(yīng)用范圍受到一定限制[3]。Balun方案則因光功率耦合相減時兩路信號相干性不足，全雙工工作帶寬的提升受到一定限制[4]。為了突破已有技術(shù)的不足，我們提出了基于雙驅(qū)動馬赫曾德爾調(diào)制器(DD-MZM)的自干擾消除方案[5]。

1　應(yīng)用于帶內(nèi)全雙工WDM-RoF系統(tǒng)的DDMZM自干擾消除方案

為便于理解，我們給出如圖1所示的帶內(nèi)全雙工波分復(fù)用光載無線通信系統(tǒng)框圖。應(yīng)用于帶內(nèi)全雙工WDM-RoF系統(tǒng)的DD-MZM光學(xué)自干擾消除方案原理如圖2所示[5]。MZM調(diào)制器可以看作兩個相位調(diào)制器，電信號輸入DD-MZM時，上下兩臂光場相位如式（1）和式（2）表示，其中V1和V2分別表示上下兩臂的驅(qū)動電壓。式（1）中，Vπ（半波電壓）為下臂設(shè)置的偏置電壓，Sn+Si表示受干擾的接收信號，其中Si為有用信號，Sn為干擾信號。式（2）中上臂信號αS′n(τ)為復(fù)制的發(fā)射信號的衰減和延遲，調(diào)節(jié)αS′n(τ)的幅度和延時使αS′n(τ)與Sn的幅度和相位對準(zhǔn)。式（3）、（4）分別是上下兩臂耦合后的輸出光場和輸出光功率。輸出光信號經(jīng)光纖傳輸后到達(dá)光電探測器，通過光功率檢測，消除了接收信號中的自干擾部分,得到Si即接收的有用信號。

圖1　帶內(nèi)全雙工波分復(fù)用光載無線通信系統(tǒng)

圖2　基于DD-MZM的自干擾消除方案

圖3　2.4GHz頻段帶內(nèi)全雙工光載無線仿真系統(tǒng)

DD-MZM光學(xué)自干擾消除方案在光場域中將自干擾信號減去，恢復(fù)出有用信號，相比傳統(tǒng)光學(xué)自干擾消除方案具有信號相干性更強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中已獲得了在0～25GHz頻帶內(nèi)超過27dB的消除深度，即帶內(nèi)全雙工工作頻段可擴(kuò)展到0～25GHz，極大地提升了帶內(nèi)全雙工的無線通信容量。此外，上述系統(tǒng)恢復(fù)的有用信號已調(diào)制到光域，可用單纖長距離傳輸。由于波分復(fù)用系統(tǒng)的一個遠(yuǎn)端天線單元與遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)之間只設(shè)計了一路光路通信，基于DD-MZM的方案相比基于平衡光電探測需要雙光纖的方案更適用于WDM-RoF的光接入網(wǎng)。

2　基于DD-MZM自干擾消除的帶內(nèi)全雙工光載無線系統(tǒng)仿真研究

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了驗(yàn)證基于DD-MZM的帶內(nèi)全雙工光載無線系統(tǒng)的性能，我們利用Optisystem仿真軟件，搭建了如圖3所示的帶內(nèi)全雙工光載無線仿真系統(tǒng)。上下行無線信號的載波均為2.4GHz，采用符合常用無線業(yè)務(wù)調(diào)制格式的64-QAM OFDM信號作為上下行無線傳輸?shù)幕鶐盘?，傳輸速率都?03.125Mb/s，占據(jù)帶寬100MHz。

下行方向，中心局的下行基帶正交頻分復(fù)用（OFDM）信號經(jīng)2.4GHz載波混頻后調(diào)制到光域，經(jīng)由環(huán)形器和單模光纖的傳輸后，在遠(yuǎn)端天線單元的光電探測器中解調(diào)到射頻域。下行射頻信號在發(fā)射到無線信道前，被復(fù)制一份到遠(yuǎn)端天線單元的自干擾消除系統(tǒng)中。經(jīng)過MATLAB仿真的無線信道，下行射頻信號受到由用戶端發(fā)出的帶內(nèi)上行射頻信號的干擾。受干擾的下行射頻信號經(jīng)由用戶端的自干擾消除系統(tǒng)恢復(fù)出所需的信號，并與2.4GHz本振混頻得到下行基帶OFDM信號，再經(jīng)采樣模塊采樣后在MATLAB中進(jìn)行基帶信號處理。上行方向的原理與下行方向基本相同，只是在遠(yuǎn)端天線單元的自干擾消除系統(tǒng)中，恢復(fù)出的上行信號不是直接解調(diào)到射頻域，而是以光載無線的方式經(jīng)由單模光纖傳輸?shù)街行木种羞M(jìn)行解調(diào)，經(jīng)與2.4GHz本振混頻、低通濾波后采樣到MATLAB中進(jìn)行處理。因此，配置在遠(yuǎn)端天線單元中的上行自干擾消除系統(tǒng)同時兼有上行自干擾消除和上行光載無線調(diào)制兩個功能。

在仿真實(shí)驗(yàn)中，通過Optisystem軟件中的MATLAB組件模擬無線信道的特性。無線信道可能是很簡單的直線傳播，也可能會被許多不同的因素所干擾，存在陰影衰落、多徑衰落及多普勒頻移。為了便于分析，我們以理想的加性高斯白噪聲（AWGN）信道作為分析的基礎(chǔ)。在仿真中對發(fā)射信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃p并加入SNR=40的高斯白噪聲，再疊加強(qiáng)自干擾信號的樣本到達(dá)接收端天線，用以模擬帶內(nèi)全雙工模式下射頻信號在無線信道中的發(fā)射與接收規(guī)律。仿真實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)無線信道自干擾信號衰減和延時的特性，調(diào)節(jié)自干擾模塊中的幅度和延時，以最大程度消除接收端的強(qiáng)自干擾信號，恢復(fù)出有用的接收信號。

2.2仿真結(jié)果

圖4為上行信號經(jīng)自干擾消除前后的星座圖對比。圖4(a)表示未進(jìn)行自干擾消除得到的星座圖，可以看到有用信號被強(qiáng)自干擾噪聲淹沒，說明此時誤碼率很高，無法獲得有用的數(shù)據(jù)。圖4(b)是經(jīng)過自干擾消除后的結(jié)果，獲得的星座圖比較清晰，可以恢復(fù)出有用的數(shù)據(jù)。圖4表明該自干擾消除系統(tǒng)具有較好的工作性能。圖5為下行信號的誤差矢量幅度(EVM)曲線圖及上行信號經(jīng)過10km、20km光纖傳輸后的EVM曲線圖。3GPP標(biāo)準(zhǔn)中，64QAM OFDM信號對EVM的最大容忍度是8%。由于下行信號接收功率為-18.4dBm時接收EVM約為8%，所以，上行信號只要滿足經(jīng)過10km光纖時接收功率大于-17.7dBm或經(jīng)過20km光纖時接收功率大于-15dBm，均可實(shí)現(xiàn)64QAM-OFDM的雙向帶內(nèi)全雙工傳輸。由以上仿真結(jié)果可知，該系統(tǒng)可在正常的接收條件下實(shí)現(xiàn)受干擾接收信號的恢復(fù)，并可在比較寬的接收功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)帶內(nèi)全雙工通信。

圖4　自干擾消除前后星座圖對比

圖5　EVM曲線及部分星座圖

3　結(jié)束語

我們通過仿真驗(yàn)證了基于DD-MZM自干擾消除的帶內(nèi)全雙工波分復(fù)用光載無線系統(tǒng)的傳輸性能，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)受干擾接收信號的恢復(fù)，并可在比較寬的接收功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)帶內(nèi)全雙工通信?；贒D-MZM自干擾消除的帶內(nèi)全雙工模式可有效地應(yīng)用于寬帶寬、多業(yè)務(wù)、多用戶類型共存的光載無線接入系統(tǒng)。

[1]GOLLAKOTA S,KATABI D.Zigzag decoding:combating hidden terminals in wireless networks,ACM 2008[C]//Annual International Conference on Mobile Computing and Networking,San Francisco,13-19 September 2008.San Francisco:ACM SIGMOBILE,2008.

[2]JAIN M,CHOI J,KIM T M,et al.Practical,real-time,full duplex wireless.ACM 2011[C]//Annual International Conference on Mobile Computing and Networking,Las Vegas,19-23 September 2011.Las Vegas:ACM SIGMOBILE,2011.

[3]CHANG M P,FOK M,HOFMAIER A,et al.Optical analog self-interference cancellation using electro-absorption modulators[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2013，23(2):99-101.

[4]ZHOU Q,FENG H,SCOTT G,et al.Wideband co-site interference cancellation based on hybrid electrical and optical techniques[J].Optics Letters,2014,39(22):6537-6540.

[5]ZHANG Y,XIAO S,FENG H,et al.Self-interference cancellation using dual-drive Mach-Zehnder modulator for in-band full-duplex radio-overfiber system[J].Optics Express,2015,23(26):33205-33213.

Research on in-band full-duplex radio-over-fiber system based on self-interference cancellation using DD-MZM

YU Ying-hong1,XIAO Shi-lin1,ZHANG Yun-hao1, ZHANG Shao-jie1,FENG Han-lin1,ZHOU Zhao2
(1.State Key Laboratory of Advanced Optical Communication System and Networks, Department of Electronic Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China; 2.State Grid Information&Communication Company of Hunan Electric Power Corp, Changsha 410000,China)

In order to promote wireless spectrum efficiency and enlarge wireless communication throughput, this paper describes a kind of in-band full-duplex radio-over-fiber system.The system employs a dual-drive Mach-Zehnder modulator(DDMZM)and achieves good self-interference cancellation over broad band.Optisystem is used to build a radio-over-fiber system,while Matlab is used to simulate wireless channel,both for proving and analysing the transmission performance of the in-band full-duplex radio-over-fiber system.

in-band full-duplex,DD-MZM,self-interference cancellation

TN929.18

A

1002-5561（2016）05-0005-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.05.002

2016-01-05。

國家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號：61271216）資助。

俞映紅（1992-），女，碩士研究生，主要從事光通信與光無線融合的研究。