⃝∑可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectICTExpress 6（2020）23www.elsevier.com/locate/icte用于5G C-RAN下行链路的Sigma Delta Radio over Fiber系统的实验表征Muhammad Usman Hadia，a，Pier Andrea Traversoa，Giovanni Tartarinia，Hyun Jungb，ca意大利博洛尼亚博洛尼亚大学电子与信息工程系b首尔贝尔实验室，DMC研发中心，SangAm 1649，Mapo-gu，首尔，韩国c诺基亚贝尔实验室，SV，美国接收日期：2019年4月9日;接受日期：2019年在线预订2019年摘要光纤无线电是5G云无线电接入网络的一项有前途的技术。我们通过实验证明了Σ-Δ调制器（SDM）随后取代昂贵的数模转换器的方式，通过光纤无线电。提出了用于LTE 20 MHz信号的二阶SDM，其对于10 Km的光纤长度在3.5 GHz的载波频率上具有256 QAM调制。性能报告的误差矢量幅度，相邻通道泄漏比和开眼惩罚。结果表明，所提出的架构性能是下一代无线网络的成本和功耗有效的解决方案c2020年韩国通信与信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：光纤无线电;Σ-Δ调制; 5G C-RAN; EVM; ACPR1. 介绍第五代（5G）技术预计将以低成本和低延迟提供互联网接入的急剧增长[1]。容量和无线覆盖的提高对现有的光和无线接入网络提出了巨大的挑战。云无线接入网络（C-RAN）架构是实现这些目标的关键推动因素之一。5G C-RAN应该能够控制来自许多基站和远程无线电头端（RRH）的集中式基带单元（BBU）。具有RRH的BBU的互连性在经济上与被称为“前传”的分配网络一致，如图2所示。1.一、前传网络应满足高容量和低延迟的要求。类似地，最重要的方面是RRH的成本、复杂性和功耗。考虑到这些因素，光纤无线电（RoF）技术是前传网络的可行候选者[2]。∗通讯作者。电子邮件地址：usmanhadi@ieee.org（M.U.Hadi），pierandreaunibo.it.Traverso），giovanni. unibo.it（G.Tartarini），hyunjung@ieee.org（H.Jung）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2019.06.002存在许多RoF方案;每个方案都有自己的实现方法和RRH实现，如图所示。二、A-RoF方案是最简单和不需要的解决方案，具有许多适应性，如[3，4]，其易受非线性影响[5，6]。为了避免这些问题，已经提出了A-RoF链路的线性化[7然而，这是一个非常复杂的操作，导致额外的复杂性。最近，D-RoF已被实验证明为70公里的光纤长度使用模拟优化值数字转换器（ADC）分辨率位[12]。尽管D-RoF不受A-RoF所面临的非线性影响，但由于效率低、带宽低以及较高载波频率下的数模转换器（DAC）成本过高，D-RoF并非最佳选择。最近，已经提出了一种称为光纤上的西格玛-德尔塔调制无线电（S-DRoF）的替代方法，其结合了A-RoF和D-RoF的优点[13，14]。在S-DRoF中，采用Σ-Δ调制（Σ-ΔM）对基带信号进行过采样并进行量化它是一个1比特的信号。在接收器端，带通滤波器（BPF）滤除带外噪声。本文以实验台为例，介绍了一种基于1位带通Sigma-Delta（SD）调制器的2405-9595/2020韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一个开放的访问CC BY-NC-ND许可证下的文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。24M.U. Hadi，P.A.Traverso，G.Tartarini等人/ICT Express 6（2020）23（）下一页=1个+=∑）=2Y=图1.一、 基本C-RAN架构，显示光学前传。在发射机侧，适用于5G sub-6 GHz频段。本文的结构如下。第2节讨论拟议的可第3节描述了实验装置。在第4节中 ， 从 误 差 向 量 幅 度 （ EVM ） 、 相 邻 信 道 泄 漏 比（ACLR）和睁眼惩罚（EOP）方面对S-DRoF进行了性能分析。第五节是论文的结论。2. 系统描述拟议的系统表征已在图中概述。二、 积分器Y1和Y2的组合给出二阶SDM。在我们以前的工作[13]中，我们已经提出了基于VPI传输制造商的模型的仿真研究。该模型的推导和详细解释见[14]。二阶SD调制器在z域中表示如下：b（ z）=ST F（ z）+a（ z）+NT F（ z） Qe（ z）=z−1a（z）+ 1−z−1Qe（ z）（1）其中y（z）是输出，x（ z）是输入，Qe（z）是量化误差。积分器Y1和Y2给出为：图二. 本文所采用的SD调制器的结构。积分器Y1和Y2的组合产生二阶SD调制器。量化器的分辨率为1位。乐队因此，再滤波频谱的BPF抑制了量化噪声，这导致原始信号的恢复。通过采用BPF，它不仅消除了对昂贵DAC的需求，而且还克服了与通用公共无线电接口（CPRI）[15]和开放基站架构计划（OBSAI）相关的数据速率3. 试验台实 验 装 置 如 图 3 所 示 。 RF 信 号 由 矢 量 信 号 发 生 器（VSG）产生，然后由MATLAB®中实现的二阶SDM进行Σ-Δ调制。此操作将RF信号转换为1位。由1比特二阶SDM数字化的RF信号是具有256 QAM调制格式的20 MHz的LTE信号。载波频率fc为3.5 GHz。然后，该1位数据流被发送到脉冲模式发生器（PPG Keysight 81134A版）。这直接调制具有1550 nm波长的分布反馈激光器（DFB）。在此评估中使用长度达10 km的标准单模光纤（SSMF）。光传输的信号然后被带宽为9.3GHz的光电二极管转换到电域。接收到的信号然后通过低噪声放大器（LNA），其放大信号，随后通过模拟带通滤波器，其过滤带外噪声。将带通信号馈送到实时示波器，该示波器运行矢量分析软件以进行参数评估。参数的Y1（1−z−1）z−12（1−z−1）（二）（三）评估中，使用的光纤长度为100 m、1 km、2 km、5 km和10 km。对于所有长度，由于所使用的光纤具有0.5dB/ Km的衰减，而两个连接器用于过渡，每个连接器具有0.6dB的衰减，因此总损耗变为类似地，二阶SDM的输出的带内噪声功率可以计算为：（0.5 dB* 光纤长度，单位：km）1.2 dB。所使用的DFB具有10 mA的阈值水平，饱和区域达到100 mA，偏置点用50 mA偏置进行σin2=0|NT F |2. Sp（f d fπ415公斤（OSR）5（四）强度。表1包含参数的详细信息。其中，Sp（f）是功率谱密度，OSR是过采样率。噪声传递函数（NT F）是从量化噪声输入到输出的传递函数。的主要目标QWM是执行量化的基带信号具有非常低的分辨率和采样率高于奈奎斯特标准。具有低数4. 实验结果与讨论首先，S-DRoF的性能进行评估的EVM。它是确定解调符号的“预期”复值之间的差异的量w.r.t接收符号的“实际”值。EVM可以用数学表示为：分辨率位的量化噪声的相当大的量被添加。因此，高量化带外1∑MMM.U. Hadi，P.A.Traverso，G.Tartarini等人/ICT Express 6（2020）23252Sm−S0mm=1、EV M（%）=Mm1，⏐ ⏐（五）噪声可以被过滤掉，以减少它在有用的1∑MS0m226M.U. Hadi，P.A.Traverso，G.Tartarini等人/ICT Express 6（2020）23纳米千米表1实验设置中使用的参数参数值载波频率=3.5 GHzRF信号星座格式=256 QAM激光波长=1550 nm平均功率=10 mW光链路光纤色散=16ps光纤距离=0.1、1、2、5、10 km光电探测器（PD）响应度0.6 A/W带宽：9.3 GHz带通滤波带通带宽=210 MHz转换增益（完整接收器（PD+BPF）=220 V/W图三. 用于设置光纤无线电系统的实验台。SDM：Σ-Δ调制。SMF：单模光纤。PPG：脉搏图案生成。BPF：带通滤波。矢量信号分析仪。LNA：低噪声放大器。图四、 不同光纤长度的EVM 与输入功率其中Sm是测量符号流中的归一化的第m个符号，S0，m是第m个符号的理想归一化星座点，M是星座中唯一符号的数量。3GPP已经将通过256 QAM调制格式调制的LTE信号的EVM限制设置为3.5% [16]。为了评估所提出的系统的动态行为，如图4所示，针对不同光纤长度的不同输入RF功率计算EVM。量化噪声具有带阻形状，这导致EVM退化的行为随着长度的增加而增加。图5显示了EVM与符号速率高达200 Mbd。报告的光纤长度为100 m、1 km、2 km、5 km和10 km。对于所有的光纤长度，观察到EVM性能的退化。可以观察到，10 km SSMF链路降级速度比其他链路更快。这种行为的原因是由于路径损耗导致的接收信号的低功率同样地，图五、 针对不同光纤长度的不同符号率的EVM。图第六章 在（a）20 Mbd和（b）100 Mbd下10 km的EVM性能。更高的波特率将导致信号频带中更高的总噪声功率，从而导致EVM增加类似地，在图6中，分别针对20 Mbd和100 Mbd报告了10 km情况下的星座图。这意味着EVM随着波特率的增加而增加，因为它导致信号频带中的总噪声功率更高。M.U. Hadi，P.A.Traverso，G.Tartarini等人/ICT Express 6（2020）2327∑−公司简介 fd f（）（）=表20 dBm的性能评估10 1.1 −31.81 2.4图第七章 ACLR性能，适用于不同的RF输入功率和光纤长度。图八、0 dBm 时不同光纤长度的EOP 性能。此外，性能评估，找到相邻信道泄漏比（ACLR）。它被定义为[8]：[]实现S-DRoF的成本是需要评估的重要考虑因素。CIPM具有高量化噪声，只有很少的量化比特，因此不需要非常快的数字电路。在D-RoF中，远程天线单元需要高速DAC而S-DRoF用带通滤波器代替这些DAC，这进一步降低了成本。然而，Σ-Δ调制需要高的过采样率来实现该性能。为了克服现有FPGA的速度限制，已经报道了几种可以使用的并行处理技术[145. 结论我们已经在实验上展示了用于适用于5G sub-6 GHz频带的5G前传下行链路的S-DRoF的二阶SDM它可以消除ADC和DAC的高成本。针对具有256QAM调制的20MHz的LTE信号演示了实验台，3.5 GHz载波频率。测量结果表明，当输入功率为0 dBm，链路长度为10 km时，EVM小于1%，ACLR为30 dBc。提出了一位SDM的实时实现设想ACL R（dB）=10log10相邻 波段Lusef ul band uusef ul band l（六）竞合利益作者声明，没有利益冲突，其中，最小值为l 你是我的朋友，相邻信道的频率限制，useful频带u和usefUL频带L分别是有用信道 ACLR如图所示。 7.分别改变输入RF功率和光纤长度。该趋势表明ACLR随着光纤长度的增加和更高的输入功率而增加，因为它导致相邻信道中的更高阶失真。建 议 的 S-DRoF 的 传 输 性 能 进 行 评 估 的 开 眼 惩 罚（EOP），衡量恶化的眼图。EOP是被称为眼张开幅度（EOA）的非失真参考眼与失真眼的眼张开度（即眼张开高度（EOH））的比值[10]。EOP在（7）中定义为：EOP（dB）10logEOA（7）E O H不同链路长度的EOP如图所示。 八、本演示中评价的参数总结见表2。本文引用[1] A. 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