李隆勝 胡衛(wèi)生

摘要：針對(duì)未來移動(dòng)接入網(wǎng)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(dòng)業(yè)務(wù)的高速無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）的新型數(shù)字均衡技術(shù)和新型調(diào)制編碼方式，設(shè)計(jì)了針對(duì)光纖承載的增強(qiáng)型通用公共無線接口（eCPRI）的數(shù)據(jù)壓縮方案。其中，基于強(qiáng)度分類的均衡器能夠高能效地消除傳輸系統(tǒng)非線性;調(diào)制編碼方案利用無線信號(hào)量化數(shù)據(jù)的權(quán)重差異，在光接口處采用非均勻4電平脈沖幅度調(diào)制（PAM4）信號(hào)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(fù)載自適應(yīng)調(diào)整接口的量化精度，降低前傳接口量化精度，進(jìn)而提升傳輸效率。

關(guān)鍵詞：前傳;移動(dòng)接入網(wǎng);無源光網(wǎng)絡(luò);數(shù)字信號(hào)處理;數(shù)據(jù)壓縮;增強(qiáng)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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)高容量、低時(shí)延、大聯(lián)接的應(yīng)用場(chǎng)景的驅(qū)動(dòng)，第5代移動(dòng)通信系統(tǒng)（5G）以及超5G（B5G）技術(shù)正蓬勃發(fā)展。以低成本網(wǎng)絡(luò)提供高質(zhì)量通信業(yè)務(wù)將是影響5G未來發(fā)展的關(guān)鍵因素。其中，定義為終端到邊緣數(shù)據(jù)中心或核心網(wǎng)邊緣網(wǎng)關(guān)的移動(dòng)接入網(wǎng)（RAN）對(duì)于5G的性能與成本有重大影響，也是5G眾多新型網(wǎng)絡(luò)、傳輸技術(shù)的目標(biāo)領(lǐng)域[1]。以云化無線接入網(wǎng)（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(wǎng)架構(gòu)是低成本實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)的重要技術(shù)之一。此類架構(gòu)中，無線基帶處理資源被全部或部分地集中在中心機(jī)房側(cè)并構(gòu)成基帶單元池（BBU），而遠(yuǎn)端基站退化為射頻拉遠(yuǎn)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(shù)的演進(jìn)，前傳傳輸?shù)膸掗_銷巨大，因此基于光纖接入網(wǎng)的前傳承載方案的優(yōu)勢(shì)日益凸顯。然而，基于傳統(tǒng)的通用共無線接口（CPRI）標(biāo)準(zhǔn)[4]，5G單站點(diǎn)帶寬需求將達(dá)到百吉比特每秒量級(jí)[5]，這對(duì)于成本敏感的光纖接入網(wǎng)而言也是一大挑戰(zhàn)。目前在接入網(wǎng)領(lǐng)域，以無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）為代表的直調(diào)直檢短距離傳輸系統(tǒng)，由于成本低，建設(shè)、運(yùn)維方便等優(yōu)勢(shì)受到運(yùn)營商與設(shè)備商的青睞。如何基于PON傳輸鏈路的現(xiàn)有特點(diǎn)，并且針對(duì)前傳業(yè)務(wù)特性實(shí)現(xiàn)高效傳輸是5G技術(shù)演進(jìn)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(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)，我們介紹了該領(lǐng)域最新的一些相關(guān)研究成果，主要內(nèi)容包括以下3個(gè)方面：（1）針對(duì)低成本PON系統(tǒng)中的啁啾等非線性效應(yīng)，提出了基于強(qiáng)度分類的前饋/反饋均衡器;（2）針對(duì)CPRI中無線基帶信號(hào)有量化比特具權(quán)重差異，比特位的誤碼率對(duì)于信號(hào)保真度影響程度不同設(shè)計(jì)了非均勻4電平脈沖幅度調(diào)制（PAM4）信號(hào)與比特交織映射，提升了傳輸系統(tǒng)的保真度;（3）針對(duì)極具應(yīng)用前景的增強(qiáng)版CPRI（eCPRI），提出了根據(jù)上行數(shù)據(jù)流量動(dòng)態(tài)變化的這一顯著特點(diǎn)，負(fù)載自適應(yīng)地調(diào)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(shù)

低成本直調(diào)直檢系統(tǒng)是承載前傳傳輸較為經(jīng)濟(jì)的方案，但也給前傳擴(kuò)容帶來諸多限制。一方面系統(tǒng)帶寬受限，導(dǎo)致符號(hào)間串?dāng)_嚴(yán)重。傳統(tǒng)的前饋均衡器（FFE）以及反饋均衡器（DFE）對(duì)于消除系統(tǒng)線性低通響應(yīng)有顯著作用。由于DFE與FFE相對(duì)復(fù)雜度低，以及高速芯片工藝日趨成熟，數(shù)字信號(hào)處理（DSP）的應(yīng)用已成為未來PON與前傳應(yīng)用的一大趨勢(shì)[6]。另一方面，系統(tǒng)所采用的直接調(diào)制激光器（DML）帶來的啁啾效應(yīng)，以及其他低成本非線性光、電器件的引入會(huì)使得系統(tǒng)有嚴(yán)重的非線性響應(yīng)。消除非線性響應(yīng)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(hào)采樣值之間的高階運(yùn)算，導(dǎo)致其計(jì)算復(fù)雜度極高而降低了實(shí)際應(yīng)用的可行性。針對(duì)此問題，我們提出了一種基于強(qiáng)度分類的FFE/DEF均衡器（ID-FFE/ID-DFE）[7]，在接近線性計(jì)算復(fù)雜度的前提下，達(dá)到優(yōu)于Volterra均衡器的性能。

1.1 ID-FFE/ID-DFE原理

基于強(qiáng)度分類的均衡器主要針對(duì)PAM信號(hào)，文中我們以PAM4信號(hào)分析。圖1對(duì)比了傳統(tǒng)FFE/DFE與所提ID-FFE/ID-DFE的架構(gòu)。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(duì)接收信號(hào)x（n）進(jìn)行前饋均衡然后進(jìn)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(duì)應(yīng)PAM4）系數(shù)可選。對(duì)于前饋抽頭系數(shù)，均衡器首先對(duì)接收信號(hào)x（n-P/K）按幅度分類，根據(jù)分類切換抽頭系數(shù)。對(duì)于PAM4，需要設(shè)置3個(gè)門限{Th1，Th2，Th3}將接收信號(hào)分成4類，每一類信號(hào)對(duì)應(yīng)的抽頭系數(shù)需要單獨(dú)訓(xùn)練，訓(xùn)練完成后存儲(chǔ)為{WP，0， WP，1， WP，2， WP，3}。之后在實(shí)際負(fù)載信號(hào)傳輸時(shí)，系統(tǒng)將根據(jù)當(dāng)前x（n-P/K）的分類，實(shí)時(shí)更新前饋抽頭系數(shù)。對(duì)于反饋均衡器系數(shù)，判決后的y（m）已經(jīng)把信號(hào)分為4類，因此在訓(xùn)練系數(shù)及處理負(fù)載信號(hào)時(shí)，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(duì)x（n-P/K）分類的準(zhǔn)確性會(huì)極大地影響均衡效果。當(dāng)鏈路環(huán)境較差，直接使用ID-FFE，其分類能力不夠準(zhǔn)確。文中我們?cè)O(shè)計(jì)在ID-FFE/ID-DFE前串聯(lián)一個(gè)pre-FFE來消除部分符號(hào)間串?dāng)_（ISI），提升判決的準(zhǔn)確度，然后再進(jìn)行ID-FFE/ID-DFE均衡。

1.2 ID-FFE/ID-DFE實(shí)驗(yàn)傳輸結(jié)果與啁啾抑制性能

為此我們搭設(shè)了56 Gbit/s的高速直調(diào)直檢實(shí)驗(yàn)傳輸系統(tǒng)，試驗(yàn)系統(tǒng)采用PAM4調(diào)制格式。系統(tǒng)發(fā)射端不涉及DSP，所有DSP均為后處理。實(shí)驗(yàn)中，所有結(jié)果均是在驅(qū)動(dòng)電信號(hào)峰峰值、DML輸出光功率最優(yōu)的情況下測(cè)量得到。

圖2給出了0～35.9 km下的傳輸結(jié)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(duì)地，傳輸距離達(dá)到35.9 km時(shí)，ID-FFE與ID-DFE性能優(yōu)勢(shì)凸顯，且只有ID-DFE能滿足2×10-3的誤碼門限。

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

2 承載CPRI業(yè)務(wù)的比特交織映射與非均勻PAM4光調(diào)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(shí)域波形經(jīng)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(duì)應(yīng)的權(quán)重是不同的，這導(dǎo)致不同比特位上的誤碼對(duì)于基帶信號(hào)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(diào)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(yán)重惡化。當(dāng)傳輸鏈路無法滿足無誤碼時(shí)，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(hào)的方案[9]。

圖3給出了此方案前傳接口處的信號(hào)處理流程。模擬基帶時(shí)域信號(hào)x（t）首先被模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。根據(jù)CPRI協(xié)議，每個(gè)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(guān)系映射到PAM4信號(hào)上，其中碼字的高階組被映射到PAM4信號(hào)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(hào)2和符號(hào)3之間（即中間眼）的誤判會(huì)導(dǎo)致PAM4高有效位的錯(cuò)誤，符號(hào)1與符號(hào)2之間以及符號(hào)3與符號(hào)4之間的誤判，會(huì)導(dǎo)致PAM4低有效位錯(cuò)誤。擴(kuò)大符號(hào)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(jià)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(hào)通過光路傳輸后，在接收端可直接通過硬判決被恢復(fù)。最后，將交織的采樣比特恢復(fù)成正常的順序，重建無線基帶信號(hào)。此方案中收發(fā)機(jī)都沒有采用復(fù)雜信號(hào)處理。

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了驗(yàn)證所提方案在有系統(tǒng)誤碼情境下的優(yōu)越性，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖4所示系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。高階組和低階組的比特分別由2個(gè)獨(dú)立的脈沖碼型發(fā)生器（PPG，Keysight N4951B）產(chǎn)生，信號(hào)速率為12.5 Gbaud/s， 即鏈路速率為25 Gbit/s。系統(tǒng)中外腔調(diào)制器（EML）與PD的3 dB帶寬分別為33 GHz和40 GHz。接收端信號(hào)由數(shù)字示波器（LeCroy SDA 845Zi-A）2路二進(jìn)制啟閉鍵控（OOK）信號(hào)的峰峰值經(jīng)過合理的調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)不同的非均勻比例。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖5中可以看到，對(duì)于20 km系統(tǒng)，當(dāng)[γ=2]時(shí)，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(jié)果。在0 km和20 km傳輸系統(tǒng)中，相對(duì)于傳統(tǒng)PAM4方案，所提方案中信號(hào)的EVM分別降低10 dB和13 dB。

3 針對(duì)eCPRI鏈路負(fù)載波動(dòng)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?fù)載數(shù)據(jù)是連續(xù)不斷的時(shí)域信號(hào)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(yīng)用需求。CPRI技術(shù)組提出的eCPRI標(biāo)準(zhǔn)采用了新型劃分點(diǎn)下行劃分點(diǎn)1（IID）和上行劃分點(diǎn)2（IU），分別對(duì)應(yīng)上行、下行鏈路且二者都是基于Option7。此時(shí)鏈路中傳遞的負(fù)載信息是基帶處理中間過程中時(shí)頻空間中的資源塊（RB）。新的標(biāo)準(zhǔn)使前傳數(shù)據(jù)量顯著降低，適合工業(yè)界實(shí)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(shí)際無線終端用戶負(fù)載直接相關(guān)。因此，前傳接口采用eCPRI必定會(huì)帶來鏈路負(fù)載的波動(dòng)，考慮到潮汐效應(yīng)等問題，負(fù)載波動(dòng)極大地降低了鏈路平均利用率。針對(duì)此問題，我們提出了一種用于eCPRI上行接口的動(dòng)態(tài)調(diào)整RB量化精度的負(fù)載自適應(yīng)方案。其核心思想可以概括為：在輕負(fù)載時(shí)段采用全分辨率量化RB，量化精度根據(jù)現(xiàn)有報(bào)道可設(shè)為8～10 bit。當(dāng)鏈路過載時(shí)段，通過動(dòng)態(tài)減少量化精度，合理丟棄最低有效位來達(dá)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(jìn)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(biāo)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(fù)載數(shù)據(jù)是對(duì)時(shí)頻域的同相正交信號(hào)（IQ），或稱資源格子（RE），進(jìn)行采樣量化。從整個(gè)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(jīng)過簡單地推導(dǎo)，我們可以得到碼字中每一位比特對(duì)應(yīng)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(jié)果表明對(duì)于eCPRI接口，大量的量化比特位相對(duì)來講是冗余的，丟失這部分比特對(duì)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(fù)載狀態(tài)下，以傳送RB/RE數(shù)目為首要目標(biāo)，合理地減少量化精度。另一方面，無線網(wǎng)絡(luò)高負(fù)載情況下，往往導(dǎo)致空口信號(hào)質(zhì)量下降，即更多的信號(hào)趨向于分布在低SINR區(qū)間。因此，高負(fù)載下冗余比特出現(xiàn)的概率更高，此時(shí)采用緊縮的量化策略更為合理。

3.2 基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)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(jià)值的結(jié)果，我們基于Matlab搭設(shè)了符合第3代合作計(jì)劃（3GPP）標(biāo)準(zhǔn)的無線上行物理層（PHY）與低介質(zhì)訪問層（Low-MAC）仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單用戶設(shè)備（UE）的通信。其中無線信道通過5 Hz多普勒頻移下的擴(kuò)展步行者信道模型（EPA-5）信道傳輸仿真，用以實(shí)現(xiàn)信號(hào)與SINR隨時(shí)間變化。圖7中，所提負(fù)載自適應(yīng)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(biāo)來設(shè)計(jì)。圖7a）的映射表存儲(chǔ)于收發(fā)端，圖7b）為在典型4G站點(diǎn)配置下，固定8比特量化方案與所提負(fù)載自適應(yīng)彈性量化方案中單個(gè)UE吞吐量的比較?？梢钥吹?，由于所提方案是一種有損壓縮，在高負(fù)載情形下信號(hào)質(zhì)量受到一定影響而導(dǎo)致單個(gè)終端速率降低，但即使是在滿負(fù)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(qǐng)求的峰值帶寬抑制到只有對(duì)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(shù)[12]。通過補(bǔ)償瑞利信道衰落來減少IQ信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，可以有效地節(jié)省前傳量化精度。

4 結(jié)束語

高速移動(dòng)前傳網(wǎng)絡(luò)將是未來光接入網(wǎng)增長的重要驅(qū)動(dòng)之一。隨著芯片工藝進(jìn)步與成本下降，通過先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理手段提升單波長傳輸容量與性能將是未來光接入網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，也是業(yè)界研究工作的主要發(fā)力點(diǎn)。同時(shí)針對(duì)前傳數(shù)據(jù)的特征使用新型編解碼、調(diào)制格式也能夠顯著提升鏈路性能。通過構(gòu)建無線前傳協(xié)同系統(tǒng)，根據(jù)前傳負(fù)載與空口信號(hào)質(zhì)量靈活調(diào)整eCPRI參數(shù)，前傳網(wǎng)絡(luò)將變得更加智能與高效。多層次的技術(shù)革新將會(huì)更好地推進(jìn)5G與B5G接入網(wǎng)絡(luò)的落地。

致謝

本研究得到區(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)室畢美華博士后、張闊博士、忻海云博士的幫助，謹(jǐn)致謝意！