在天线与基带处理器之间无线传输模拟信号的方法和系统

摘要

一种无线通信方法和系统，利用光传输技术直接传送模拟信号到天线/从天线直接传送模拟信号，而不ADC/DAC，以致光传送设施可以被更有效地利用且无需改变数字数据速率以适应传送能力，因为独立于数字信号，模拟传输是给定光谱中所固有的。复杂的操作被移到一个集中的位置，以致小区站（基站）是轻便且灵活的。与此相反，涉及天线和控制处理器之间的数字化接口的工业中的标准化的方法受到当前传送技术的能力限制。

说明书

背景

1.发明领域

本发明领域涉及无线通信。具体地，本发明领域涉及在天线与基带处 理器之间经光纤进行模拟信号的光传输。

2.发明背景

第二代（2G）蜂窝无线网络包括三个部署的层级结构：基站收发器 （BTS）、基站控制器（BSC）、和移动切换中心（MSC）。包括BSC、BTS 和天线的部件被称之为基站子系统（BSS）。BSS的演进已经是特别移动组 5（SMG5）和之后的第三代合作伙伴计划（3GPP）的无线接入网络（RAN） 标准的主要焦点。

第三代（3G）蜂窝无线网络，虽然进行了简化，但是继承了这种体系 结构，其中，BSC被移除（即，功能被分到了MSC和BTS中），而BTS 直接被连接到核心网络的网关。在实践中，射频拉远模块（RRU）和基带 处理单元（BBU）被分离（即，功能地分离成两个产品）。因此，对基带 数据的密集的软件处理被从高频（HF）信号接收分离。RRU和BBU之间 最常用的接口是共用公共无线接口或者Ir。对于2G系统，RRU大多与BBU 搭配。但是对于3G系统，RRU被单独地放置（即，RRU被安装在发射塔 的顶部，然而，BBU被安装在塔脚下的设备房里）。用这种方式，一个BBU 可以支持多个RRU，因此数字信号处理设施可以被集中。图1显示的是 3G无线网络体系结构的概观，而图2显示的是3GRAN的体系结构。这 两种图都是根据3GPP标准进行示出的。

第四代（4G）蜂窝无线网络通过进一步扁平化体系结构持续这种趋势。 例如，演进的基站（eNB）被直接连接到移动性管理实体（MME）（核心 网络），且在不同位置的多个天线可以被连接到eNB。图3说明的是4GRAN 的体系结构。

这种趋势通过云-RAN（C-RAN）的概念得以持续，其中光纤被大范 围部署以进一步集中BBU资源。因此，越来越多的RRU可以被单个的 BBU支持，允许云计算的互联网协议（IP）技术提升处理能力和灵活性。 这导致在蜂窝网络中降低功耗和动态资源分配。图4说明的是C-RAN的 体系结构。

如图5所示，C-RAN的特征在于，借助于光纤对多个小区站点的聚合， 且集中的基带处理。C-RAN体系结构在小区站点简约了结构、节省了能源 供应和维护，同时能够实现更好地小区内/扇区协作和计算设施。技术方案 是通过使用物理层（根据国际标准组织（ISO）通信协议模型）之下的新 的0层进行提供的。因为0层并不是3GPP的范围的部分，所以C-RAN是 非标准化方案。

还如图5中所示，RRU直接被连接到天线系统，并且，因而，RRU 的输入是原始HF信号。BBU的输出是eNodeB/BSC所需的基带数据，因 此属于介质访问控制（MAC）层或之上。根据功能定义和BBU与RRU之 间的分离，RRU与BBU之间的数据可以采取不同的格式。图6显示的是 3GPP的协议栈体系结构和RAN协议栈中的C-RAN接口的位置。

接口包括从HF然后到基带（I-Q）数字的转变/从基带（I-Q）数字到 HF的变换。处理链主要由4个操作组成：（i）RF-IMF/IMF-RF（其中IMF ——中频——是数字中频信号）；（ii）调制/解调；（iii）采样；以及（iv） 模拟数字转换/数字模拟转换（ADC/DAC）。这四个操作可以或者分配在 RRU或者分配在BBU——标准是可行性和信息的高效传输。当前接口的 方法是通过所谓的CPRI接口。CPRI标准定义标准中无线设备控制器 （REC）之间的基站到被称为无线设备（RE）的本地或射频拉远单元之间 的接口。

根据CPRI接口的功能分离是：（1）RRU：RF-IMF/IMF-RF、采样、 ADC/DAC；和（2）BBU：处理I-Q数据流。通过这个方案，在上行链路 中，来自天线馈线的调制RF数据是首先向下变频到基带，其中它们被按 固定的采样率数字化。然后，数字根据CPRI协议进行分组。光纤被用于 传输CPRI分组到中心处理位置。图7显示的是CPRI功能和协议栈，而图 8显示的是数字RRU-BBU链路。

关键问题是来自不同RRU位置的CPRI分组的计时和BBU与连接的 RRU之间的同步。这对于包含CPRI或其他任何基于分组的传输协议来说 是特别难的，因为数据是由要求非常高的传输能力和时间精度的数字化的 基带模拟信号样本（IQ数据）组成的。

现有技术在光接口使用小型可插拔（SFP）将电采样数据转换到光数 据。因此，每个RRU要求单个的光纤。为了提高效率，部署了波分复用 （WDM）以允许不同的RRU之间的单个的光纤的光容量的共享。尽管所 有的这些，基于CPRI的聚合方法是有缺陷的。

首先，HF数据必须在RRU进行数字化，造成大量未经处理的样本在 光纤上进行传输。结果是，因为原始数据被传输，与来自更上层的数据发 生冲突，光纤容量被低效地使用（或者是被快速耗尽）；例如，用于回程 的A接口。第二，由于高速数据速率，同步比更上层数据更加严格得多， 更上层数据具有更多的延迟预算以吸收在同步中的任何差异。第三，传输 链含有冗余组件，因为模拟信号被转换成数字，然后电数字被转换成光模 拟信号，并且然后光模拟信号被再次转换成电数字。在传输链中间的高容 量的数字数据对传输系统有着不利的影响。

此外，操作者感兴趣于使用吉比特无源光网络（GPON）接入网络以 承载CPRI数据，但是遇到了难点，因为GPON的容量几乎不能跟上需求， 没有留有与其他服务共享的空间，例如到x（FTTx）的光纤。最后，在相 同的基础设施中共享数字信道也造成操作者的安全关注。这个和其他环境 下存在的问题和障碍，通过以下描述的方法和系统可以克服。

发明内容

本发明针对的是无线通信的方法和系统，其涉及在天线与基带处理器 之间经光纤进行的模拟信号的光传输。而且，促进了针对单个BBU的RRU 数据的高效传输和聚合。

在本系统和方法的一个方面，许多MIMO上行链路和下行链路信道被 复用（包括每个信道的保护带）且通过光纤进行光传输。上行链路信号在 第一载波上进行传输，下行链路信号在第二载波上进行传输。分离带被包 括在上行链路信号与下行链路信号之间。

在另一个方面，且更特别地，存在多个RRU和BBU之间通过光纤进 行的光传输的方法（和系统）。该方法包括通过激光源产生多个波长，其 中每个波长被分给至少一个RRU。然后，载波转换器被用于转换来自不同 天线端口的载波，并且载波转换器被用于转换被引导到不同天线端口的其 他的载波。载波被分离带分开。光束被用于通过连接RRU与BBU的光纤 传输载波。

在所描述的方法（和系统）的某些方面，产生了30个波长并且载波 包括对应到每个端口的保护带。可选地，该方法包括，使用微波频率转换 器将来自天线端口的天线接口转换到系统载波频率之上相邻的相同的频 带上，分配天线端口给不同的载波，并且通过单个的激光源相干地产生不 同载波。将来自不同的RRU的天线端口复用到不同的载波是本发明的又 一个可选的方面。另外，多个RRU通过环形的单个光纤被连接，且光强 度调制器被用于光传输。

在本发明的再一个方面，提供了在BBU与多个RRU之间通过光纤进 行的光传输的方法（和系统）。该方法包括，通过激光源产生一定数量的 波长。然后，这些波长被分成上行链路波长和下行链路波长。然后，上行 链路波长被可选地传输到BBU，而下行链路波长被可选地传输到RRU。 在这个实施方式中，没有使用分离带来分离上行链路波长和下行链路波 长。

在所述方法（和系统）的某些方面，30个波长被产生并且被分成15 个上行链路波长和15个下行链路波长。可选地，该方法包括将GSM信号 与UMTS或LTE复用。或使用微波频率转换器将来自天线端口的天线接 口转换到系统载波频率之上的相邻的相同的频带。可选地，本发明包括， 分配天线端口给不同的光载波，且然后通过单个光源相干地产生不同的光 载波。不同的RRU的天线端口还可以被复用到不同的光载波。另一个方 面，RRU通过环形的单个光纤被连接，且光强调制器被用于通过光纤进行 的光传输。

在本发明的又一方面，公开了RRU和BBU网络。网络包括多个RRU， 所述多个RRU其自身每个包括被配置为接收无线信号的天线系统，和被 配置为将无线信号转换为对应的光信号的电-光转换器。网络还包括BBU， 该BBU具有光-电转换器，该光-电转换器被配置成将对应的光信号转换成 对应的电信号。最后，存在连接多个RRU与BBU的光纤。可选地，连接 多个RRU与BBU的光纤是环形。

本发明的其他方面和优势将从优选的实施方式的描述中体现。

附图说明

本发明的实施方式通过附图的方式进行说明。

图1显示的是根据3GPP标准的3G无线网络体系结构的概观。

图2显示的是根据3GPP标准的3GRAN体系结构。

图3说明的是4GRAN体系结构。

图4说明的是C-RAN体系结构。

图5说明的是C-RAN体系结构和接口。

图6显示的是3GPP的协议栈体系结构与RAN协议栈的C-RAN接口 的位置。

图7显示的是CPRI功能和协议栈。

图8显示的是数字RRU-BBU链路。

图9说明的是天线到基站链路的剖析：左边=使用CPRI，而右边=直 接提供。

图10显示的是模拟RRU-BBU链路。

图10.5显示的是L-频带的激光光谱网格。

图11显示的是用于支持多输入多输出（MIMO）的长期演进（LTE） RF信号的载波频谱。

图12显示的是C-频带激光光谱使用。

图13显示的是用于光传输的回路：BBU到RRU（下行链路）。

图14说明的是实际复用。

图14.5说明的是每个光纤的不同配置和能力（假定使用调制带宽 2.6GHz和LTE频带产生了30个λ）。

图15显示的是单个光纤链接与单个的BBU相关联的所有的RRU的 环。

图15.5说明的是使能WDM-RAN的技术。

图16显示的是HF转换器。

图17说明的是CPRI传输能力。

图18说明是传输能力。

具体实施方式

以下描述的方法和系统的某些实施方式克服了以上所述的一些或全 部难点并且促进了单个BBU的RRU数据的高效传输和聚合。

为了促进高效聚合，重要的是知道在不同位置的传输介质是否匹配于 传输需求。因为中心处理位于BBU（且能够与单个的BBU连接的RRU的 数量是受限制的），关键是要知道在光纤基础设施中一个BBU能够连接到 多少个RRU。例如，在CPRI方法中，它是非常受限制的。通过与其他地 面系统共享基础设施，复原能力和保护变得重要。

首先描述了基于CPRI的C-RAN的问题。通过使用CPRI形式的 RRU-BBU链路，HF信号被首先数字化，以产生CPRI有效负载，并且然 后该电信号被转换成光信号以允许通过光束的传输。在接收侧，光信号作 为模拟信号被接收并且电解调成数字。图9是RRU与BBU之间的信号接 收/信号传输的对照。可以看出，HF信号经过：ADC+DAC+ADC，而不是 仅仅ADC，其中另外的DAC+ADC（对应于光传输路径）有其自身的成帧、 开销和保护方案（除别的以外，增加延迟）。

然而，这样的通信网络具有的主要的技术要求包括可靠性和最小延 迟。要求最小延迟是因为，例如，（i）在物理层之下，存在由标准给出的 紧延迟预算；（ii）延迟与距离成正比，其是聚合大小的倒数；以及（iii） 不同位置之间的同步困难。具体地，要求最小帧头（或者根本没有帧）， 没有交错，也没有时分复用（TDM）。

要求可靠性是因为，例如，（i）在物理层之下，天线馈线被仿真，其 不中断的概率为0；且（ii）考虑到当前RAN的体系结构由专有基础设施 组成，复原能力和保护在RAN操作者的控制之下。具体地，要求用于 C-RAN的信道与共享相同光纤（如果有的话）的其他信道分离并被安全隔 离。

本发明的多个实施方式使用模拟光信道来实施WDM-RAN。通过光纤 的光传输是被期望的，因为其巨大的容量，迄今为止还没有得到充分利用。 例如，根据100GHz网格的ITU标准，C-频带窗口含有74-38=36可见光光 谱线，其可以被产生并在单模光纤（SMF）中传输。当前的光学系统，即 使是在WDM中，通常只使用其中的一个。事实上，就算真的有，超过10 个可见光光谱线的使用通常是非常罕见的。另一方面，要被传输的无线信 号一般具有20MHz的带宽。即使在极端情况下，带宽不超过每个“载波” 100MHz。例如，LTE的载波频率可以是700MHz、800MHz、900MHz、 2100MHz或2600MHz。因此，直接用载波信号调制光束是可能的。比较 100GHz的信道距离与LTE2.6GHz的RF频率，理论上显然可以在单个的 光纤中使用单个的λ（lambda）（和更多）传输多个模拟RF信道。

此外，现代无线技术在空中接口具有复杂的设计。例如，来自天线馈 线的模拟信号可以含有多个端口。因此，MIMO端口必须被考虑。虽然对 于MIMO，LTE的典型配置是4×4，但是标准中定义的是8×8，所以应 该得到支持。如果8个端口被考虑为基本配置，那么信号载波所要求的带 宽是8＊W，其中W是带宽（W=20MHz、40MHz和100MHz；对于UMTS， W=5MHz、10MHz、15MHz和20MHz；对于GSM，W=25MHz；对于Wifi， W=22MHz）。

当“信道”在频率中是复用的时候，需要保护带。因此，20MHz的保 护带被添加用于每个W，形成8＊（G+W）。S=45MHz到190MHz，其中 S是上行链路和下行链路之间的分离带。这样，在上行链路和下行链路在 相同的载波上进行传输的地方，结果是总计为8＊（G+W）+S+8＊（G+W）。 例如，在这种情况中，应当满足S=100MHz。

图10显示的是模拟RRU-BBU链路，且图10.5显示的是L-频带激光 光谱网格。图11显示的是支持MIMO的LTERF信号的载波光谱。图12 显示的是基于C的激光光谱的使用。图13显示的是用于光传输的回路： BBU到RRU（下行链路）。

过程可以被概括为如下的光调制：波分、载波移分、波长载波移分， 和波长天线分。

对于波分，激光源产生具有100GHz距离的多达30个波长（即，λ）。 在某些实施方式中，每个λ被分配给至少单个的RRU，可用带宽高达 100GHz。在这种方式中，30个RRU可以被连接而没有多个RRU的频率 复用。然而，在相同λ的光上可能调制多个载波。

对于载波移分，载波转换器既被用在RRU侧又被用在BBU侧以向上 /向下转换来自不同天线端口的载波。结果是，在BBU产生8＊（G+W）， 在RRU产生8＊（G+W），在上行和下行链接之间使用分离S。这两个光 束从两侧使用不同的载波（具有足够的保护频带S）被发送出。

当多个RRU被复用到单个的λ，计算方法是M＊16＊（G+W）+S+F。 例如，M＊16＊（100+100）+400+2600=M＊3200+3000MHz<100GHz。 通过给出G、S和F的值（其中F是预留的控制信道的频带），能够被单个 的λ维护的RRU的数量可以被计算出。例如，可以有高达30＊M个RRU 用于单个的光纤，包括上行链路、下行链路和每个RRU的控制信道。在 以上的例子中（上限）M=（100-3）/3.2=30。

对于波长载波移分，另一个方法是将30个λ分成上行链路15个λ和 下行链路15个λ。通过这么做，节省了分离上行链路和下行链路所需的 15＊S的分离带。然后，单个的λ可以承载M个RRU，使得M＊8＊（G+W） +F<100GHz。然后，每单个光纤高达15＊M个RRU可以被容纳。因为通 过这个布置节省了保护带，单个光纤可以支持更多的RRU。在以上的例子 中，预期的是M＊1600+2600<100GHz，因而M=[（100-2.6）/1.6]=60。这 导致可被单个光纤支持的总计15*60=900个RRU的最小数量。在这个配 置中，仅有的瓶颈（如果有的话）是BBU的功率。这个配置允许更灵活 地通过单个光纤复用不同的信号。因此，容易实施将GSM（全球移动通信 系统）信号与UMTS、或与LTE的复用。

波长天线分：在以上的方法中，微波频率转换器被典型地用于在光调 制被执行之前将所有8个天线接口转换成系统载波频率之上的8个相邻的 相同的频带（加上管理信道）。然而，如果这9个信道被分给不同的光载 波，那么则节省了微波转换器。这样，对于每个RRU，存在A+1=9个光 载波，其由单个激光源相干地产生。如果L是给定的λ的光信道的数量， 那么,当A=8且L=36（可支持的λ的数量）时，L/(A+1)=4。因此， 在最坏的情况下，可以承载3到4个RRU而没有微波转换器。当相同的 RRU的不同的天线被分给不同的光学信道时，只要频率被良好锁定和同 步，来自不同的RRU的天线可以被复用到相同的光学载波。如果M′是 RRU的数量，那么根据(W+G)*M′<100GHz得出M′=[100/(W+G)] =[100/(0.1+0.1)]=500。这得出总的M，其中3*500<2*M<4*500，意味着 在最坏的情况下750<M<1000。因子2表示上行链路和下行链路，且G是 来自不同的RRU的信号之间的保护带。在不同的RRU天线的数量不同的 情况下，数字M可能增加。

本发明的优势包括：（a）每个RRU处的微波转换器仅具有一个要转 换到的单个的目标频率，这简化了设计且降低了成本；（b）在上行链路和 下行链路之间无需分离带；（c）存在统一的配置用于LTE、GSM、UMTS、 和Wi-Fi信号（仅有的不同是在BBU）；以及（d）可以实施不同数量的天 线，这节省了带宽且拓宽了应用范围且增加了部署的灵活性。

在实践中，需要考虑到限制因素。这些限制包括，例如，电-光调制频 带限制；激光器的成本和功率消耗；相干干涉（串扰）；微波频率转换器 的复杂性；微波组件的质量，等等。

在某些实施方式中，直接激光发生器具有调制带宽2.6GHz。如果光频 率是参考（即，对应于DC），那么只有2.6GHz被用于承载RF信号。首 先，因为带宽的较低部分需要被保留以收集互调噪声，当同时应用到GPON 类服务时，1GHz被保留。这样，1.6GHz可用于承载来自8个天线的RF 信号。如果保护带等于信号带宽（即，G=W），那么添加用于同步和管理 的20MHz的额外频带则产生20+8*(G+W)=20+16*W=340MHz、660MHz、 1620MHz。因此如果带宽是20MHz，每个RRU需要340MHz，且这个波 长能够承载3个RRU。如果带宽是40MHz，那么只有2个RRU可以被承 载。对于100MHz的带宽，只有一个RRU可以被承载。使用15个波长承 载上行链路，另外15个波长承载下行链路，单个的光纤可以承载15到45 个RRU。

图14说明的是实际复用，图14.5说明的是每个光纤不同的配置和能 力（假定使用调制带宽2.6GHz和LTE频带产生了30个λ）。最有代表性 的配置以粗体显示。所有这些是基于2.6GHz的工作带宽，这是市场上可 获得组件的下界。

可能存在本发明的某些低功率实施方式。上述实施方式暗示，在每个 RRU存在激光发生器，且相应地在BBU存在激光发生器，以分别提供用 于下行链路和上行链路的光源。因为激光发生比微波组件当前要求更高的 功率，因此实施方式可以被修改为通过用光强调制器（IM）代替激光发生 器来降低功耗（还有组件价格）。为了使这个配置成为可能，连接到BBU 的所有的RRU通过环形的单个的光纤被连接。只要距离在质量要求允许 的范围内，只需要一个激光源。

例如，图15显示的是单个光纤链接与单个BBU相关联的所有RRU 的环，其中IM指的是发射器，而在IM后面的方框指的是接收侧。在BBU， 存在一组激光器（ECL），其中的每一个产生在沿着终止于相同的BBU的 环的一个方向上的单个的λ光连续波（CW）。对于上行链路，在每个RRU 的IM，在被指定用于在该RRU上行链路的对应的波长，使用其自身的RF 信号，调制相同的光束，且通过在每个RRU的带通滤波器，提取信号， 且转换信号到对应的RF信号。对于下行链路，存在多个IM，其中的每个 IM使用被指定用于相同的RRU的对应的RF信号，调制对应于被指定的 RRU的一定的波长。无线上行链路对应于上行流，而下行链路对应于光纤 上光信号的下行流。

使本发明的特定实施方式成为可能的所需的技术早已成熟。事实上， 市售的激光发生器、调制器、循环器、滤波器、和开关都是可获得的。例 如，http://www.mit.eq.com/results.php?ID=27548100&rpp=&cs=&st=fo&sort=(FreqMaxMHz-FreqMinMHz)+desc，列举了带有从2.2GHz（最便宜的） 到高达18GHz（最贵的）的最大工作频带的激发发射器。取平均数，我们 可以估计如具有10GHz的频带上限值的成熟产品。这被由如http://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm7obiectqroupid=3918提供的强度调制器进 一步确认。例如，图15.5说明的是使本WDM-RAN发明的某些实施方式 成为可能的技术。

HF向上转换器和向下转换器分别被用在RRU和BBU。其功能是分离 频带上的天线的不同的端口，以致它们可以使用相同的带宽进行逐字传 输。对于上行链路，这些信号中的每一个被以不同的频率在BBU被接收， 从而，可以被向下转换到基带，允许MIMO信号的空间分集。对于下行链 路，这些信号中的每一个在RRU被向下转换到载波频率以提供给不同的 天线端口。其可以被理解为，在两个方向上，空间到频率，和频率到空间。 图16显示的是HF转换器。图17说明的是CPRI传输能力，图18说明的 是传输能力。

虽然已经描述和示出了方法和系统的多个实施方式，但是对于本领域 的技术人员而言，明显的是，可能存在更多的修改，而不背离本发明的概 念。因此，除受以下权利要求的精神的限制之外，本发明并不被限制。