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CN112913159B - 用于多输入多输出系统的远端射频单元和中央单元 - Google Patents

用于多输入多输出系统的远端射频单元和中央单元 Download PDF

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CN112913159B
CN112913159B CN201880098641.1A CN201880098641A CN112913159B CN 112913159 B CN112913159 B CN 112913159B CN 201880098641 A CN201880098641 A CN 201880098641A CN 112913159 B CN112913159 B CN 112913159B
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Abstract

本申请涉及一种包括远端射频单元(RRU)和中央单元的MIMO系统。RRU包括：二进制相移键控(BPSK)调制器，用于通过本地振荡器(LO)信号调制BPSK波形以生成激励信号，其中，LO信号是从经由下行光载无线(DL‑ROF)从中央单元(CU)接收的下行光信号导出的；以及光信号发生器(特别是激光器)，用于基于激励信号生成上行光信号，以经由上行光载无线(UL‑ROF)传输到CU。

Description

用于多输入多输出系统的远端射频单元和中央单元
技术领域
本申请涉及用于多输入多输出系统，特别是大规模MIMO系统的远端射频单元(remote radio unit，RRU)和中央单元(central unit，CU)。本申请还涉及生成用于这种MIMO系统的上行信号(uplink，UL)和下行(downlink，DL)信号的方法。
背景技术
由于只需要光电(optical-electrical，O-E)转换和射频(radio frequency，RF)放大，所以RRU设计在体积、重量和功耗方面具有优势，因此特别是在大规模MIMO场景中，模拟光载无线(radio over fiber，ROF)对RRU设计表现出很大的兴趣。同时，数字预失真(digital pre-distortion，DPD)广泛用于补偿RF前端失真，例如功率放大器的非线性。在模拟ROF的范围内，上行ROF用作DPD算法的反馈信道，但是，由于ROF反馈信道引入的失真，DPD算法的性能分别劣化：特别地，非线性失真将大大提高相邻信道泄漏比(adjacentchannel leakage ratio，ACLR)。在下面，如图1所示，ROF失真由ΦROF(·)表示，ΦROF(·)表示ROF信道的失真。在图1中，信号xRF(t)104激励直接调制激光器(directly modulatedlaser，DML)101。激光器101的输出信号通过单模光纤(single mode fiber，SMF)102，然后，后失真(post-distortion，PD)103提供信号yRF(t)105。
可以用图2解释DPD劣化，其中，s(t)204是所需信号，x(t)207是预失真信号，y’(t)206是反馈信号，y(t)205是发送的信号。Ψ(·)用于表示非线性系统202，例如功率放大器，Ф(·)用于表示反馈信道203，例如ROF信道。由于DPD训练算法201以y’(t)＝s(t)为目标，所以真实的发送信号y(t)205接近Ф-1(s)，Ф-1(s)是s(t)204的失真形式。
一种常见的解决方案是减轻反馈信道的失真。如在“E.E.Bergamann,Dispersion-Induced Compmosite Second-Order Distortion at 1.5um,IEEE PHOTONICS TECHNOLOGYLETTER VOL3NO1，1991年”中所讨论，ROF的主要失真是由光纤的色度色散和激光啁啾效应的共同作用导致的。可以使用色散色度模块(dispersion chromatic module，DCM)来避免这种劣化，并且已在测试中证明是有效的。但是这种解决方案显著增加了硬件成本。在当前的最新技术中，用基带信号操作的数字方法，即，“A.Hekkala,M.Lasanen,L.C.Vieira,N.J.Gomes und A.Nkansah,Architectures for joint compensation of RoF and PAwith nonideal feedback,in IEEE VTC Spring，中国台湾台北，2010年5月”中推荐的后失真似乎更具吸引力。
色散色度模块(DCM)使用可以补偿光纤传输中引入的色度色散的无源光学器件组成。该无源光学器件用光信号操作，并且已证明对模拟ROF的非线性行为有效。然而，该器件相对昂贵，并且在实践中需要适于所使用的特定光纤，例如20km 1550m。此外，使用DCM会导致光信号强度衰减，这在实际的网络设计中是绝不希望的。
在当前的最新技术中，用基带信号操作的数字方法，即，“A.Hekkala,M.Lasanen,L.C.Vieira,N.J.Gomes und A.Nkansah,Architectures for joint compensation ofRoF and PA with nonideal feedback,in IEEE VTC Spring，中国台湾台北，2010年5月”中推荐的后失真似乎更具吸引力，参见图3，图3示出了RRU侧300的基于训练序列的后失真。该方法由以下组成：(1)RRU 300发送可以近似ROF输入信号314的统计行为的训练信号；(2)中央单元使用已知的训练信号执行非线性系统识别；(3)对接收的信号313执行非线性后失真301，以供UL 323和反馈324使用。这种后均衡方法的缺点是，为了从RRU侧300发送训练信号，首先需要使用较大的存储器来存储数字信号，然后DAC 308以及相对于反馈RF信号324中心频率的RF信号调制需要额外的硬件。此外，馈送到上变频器309的LO需要与中央单元侧的下变频器的LO完全同步。
为了简化RRU设计300，通过考虑非线性失真与输入信号的功率的三次方成比例，可以减小输入信号的功率，使得在一定功率电平下，非线性效应可以忽略不计，并且系统ΦROF(·)可以通过以下线性系统来近似：
Figure GDA0003039802660000021
虽然会相应降低SNR，但是当需要系统的高线性度时，可以使用这种设置。线性化要求反馈ROF信道包含可忽略的线性失真；然而，由于硬件减损，这种条件并不总是满足。
发明内容
本发明的目的是提供技术用于解决上述问题，即，降低实现光载无线(ROF)系统(特别是如图2所示的使用数字预失真(digital predistortion，DPD)和反馈的ROF系统)的硬件复杂度和成本。
该目的通过独立权利要求的特征来实现。根据从属权利要求、说明书、以及附图，其他实施方式显而易见。
本发明的基本思想是，在假设接收器侧不知道激励序列的情况下，使用采用简单的激励信号生成的非常紧凑的远端射频单元(RRU)设计。在这种情况下，将执行盲均衡，并在随后的系统设计(即BPSK辅助后失真)中应用由RRU侧随机生成的二进制序列调制的载波信号(LO)。用作上行ROF(DML)的输入的RF信号的功率由CU控制。下面参考图4描述这种设计。
所公开的RRU设计可以具有以下特征：
(1)CU经由DL-ROF发送载波频率为fc的LO信号；
(2)RRU侧接收到该LO信号，然后执行带通滤波器(band pass filter，BPF)来恢复LO信号，再将其馈送到二进制相移键控(binary phase shift keying，BPSK)调制器；另一方面，由随机二进制序列发生器(PRBS，伪随机二进制序列)或白噪声发生器生成的BPSK波形被发送到BPSK调制器；调制的BPSK RF信号被发送到UL-ROF(反馈信道)，其增益g由中央单元(central unit，CU)控制；
(3)在CU侧，对接收到的基带信号应用盲线性信道均衡，例如应用判决引导最小均方(decision-driven least mean squares，DD-LMS)算法，以识别上行线性失真；通过改变RRU侧的增益g，求出对应于UL-ROF无记忆非线性失真的幅度到幅度调制(amplitude-to-amplitude modulation，AM-AM)函数。
(4)在CU侧，对DPD反馈信号或上行信号应用线性失真补偿和非线性失真补偿。
为了详细描述本发明，将使用以下术语、缩写、以及注释：
RRU：远端射频单元(remote radio unit)
CU：中央单元(centralunit)
MIMO：多输入多输出(multiple input multiple output)
DPD：数字预失真(digital pre-distortion)
DML：直接调制激光(directly modulated laser)
SMF：单模光纤(single mode fiber)
PD：后失真(post-distortion)
ACLR：相邻信道泄漏比(adjacent channel leakage ratio)
DCM：色散色度模块(dispersion chromatic module)
DL：下行(downlink)
UL：上行(uplink)
DAC：数模转换器(digital-to-analogue converter)
ADC：模数转换器(analogue-to-digital converter)
BPSK：二进制相移键控(binary phase shift keying)
ROF：光载无线(radio over fiber)
DD-LMS：判决引导最小均方(decision directed least mean squares)
AM-AM：幅度到幅度调制(amplitude-to-amplitude modulation)
BPF：带通滤波器(band pass filter)
PRBS：伪随机二进制序列(发生器)(pseudo-random binary sequence(generator))
LO：本地振荡器(local oscillator)
RF：射频(radio frequency)
PA：功率放大器(power amplifier)
ANT SW：天线开关(antenna switch)
U/C：上变频器(up-converter)
D/C：下变频器(down-converter)
VGA：可变增益放大器(variable gain amplifier)
SIG GEN：信号发生器(signal generator)
BB：宽带(broadband)
MOD：调制器(modulator)
CFO载波频率偏移(carrier-frequency offset)
TDD：时分双工(time division duplex)
根据第一方面，本发明涉及一种远端射频单元(RRU)，包括：二进制相移键控(BPSK)调制器，用于通过本地振荡器(LO)信号调制BPSK波形以生成激励信号，其中，LO信号是从经由下行光载无线(DL-ROF)从中央单元(CU)接收的下行光信号导出的；以及光信号发生器(特别是激光器)，用于基于激励信号生成上行光信号，以经由上行光载无线(UL-ROF)传输到CU。
这种RRU设计可以以较低的硬件复杂度和成本实现。RRU设计可以实现光载无线(ROF)系统，特别是使用数字预失真(DPD)和反馈的ROF系统。
这种RRU可以通过紧凑且低成本的RRU设计实现，相同的激励信号可以在多/大规模MIMO情况下重复使用。RRU设计为DPD应用提供了高质量的UL-ROF信道和高质量的反馈ROF信道。在中央单元侧，可以实现简单的均衡算法。此外，TDD系统不需要额外的ROF链路，并且具有用于自适应ROF部署的在线校准。
在RRU的示例性实施方式中，上行光信号的功率由CU经由控制信道控制。
这提供了以下优点：可以由CU有效地控制非线性失真。
在RRU的示例性实施方式中，RRU包括带通滤波器(BPF)，该BPF用于从下行光信号恢复LO信号。
这提供了以下优点：由于信道的非线性失真，带通滤波器可以滤除接收的信号的谐波。
在RRU的示例性实施方式中，下行光信号携带具有载波频率fc的LO信号和具有载波频率fc的谐波。
这提供了以下优点：因为下行光信号携带来自CU的有关载波频率fc的信息，所以该下行光信号可以用作BPSK调制器的控制信号。由于使用的资源更少，因此提高了传输效率。
在RRU的示例性实施方式中，BPF的通带频率范围包括载波频率fc。
这提供了以下优点：调节带通滤波器以将载波频率fc从CU传递到BPSK调制器。
在RRU的示例性实施方式中，RRU包括伪随机二进制序列(PRBS)发生器或白噪声发生器，该PRBS发生器或白噪声发生器用于生成BPSK波形。
这提供了以下优点：这种PRBS或白噪声发生器易于实现，例如使用移位寄存器设计实现。
在RRU的示例性实施方式中，RRU以时分双工(TDD)模式操作，TDD模式的下行(DL)相位用于经由DL-ROF接收DL光信号，TDD模式的上行(UL)相位用于经由UL-ROF发送UL光信号，DL/UL或UL/DL切换间隔用于训练和/或校准。
这提供了以下优点：由于可以在TDD模式的不同相位实现RRU的不同任务，因此该设计紧凑且高效。
根据第二方面，本发明涉及一种中央单元(CU)，包括：光信号发生器(特别是激光器)，用于基于下行数字信号生成下行光信号，以经由下行光载无线(DL-ROF)传输到远端射频单元(RRU)；数字预失真器(DPD)，用于基于DPD反馈信号对下行数字信号进行数字预失真；盲线性数字信道均衡器，用于基于经由上行光载无线(UL-ROF)从RRU接收的上行光信号提供DPD反馈信号。
这种CU可以通过紧凑且低成本的CU设计实现，相同的激励信号可以在多/大规模MIMO情况下重复使用。CU设计为DPD应用提供了高质量的UL-ROF信道和高质量的反馈ROF信道。可以实现简单的均衡算法。此外，TDD系统不需要额外的ROF链路，并且具有用于自适应ROF部署的在线校准。
在CU的示例性实施方式中，CU用于对从上行光信号导出的上行数字信号应用判决引导最小均方(DD-LMS)算法，以确定盲线性数字信道均衡器的均衡系数。
这种CU可以实现简单的均衡算法，例如DD-LMS，从而降低硬件(和/或软件)复杂度。
在CU的示例性实施方式中，CU用于经由与RRU的控制信道改变在RRU生成的上行光信号的增益，以识别UL-ROF引入的非线性失真。
这提供了以下优点：可以控制和最小化非线性失真。
在CU的示例性实施方式中，CU用于基于上行光信号的增益改变，识别UL-ROF的幅度到幅度调制(AM-AM)响应。
这提供了以下优点：可以控制和优化AM-AM响应。
在CU的示例性实施方式中，CU用于特别是通过N-L或Hammerstein模型，基于近似将UL-ROF引入的非线性失真识别为无记忆非线性系统。
这提供了以下优点：可以应用有效模型描述非线性失真，并通过该模型优化MIMO系统。在CU的示例性实施方式中，CU用于基于以下关系调节盲线性数字信道均衡器：
uBB＝hUL,CU*ΦUL,ROF(grBB)+nBB,
其中，uBB表示上行光信号的数字基带表示，hUL,CU表示在CU引入的线性失真，ΦUL,ROF表示UL-ROF引入的非线性失真，g表示在RRU生成的上行光信号的增益，rBB表示用于生成上行光信号的在RRU的BPSK波形的数字基带表示，nBB表示失真信号。
这提供了以下优点：可以容易地实现盲均衡的这种调整，并且提供了快速收敛和良好的跟踪性能。
在CU的示例性实施方式中，CU以时分双工(TDD)模式操作，TDD模式的下行(DL)相位用于经由DL-ROF发送DL光信号，TDD模式的上行(UL)相位用于经由UL-ROF接收UL光信号，DL/UL或UL/DL切换间隔用于训练和/或校准。
这提供了以下优点：由于可以在TDD模式的不同相位实现CU的不同任务，因此该设计紧凑且高效。
在CU的示例性实施方式中，CU用于经由DL-ROF向RRU发送具有载波频率fc的本地振荡器(LO)信号。
这提供了以下优点：RRU具有有关CU处的载波频率的信息，因此可以最佳地调整BPSK调制器。
根据第三方面，本发明涉及一种多输入多输出(MIMO)系统，包括：根据上述第二方面的中央单元(CU)；以及根据上述第一方面的远端射频单元(RRU)，该RRU通过单模光纤(SMF)耦合到CU。
这种MIMO系统可以通过紧凑且低成本的RRU和CU设计有效地实现，相同的激励信号可以在多/大规模MIMO情况下重复使用。MIMO系统为DPD应用提供了高质量的UL-ROF信道和高质量的反馈ROF信道。可以实现简单的均衡算法。此外，TDD系统不需要额外的ROF链路，并且具有用于自适应ROF部署的在线校准。
根据第四方面，本发明涉及一种由远端射频单元(RRU)生成上行光信号的方法，该方法包括：接收经由下行光载无线(DL-ROF)从中央单元(CU)接收的下行光信号；基于本地振荡器(LO)信号对二进制相移键控(BPSK)波形的BPSK调制，生成激励信号，其中，LO信号是从下行光信号导出的；光信号发生器(特别是激光器)基于激励信号生成上行光信号，以经由上行光载无线(UL-ROF)传输到CU。
这种方法可以通过紧凑且低成本的RRU和CU设计轻松实现，相同的激励信号可以在多/大规模MIMO情况下重复使用。该方法为DPD应用提供了高质量的UL-ROF信道和高质量的反馈ROF信道。
根据第五方面，本发明涉及一种由中央单元(CU)生成下行光信号的方法，该方法包括：光信号发生器(特别是激光器)基于下行数字信号生成下行光信号，以经由下行光载无线(DL-ROF)传输到远端射频单元(RRU)；数字预失真器(DPD)基于DPD反馈信号对下行数字信号进行数字预失真；盲线性数字信道均衡器基于经由上行光载无线(UL-ROF)从RRU接收的上行光信号，提供DPD反馈信号。
这种方法可以通过紧凑且低成本的CU和RRU设计轻松实现，相同的激励信号可以在多/大规模MIMO情况下重复使用。该方法为DPD应用提供了高质量的UL-ROF信道和高质量的反馈ROF信道。可以实现简单的均衡算法。
根据第六方面，本发明涉及一种包括计算机可执行代码或计算机可执行指令的计算机程序产品，上述计算机可执行代码或计算机可执行指令在被执行时使至少一个计算机执行根据第四方面或第五方面的方法。这种计算机程序产品可以包括其上存储有供处理器使用的程序代码的非暂时性可读存储介质，上述程序代码包括用于执行下文所述的方法或计算块的指令。
附图说明
参考以下附图描述本发明的其他实施例，在附图中：
图1示出了示出光载无线(ROF)信道系统100中的失真的框图；
图2示出了包括由于反馈信道失真造成的DPD算法劣化的数字预失真(DPD)系统200的框图；
图3示出了应用基于训练序列的后失真的远端射频单元(RRU)300的框图；
图4示出了根据本申请的应用BPSK辅助后失真的具有中央单元(CU)410和远端射频单元(RRU)420的MIMO系统400的框图；
图5示出了根据本申请的用于应用BPSK辅助盲均衡的远端射频单元(RRU)500的框图；
图6示出了根据本申请的用于应用BPSK辅助盲均衡的中央单元(CU)600的框图；
图7示出了示出AM-AM的无记忆非线性效应的性能图700；
图8示出了复平面中用于未均衡的ROF传输的符号图800；
图9示出了根据本申请的复平面中用于使用BPSK辅助均衡进行均衡的ROF传输的符号图900；
图10示出了示出根据本申请的TDD操作和ROF信道校准的TDD系统1000的示意图；
图11示出了示出根据本申请的由远端射频单元(RRU)生成上行光信号的方法的示意图；以及
图12示出了示出根据本申请的由中央单元(CU)生成下行光信号的方法的示意图。
具体实施方式
在以下具体实施方式中参考附图，附图形成具体实施方式的一部分，并且在附图中通过图示的方式示出了可以实践本申请的特定方面。应理解，可以利用其他方面并且可以进行结构或逻辑上的改变，而不脱离本申请的范围。因此，以下具体实施方式不应理解为限制性的，并且本申请的范围由所附权利要求限定。
应理解，结合所描述的方法做出的解释对于用于执行上述方法的相应设备或系统也可以成立，反之亦然。例如，如果描述了特定方法步骤，则相应设备可以包括用于执行所描述的方法步骤的单元，即使这种单元未在图中明确描述或示出。此外，应理解，除非另外特别指出，否则本文描述的各个示例性方面的特征可以彼此组合。
本文描述的方法、设备、以及系统可以特别地使用远端射频单元和中央单元通过光载无线(ROF)通信实现。
光载无线(RoF)是指一种技术，通过这种技术，光由射频信号调制并通过光纤链路传输。与全电式信号传输相比，使用光纤链路的主要技术优势是传输损耗更低并且对噪声和电磁干扰的灵敏度降低。应用范围包括移动无线电信号(例如3G、4G、5G、WiFi)的传输、有线电视信号的传输、以及卫星通信。
在无线通信领域，一种主要应用是促进从同一天线同时进行的(例如5G和WiFi)无线接入。换句话说，无线电信号通过光缆承载。因此，单个天线可以接收通过单光纤电缆承载到中心位置的任何和所有(5G，Wifi，蜂窝等)无线电信号，然后设备在该中心位置对这些信号进行转换。
远端射频单元(RRU)(在无线网络中也称为远端射频头(remote radio head，RRH))是一种远端射频收发器，其经由电气接口或无线接口连接到操作器无线电控制面板。
在诸如GSM、CDMA、UMTS、LTE、5G等无线系统技术中，无线电设备距离BTS/NodeB/eNodeB/gNodeB(也称为中央单元)较远。该设备用于扩展BTS/NodeB/eNodeB/gNodeB在具有挑战性的环境(如农村地区或隧道)中的覆盖范围。其通常使用通用公共无线电接口协议经由光纤电缆连接到BTS/NodeB/eNodeB/gNodeB。
RRU已成为现在的新分布式基站中最重要的子系统之一。RRU包含基站的RF电路以及模数/数模转换器和上/下变频器。RRU还具有操作和管理处理能力以及用于连接到基站的其余部分的标准化的光接口。远端射频单元使MIMO操作更容易；这些远端射频单元提高了基站的效率，并且便于针对间隙覆盖问题进行物理定位。
本文所描述的方法、设备、以及系统可以特别地利用PRBS和BPSK发生器。
伪随机二进制序列(PRBS)是一种二进制序列，虽然是用确定性算法生成的，但是这种二进制序列难以预测并且表现出与真正的随机序列相似的统计行为。伪随机二进制序列可以使用线性反馈移位寄存器生成。
二进制相移键控(BPSK)是相移键控(PSK)的一种最简单的形式。其使用两个相隔180°的相位，因此也可以称为2-PSK。星座点的确切位置并不是特别重要。因此，在解调器做出错误决定之前，其会处理最高噪声水平或失真。这使其成为所有PSK中最鲁棒的。
所描述的设备可以包括集成电路和/或无源器件并且可以根据各种技术制造。例如，电路可以被设计为逻辑集成电路、模拟集成电路、混合信号集成电路、光电路、存储电路、和/或集成无源器件。
本文描述的设备和系统可以包括处理器或处理设备、存储器、以及收发器，即发射器和/或接收器。在以下描述中，术语“处理器”或“处理设备”描述了可以用于处理特定任务(或框或步骤)的任何设备。处理器或处理设备可以是单个处理器或多核处理器，或者可以包括一组处理器，或者可以包括处理装置。处理器或处理设备可以处理软件或固件或应用等。
图4示出了根据本申请的应用BPSK辅助后失真的具有中央单元(CU)410和远端射频单元(RRU)420的MIMO系统400的框图。
这种多输入多输出(MIMO)系统400包括中央单元410和远端射频单元(RRU)420，RRU 420通过单模光纤(SMF)耦合到CU。
RRU 420包括二进制相移键控(BPSK)调制器422，该BPSK调制器422用于通过本地振荡器(LO)信号426调制BPSK波形423以生成激励信号325。LO信号426是从经由下行光载无线(DL-ROF)401从中央单元(CU)410接收的下行光信号313(例如，如图3所示)导出的。RRU420还包括光信号发生器312，例如激光器(或光电二极管)，该光信号发生器312用于基于激励信号325生成上行光信号314(例如，如图3所示)，以经由上行光载无线(UL-ROF)402传输到CU 410。
上行光信号314的功率可以由CU 410经由控制信道(在图4中表示为CU 410和RRU420之间的虚线)控制。
RRU 420可以包括带通滤波器(BPF)(例如，如图5中所示的BPF 503)，该BPF用于从下行光信号313恢复LO信号426。下行光信号313可以携带具有载波频率fc的LO信号426和具有载波频率fc的谐波。BPF 503的通带频率范围可以包括载波频率fc。
RRU 420还可以包括伪随机二进制序列(PRBS)发生器421或白噪声发生器，该PRBS发生器421或白噪声发生器用于生成BPSK波形423。
例如，如图10所示，RRU 420可以以时分双工(TDD)模式操作。例如，如以下参考图10所述，特别地，TDD模式的下行(DL)相位可以用于经由DL-ROF 401接收DL光信号313，TDD模式的上行(UL)相位可以用于经由UL-ROF 402发送UL光信号314，DL/UL或UL/DL切换间隔可以用于训练和/或校准。
CU 410包括光信号发生器414，例如激光器(或光电二极管)，该光信号发生器414用于基于下行数字信号416生成下行光信号(例如，如图6所示的信号610)，以经由下行光载无线(DL-ROF)401传输到RRU420。CU410还包括数字预失真器(DPD)412，该DPD412用于基于DPD反馈信号419对下行数字信号416进行数字预失真。CU 410还包括盲线性数字信道均衡器417，该盲线性数字信道均衡器417用于基于经由上行光载无线(UL-ROF)402从RRU 420接收的上行光信号(例如图6中所示的信号611)提供DPD反馈信号419。
CU 410可以用于对从上行光信号611导出的上行数字信号应用判决引导最小均方(DD-LMS)算法，以确定盲线性数字信道均衡器417的均衡系数。
CU 410可以用于经由与RRU 420的控制信道改变在RRU 420生成的上行光信号611的增益，以识别UL-ROF 402引入的非线性失真。CU410可以用于基于上行光信号611的增益改变，识别UL-ROF 402的幅度到幅度调制(AM-AM)响应(例如由图6所示的AM-AM补偿器609确定)。
CU 410可以用于特别是通过N-L或Hammerstein模型，基于近似将UL-ROF 402引入的非线性失真识别为无记忆非线性系统。Hammerstein模型是一种以Adolf Hammerstein命名的非线性动态系统的特殊模型形式。特征是由线性时不变动态系统之前的静态非线性的串联组成的结构。Hammerstein模型是针对单尺寸系统和多尺寸系统定义的。
CU 410可以用于基于以下关系调节盲线性数字信道均衡器417：
uBB＝hUL,CU*ΦUL,ROF(grBB)+nBB,
其中，uBB表示上行光信号611的数字基带表示，hUL,CU表示在CU 410引入的线性失真，ΦUL,ROF表示UL-ROF 402引入的非线性失真，g表示在RRU 420生成的上行光信号611的增益，rBB表示用于生成上行光信号611的在RRU 420的BPSK波形的数字基带表示，nBB表示失真信号。
例如，如图10所示，CU 410可以以时分双工(TDD)模式操作。例如，如以下参考图10所述，特别地，TDD模式的下行(DL)相位可以用于经由DL-ROF发送DL光信号，TDD模式的上行(UL)相位可以用于经由UL-ROF接收UL光信号，DL/UL或UL/DL切换间隔可以用于训练和/或校准。
CU 410可以用于经由DL-ROF 401向RRU 420发送具有载波频率fc的本地振荡器(LO)信号。
在假设接收器侧不知道激励序列的情况下，可以使用采用简单的激励信号生成的非常紧凑的远端射频单元(RRU)设计来实现图4所示的MIMO系统400。在这种情况下，将执行盲均衡，并在随后的系统设计(即BPSK辅助后失真)中应用由RRU侧随机生成的二进制序列调制的载波信号(LO)。用作上行ROF(DML)的输入的RF信号的功率由CU控制。
MIMO系统400的设计可以具有以下特征：
(1)CU 410经由DL-ROF 401发送载波频率为fc的LO信号；
(2)RRU 420侧接收到该LO信号，然后执行带通滤波器(BPF)来恢复LO信号，再将其馈送到二进制相移键控(BPSK)调制器422；另一方面，由随机二进制序列发生器(PRBS，伪随机二进制序列)421或白噪声发生器生成的BPSK波形423被发送到BPSK调制器422；调制的BPSK RF信号被发送到UL-ROF 402(反馈信道)，其增益g由中央单元(CU)410控制；
(3)在CU 410侧，对接收到的基带信号应用盲线性信道均衡417，例如应用判决引导最小均方(DD-LMS)算法，以识别上行线性失真；通过改变RRU 420侧的增益g，求出对应于UL-ROF无记忆非线性失真的幅度到幅度调制(AM-AM)函数；
(4)在CU 410侧，对DPD反馈信号或上行信号应用线性失真补偿和非线性失真补偿。
图5示出了根据本申请的用于应用BPSK辅助盲均衡的远端射频单元(RRU)500的框图。RRU 500表示以上参考图4描述的RRU 420的实现。
即，如上参考图4所述经由DL-ROF 401从SMF接收的光信号313通过后失真模块(PD)301和功率放大器(PA)302。在PD 301之后(并且也在PA之后)，接收信号可以由载波频率分量和多个谐波表示。PA302之后的接收信号分支到具有衰减器303的第一分支，该衰减器303提供反馈信号x(t)526，反馈信号x(t)526经由第一子分支转发到调制器开关306，并且经由第二子分支转发到带通滤波器(BPF)503并到达BPSK调制器422。PA302之后的接收信号分支到具有天线开关304的第二分支，该接收信号在天线开关304处切换到天线305，并作为上行信号323到达调制器开关306。BPSK调制器422由BPSK发生器501生成的调制波形423馈送。BPF 503用于从接收到的光信号313的多个谐波中滤出载波频率分量。该载波频率分量控制BPSK调制器422。在调制器开关306之后，生成的输出信号被传递到可变增益放大器(VGA)310，该VGA310控制输出信号的增益g。CU 410可以经由控制信道(图5中未示出)控制311增益。放大的输出信号用于激励光发生器312，即直接调制激光器312，直接调制激光器312生成馈送到SMF 403以经由如图4所示的UL/FB-ROF 402传输的光信号314。
在图5所示的RRU 500中，LO信号由CU 410经由DL-ROF 401发送，并且在描述CU实现600的图6中由xRF,DL(t)表示。
考虑到DL-ROF 401和PA302的非线性效应，接收信号yDL,RRU(t)313(DL-ROF 401的输出)或y’DL,RRU(t)(PA输出)实际上是LO信号及其谐波。然后，该RF信号被馈送到BPSK调制器422，在使用用于fc的BPF 503(带通滤波器)对谐波进行滤波之后，可以完全恢复CU的LO。由于LO及其谐波在频域中相距较远，例如3.5GHz，因此BPF 503易于设计。使用CU转发的LO信号的优点在于，可以有效消除载波频率偏移(CFO)。也减轻了线性失真或非线性失真。
在RRU侧500，安装了BPSK序列或基带波形发生器501，并且CU 410不一定知道生成的序列423。该BPSK信号发生器501可以是PRBS(伪随机二进制序列)发生器或滤波的白噪声发生器。因为可以例如使用标准集成电路将随机二进制序列发生器501、BPSK调制器422、以及滤波器实现为便宜且紧凑的单元(硬件电路)，所以有趣的部分在于简化的RRU设计500。
由rRF(t)表示的调制的RF信号放大了增益g，该增益g由CU410经由低速数字控制进行控制。
图6示出了根据本申请的用于应用BPSK辅助盲均衡的中央单元(CU)600的框图。CU600表示以上参考图4描述的CU 410的实现。其可以与以上参考图5描述的RRU设计500结合到如图4所示的MIMO系统。
在CU设计600中，数字输入信号416被传递到数字预失真(DPD)单元412。DPD 412的输出通过数模转换器(DAC)413和上变频器603，然后激励直接调制激光器(DML)414(即，光信号发生器)以生成到SMF的光信号610。在接收路径中，光信号611从SMF 403(参见图4)接收，并通过后失真(PD)单元414、下变频器(D/C)606、模数转换器(ADC)416，该信号在ADC416处被转换为数字接收信号uBB(n)。将该数字接收信号uBB(n)输入到使用例如DD-LMS训练算法的盲信道补偿器417。在AM-AM补偿块609之后，补偿的数字信号419用于控制DPD 412。
在CU侧600，执行诸如判决引导最小均方(DD-LMS)算法之类的盲信道均衡，以求出线性均衡器的系数。然后，改变应用于rRF(t)325的增益(参见图5)，以识别非线性失真。可以如下详细说明该处理：
反馈系统可以建模为：
uBB＝hUL,CU*ΦUL,ROF(g·rBB)+nBB (2)
其中，hUL,CU(t)表示在CU 410、600(LNA、混频器、LPF、ADC等)引入的线性失真，ΦUL,ROF(·)表示UL-ROF 402引入的非线性失真。注意，由于与传统的上变频方法相比，BPSK调制器422通常(在RF信号上)表现出较小的线性失真，因此可以忽略RRU侧420的线性失真。基于ΦUL,ROF(·)可以近似为无记忆非线性系统的事实，参见“E.E.Bergamann,Dispersion-Induced Compmosite Second-Order Distortion at 1.5um,IEEE PHOTONICS TECHNOLOGYLETTER VOL 3 NO1,1991年”，ΦUL,ROF(·)可以使用如图7所示的AM-AM模型700来描述(等效于复基带信号的绝对值)，从而可以通过N-L或Hammerstein模型来近似反馈ROF信道。
图7示出了示出AM-AM的无记忆非线性效应的性能图700。图形702表示可以近似为线性系统(由图形701描绘)的非线性系统。对于在0和0.5之间的输入值，可以获得很好的近似，而对于在0.5和1之间的输入值，可以获得仍可接受的近似。因此，该非线性系统可以近似为无记忆的。
图8示出了复平面中用于未均衡的ROF传输的符号图800，图9示出了根据本申请的复平面中用于使用BPSK辅助均衡进行均衡的ROF传输的符号图900。
当使用具有恒定功率(幅度)的BPSK波形时，因为补偿了hUL,CU，所以ROF非线性失真ΦUL,ROF将不会影响线性失真的补偿：无记忆非线性失真之后的BPSK波形仍是BPSK波形。因此，传统的盲均衡技术DD-LMS可以用于补偿hUL,CU，然后通过经由控制信道改变RRU处的VGA增益g来识别ΦUL,ROF的AM-AM响应。
符号图800和符号图900示出可以有效提高反馈信号质量。图8和图9是20km的ROF传输的示例，其中EVM从4.78％改善为2.41％。
图10示出了示出根据本申请的TDD操作和ROF信道校准的TDD系统1000的示意图。
如图10所示，针对时分双工(TDD)系统1000设计了UL/DL-ROF的校准。时间间隔1002、1012用于下行信号传输和下行反馈信号传输，时间间隔1004和1014用作空闲(IDLE)状态并且用于上行信号传输，即根据常规TDM系统：
(1)在下行相位1002、1012期间，使用DL-ROF进行下行信号传输；
(2)在上行相位1004、1014期间，使用UL-ROF进行上行信号传输；
(3)对于下行校准(包括RRU侧的DL-ROF和PA)，使用UL-ROF作为反馈信道。
在根据本申请的新系统设计中，DL/UL 1003、1013、或UL/DL 1001、1011切换间隔可以用于专用的校准：
(1)在UL/DL切换间隔1001、1011期间，DL-ROF和UL-ROF均是空闲的，从而所公开的BPSK辅助均衡方法中的LO信号可以通过DL-ROF从CU 410发送到RRU 420，然后可以执行所公开的盲均衡；
(2)在DL/UL切换间隔1003、1013期间，可以执行与下行相位中相同的下行校准。
由于可以以自适应滤波器的方式执行校准过程，因此后失真可以跟踪环境的快速变化，所以与传统的离线训练方法相比，该方法更适用于在线校准。
图11示出了示出根据本申请的由远端射频单元(RRU)(例如由如以上参考图4和图5所述的RRU)生成上行光信号的方法的示意图。
方法1100包括接收1101经由下行光载无线(DL-ROF)从中央单元(CU)(例如，如以上参考图4和图6所述的CU)接收的下行光信号。
方法1100包括基于本地振荡器(LO)信号对二进制相移键控(BPSK)波形的BPSK调制，生成1102激励信号，其中，LO信号是从(例如，如以上参考图4和图5所述的)下行光信号导出的。
方法1100包括光信号发生器(特别是激光器)基于激励信号生成1103上行光信号，以经由上行光载无线(UL-ROF)传输到(例如，如以上参考图4和图5所述的)CU。
图12示出了示出根据本申请的由中央单元(CU)(例如由如以上参考图4和图6所述的CU)生成下行光信号的方法的示意图。
方法1200包括光信号发生器(特别是激光器)基于下行数字信号生成1201下行光信号，以经由下行光载无线(DL-ROF)传输到远端射频单元(RRU)，例如，如以上参考图4和图5所述的RRU。
方法1200包括数字预失真器(DPD)基于(例如，如以上参考图4和图6所述的)DPD反馈信号对下行数字信号进行数字预失真1202。
方法1200包括盲线性数字信道均衡器基于经由上行光载无线(UL-ROF)从(例如，如以上参考图4和图6所述的)RRU接收的上行光信号，提供1203DPD反馈信号。
本申请还支持一种包括计算机可执行代码或计算机可执行指令的计算机程序产品，上述计算机可执行代码或计算机可执行指令在被执行时使至少一个计算机执行本文所述的执行和计算步骤，特别是上述方法和过程。这种计算机程序产品可以包括其上存储有供计算机使用的程序代码的非暂时性可读存储介质。上述程序代码可以执行本文描述的处理和计算步骤，特别是上述方法和过程。
虽然可能已经仅针对多种实施方式中的一种实施方式公开了本申请的特定特征或方面，但是由于对于任何给定或特定的应用可能是所期望的和有利的，所以可以将这种特征或方面与其他实施方式的一个或多个其他特征或方面组合。此外，就在具体实施方式或权利要求中使用术语“包括”，“具有”，“有”或其其他变型而言，这些术语旨在以类似于术语“包括”的方式表示包括。此外，术语“示例性”、“例如”、“比如”仅表示作为示例，而非表示最佳或最优的。可以使用术语“耦合”和“连接”以及派生词。应理解，这些术语可能用于指示两个元件彼此协作或交互，而无论这些元件是直接物理接触还是电接触，或者不是彼此直接接触。
虽然本文已示出和描述了特定方面，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离本申请范围的情况下，各种替代和/或等效实施方式可以代替示出和描述的特定方面。本申请旨在涵盖本文所讨论的特定方面的任何修改或变型。
虽然权利要求书中的元素以特定顺序叙述并具有相应标记，但是除非权利要求书中的陈述暗含实现某些或所有这些元素的特定顺序，否则这些元素不必限于以该特定顺序实现。
根据上述教导，许多替代、修改、以及变型对于本领域技术人员将是显而易见的。当然，本领域技术人员可以容易地认识到，除了本文描述的以外，本发明还有许多应用。虽然已参考一个或多个特定实施例描述了本发明，但是本领域技术人员认识到，在不脱离本发明范围的情况下，可以对其进行许多改变。因此，应理解，在所附权利要求及其等同物的范围内，可以以不同于本文具体描述的方式实现本发明。

Claims (21)

1.一种远端射频单元RRU(420)，包括：
二进制相移键控BPSK调制器(422)，用于通过本地振荡器LO信号(426)调制BPSK波形(423)以生成激励信号(325)，其中，所述LO信号(426)是从经由下行光载无线DL-ROF(401)从中央单元CU(410)接收的下行光信号(313)导出的，其中，所述下行光信号(313)携带具有载波频率fc的所述LO信号(426)；以及
光信号发生器(312)，用于基于所述激励信号(325)生成上行光信号(314)，以经由上行光载无线UL-ROF(402)传输到所述CU(410)。
2.根据权利要求1所述的RRU(420)，
其中，所述上行光信号(314)的功率由所述CU(410)经由控制信道控制。
3.根据权利要求1所述的RRU(420)，包括：
带通滤波器BPF(503)，用于从所述下行光信号(313)恢复所述LO信号(426)。
4.根据权利要求3所述的RRU(420)，
其中，所述下行光信号(313)还携带具有所述载波频率fc的谐波。
5.根据权利要求4所述的RRU(420)，
其中，所述BPF(503)的通带频率范围包括所述载波频率fc。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的RRU(420)，包括：
伪随机二进制序列PRBS发生器(421，501)或白噪声发生器，用于生成所述BPSK波形(423)。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的RRU(420)，以时分双工TDD模式(1000)操作，
其中，所述TDD模式的下行DL相位用于经由DL-ROF(401)接收所述DL光信号(313)，
其中，所述TDD模式的上行UL相位用于经由UL-ROF(402)发送所述UL光信号(314)，
其中，DL/UL或UL/DL切换间隔用于训练和/或校准。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的RRU(420)，所述光信号发生器(312)为激光器。
9.一种中央单元CU(410)，包括：
光信号发生器(414)，用于基于下行数字信号(416)生成下行光信号(610)，以经由下行光载无线DL-ROF(401)传输到远端射频单元RRU(420)，其中，所述下行光信号(610)携带具有载波频率fc的本地振荡器LO信号(426)；
数字预失真器DPD(412)，用于基于DPD反馈信号(419)对所述下行数字信号(416)进行数字预失真；以及
盲线性数字信道均衡器(417)，用于基于经由上行光载无线UL-ROF(402)从所述RRU(420)接收的上行光信号(611)提供所述DPD反馈信号(419)。
10.根据权利要求9所述的CU(410)，用于：
对从所述上行光信号(611)导出的上行数字信号应用判决引导最小均方DD-LMS算法，以确定所述盲线性数字信道均衡器(417)的均衡系数。
11.根据权利要求9所述的CU(410)，用于：
经由与所述RRU(420)的控制信道改变在所述RRU(420)生成的所述上行光信号(611)的增益，以识别所述UL-ROF(402)引入的非线性失真。
12.根据权利要求11所述的CU(410)，用于：
基于所述上行光信号(611)的增益改变，识别所述UL-ROF(402)的幅度到幅度调制AM-AM响应(609)。
13.根据权利要求11所述的CU(410)，用于：
通过N-L或Hammerstein模型，基于近似将所述UL-ROF(402)引入的所述非线性失真识别为无记忆非线性系统。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的CU(410)，用于基于以下关系调节所述盲线性数字信道均衡器(417)：
uBB＝hUL，CU*ΦUL，ROF(grBB)+nBB，
其中，uBB表示所述上行光信号(611)的数字基带表示，hUL，CU表示在所述CU(410)引入的线性失真，ΦUL，ROF表示所述UL-ROF(402)引入的非线性失真，g表示在所述RRU(420)生成的所述上行光信号(611)的增益，rBB表示用于生成所述上行光信号(611)的在所述RRU(420)的BPSK波形的数字基带表示，nBB表示失真信号。
15.根据权利要求9至13中任一项所述的CU(410)，以时分双工TDD模式(1000)操作，
其中，所述TDD模式的下行DL相位用于经由DL-ROF发送所述DL光信号，
其中，所述TDD模式的上行UL相位用于经由UL-ROF接收所述UL光信号，
其中，DL/UL或UL/DL切换间隔用于训练和/或校准。
16.根据权利要求9至13中任一项所述的CU(410)，用于：
经由所述DL-ROF(401)向所述RRU(420)发送具有所述载波频率fc的所述LO信号。
17.根据权利要求9至13中任一项所述的CU(410)，所述光信号发生器(414)为激光器。
18.一种多输入多输出MIMO系统(400)，包括：
根据权利要求9至17中任一项所述的中央单元CU(410)；以及
根据权利要求1至8中任一项所述的远端射频单元RRU(420)，通过单模光纤SMF耦合到所述CU。
19.一种由远端射频单元RRU生成上行光信号的方法(1100)，所述方法包括：
接收(1101)经由下行光载无线DL-ROF从中央单元CU接收的下行光信号，其中，所述下行光信号携带具有载波频率fc的本地振荡器LO信号；
基于所述LO信号对二进制相移键控BPSK波形的BPSK调制，生成(1102)激励信号，其中，所述LO信号是从所述下行光信号导出的；以及
光信号发生器，基于所述激励信号生成(1103)上行光信号，以经由上行光载无线UL-ROF传输到所述CU。
20.一种由中央单元CU生成下行光信号的方法(1200)，所述方法包括：
光信号发生器，基于下行数字信号生成(1201)下行光信号，以经由下行光载无线DL-ROF传输到远端射频单元RRU，其中，所述下行光信号携带具有载波频率fc的本地振荡器LO信号；
数字预失真器DPD基于DPD反馈信号对所述下行数字信号进行数字预失真(1202)；以及
盲线性数字信道均衡器基于经由上行光载无线UL-ROF从所述RRU接收的上行光信号，提供(1203)所述DPD反馈信号。
21.一种非暂时性可读存储介质，用于存储程序代码，当所述程序代码在通信装置中运行时，使得如权利要求19或20所述的方法被执行。
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