《Optical Fiber Technology》：Dual-frequency 2×2 MIMO Millimeter-Wave Wireless Transmission Based on a Novel ROF Architecture with a Multi-Core Fiber
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Kaile Li|Jianyu Long|Sicong Xu|Jianjun Yu杭州工业大学，西安电子科技大学，中国浙江杭州311231摘要我们提出了一种双频2×2多输入多输出（MIMO）毫米波无线信号传输技术，该技术采用七芯光纤（其中两芯用于传输），利用七芯光纤的紧凑性进行毫
Kaile Li|Jianyu Long|Sicong Xu|Jianjun Yu
杭州工业大学，西安电子科技大学，中国浙江杭州311231
摘要
我们提出了一种双频2×2多输入多输出（MIMO）毫米波无线信号传输技术，该技术采用七芯光纤（其中两芯用于传输），利用七芯光纤的紧凑性进行毫米波传输，并结合MIMO技术的优势，解决了“覆盖范围”与“网络容量/速度”难以同时实现的矛盾，从而突破了单频段频谱资源的带宽限制，满足了未来各种新兴服务对通信系统的高性能要求。通过实验，我们展示了在4公里和0公里的七芯光纤（使用两芯）以及2米长的无线2×2 MIMO链路上，利用光子学技术实现16吉比特/秒的K频段偏振分复用QPSK信号和16吉比特/秒的V频段PDM-QPSK信号的双频传输，其误码率低于3.8×10-3。据我们所知，这是首次在核心机房和简化基站环境中，利用七芯光纤（两芯）实现双频2×2 MIMO无线信号传输的实验验证。
引言
在当前数字时代背景下，全球数据流量呈指数级增长，这对通信网络的传输速率、容量和可靠性提出了前所未有的要求[1]。随着高清视频、虚拟现实、增强现实以及物联网等新兴服务的快速发展，单个用户所需的数据传输速率已从约100兆比特/秒提升到几吉比特/秒[2]、[3]。传统的通信技术越来越难以应对如此庞大的流量需求。在无线通信领域，亚6吉赫兹频段的频谱资源长期处于严重拥堵状态，可用带宽极为有限，这极大地限制了数据传输速度的提升。而毫米波频段（通常为30–300吉赫兹）则拥有丰富的频谱资源[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。例如，在60吉赫兹附近就有多个大带宽频段，这为实现几吉比特/秒的高速无线通信提供了坚实基础。由于具有超大的带宽，毫米波通信已成为满足未来高速无线接入需求的关键技术，它被视为下一代移动通信系统以及各类高速无线局域网的核心支撑技术[14]、[15]、[16]。与此同时，光纤载波技术作为一种将光纤通信与无线通信无缝结合的创新技术，也展现出了巨大的应用潜力[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。
光纤通信具有传输容量大、损耗低以及抗电磁干扰能力强等优点，能够实现长距离、高质量的视频信号传输[25]、[26]、[27]。而无线通信则具备灵活性和强大的移动性，能让用户随时随地获取服务。光纤载波技术则将这两者的优点结合起来，它通过在核心机房集中生成、处理和分发无线信号，再利用光纤将这些信号传输到分布在不同区域的远程天线单元，从而大大简化了基站的结构。这不仅降低了系统的部署成本和运维难度，也是未来光通信与无线通信融合发展的重要方向[28]。在第五代（5G）通信系统的实际应用中，仍有许多问题需要解决。远程射频单元往往体积庞大、重量沉重，这使得其在空间有限的场合，如高层建筑屋顶或狭窄街道上，安装和部署十分不便。此外，远程射频单元的高功耗还增加了运营成本，也给能源的可持续使用带来了压力。另外，5G系统在低频段和高频段毫米波频段之间存在兼容性问题，不同频段的信号处理、传输和切换机制存在差异，这在一定程度上影响了通信系统的整体性能和用户体验。基于新型光纤载波架构的通信技术可以有效解决这些问题，通过优化信号的生成和传输方式，减小远程单元的尺寸和功耗，提高不同频段系统之间的兼容性，进而推动5G及未来通信网络的发展[29]、[30]。随着多输入多输出（MIMO）技术在无线通信中的广泛应用，如何在毫米波频段实现高效的MIMO传输已成为一个热门的研究课题[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。MIMO技术可以通过在发射端和接收端部署多个天线，无需额外的频谱资源即可显著提升通信系统的容量和可靠性。然而，在毫米波频段，由于电磁波的传播损耗较大，信号的覆盖范围相对有限，而且多个天线之间的干扰问题也比较突出[36]、[37]、[38]、[39]、[40]。单频段则存在明显的缺陷，其主要问题在于难以平衡覆盖范围和容量。比如，低频段虽然覆盖范围广、穿透力强，但带宽有限，无法满足高速服务的需求；而高频段虽然带宽充足，但覆盖范围小，需要密集部署。此外，单频段对不同服务的适应性较差，缺乏负载分配的灵活性，由于部署密集会导致成本上升，其抗干扰能力和网络冗余度也低于双频段系统。相比之下，为基站采用双频段是满足多种移动通信需求的关键。低频段和高频段可以相互补充，解决单频段在覆盖范围和容量之间的矛盾，通过业务分流提高效率，降低成本，减少资源消耗，增强抗干扰能力和网络冗余度，同时也有助于向6G过渡。另外，在5G系统中，新型光纤载波架构通过优化信号传输，解决了远程射频单元体积大、功耗高以及频段不兼容等问题，为5G及未来网络的发展奠定了基础[41]。
本文提出了一种基于七芯光纤的双频2×2 MIMO毫米波无线信号传输技术。该技术充分利用了七芯光纤的紧凑特性（仅使用两芯用于传输），并结合MIMO技术的优势，解决了“覆盖范围”与“网络容量/速度”难以同时实现的矛盾，突破了单频段频谱资源的限制。这一技术能够满足未来各种新兴服务对通信系统的高性能要求。通过实验，我们证明了在4公里/0公里的七芯光纤（使用两芯）以及2米长的无线2×2 MIMO链路上，利用光子学技术可实现16吉比特/秒的K频段偏振分复用QPSK信号和16吉比特/秒的K频段PDM-QPSK信号的双频传输，其误码率低于3.8×10-3。与传统的多芯光纤方案相比，所提出的七芯光纤方案在保持低损耗传输的同时，还减少了系统的体积和部署复杂性。据我们所知，这是首次在核心机房和简化基站环境中，利用七芯光纤（两芯）实现双频2×2 MIMO无线信号传输的实验验证。
内容节选
原理
I 系统架构
图1展示了所提出的基于七芯光纤（使用两芯）的改进型核心机房和基站的系统架构，该架构主要由核心机房单元、七芯光纤传输链路、基站以及MIMO无线收发模块组成，形成了“光域信号生成——七芯光纤传输——无线毫米波传输”的闭环全链路。
实验设置
图2展示了K频段和V频段光纤-无线集成传输系统的实验装置。该系统能够在2分贝的插入损耗下，通过4公里的七芯光纤传输16吉比特/秒的QPSK信号，同时还支持2米长的2×2 MIMO无线传输链路。系统配备了三台外腔激光器，每台激光器的线宽均小于100千赫兹，这些激光器可独立工作，且工作波长各不相同。在发射端的核心机房中，连续波光信号被生成……
实验结果与分析
图5(a)展示了K频段QPSK信号传输的误码率与接收光功率之间的关系，而图5(b)则展示了V频段QPSK信号对应的误码率-接收光功率关系。这两组数据是在两种不同的传输场景下获得的：(1)2米长的无线传输链路搭配0公里的七芯光纤（使用两芯）；(2)2米长的无线传输链路搭配4公里的七芯光纤（使用两芯）。
结论
本文提出了一种基于七芯光纤（使用两芯）的双频2×2 MIMO毫米波无线信号传输技术。该技术充分利用了七芯光纤在毫米波传输中的低损耗特性，结合MIMO技术的优势，有效解决了通信系统中“覆盖范围”与“网络容量/传输速度”难以同时实现的长期存在的问题。
资金支持
本研究部分得到了中国国家重点研发计划的资助，项目编号为2023YFB2905600；部分得到了中国国家自然科学基金的资助，项目编号包括62127802、62331004、62305067、U24B20142、U24B20168以及62427815；还有部分资金来自江苏省重点项目的支持，项目编号为BE20230014。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。
