一種基于光信能同傳的無(wú)源分布式5G微基站系統(tǒng)

摘要：文章介紹了一種基于光信能同傳的無(wú)源分布式5G微基站系統(tǒng)：遠(yuǎn)端FEM無(wú)須外部供電，無(wú)須基帶處理，只須處理射頻發(fā)射與接收，簡(jiǎn)化了分布式5G微基站系統(tǒng)，降低功耗，節(jié)約成本。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了4收4發(fā)全雙工通信，下行峰值速率為1000 Mbps。光信能同傳系統(tǒng)由于在光纖部分的損耗低，帶寬大，抗干擾能力強(qiáng)，故非常適合遠(yuǎn)距離、大范圍、超高信息密度的分布式5G微基站系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：光信能同傳；RoF技術(shù)；5G全雙工；大帶寬；超高信息密度；5G微機(jī)站

中圖分類號(hào)：TN929.5" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

當(dāng)前，5G網(wǎng)絡(luò)采用的頻率有2515～2675MHz、3300～3400MHz、3400～3600MHz、4800～5000MHz，射頻帶寬達(dá)到100～160MHz，實(shí)現(xiàn)高速率、大帶寬通信。隨著頻率的提高，無(wú)線射頻信號(hào)的路徑損耗增大，不利于遠(yuǎn)距離大范圍的覆蓋^［1］。

文章介紹了一種基于RoF的無(wú)源分布式5G微基站，遠(yuǎn)端FEM無(wú)須外部供電，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大帶寬、超高信息密度的5G信號(hào)覆蓋，設(shè)備簡(jiǎn)潔，布站簡(jiǎn)單。

1 系統(tǒng)介紹

圖1是系統(tǒng)中1個(gè)收發(fā)通道的連接方式。在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，搭建了4個(gè)收發(fā)通道，即1臺(tái)近端RRU加4通道的遠(yuǎn)端FEM，實(shí)現(xiàn)了4發(fā)4收全雙工通信，工作頻率4800MHz～4900MHz，信號(hào)帶寬100MHz，峰值速率大于1000Mbps，EVM小于2.8%。

實(shí)現(xiàn)方法如下：

（1） 光信能同傳：用單模光纖和多模光纖組合，給無(wú)源遠(yuǎn)端FEM傳輸信號(hào)和能量^［2］。

（2） 激光傳能：在近端基站用激光器產(chǎn)生能量激光，用多模光纖傳輸給遠(yuǎn)端FEM，再用光伏電池恢復(fù)電能^［3］，給遠(yuǎn)端FEM的功放、低噪放、光解調(diào)器、光調(diào)制器供電。

（3） 近端基站：實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)處理、基帶信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，射頻小信號(hào)的放大濾波。

（4） 下行信號(hào)RoF處理^［4］：基站的下行射頻小信號(hào)在近端調(diào)制到光波頻段，在單模光纖1傳輸?shù)竭h(yuǎn)端^［5］，光波頻段信號(hào)在遠(yuǎn)端解調(diào)恢復(fù)為射頻信號(hào)，然后遠(yuǎn)端PA放大、Tx濾波，經(jīng)天線轉(zhuǎn)化為無(wú)線信號(hào)。

（5） 上行信號(hào)RoF處理：終端的上行射頻小信號(hào)被遠(yuǎn)端天線接收，經(jīng)過(guò)Rx濾波、LNA放大，在遠(yuǎn)端調(diào)制到光波頻段，在單模光纖2傳輸?shù)浇?，光波頻段信號(hào)在近端解調(diào)恢復(fù)為射頻信號(hào)^［6］，然后給到近端基站處理。

（6） 環(huán)形器：由于近端RRU是TDD模式，Tx和Rx共用1個(gè)射頻口，需要用環(huán)形器把Tx和Rx信號(hào)分開(kāi)。

（7） 衰減器：由于Tx的光調(diào)制器的輸入容易飽和，需要加衰減器保護(hù)。

下行鏈路指標(biāo)仿真結(jié)果如圖2所示。

在遠(yuǎn)端用LNA+高增益PA，增大遠(yuǎn)端的增益，使輸出功率達(dá)到要求；遠(yuǎn)端PA采用低功耗和高線性的功放，使ACPR和EVM達(dá)到要求。

調(diào)制信號(hào)的峰均比為8.5 dB，均值輸出24 dBm時(shí)，峰值功率為32.5 dBm，小于鏈路的OP1 dB，峰值信號(hào)在線性區(qū)。

鏈路增益為-3.4 dB，調(diào)整近端2W RRU的輸出功率為27.4 dBm，使遠(yuǎn)端天線口輸出為24 dBm。

為了降低天線口Tx底噪對(duì)Rx干擾，應(yīng)該增大Tx、Rx天線的距離，增大隔離度。實(shí)測(cè)天線隔離度如表1所示。

上行鏈路指標(biāo)仿真結(jié)果如圖3所示。接收通道在遠(yuǎn)端用2級(jí)LNA，增大前級(jí)的增益，減小后級(jí)損耗對(duì)鏈路NF的影響。級(jí)聯(lián)后的NF是14.88 dB。

2 實(shí)測(cè)結(jié)果

圖4是下行峰值速率測(cè)試的組網(wǎng)圖，UE1端接入系統(tǒng)后，經(jīng)過(guò)如下鏈路：服務(wù)器-gt;交換機(jī)-gt;BBU-gt;RRU-gt;遠(yuǎn)端FEM-gt;無(wú)線側(cè)-gt;UE1，實(shí)現(xiàn)下行峰值速率灌包業(yè)務(wù)。

（1） RRU：實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)和射頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換，功率放大、射頻信號(hào)的線性化、信號(hào)濾波、收發(fā)分離。

（2） BBU：基帶處理單元，5G無(wú)線系統(tǒng)的基帶處理部分，BBU+RRU組成基站，作用是完成無(wú)線接口的基帶處理功能（編碼、復(fù)用、調(diào)制和擴(kuò)頻等）。

（3） 5GC：5G核心網(wǎng)是5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的核心，主要功能有：用戶連接性和移動(dòng)性管理、身份驗(yàn)證和授權(quán)、用戶數(shù)據(jù)管理和策略管理、與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，等。

（4） FTP服務(wù)器：FTP服務(wù)器位于整個(gè)無(wú)線系統(tǒng)的最北向，作用是模擬外部的因特網(wǎng)，對(duì)接入系統(tǒng)的終端進(jìn)行各種業(yè)務(wù)測(cè)試。

實(shí)測(cè)功能與性能總結(jié)如表2所示。

EVM與輸入能量光功率的關(guān)系如表3所示。EVM與輸入能量光功率的變化無(wú)關(guān)。

1km光纖傳能效率測(cè)試結(jié)果如表4所示。1km光纖傳能效率大于10.3%。

3 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的分布式基站系統(tǒng)，射頻拉遠(yuǎn)單元須要外部供電，射頻拉遠(yuǎn)單元須要基帶處理，設(shè)備架構(gòu)復(fù)雜、未能實(shí)現(xiàn)超高信息密度信號(hào)覆蓋，用同軸線做分布式基站時(shí)損耗大，光信能同傳系統(tǒng)的傳能功率低、能量光干擾信號(hào)光，文章有效解決了以上問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了以下功能。

（1）無(wú)源分布式5G基站系統(tǒng)。遠(yuǎn)端FEM無(wú)需外部供電，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大帶寬、超高信息密度的5G信號(hào)覆蓋，設(shè)備簡(jiǎn)潔，布站簡(jiǎn)單。

（2）超高信息密度。信號(hào)帶寬100MHz，下行功率達(dá)到4×250mW，4收4發(fā)全雙工，調(diào)制方式256QAM，下行EVM≤2.8%，下行峰值速率達(dá)到1000Mbps。

（3）光信能同傳。用單模光纖傳輸信號(hào)，多模光纖傳輸能量，改善了隔離度，信號(hào)的EVM與輸入能量光功率的變化無(wú)關(guān)。

參考文獻(xiàn)

［1］楊海林，劉麗娟，彭迪，等.光纖信能共傳技術(shù)研究進(jìn)展［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2021（11）：9-18.

［2］楊海林，王珊，彭迪，等.基于10 km弱耦合七芯光纖的信能共傳技術(shù)［J］.電子學(xué)報(bào)，2024（8）：2557-2562.

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［5］潘曉龍.光載射頻信號(hào)產(chǎn)生方法研究［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2022.

［6］陳光.光載射頻信號(hào)處理若干技術(shù)及應(yīng)用研究［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2021.

（編輯 王永超）

Passive distributed 5G micro base station system based on PoF applied in RoF system

DU" Depeng， TAN" Dongliang*， LIU" Changyuan

（Guangdong Communications amp; Networks Institute， Guangzhou 510663， China）

Abstract：" This paper introduces a passive distributed 5G micro base station system based on poweroverfiber （PoF） applied in radiooverfiber （RoF） system. The far end FEM does not need external power supply and baseband signal processing， but only needs to process RF transmission and reception， which simplifies the distributed 5G micro base station system， reduces power consumption and saves costs. This system implements full duplex communication with 4 receivers and 4 transmitters， with a peak downlink speed up to 1000 Mbps. Because the PoF applied in RoF system has low loss in the optical fiber part， large bandwidth， and strong antiinterference ability， it is very suitable for the distributed 5G micro base station system with long distance， large area， and ultrahigh information density.

Key words： PoF applied in RoF system; RoF technology; 5G full duplex; large bandwidth; ultrahigh information density; 5G micro base station system