[论文解读] Analogue Radio Over Fiber for Next-Generation RAN: Challenges and Opportunities

Yichuan Li, Qijie Xie+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2021

Advanced Photonic Communication Systems参考文献 12被引用 5

一句话总结

本文提出模拟无线电回传光纤（A-RoF）作为下一代无线接入网络中数字化无线电回传光纤（D-RoF）的低带宽、低功耗替代方案，支持大规模MIMO和毫米波系统。研究结果表明，A-RoF可将回传链路带宽减少最多40倍，并显著降低功耗，但其性能受限于光纤非线性和色散，需采用先进的损伤抑制技术。

ABSTRACT

The radio access network (RAN) connects the users to the core networks, where typically digitised radio over fiber (D-RoF) links are employed. The data rate of the RAN is limited by the hardware constraints of the D-RoF-based backhaul and fronthaul. In order to break this bottleneck, the potential of the analogue radio over fiber (A-RoF) based RAN techniques are critically appraised for employment in the next-generation systems, where increased-rate massive multiple-input-multiple-output (massive-MIMO) and millimeter wave (mmWave) techniques will be implemented. We demonstrate that huge bandwidth and power-consumption cost benefits may accrue upon using A-RoF for next-generation RANs. We provide an overview of the recent A-RoF research and a performance comparison of A-RoF and D-RoF, concluding with further insights on the future potential of A-RoF.

研究动机与目标

• 解决下一代系统中基于D-RoF的无线接入网回传链路日益增长的带宽与功耗瓶颈问题。
• 评估A-RoF在高数据速率无线接入网架构中作为低复杂度、高能效D-RoF替代方案的可行性。
• 识别并分析A-RoF中的关键损伤，如光纤非线性、色度色散以及波分复用（WDM）系统中的信道串串扰。
• 提出针对光纤损伤的先进抑制技术，以支持A-RoF在大规模MIMO与256-QAM系统中的部署。
• 探索硅光子学在实现成本效益高、可扩展的A-RoF无线接入网部署中的作用。

提出的方法

• 从频谱效率、功耗和误差矢量幅度（EVM）角度，对A-RoF与D-RoF进行对比性能分析。
• 建模光纤非线性和色度色散对A-RoF信号的影响，特别是在多波长通道的WDM系统中。
• 评估在不同光信号与射频信号功率条件下，A-RoF的动态范围与EVM性能，尤其针对256-QAM调制。
• 提出光学载波与边带抑制技术，以缓解光纤色散影响。
• 研究射频与光功率水平的联合优化，以在信噪比（SNR）提升与非线性损伤恶化之间取得平衡。
• 探索硅光子学集成，以降低器件非线性与噪声，提升A-RoF系统的鲁棒性与可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在支持大规模MIMO与毫米波的下一代无线接入网中，A-RoF相比D-RoF能否有效降低回传链路带宽与功耗？
• RQ2 在高带宽、基于WDM的系统中，光纤非线性和色度色散如何限制A-RoF的性能？
• RQ3 在256-QAM与多波长WDM运行条件下，A-RoF可实现的动态范围与EVM性能如何？
• RQ4 射频与光功率的联合优化能否在最小化非线性失真的同时提升A-RoF系统性能？
• RQ5 硅光子学如何实现A-RoF在未来无线接入网架构中成本效益高、可扩展的部署？

主要发现

• 与D-RoF相比，A-RoF可将所需回传链路带宽最多减少40倍，显著缓解硬件约束。
• 由于在射频远端站（RRH）中消除了高速模数/数模转换器（ADC/DAC）与数字信号处理，A-RoF实现了显著的功耗降低。
• 在标准条件下，A-RoF的EVM约为8%，超过256-QAM所需的3.5%目标，表明其性能因模拟损伤而下降。
• 在4波长WDM系统中，A-RoF的动态范围仅为8 dBm，而D-RoF为14 dBm，凸显其对功率电平的敏感性。
• 在WDM系统中，邻近信道因光纤非线性导致A-RoF性能下降，造成不同波长间EVM不均。
• 光学载波与边带抑制技术可有效缓解光纤色散影响，且在1310 nm波长运行可减少色度色散效应。