基于DD-MZM自干扰消除的带内全双工光载无线系统

俞映红，肖石林，张云昊，张少杰，冯翰林，周 钊

（1.上海交通大学 区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，上海200240；2.国家电网湖南省电力公司信息通信公司，长沙410000）

基于DD-MZM自干扰消除的带内全双工光载无线系统

俞映红1，肖石林1，张云昊1，张少杰1，冯翰林1，周 钊2

（1.上海交通大学 区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室，上海200240；2.国家电网湖南省电力公司信息通信公司，长沙410000）

为提升无线频谱资源利用率，扩展无线通信容量，设计了一种带内全双工光载无线系统。系统基于双驱动马赫曾德尔调制器（D D-M ZM）实现宽工作频带的自干扰消除。利用O pt i syst em搭建了实验系统，通过M at l ab仿真无线信道，验证并分析该带内全双工无线系统的传输性能。

带内全双工；D D-M ZM；自干扰消除

0　引言

随着移动通信业务的迅猛发展以及用户需求的不断提升，增大传输容量、扩展覆盖范围、提高频谱利用率成为下一代无线通信接入网络的主要研究热点。在基于波分复用无源光网络（WDM-PON）结构的光载无线（RoF）通信系统中，相比于频分双工（FDD）和时分双工（TDD）而言，应用带内全双工传输模式（用同一频带同时传输上下行信号）倍增了频谱利用率，从而增加了无线通信的传输容量。

带内全双工系统需要解决的关键问题是带内自干扰。接收天线接收到邻近发射天线发出的强干扰信号。该干扰信号与接收信号占用相同的频带，无法通过预选带通滤波器滤掉，只能通过安置在接收天线后级的自干扰消除系统消除。自干扰消除技术包括电子学方案和光学方案。电子学方案成本较低、易于集成，但是由于电子器件的带宽、线性度等因素，仅可在10MHz级别的较窄频带内抑制自干扰信号[1,2]。光学方案则利用光学器件的宽带宽、高精度等特点，采用平衡光电探测、巴伦（Balun）等技术实现宽带自干扰信号的消除。平衡光电探测需要两路光路实现自干扰消除，应用范围受到一定限制[3]。Balun方案则因光功率耦合相减时两路信号相干性不足，全双工工作带宽的提升受到一定限制[4]。为了突破已有技术的不足，我们提出了基于双驱动马赫曾德尔调制器(DD-MZM)的自干扰消除方案[5]。

1　应用于带内全双工WDM-RoF系统的DDMZM自干扰消除方案

为便于理解，我们给出如图1所示的带内全双工波分复用光载无线通信系统框图。应用于带内全双工WDM-RoF系统的DD-MZM光学自干扰消除方案原理如图2所示[5]。MZM调制器可以看作两个相位调制器，电信号输入DD-MZM时，上下两臂光场相位如式（1）和式（2）表示，其中V1和V2分别表示上下两臂的驱动电压。式（1）中，Vπ（半波电压）为下臂设置的偏置电压，Sn+Si表示受干扰的接收信号，其中Si为有用信号，Sn为干扰信号。式（2）中上臂信号αS′n(τ)为复制的发射信号的衰减和延迟，调节αS′n(τ)的幅度和延时使αS′n(τ)与Sn的幅度和相位对准。式（3）、（4）分别是上下两臂耦合后的输出光场和输出光功率。输出光信号经光纤传输后到达光电探测器，通过光功率检测，消除了接收信号中的自干扰部分,得到Si即接收的有用信号。

图1　带内全双工波分复用光载无线通信系统

图2　基于DD-MZM的自干扰消除方案

图3　2.4GHz频段带内全双工光载无线仿真系统

DD-MZM光学自干扰消除方案在光场域中将自干扰信号减去，恢复出有用信号，相比传统光学自干扰消除方案具有信号相干性更强的优点。实验中已获得了在0～25GHz频带内超过27dB的消除深度，即带内全双工工作频段可扩展到0～25GHz，极大地提升了带内全双工的无线通信容量。此外，上述系统恢复的有用信号已调制到光域，可用单纤长距离传输。由于波分复用系统的一个远端天线单元与远端节点之间只设计了一路光路通信，基于DD-MZM的方案相比基于平衡光电探测需要双光纤的方案更适用于WDM-RoF的光接入网。

2　基于DD-MZM自干扰消除的带内全双工光载无线系统仿真研究

2.1系统结构

为了验证基于DD-MZM的带内全双工光载无线系统的性能，我们利用Optisystem仿真软件，搭建了如图3所示的带内全双工光载无线仿真系统。上下行无线信号的载波均为2.4GHz，采用符合常用无线业务调制格式的64-QAM OFDM信号作为上下行无线传输的基带信号，传输速率都为703.125Mb/s，占据带宽100MHz。

下行方向，中心局的下行基带正交频分复用（OFDM）信号经2.4GHz载波混频后调制到光域，经由环形器和单模光纤的传输后，在远端天线单元的光电探测器中解调到射频域。下行射频信号在发射到无线信道前，被复制一份到远端天线单元的自干扰消除系统中。经过MATLAB仿真的无线信道，下行射频信号受到由用户端发出的带内上行射频信号的干扰。受干扰的下行射频信号经由用户端的自干扰消除系统恢复出所需的信号，并与2.4GHz本振混频得到下行基带OFDM信号，再经采样模块采样后在MATLAB中进行基带信号处理。上行方向的原理与下行方向基本相同，只是在远端天线单元的自干扰消除系统中，恢复出的上行信号不是直接解调到射频域，而是以光载无线的方式经由单模光纤传输到中心局中进行解调，经与2.4GHz本振混频、低通滤波后采样到MATLAB中进行处理。因此，配置在远端天线单元中的上行自干扰消除系统同时兼有上行自干扰消除和上行光载无线调制两个功能。

在仿真实验中，通过Optisystem软件中的MATLAB组件模拟无线信道的特性。无线信道可能是很简单的直线传播，也可能会被许多不同的因素所干扰，存在阴影衰落、多径衰落及多普勒频移。为了便于分析，我们以理想的加性高斯白噪声（AWGN）信道作为分析的基础。在仿真中对发射信号进行适当的衰减并加入SNR=40的高斯白噪声，再叠加强自干扰信号的样本到达接收端天线，用以模拟带内全双工模式下射频信号在无线信道中的发射与接收规律。仿真实验中，根据无线信道自干扰信号衰减和延时的特性，调节自干扰模块中的幅度和延时，以最大程度消除接收端的强自干扰信号，恢复出有用的接收信号。

2.2仿真结果

图4为上行信号经自干扰消除前后的星座图对比。图4(a)表示未进行自干扰消除得到的星座图，可以看到有用信号被强自干扰噪声淹没，说明此时误码率很高，无法获得有用的数据。图4(b)是经过自干扰消除后的结果，获得的星座图比较清晰，可以恢复出有用的数据。图4表明该自干扰消除系统具有较好的工作性能。图5为下行信号的误差矢量幅度(EVM)曲线图及上行信号经过10km、20km光纤传输后的EVM曲线图。3GPP标准中，64QAM OFDM信号对EVM的最大容忍度是8%。由于下行信号接收功率为-18.4dBm时接收EVM约为8%，所以，上行信号只要满足经过10km光纤时接收功率大于-17.7dBm或经过20km光纤时接收功率大于-15dBm，均可实现64QAM-OFDM的双向带内全双工传输。由以上仿真结果可知，该系统可在正常的接收条件下实现受干扰接收信号的恢复，并可在比较宽的接收功率范围内实现带内全双工通信。

图4　自干扰消除前后星座图对比

图5　EVM曲线及部分星座图

3　结束语

我们通过仿真验证了基于DD-MZM自干扰消除的带内全双工波分复用光载无线系统的传输性能，该系统能实现受干扰接收信号的恢复，并可在比较宽的接收功率范围内实现带内全双工通信。基于DD-MZM自干扰消除的带内全双工模式可有效地应用于宽带宽、多业务、多用户类型共存的光载无线接入系统。

[1]GOLLAKOTA S,KATABI D.Zigzag decoding:combating hidden terminals in wireless networks,ACM 2008[C]//Annual International Conference on Mobile Computing and Networking,San Francisco,13-19 September 2008.San Francisco:ACM SIGMOBILE,2008.

[2]JAIN M,CHOI J,KIM T M,et al.Practical,real-time,full duplex wireless.ACM 2011[C]//Annual International Conference on Mobile Computing and Networking,Las Vegas,19-23 September 2011.Las Vegas:ACM SIGMOBILE,2011.

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[5]ZHANG Y,XIAO S,FENG H,et al.Self-interference cancellation using dual-drive Mach-Zehnder modulator for in-band full-duplex radio-overfiber system[J].Optics Express,2015,23(26):33205-33213.

Research on in-band full-duplex radio-over-fiber system based on self-interference cancellation using DD-MZM

YU Ying-hong1,XIAO Shi-lin1,ZHANG Yun-hao1, ZHANG Shao-jie1,FENG Han-lin1,ZHOU Zhao2
(1.State Key Laboratory of Advanced Optical Communication System and Networks, Department of Electronic Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China; 2.State Grid Information&Communication Company of Hunan Electric Power Corp, Changsha 410000,China)

In order to promote wireless spectrum efficiency and enlarge wireless communication throughput, this paper describes a kind of in-band full-duplex radio-over-fiber system.The system employs a dual-drive Mach-Zehnder modulator(DDMZM)and achieves good self-interference cancellation over broad band.Optisystem is used to build a radio-over-fiber system,while Matlab is used to simulate wireless channel,both for proving and analysing the transmission performance of the in-band full-duplex radio-over-fiber system.

in-band full-duplex,DD-MZM,self-interference cancellation

TN929.18

A

1002-5561（2016）05-0005-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.05.002

2016-01-05。

国家自然科学基金（批准号：61271216）资助。

俞映红（1992-），女，硕士研究生，主要从事光通信与光无线融合的研究。