5G移動通信網絡中的光纖-無線融合技術 Optical and Wireless Convergence for 5G Networks

本書深入探討了5G移動通信網絡中光纖與無線通信無縫融合時出現的新技術、新概念和新的解決方案。這本書從移動通信網絡中前傳與回傳鏈路的視角出發，集中闡述了基於光纖-無線融合的混合多點接入通信網絡技術，分享了作者對於該網絡技術生態系統進行管理的見解。此外，本書的內容還涵蓋了一些先進的技術主題，包括：光纖-無線通信(FiWi)、混合光纖-無線(HFW)系統、可見光通信(VLC)、光傳感技術；還有一些新技術和新方案，如實時IoT應用、觸覺互聯網、霧計算(FC)、網絡功能虛擬化(NFV)、軟件定義網絡(SDN)等。

目 錄
第1章 5G及未來通信網絡中面向光纖-無線融合的前傳/回傳解決方案 1
1.1 簡介 1
1.2 蜂窩網絡的接口與實現方案 2
1.2.1 MBH/MFH架構 2
1.2.2 MBH/MFH傳送網的融合 3
1.3 5G的關鍵性使能技術 4
1.3.1 超密度網絡 4
1.3.2 C-RAN和RAN虛擬化 4
1.3.3 高級無線電區域協調 6
1.3.4 毫米波蜂窩 7
1.3.5 大規模MIMO(M-MIMO) 8
1.3.6 5G網絡中的新型多載波調制 8
1.4 光纖-無線網絡覆蓋 9
1.5 光載無線電傳輸方案 10
1.5.1 數字光載無線電(D-RoF)傳輸 10
1.5.2 模擬光載無線電(A-RoF)傳輸 10
1.6 光纖MBH/MFH傳送網中的復用方案 11
1.6.1 基於波分復用(WDM)的方案 11
1.6.2 基於空分復用(SDM)的方案 12
1.7 基於無線技術的MBH/MFH方案 16
1.7.1 FSO系統 16
1.7.2 混合RF/FSO技術 19
1.7.3 中繼輔助的FSO傳輸技術 19
1.8 通道的實驗測量與特性分析 20
1.9 實驗結果與討論 21
1.10 結論 22
致謝 22
參考文獻 23
第2章 面向5G的GPON混合光纖-無線(HFW)拓展技術 29
2.1 簡介 29
2.2 無源光網絡 30
2.2.1 GPON和EPON標準 30
2.3 基於無線技術的光鏈路實現透明的無線接入延伸 31
2.3.1 基於相乾RoF(CRoF)的光鏈路實現透明的無線接入延伸 32
2.4 關鍵光子學與電子學使能技術 33
2.4.1 相乾光子混頻器 33
2.4.2 單邊帶馬赫-曾德爾調制器 37
2.4.3 用於GPON擴展的E波段高功率放大器 39
2.4.4 集成無線接入單元 42
2.5 基於無線拓展的2.5 Gbps GPON現場實驗 44
2.5.1 Rx吞吐量與丟包 49
2.5.2 延時 49
2.5.3 抖動 50
2.6 結論 50
參考文獻 51
第3章 融合接入網-城域網中的軟件定義網絡和網絡功能虛擬化技術 53
3.1 簡介 53
3.2 5G需求驅動網絡的融合與虛擬化 54
3.3 接入網與城域網的融合 57
3.3.1 長距離無源光網絡 58
3.3.2 支持5G網絡、網絡虛擬化和移動功能分割的新型網絡架構 60
3.4 CO的功能整合與虛擬化 63
3.4.1 基礎設施 64
3.4.2 管理與控制 67
3.4.3 交叉層組件 70
3.5 結論 71
參考文獻 71
第4章 5G前傳鏈路演進中的多芯光纖技術 77
4.1 為何5G通信需要光空間復用技術 77
4.2 多芯光纖傳輸技術回顧 79
4.2.1 同構MCF 80
4.2.2 異構MCF 81
4.3 多芯光纖鏈路在無線接入網中的應用 82
4.3.1 中心局與基站之間的基本MCF鏈路 84
4.3.2 基於MCF的RoF C-RAN 85
4.3.3 基於MCF的DRoF C-RAN 87
4.4 基於多芯光纖的微波信號處理 89
4.4.1 同構MCF鏈路中的信號處理 91
4.4.2 同構MCF多腔器件中的信號處理 93
4.5 結論 96
參考文獻 96
第5章 面向5G的VLC與WiFi網絡技術及架構 101
5.1 簡介 101
5.2 無線光通信(OWC)系統 103
5.3 可見光通信(VLC)系統基礎 105
5.4 VLC當前和未來可能的應用領域 108
5.4.1 水下無線通信領域中的應用 110
5.4.2 民航與航空領域中的應用 111
5.4.3 醫院中的應用 111
5.4.4 車載通信系統中的應用 112
5.4.5 一些敏感區域中的應用 112
5.4.6 製造和工業中的應用 112
5.4.7 零售商店中的應用 113
5.4.8 消費電子領域的應用 113
5.4.9 物聯網中的應用 113
5.4.10 其他領域中的應用 114
5.5 混合VLC/RF網絡 114
5.6 挑戰與尚未解決的問題 115
5.6.1 光源的閃爍與調光 116
5.6.2 數據傳輸速率的提升 116
5.7 結論 117
致謝 117
參考文獻 118

第6章 5G RAN：關鍵射頻技術與硬件實現的挑戰 122
6.1 簡介 122
6.2 基於5G NR 的應用案例 123
6.2.1 eMBB與URLLC 123
6.2.2 向5G遷移 124
6.3 5G RAN的無線電使能技術 125
6.3.1 大規模MIMO(M-MIMO) 125
6.3.2 載波聚合與授權輔助下的未授權頻譜接入 128
6.3.3 雙連接 129
6.3.4 設備到設備(D2D)通信 130
6.4 硬件的實現 131
6.4.1 硬件缺陷——發射機 131
6.4.2 硬件缺陷—接收機 133
6.4.3 硬件缺陷—收發機 133
6.5 實現技術與製造的挑戰 134
6.6 結論 135
參考文獻 136
第7章 面向5G應用的毫米波天線設計 140
7.1 簡介 140
7.2 天線的設計與設計過程 143
7.3 天線的優化與分析 144
7.3.1 接地面長度(GL)的影響 144
7.3.2 微帶饋線位置(FP)的影響 144
7.3.3 基板類型的影響 146
7.4 具有帶阻特性的毫米波天線設計 146
7.5 具有負載電容的毫米波天線設計 149
7.6 結論 153
致謝 154
參考文獻 154
第8章 光纖-毫米波無縫融合系統中的無線信號封裝 159
8.1 簡介 159
8.2 信號封裝的原理 160
8.2.1 下行傳輸系統 160
8.2.2 上行傳輸系統 163
8.3 信號封裝舉例 164
8.3.1 下行方向傳輸 164
8.3.2 上行方向傳輸 169
8.3.3 毫米波鏈路的傳輸距離 173
8.4 結論 176
參考文獻 176
第9章 5G網絡中的光傳感技術 180
9.1 簡介 180
9.2 光纖通信網絡：侵入手段 182
9.3 光纖通信光纜的物理層保護 184
9.3.1 基於位置的光纖傳感器 186
9.3.2 基於位置點的光纖傳感器 188
9.3.3 基於區域的光纖傳感器 189
9.4 優化設計與性能分析 191
9.4.1 性能參數 191
9.4.2 對於魯棒信號處理方法的需求 191
9.4.3 系統的安裝與技術適用性 192
9.5 結論 194
參考文獻 194
第10章 基於5G FiWi架構的觸覺互聯網 198
10.1 簡介 198
10.2 TI科技：最新的進展與挑戰 205
10.3 相關的研究工作 207
10.4 構建於AI增強的FiWi網絡上、以HITL為中心的遠程互操作 209
10.5 在基於多機器人FiWi的TI基礎設施上實現以HART為中心的任務分配 215
10.6 結論 221
參考文獻 221
第11章 5G網絡中雲無線接入網(C-RAN)的能效：機遇與挑戰 226
11.1 簡介 226
11.1.1 環境因素 227
11.1.2 經濟利益 228
11.2 標準化的能效指標(綠色指標) 230
11.2.1 單位用戶的功率、流量與距離/覆蓋範圍的比率 231
11.2.2 以W/Gbps計的能耗率(ECR) 231
11.2.3 通信系統的能效比(TEER) 232
11.2.4 通信設備的能效比(TEEER) 232
11.3 5G網絡中防止能源危機的綠色設計 232
11.3.1 硬件解決方案 233
11.3.2 網絡規劃與部署 235
11.3.3 資源分配 236
11.3.4 能量收集(EH)與傳輸 236
11.4 基於光纖的高能效網絡 238
11.4.1 零功率RAU PoF系統 239
11.4.2 電池供電的RRH PoF網絡 239
11.5 系統與功耗模型 240
11.5.1 遠端單元的功耗 242
11.5.2 集中式單元的功耗 242
11.5.3 前傳網絡的功耗 242
11.5.4 大規模MIMO的能效 243
11.6 模擬結果與討論 245
11.7 結論 246
致謝 246
參考文獻 247
第12章 面向5G時代霧計算增強的FiWi網絡 251
12.1 背景及研究意義 251
12.1.1 下一代PON及未來的發展 251
12.1.2 FiWi寬帶接入網 253
12.1.3 霧計算的角色 254
12.1.4 計算遷移 255
12.1.5 一些關鍵問題與本章的貢獻 257
12.2 霧計算增強的FiWi網絡 259
12.2.1 網絡架構 259
12.2.2 協議描述 260
12.3 分析 262
12.3.1 生存性分析 262
12.3.2 端到端延時分析 264
12.4 執行與驗證 265
12.4.1 實驗測試平臺 266
12.4.2 實驗分析結果 266
12.5 結論與展望 269
12.5.1 結論 269
12.5.2 展望 270
參考文獻 271
第13章 5G網絡技術的經濟與商業可行性分析 275
13.1 簡介 275
13.2 移動網絡回傳技術 277
13.3 技術-經濟框架 280
13.3.1 網絡架構模塊 281
13.3.2 網絡拓撲模塊 281
13.3.3 市場模塊 282
13.3.4 網絡規模設計工具 282
13.3.5 成本模塊 282
13.3.6 網絡整體擁有成本(TCO)模塊 283
13.3.7 商業模型 285
13.3.8 技術-經濟模塊 285
13.4 案例分析 286
13.4.1 方法/場景的應用 286
13.4.2 技術-經濟評估結果 289
13.4.3 敏感性分析 292
13.5 結論 294
參考文獻 294