面向移動前傳的大容量光接入網技術

李隆勝 胡衛(wèi)生

摘要：針對未來移動接入網大容量低成本的前傳傳輸需求，提出并研究了可用于承載移動業(yè)務的高速無源光網絡（PON）的新型數(shù)字均衡技術和新型調制編碼方式，設計了針對光纖承載的增強型通用公共無線接口（eCPRI）的數(shù)據(jù)壓縮方案。其中，基于強度分類的均衡器能夠高能效地消除傳輸系統(tǒng)非線性;調制編碼方案利用無線信號量化數(shù)據(jù)的權重差異，在光接口處采用非均勻4電平脈沖幅度調制（PAM4）信號及比特交織映射，提升傳輸魯棒性;eCPRI上行壓縮方案通過根據(jù)前傳鏈路負載自適應調整接口的量化精度，降低前傳接口量化精度，進而提升傳輸效率。

關鍵詞：前傳;移動接入網;無源光網絡;數(shù)字信號處理;數(shù)據(jù)壓縮;增強型通用公共無線接口

Abstract： To meet the requirement of the high-capacity and low-cost fronthaul transmission for the future radio access network， a novel digital equalization technology and a new modulation coding scheme for the fronthaul-carrying passive optical network （PON） are proposed， and a data compression scheme for the fiber-based enhanced common public radio interface （eCPRI） is designed. The proposed intensity-directed feed forward equalizer can effectively remove the system nonlinearity at low computational cost. For the CPRI compression， given the significance diversity of quantized bits， the uneven 4-level pulse amplitude modulation （PAM4） is adopted to reinforce the transmission robustness. As for the uplink eCPRI， the load-adaptive flexible quantization scheme is proposed to reduce quantization resolution， thereby enhancing the transmission efficiency of eCPRI.

Key words： fronthaul; radio access network; passive optical network; digital signal processing; data compression; enhanced common public radio interface

受未來移動互聯(lián)網高容量、低時延、大聯(lián)接的應用場景的驅動，第5代移動通信系統(tǒng)（5G）以及超5G（B5G）技術正蓬勃發(fā)展。以低成本網絡提供高質量通信業(yè)務將是影響5G未來發(fā)展的關鍵因素。其中，定義為終端到邊緣數(shù)據(jù)中心或核心網邊緣網關的移動接入網（RAN）對于5G的性能與成本有重大影響，也是5G眾多新型網絡、傳輸技術的目標領域[1]。以云化無線接入網（C-RAN）[2]和下一代前傳接口（NGFI）[3]為代表的集中化無線接入網架構是低成本實現(xiàn)接入網的重要技術之一。此類架構中，無線基帶處理資源被全部或部分地集中在中心機房側并構成基帶單元池（BBU），而遠端基站退化為射頻拉遠單元（RRU）且功能極大地被簡化。BBU與RRU之間的通信鏈路被稱為前傳鏈路（fronthaul）。由于5G高空口帶寬、密集布站、大規(guī)模多天線陣列等技術的演進，前傳傳輸?shù)膸掗_銷巨大，因此基于光纖接入網的前傳承載方案的優(yōu)勢日益凸顯。然而，基于傳統(tǒng)的通用共無線接口（CPRI）標準[4]，5G單站點帶寬需求將達到百吉比特每秒量級[5]，這對于成本敏感的光纖接入網而言也是一大挑戰(zhàn)。目前在接入網領域，以無源光網絡（PON）為代表的直調直檢短距離傳輸系統(tǒng)，由于成本低，建設、運維方便等優(yōu)勢受到運營商與設備商的青睞。如何基于PON傳輸鏈路的現(xiàn)有特點，并且針對前傳業(yè)務特性實現(xiàn)高效傳輸是5G技術演進中的重要的研究方向。

本文中，圍繞面向前傳傳輸?shù)牡统杀靖呷萘抗饨尤刖W中的關鍵技術，我們介紹了該領域最新的一些相關研究成果，主要內容包括以下3個方面：（1）針對低成本PON系統(tǒng)中的啁啾等非線性效應，提出了基于強度分類的前饋/反饋均衡器;（2）針對CPRI中無線基帶信號有量化比特具權重差異，比特位的誤碼率對于信號保真度影響程度不同設計了非均勻4電平脈沖幅度調制（PAM4）信號與比特交織映射，提升了傳輸系統(tǒng)的保真度;（3）針對極具應用前景的增強版CPRI（eCPRI），提出了根據(jù)上行數(shù)據(jù)流量動態(tài)變化的這一顯著特點，負載自適應地調整前傳接口量化精度的數(shù)據(jù)壓縮方案。

1 高速低成本PON中的新型均衡技術

低成本直調直檢系統(tǒng)是承載前傳傳輸較為經濟的方案，但也給前傳擴容帶來諸多限制。一方面系統(tǒng)帶寬受限，導致符號間串擾嚴重。傳統(tǒng)的前饋均衡器（FFE）以及反饋均衡器（DFE）對于消除系統(tǒng)線性低通響應有顯著作用。由于DFE與FFE相對復雜度低，以及高速芯片工藝日趨成熟，數(shù)字信號處理（DSP）的應用已成為未來PON與前傳應用的一大趨勢[6]。另一方面，系統(tǒng)所采用的直接調制激光器（DML）帶來的啁啾效應，以及其他低成本非線性光、電器件的引入會使得系統(tǒng)有嚴重的非線性響應。消除非線性響應需要引入非線性均衡器，但諸如Volterra的非線性均衡器涉及信號采樣值之間的高階運算，導致其計算復雜度極高而降低了實際應用的可行性。針對此問題，我們提出了一種基于強度分類的FFE/DEF均衡器（ID-FFE/ID-DFE）[7]，在接近線性計算復雜度的前提下，達到優(yōu)于Volterra均衡器的性能。

1.1 ID-FFE/ID-DFE原理

基于強度分類的均衡器主要針對PAM信號，文中我們以PAM4信號分析。圖1對比了傳統(tǒng)FFE/DFE與所提ID-FFE/ID-DFE的架構。由于FFE可以視作是把反饋抽頭系數(shù)全部置零的DFE，這里不失一般性地只分析DFE與ID-DFE。和DFE相同，ID-DFE均衡器先對接收信號x（n）進行前饋均衡然后進行判決反饋均衡，其不同之處在于所提均衡器中所有抽頭系數(shù)并非固定，而是有4組（對應PAM4）系數(shù)可選。對于前饋抽頭系數(shù)，均衡器首先對接收信號x（n-P/K）按幅度分類，根據(jù)分類切換抽頭系數(shù)。對于PAM4，需要設置3個門限{Th1，Th2，Th3}將接收信號分成4類，每一類信號對應的抽頭系數(shù)需要單獨訓練，訓練完成后存儲為{WP，0， WP，1， WP，2， WP，3}。之后在實際負載信號傳輸時，系統(tǒng)將根據(jù)當前x（n-P/K）的分類，實時更新前饋抽頭系數(shù)。對于反饋均衡器系數(shù)，判決后的y（m）已經把信號分為4類，因此在訓練系數(shù)及處理負載信號時，可以根據(jù)y（m）更新濾波器反饋抽頭的系數(shù){VQ，0， VQ，1， VQ，2， VQ，3}，而不需要引入額外判決過程。

ID-DFE中對x（n-P/K）分類的準確性會極大地影響均衡效果。當鏈路環(huán)境較差，直接使用ID-FFE，其分類能力不夠準確。文中我們設計在ID-FFE/ID-DFE前串聯(lián)一個pre-FFE來消除部分符號間串擾（ISI），提升判決的準確度，然后再進行ID-FFE/ID-DFE均衡。

1.2 ID-FFE/ID-DFE實驗傳輸結果與啁啾抑制性能

為此我們搭設了56 Gbit/s的高速直調直檢實驗傳輸系統(tǒng)，試驗系統(tǒng)采用PAM4調制格式。系統(tǒng)發(fā)射端不涉及DSP，所有DSP均為后處理。實驗中，所有結果均是在驅動電信號峰峰值、DML輸出光功率最優(yōu)的情況下測量得到。

圖2給出了0～35.9 km下的傳輸結果，其中FFE和ID-FFE的階數(shù)均為21階，接收端過采樣率為2。圖2a）中，由于ID-FFE/ID-DFE能消除部分系統(tǒng)非線性，其性能略好于FFE/DFE，即使在0 km下，啁啾帶來的非線性很弱。相對地，傳輸距離達到35.9 km時，ID-FFE與ID-DFE性能優(yōu)勢凸顯，且只有ID-DFE能滿足2×10-3的誤碼門限。

此外，進一步對比ID-FFE/DFE與Volterra的計算復雜度：以35.9 km來分析，1階和3階記憶長度設為31和3（3階長度大于3時沒有明顯提升），此時2種均衡器效果相同;而此時Volterra所需乘法次數(shù)為233，遠大于ID-FFE/DFE。所提的均衡器在較低復雜度下改善了低成本高速短距傳輸系統(tǒng)的性能，對前傳光鏈路的擴容有顯著效果。

2 承載CPRI業(yè)務的比特交織映射與非均勻PAM4光調制

2.1 系統(tǒng)原理

CPRI接口基于Option 7的基帶功能劃分方式[8]，傳輸?shù)氖腔鶐r域波形經過采樣、量化、編碼后的數(shù)據(jù)。量化后的數(shù)據(jù)無論是基于線性量化或者非線性量化，不同比特位對應的權重是不同的，這導致不同比特位上的誤碼對于基帶信號的損傷程度也有不同。目前，業(yè)界的主要研究方向之一是提升單波長的傳輸速率。但由于低成本器件性能的限制，PAM4類型的高階調制格式的引入，以及更高的分光比需求，光傳輸鏈路的誤碼性能受到嚴重惡化。當傳輸鏈路無法滿足無誤碼時，如何保持前傳鏈路魯棒性，將是一大挑戰(zhàn)。本文中我們提出了一種量化比特交織映射到非均勻PAM4信號的方案[9]。

圖3給出了此方案前傳接口處的信號處理流程。模擬基帶時域信號x（t）首先被模數(shù)轉換器（ADC）轉換為數(shù)字信號。根據(jù)CPRI協(xié)議，每個碼字保留15位有效量化位數(shù)。在本方案中，15位比特被分為高階有效位（7位）和低階有效位（8位）2組。2組比特位交織排列，然后根據(jù)格雷碼關系映射到PAM4信號上，其中碼字的高階組被映射到PAM4信號的高有效位上（1stb），低階組被映射到低有效位上（2stb）。從圖3中可以看到，符號2和符號3之間（即中間眼）的誤判會導致PAM4高有效位的錯誤，符號1與符號2之間以及符號3與符號4之間的誤判，會導致PAM4低有效位錯誤。擴大符號1、2間距能夠降低PAM4高有效比特的誤碼率，即降低量化碼字中高階有效位的誤碼，其代價是增加低有效比特的誤碼，即增加低階有效位的誤碼。PAM4信號通過光路傳輸后，在接收端可直接通過硬判決被恢復。最后，將交織的采樣比特恢復成正常的順序，重建無線基帶信號。此方案中收發(fā)機都沒有采用復雜信號處理。

2.2 實驗系統(tǒng)結構

為了驗證所提方案在有系統(tǒng)誤碼情境下的優(yōu)越性，我們設計了如圖4所示系統(tǒng)實驗。高階組和低階組的比特分別由2個獨立的脈沖碼型發(fā)生器（PPG，Keysight N4951B）產生，信號速率為12.5 Gbaud/s， 即鏈路速率為25 Gbit/s。系統(tǒng)中外腔調制器（EML）與PD的3 dB帶寬分別為33 GHz和40 GHz。接收端信號由數(shù)字示波器（LeCroy SDA 845Zi-A）2路二進制啟閉鍵控（OOK）信號的峰峰值經過合理的調整，可實現(xiàn)不同的非均勻比例。

2.3 實驗結果分析

圖5中可以看到，對于20 km系統(tǒng)，當[γ=2]時，系統(tǒng)性能始終是最優(yōu)的。圖5c）給出最優(yōu)[γ]隨接收光功率變化的結果。在0 km和20 km傳輸系統(tǒng)中，相對于傳統(tǒng)PAM4方案，所提方案中信號的EVM分別降低10 dB和13 dB。

3 針對eCPRI鏈路負載波動的彈性量化方案

傳統(tǒng)的類CPRI前傳接口劃分采用的是Option 8[8]，此方式下前傳傳輸?shù)呢撦d數(shù)據(jù)是連續(xù)不斷的時域信號采樣量化值，其數(shù)據(jù)量巨大，即使通過光纖傳輸媒介也難以滿足5G應用需求。CPRI技術組提出的eCPRI標準采用了新型劃分點下行劃分點1（IID）和上行劃分點2（IU），分別對應上行、下行鏈路且二者都是基于Option7。此時鏈路中傳遞的負載信息是基帶處理中間過程中時頻空間中的資源塊（RB）。新的標準使前傳數(shù)據(jù)量顯著降低，適合工業(yè)界實際部署[10]。與CPRI不同的是，eCPRI鏈路數(shù)據(jù)并非持續(xù)不斷，而是和實際無線終端用戶負載直接相關。因此，前傳接口采用eCPRI必定會帶來鏈路負載的波動，考慮到潮汐效應等問題，負載波動極大地降低了鏈路平均利用率。針對此問題，我們提出了一種用于eCPRI上行接口的動態(tài)調整RB量化精度的負載自適應方案。其核心思想可以概括為：在輕負載時段采用全分辨率量化RB，量化精度根據(jù)現(xiàn)有報道可設為8～10 bit。當鏈路過載時段，通過動態(tài)減少量化精度，合理丟棄最低有效位來達到降低鏈路速率的目的[11]。通過此方式，鏈路的峰值速率能得到有效抑制，進而在光接入帶寬不變的情況下，滿足更大容量的無線接入（以可支持的RB數(shù)目衡量）?；蛘?，在支持RB數(shù)目指標不變的前提下，大幅節(jié)省光傳輸資源。

3.1 eCPRI冗余量化比特分析

和CPRI中采樣量化數(shù)據(jù)類似，eCPRI上行中負載數(shù)據(jù)是對時頻域的同相正交信號（IQ），或稱資源格子（RE），進行采樣量化。從整個無線光纖鏈路上來看，采樣編碼后的碼字所包含的信息量由2部分決定：無線鏈路的信噪比、前傳接口上的量化精度（即碼字的位寬）。經過簡單地推導，我們可以得到碼字中每一位比特對應的信息量。

從圖6中可以看到，在考慮上行空口信干噪比（SINR）的情形下，量化比特包含的信息量隨有效位索引（index）增長而降低，隨空口SINR增長而增加。其次，此三維圖底面的白色、粉色、紅色區(qū)域分別代表相比于量化前的信息量（只考慮SINR），量化后信息容量損失3%，2%，1%所需要的最少量化位寬。此結果表明對于eCPRI接口，大量的量化比特位相對來講是冗余的，丟失這部分比特對于整體光纖無線信道容量的損失很少。因此，我們提出在高負載狀態(tài)下，以傳送RB/RE數(shù)目為首要目標，合理地減少量化精度。另一方面，無線網絡高負載情況下，往往導致空口信號質量下降，即更多的信號趨向于分布在低SINR區(qū)間。因此，高負載下冗余比特出現(xiàn)的概率更高，此時采用緊縮的量化策略更為合理。

3.2 基于3GPP標準系統(tǒng)的eCPRI彈性量化方案仿真分析

為提供可靠且具有參考價值的結果，我們基于Matlab搭設了符合第3代合作計劃（3GPP）標準的無線上行物理層（PHY）與低介質訪問層（Low-MAC）仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)單用戶設備（UE）的通信。其中無線信道通過5 Hz多普勒頻移下的擴展步行者信道模型（EPA-5）信道傳輸仿真，用以實現(xiàn)信號與SINR隨時間變化。圖7中，所提負載自適應方案（LAFQB）是以相較于固定8比特方案節(jié)省40%傳輸帶寬為目標來設計。圖7a）的映射表存儲于收發(fā)端，圖7b）為在典型4G站點配置下，固定8比特量化方案與所提負載自適應彈性量化方案中單個UE吞吐量的比較?？梢钥吹剑捎谒岱桨甘且环N有損壓縮，在高負載情形下信號質量受到一定影響而導致單個終端速率降低，但即使是在滿負載的狀態(tài)下?lián)p失也只有不到2%。圖7c）中線路速率，所提方案把請求的峰值帶寬抑制到只有對照組的60%，極大地提升了前傳光鏈路的傳輸效率。

此外，上行eCPRI的壓縮還可以引入消除瑞利衰落信道帶來的影響的技術[12]。通過補償瑞利信道衰落來減少IQ信號的動態(tài)范圍，可以有效地節(jié)省前傳量化精度。

4 結束語

高速移動前傳網絡將是未來光接入網增長的重要驅動之一。隨著芯片工藝進步與成本下降，通過先進的數(shù)字信號處理手段提升單波長傳輸容量與性能將是未來光接入網的發(fā)展趨勢，也是業(yè)界研究工作的主要發(fā)力點。同時針對前傳數(shù)據(jù)的特征使用新型編解碼、調制格式也能夠顯著提升鏈路性能。通過構建無線前傳協(xié)同系統(tǒng)，根據(jù)前傳負載與空口信號質量靈活調整eCPRI參數(shù)，前傳網絡將變得更加智能與高效。多層次的技術革新將會更好地推進5G與B5G接入網絡的落地。

致謝

本研究得到區(qū)域光纖通信網與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室畢美華博士后、張闊博士、忻海云博士的幫助，謹致謝意！