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技術探索

5G毫米波光載微波系統調變設計與應用

中文摘要

  因應全球行動數據流量不斷成長,未來行動數據傳輸頻寬需求增加,第5代行動通訊系統將使用頻率更高、頻寬更大的毫米波(Millimeter Wave)頻段進行傳輸,然而毫米波傳輸卻有衰減大、穿透性不佳,造成網路涵蓋範圍受限的問題必須克服。透過光載微波系統,可有效延伸基地台信號至建築物等封閉區域內等電磁波不易穿透的地方, 改善5G毫米波通訊涵蓋範圍。本論文首先說明目前應用於第四代通訊系統之光載微波系統設計,與其實際驗證結果,並基於目前之光載微波系統設計, 提出一結合飛秒光纖雷射光梳與虛像相位陣列之5G毫米波通訊光載微波系統調變架構,與提升5G毫米波光載微波系統網路傳輸效能研究方向。

Abstract

  Due to the growth of global mobile traffic, the bandwidth demand for transmitting mobile traffic is increasing. 5G networks will be operated at millimeter wave (MMW) band which the frequency is higher and the bandwidth is larger. However, the propagation loss and penetration loss of millimeter wave is very high to limit coverage of 5G networks. By using RoF (Radio-over-Fiber),the base station signal can be effectively extended to the buildings or other closure areas to improve the 5G networks coverage. This paper firstly introduces the current design and the test results of RoF systems for 4G systems. Based on current designs of RoF systems, a femtosecond fiber lasers optical frequency comb with VIPA (Virtually Imaged Phased Array) based millimeter wave RoF system modulation architecture is further proposed and a research issue of enhancing 5G MMW RoF networks is introduced

關鍵詞(Key Words)

毫米波(Millimeter Wave;MMW)
光載微波(Radio-over-Fiber;RoF)
虛像相位陣列(Virtually Imaged Phased Array;VIPA)

1. 前言

  隨著智慧型手機的普及,社群、影音網站的風行,全球行動數據流量不斷成長,根據UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) 論壇報告的預測,到了2020年時行動數據傳輸量將成長為目前之33倍,達到127EB(1018bytes) [1]。為滿足行動數據流量爆炸性成長之需求,新一代行動通訊系將尋求更大的傳輸頻寬,以提供更大量之行動數據傳輸、更即時的行動網路服務,然而隨著無線通訊系統不斷地發展,目前3GHz以下的頻譜,已存在許多的無線通訊系統,現有頻譜資源已不敷使用,免費訂閱 第162期 電腦與通訊 45難以滿足下一代通訊系統所需之高資料傳輸量。

  因應未來行動數據傳輸頻寬需求, 第5代行動通訊系統將使用頻率更高、頻寬更大的毫米波(Millimeter Wave)頻段進行傳輸,以達到5G通訊要求的提升10~100倍傳輸速率目標。相較於現有通訊系統在3GHz以下的頻段, 毫米波頻段(30~300GHz)較少通訊系統存在,空閒頻譜相對較多,且因頻率高、頻寬相對較大,可以更容易達multi-gigabit的資料傳輸率。然而雖然毫米波通訊有較大的頻寬可提供非常高的資料傳輸率,但是由於其頻率高,電波傳播損失大,包含空氣中的氧氣、雨天的水氣都會造成毫米波信號能量的衰減,形成毫米波通訊傳輸距離較短,需要直視波通訊,特別是其穿透性不佳的傳輸特性,使得毫米波在穿透室內時會受到建築物水泥牆的阻隔,造成5G網路的覆蓋範圍受到嚴重限制。

  一直以來,網路涵蓋範圍問題對於各家電信營運商即是最重要的問題,無線接取網路在佈建的過程中,容易因為建築物的阻擋、環境的遮蔽等因素影響網路連線品質,甚至造成斷線, 特別是在隧道中、大樓室內等電波不易穿透之特殊環境,形成通訊死角。在這類空間狹小且相對封閉的區域內,通常缺乏足夠的空間架設大型基地台,而且成本效益不佳。在顧及基地台建設成本,特殊封閉環境內之信號涵蓋改善,可使用洩波電纜(Leaky Coaxial Cable,LCX) 或是光載微波(Radio-over-Fiber, RoF) 等額外掛載一些小型設備來延伸基地台訊號之低成本技術,過去3G業者在隧道內只能選擇使用洩波電纜,然而,洩波電纜會限制信號傳輸頻寬與MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 天線佈建,無法滿足新一代行動通訊系所需之大頻寬要求。光載微波系統由頭端設備、光纖與遠端設備組成, 其中頭端設備與基地台連接,負責將基地台的射頻電訊號經由電光轉換載至光訊號上面,利用光纖傳至遠方的遠端設備,遠端設備再經由電光轉換,將光訊號還原成射頻電訊號, 藉由光載微波系統,使基地台天線可延伸至建築物內等電磁波不易穿透的地方,具有體積小、傳輸損失小、延伸距離遠、實現簡單、容易延伸網路涵蓋範圍與成本低等多項優點。

  因此,對於5G網路因為毫米波衰減大、穿透性不佳而限制網路涵蓋範圍的問題,即可使用光載微波系統延伸5G信號至室內等封閉環境,解決毫米波通訊的穿透問題,特別是光載微波使用光纖傳輸可提供5G網路所需之大信號頻寬與高資料傳輸量。相較於現有第三代、第四代通訊之光載微波系統,5G的毫米波光載微波系統開發有許多差異,包含1.毫米波的光源產生、2.寬頻的光電調制器、3.毫米波射頻電路設計,因此,毫米波光載微波系統的開發必須解決上述問題。

  本文其他章節介紹如下:第二章將先說明目前在高鐵上實際開發佈建用於第四代通訊系統(LTE)之光載微波系統與靜態測試結果,第三章將介紹5G RoF系統設計,第四章則針對5GRoF系統的網路應用進行介紹,最後5G毫米波光載微波系統進行總結。

2. 4G光載微波系統

  光載微波裝置主要可分成(1)頭端設備、(2)光纖與(3)遠端設備,其中頭端設備與遠端設備內包含了光電/電光轉換模組、射頻模組與多工/解多工模組等。圖2.1所示為一TDD-RoF之系統方塊圖。在下行鏈路部份,基地台的射頻信號,會由頭端設備(Head-end Unit;HEU)轉換為光信號,再透過光纖傳至遠端設備(Remote Antenna Unit;RAU)還原成射頻信後,然後經由天線發射基地台訊號,上行鏈路則反之。

圖2.1 TDD RoF系統架構圖

圖2.1 TDD RoF系統架構圖

  光載微波頭端設備的組成包含多工/解多工(Mux/Demux) 器、電光轉換器(Electro-Opto Converter) 意即雷射二極體(Laser Diode;LD)、光電轉換器(Opto-Electro Converter) 意即光電二極體(Photo Diode;PD)CWDM(Coarse
wavelength division multiplexing)等元件。首先基地台訊號會經過多工/解多工模組,將基地台下行訊號分接至數個RAU端進行傳送;當基地台在接收訊號時, 會將多個RAU系統端接收到多組上行訊號,合併成一組上行訊號傳回基地台。

  電光、光電轉換電路使用雷射二極體與光電二極體來承載射頻訊號,而當多個基地台連接多組RoF模組時,所需使用光纖的數量將隨之增加,造成系統複雜度增加與維護不易,而藉由WDM技術可讓RoF系統使用不同的波長,降低RoF光纖使用數量,以2x2 MIMO架構為例,下行與上行鏈路即可透過4個光波長在同一條光纖內傳送信號。

  在射頻模組方面,從下行方向會經由光電轉換器換後,經過根據各系統頻帶而定的帶通濾波器,再經由低雜訊放大器與功率放大功率傳送出去,經收發切換後傳送出去;上行方向經由天線接收後,經過收發切換、帶通濾波器與低雜訊放大器,經電光轉換器換傳回頭端。

  上述說明之TDD光載微波系統,已實際台灣高鐵隧道內進行測試,圖2.2為目前已建置之高鐵LTE基地台和RoF佈建架構圖,其中基地台安裝於P01、P13和P14三處,P02~P08為新竹站(Hsinchu station)北邊Sector RRU(Remote Radio Unit) 訊號延伸,P09~P12為湖口站(Hukou station)南邊Sector RRU訊號延伸。

圖2.2 高鐵基地台和RoF配置圖.

圖2.2 高鐵基地台和RoF配置圖.

表2.1 RAU有線效能測試結果

表2.1 RAU有線效能測試結果

  完成高鐵線上P02~P12安裝RoF系統後,進一步於RAU各點進行有線連通效能測試。測試前首先將RAU RF訊號輸出接衰減器,連接至LTE CPE(customer premise equipment)用戶端設備之RF訊號輸入端,CPE透過有線網路和筆記型電腦相連,LTE基地台設定為載波頻段為2.6GHz, 頻寬15MHz, 傳輸模式為TM2。測試結果如表2.1 所示,其中CRSTP(CarrierReference Signal Transmission Power)為CPE所顯RSRP(Reference Signal Receiving Power)扣掉有線電路之衰減值後RAU的RF訊號輸出功率,SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio) 為CPE所顯示數值,DL THR(Downlink Throughput) 和ULTHR(Uplink Throughput) 為測試筆記型電腦和核網伺服器對測之吞吐量結果。其中各站點SINR都可達到30dB以上,Downlink Throughput 約可達到39Mbps,Uplink Throughput可達到6Mbps以上。

 上述測試結果可以驗證目前4G光載微波系統設計可行,同時可以看到其測試結果離5G通訊要求的multi-gigabit傳輸率還有很大的差距,其主要原因之一為我們所測試之4G系統頻寬為15MHz,同時現有之光載微波系統雷射二極體僅可操作在6GHz以下,無法應用於5G通訊免費訂閱第162期電腦與通訊47系統之毫米波頻段,我們將基於目前之光載微波系統架構,研究相關之光電調變架構,產生所需之毫米波調變光信號。

3. 5G毫米波光載微波系統光電轉換 設計

  5G通訊可能會採用的毫米波頻段有28GHz、38GHz或其他頻段,如何產生所需之毫米波載波頻率是5G毫米波光載微波系統設計之重點。以下將介紹現有毫米波之光電調變架構,並於3.2節中提出以飛秒光纖雷射光梳為基礎的毫米波調變方式。

3.1 現有毫米波載波產生與光電調變技術簡介

  毫米波光載微波系統架構如同現有光載微波系統架構,主要為三個部分:中央控制站(central station , CS) 、光分佈網路(optical distribution network , ODN) ,以及遠端站台(remote station,RS),如圖3.1所示。其中,CS和RS 可視為對稱的架構,以光學傳送器(transmitters,TX)和接收器(receivers,RX)作為毫米波數位、類比光訊號的產生及接收。在下行方向,毫米波訊號經過光電轉換器將訊號載在光波上,由ODN傳遞給RS,再由RS轉換回毫米波訊號給終端使用者。反之為上行方向。

圖3.1 RoF系統架構[2]

圖3.1 RoF系統架構[2]

  毫米波訊號主要是在CS架構中產生,其系統架構可分為四大類[2]:直接調變雷射(directly modulated lasers,DML),外部調制雷射(externally modulated lasers,EML),多模光源(multimode light sources,MML),以及外差雙雷射(heterodyning two lasers,HTL)。

  CS最簡單的架構為使用直接調變雷射:直接由毫米波訊號調控雷射輸出,如圖3.2所示。其最大的優點為架構單純,成本低,但輸出頻率不穩定,且最大的調制頻率受限於雷射的共振頻率,極限為25GHz[3-5],在第二節中所說明之4G光載微波設計即採用直接調變雷射架構。

圖3.2 DML架構[2]

圖3.2 DML架構[2]

  外部調製雷射為最普遍常見的CS架構[6],由連續波(continuous-wave,CW)雷射,外部調(externalmodulator,EM)組成。EM可為光強度調(intensitymodulation)或相位調制(phase modulation)方式,使用Mach-Zhender 干涉儀,或電致吸收調變器(electro absorption modulator):以毫米波電子訊號控制EM,使經過EM的雷射光以毫米波的頻率調制,造成其輸出光強度有毫米波頻率的強弱變化,以達到輸出頻譜上具有雙邊帶毫米波訊號(optical double side band,ODSB。此架構優點為技術相對成熟,然而若要使用更高頻率的調制,則需要更高的成本及額外的高頻電子電路。

圖3.3 EML架構[2]

圖3.3 EML架構[2]

  多模光源如鎖模雷射(mode locked laser)、雙模雷射(dual-mode laser),在毫米波應用上也受到很大的關注,其主要是利用同時產生的多個光學模態間的拍頻(frequency beating)來產生毫米波訊號。使用外差雙雷射:將兩個不同光頻率的雷射耦合,兩者頻率拍頻,亦可產生出毫米波訊號。以上四類毫米波載波CS架構特點整理如表3.1。

表3.1 毫米波CS架構比較[2]

表3.1 毫米波CS架構比較[2]

3.2 結合飛秒光纖雷射光梳與虛像相位陣列之毫米波調變架構

  飛秒雷射光梳在時域上是等間距的雷射脈衝,在頻域上則是等間距的光頻率梳(簡稱為光梳)所組成[7],每一支光梳的頻率是重複率的整數倍加上一個偏差頻率,將重複率和偏差頻率鎖定到微波頻率標準,那麼每一支光梳就有如微波頻率標準般的穩定度[8,9],或者是將光梳鎖相到光頻率標準,每一支光梳更可以有赫茲以下的頻寬[10,11]。這些光梳是有固定相位的同調雷射光,在選擇兩支光梳其間距差為欲產生之毫米波頻率,將這兩支光梳照射到高速的光二極體就可以產生相位穩定的毫米波,如果將資料信號調制其中一支光梳,那麼所產生的毫米波就會被資料信號所調制,將此毫米波放大之後,就可以透過天線將載有資料信號的毫米波發射出去,選擇多重的光梳則可以同時產生多通道的毫米波以提供多重的服務。

  在眾多飛秒雷射光梳中,光纖雷射光梳受到相當的重視,因為光纖雷射光梳不僅有低雜訊而且可以相當的小型化,但是一般可以透過自參考技術穩頻的光纖雷射光梳,其重複率都不會大於1 GHz,要將這麼小間距的光梳分離出來,目前只有利用虛像相位陣列(Virtually Imaged Phased Array, VIPA)和光柵的組合才有可能。

  VIPA是日本富士實驗室的Shirasaki博士在1996年所發明[12],基本上它是傾斜入射的Fabry-Perotetalon,它是由兩面平行的平板所構成,一面是100%反射加上一小部分的抗放射,另一面則是部分反射(反射率九十幾%)。雷射光由柱狀透鏡聚焦後經由抗反射面斜向入射到部分反射面,在兩個平面間來回多重反射,每經過部分反射面一次就有一部分雷射光耦合出去,而被部分反射的光源可以看成是100%反射面後方垂直該反射面且距離它一個平行面厚度處的一個虛像光源,因此VIPA不僅具有etalon的特性,也具有光柵的色散特性,而它有優於光柵十倍以上的色散力,VIPA已經被廣泛應用在解析飛秒雷射光梳來量測分子的光譜[13,14]。

圖3.4 以飛秒光纖雷射光梳為基礎的毫米波發射器的架構圖

圖3.4 以飛秒光纖雷射光梳為基礎的毫米波發射器的架構圖

  利用VIPA和光柵的架構將飛秒光纖雷射光梳的每一支光梳解析出來然後產生毫米波發射器的架構如圖3.4所示,一台頻率穩定的飛秒光纖雷射光梳的重複率是1 GHz,也就是說光梳的間距是1 GHz,經由VIPA和光柵分光後以解析出每一支光梳,現在要產生38 GHz附近的毫米波的話,可以將38支光梳間距的兩支光梳(在此稱為信號光梳以及本地光梳)加成起來並且將其偏極方向投影到相同方向上,打進高速的光二極體,就可以產生毫米波。將信號光梳經由光強度調制器(IntensityModulator,IM)來載入資料信號,所產生的毫米波便載有資料信號的調制,經由毫米波的放大器放大之後,就可以由天線發射出去載有信號的毫米波。隨著高功率高速光二極體的快速發展[15],將來更可能直接由光二極體產生的足夠功率的毫米波直接驅動天線的發射,這樣可以更簡化毫米波射頻前端模組的實現。

  要產生多重通道的毫米波,可以選擇相鄰多重的信號光梳與本地光梳拍頻,至於將這些光梳重合在一起的方法,可以反向使用前述VIPA加光梳的架構組成光加成器(Optical combiner),也可以用一般的光纖加成器將信號光梳加成起來,然後透過AWG (Array Waveguide Grating)把信號光梳和本地光梳加成在一起。

圖4.1 C-RAN基本架構圖

圖4.1 C-RAN基本架構圖

4. 5G毫米波光載微波系統網路應用

  Cloud-RAN (Cloud-Radio Access Network)架構是未來5G通訊可能使用的新架構,光載微波可進一步用於Cloud-RAN的架構。圖4.1為基本Cloud-RAN (C-RAN)基本架構圖[6],其中Baseband Unit (BBU)的部分建構於雲端機房,負責處理網路實體層(Physical layer, L1)、資料鏈結層(Data-link layer, L2) , 以及網路層(Network layer, L3)的資料,而多個BBU構成了BBU pool。底層的RAU只負責處理與使用者之間RF訊號的收發。透過光纖以及波長多工器,BBU得以將基頻訊號傳給相對應的RAU再傳送給使用者。

  圖4.1的架構將運算量從RAN端集中到核心網端,節省了一般小型基地台的購置成本以節省佈建支出(Capital Expenditure),另外利用光載微波的高速傳輸來降低RAU到BBU之間的傳輸時延, 因而降低運營支出(Operating Expenditure),是未來5G網路佈建的選項之一。

  基於圖4.1 的架構目前有部分頻率複用(Fractional Frequency Reuse, FFR)[16]和分散式天線系統(Distributed Antenna System,DAS)[17] 兩種應用方式。

  FFR方式使用一對一,也就是1個BBU對應1個RAU,而RAU之間使用不同的頻率以避免同頻干擾(Co-Channel Interference, CCI)。FFR架構圖如圖4.2所示;而DAS方式為一對多,如圖4.3所示,1個BBU會對應多個RAU,RAU之間使用相同的頻率,同時在RoF佈建的涵蓋範圍內的DAS會視為同一個Cell ID,可以避免做換手的動作,避免換手失敗或是換手過程中傳輸率降低的問題,適合服務移動中的用戶。

圖4.2 FFR佈建機制

圖4.2 FFR佈建機制

圖4.3 DAS佈建機制

圖4.3 DAS佈建機制

  由於FFR和DAS有各自的優缺點,相對來說FFR適合服務靜態使用者,DAS適合服務移動使用者。特別是在毫米波頻段下,由於電波傳播損失大,RAU的覆蓋範圍較小, 在非DAS的Cloud-RAN架構下,移動中的使用者將會遭遇更頻繁的換手問題,影響資料傳輸率。因此在未來研究中,我們將考慮動態混合佈建的方法,也就是在同一個BBU pool中使用FFR服務靜態使用者,使用DAS服務移動使用者,如圖4.4所示,藉由動態的FFR/DAS混合佈建機制,系統端可靈活地根據使用者情境動態調整傳輸機制以提供使用者穩定和高速的網路服務。

圖4.4 FFR/DAS混合佈建機制

圖4.4 FFR/DAS混合佈建機制

5. 結論

  本論文說明了目前應用於第四代通訊系統之光載微波系統設計,其於高鐵線上之靜態測試結果顯示,各站點之SINR可達到30dB以上,Downlink Throughput約可達到39Mbps,Uplink Throughput可達到6Mbps以上。受限於直接調變架構的元件特性限制,目前之光載微波系統,無法符合第5代通訊毫米波光載微波系統之高載波頻率要求,本論文比較了四種光電調變架構, 並基於目前之光載微波系統設計,提出一以飛秒光纖雷射光梳為基礎之毫米波光載微波調變架構,透過光梳可產生多個頻率穩定的毫米波通道,提供多重5G信號服務,未來除了將進一步實現飛秒光纖雷射光梳之毫米波光載微波系統外,更將研究混合FFR與DAS架構之毫米波光載微波系統佈建方式,透過動態調整RAU頻率配置,提升Cloud RAN架構。

計畫相關資訊

  本文係工研院資通所執行「第5代通訊網路之毫米波光載微波分散式系統」成果之一。

參考文獻

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作者簡介

林坤毅

國立台北科技大學電腦與通訊研究所博士,現任工研院資訊與通訊研究所高速行動寬頻系統整合技術部工程師。專長為無線通訊傳輸技術與干擾消除技術,目前從事高速移動網路通訊及光載微波之研究。
E-mail: LinKY@itri.org.tw

陳家銘

東華大學電機工程學系博士,現任工研院資訊與通訊研究所高速行動寬頻系統整合技術部工程師。專長為數位通訊與無線通訊系統。目前從事光載微波之研究。
E-mail: Clement.Chen@itri.org.tw

彭錦龍

德國漢諾威大學物理博士,現任工研院量測中心正研究員。專長飛秒超快雷射與原子分子物理,目前從事飛秒光纖雷射光梳研發及其應用研究。
E-mail: JLPENG@itri.org.tw

鄭名宏

國立台北科技大學電腦與通訊研究所碩士,現任工研院資訊與通訊研究所高速行動寬頻系統整合技術部工程師。專長為數位通訊與無線通訊系統。目前從事高速鐵路之寬頻無線接取技術研究。
E-mail: MHCheng@itri.org.tw

蕭中芸

國立清華大學光電工程所碩士,現為國立交通大學資訊科學與工程研究所博士班學生。
E-mail: phoebe1220@gmail.com

金家齊

東華大學電機工程學系碩士,現任工研院資訊與通訊研究所高速行動寬頻系統整合技術部副工程師。專長為數位通訊與無線通訊系統。目前從事光載微波之研究。
E-mail: JCJin@itri.org.tw

林信標

國立台北科技大學電子工程系教授。專長為無線通訊系統、電波傳播、智慧型天線系統。
E-mail: hplin@ntut.edu.tw

嚴雷

國立台北科技大學電子工程系研究所博士候選人。研究領域為無線通訊網路佈建與干擾消除機制,目前從事4G/B4G網路佈建優化之研究。
E-mail: eiyan0322@gmail.com