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引言

祝贺诺基亚贝尔实验室的这篇创新研究论文即将刊登在丹麦哥本哈根举办的European Conference on Optical Communication (ECOC) 2025会议中。

Cell-free大规模MIMO技术是6G无线网络的一个重要演进方向，能够提供更高效的覆盖范围和更高的传输容量。然而，实现这一愿景需要解决两个核心技术挑战：在中央处理单元和接入点之间维持高容量数据传输，同时确保所有分布式天线之间的完美相位同步。

在基于相干联合传输的分布式MIMO系统中，各个接入点的射频信号如果不能保持完美的相位对齐，系统性能将会显着下降。为了实现射频链路的同步，通常使用GPS或SyncE提供的公共参考时钟来锁定所有接入点中的锁相环。然而，真实的锁相环硬件总是存在一定程度的随机相位偏差问题，这会导致无线信道估计的不准确性和MIMO性能的波动。

图1：Cell-free大规模MIMO前传架构图，展示了完整的系统设计，包括数据传输和集中式远程射频载波分发，以及add/drop模块的详细光子技术线路设计。

诺基亚贝尔实验室的研究人员开发了一种将数字数据传输的可靠性与光载波分发精度相结合的解决方案。该方法采用光纤环形拓扑结构，将配备光线路终端的MIMO中央处理单元与配备光网络单元的多个无线接入点连接起来。这种架构采用波分复用技术运行，专用波长承载无线射频载波频率，而独立的信道处理前传数据传输。

该技术的核心突破在于安装在每个接入点的光电子集成add/drop模块。这些复杂的组件执行双重功能：对于数据信道，作为可调谐波长选择器，允许根据控制平面的动态配置为特定节点分配特定波长；对于射频载波分发信道，模块简单地作为分配器运行，将相同的射频频率传送到所有无线接入点。

研究团队采用硅基光电子add/drop模块的设计方案。输入光首先被分离为两部分：射频载波信道和数据信道。对于射频载波信道，波长经过功率分配后由光电二极管接收以产生射频载波，剩余的信号功率被导向输出端口。对于数据信道，可调谐滤波器选择分配给特定节点的波长并将其下路到光网络单元进行数据接收，所有其他波长被发送到输出端口。

在这项研究的设计开发过程中，Nokia Bell Labs选择了PIC Studio作为核心设计平台。通过PIC Studio完整的设计流程，研究团队开发出了这一创新的架构设计。在技术实现层面，团队采用了多项先进的设计方法：首先使用PhotoCAD进行精确的版图设计，确保每个光学组件的几何参数都能满足严格的性能要求。其次，团队充分利用Advanced SDL功能的优势，这一功能不仅保证了整个设计的一致性和几何关系的准确性，还能够自动生成版图脚本，显着提升了设计效率。最重要的是，借助pSim Plus光电联合仿真工具，团队能够在统一的平台下完成复杂的光电混合仿真，为设计优化提供了即时的数据反馈和科学依据。这些创新设计工具的综合应用，使Nokia Bell Labs能够突破现有的性能限制。

图2：概念验证演示装置图，显示了光谱特性和用于add/drop模块实现的硅基光电子芯片的显微照片。

在Cell-free大规模MIMO系统中，每个接入点都有自己的射频链路。如果射频信号的相位在所有接入点之间不能完美对齐，MIMO系统的性能将会下降。原理上，在中央处理单元/光线路终端侧生成光学梳状信号，梳状线间隔为Δf = fc，其中fc代表所需的无线载波频率。这些梳状线随后被传输并光学传送到所有接入点。光电二极管将选定的梳状线转换为单频电信号，随后被放大并用作无线载波。

由于光纤中的机械振动和温度变化，存在一些残余相位不确定性。这些微小的缺陷可以通过动态光路长度补偿来缓解。研究表明，即使没有任何补偿，系统也足够有效地增强相位同步并改善MIMO信号质量。

研究人员使用每波长200 Gbps的传输系统验证了概念，该系统采用Alamouti编码的概率整形数字子载波复用信号和8个子载波。不同的子载波被配置为具有不同的概率整形开销，以平衡子载波信道之间的频率响应差异。对于射频载波信道，使用IQ调制器调制简单的光学双音梳状信号，梳状线间隔为5.8GHz。

两个接入点/光网络单元节点通过提出的add/drop模块以级联方式连接到光纤。实验中一个add/drop模块由于硬件限制使用WaveShaper设备进行仿真。在两个节点处下沉的两个射频载波信道被转换为电信号，然后分别被放大、滤波并馈送到两个USRP N310设备中。USRP将20 MHz OFDM波形调制到射频载波上，示波器用于接收两个OFDM波形，并通过离线数字信号处理执行MIMO处理以评估信号性能。

图3：性能分析结果，显示了数据传输信道的误码率与接收光功率曲线、USRP空中接口信号相位差随时间的变化情况，以及相位差样本的直方图，证明了优异的相位稳定性。

数据信道传输性能结果显示，在数据信道发送功率为7 dBm（带有增强放大器）的情况下，大约有29 dB的功率预算（基于10^-2误码率阈值）。这个功率预算指标可能决定单个光纤环内可容纳的add/drop节点的最大数量，因为每个add/drop节点不可避免地会引入一些插入损耗。实验室原型的插入损耗约为7.5 dB，主要由芯片测试设备的耦合损耗引起。

为了评估射频载波频率传送的性能，研究人员测量了两个USRP本地振荡器频率之间的相对相位稳定性。在8秒时间内收集了4096个样本，比较了三种不同配置下的结果：两个USRP的本地振荡器处于自由运行模式而不同步；USRP的本地振荡器同步到公共10 MHz参考时钟；USRP使用光传送的载波作为本地振荡器。显然，远程载波传送方案实现了最高的相对相位稳定性，光传送的本地振荡器接近理想基线，相位偏差范围比10 MHz参考同步情况减少了约一个数量级。

图4：MIMO处理后的无线信号EVM分布结果，展示了远程光传送本地振荡器相比传统同步方案的优异性能。

为了检验接入点相对相位稳定性如何影响MIMO环境中的信号质量，研究人员叠加了来自USRP的OFDM波形以模拟MIMO接收，然后测量误差矢量幅度。小提琴图显示，传统射频同步方案（10 MHz或GPS同步）主要由于独立锁相环的不稳定性而导致EVM劣化，即使锁定到相同的频率源也是如此。提出的射频传送方案实现了接近理想的EVM性能，在平均EVM值上比传统方法改善了25%，并显着减少了EVM变化范围。

这项工作展示了将数字前传传输与光子技术辅助射频载波分发相结合，为实现Cell-free大规模MIMO系统提供了实用路径。该技术解决了基本的同步挑战，同时保持与现有数字无线基础设施的兼容性，使其成为未来6G网络部署的一个可行选择。通过200 Gbps每波长的PON类点对多点前传，结合光电子集成线路传送数据和射频载波，无线MIMO信号的EVM性能改善了25%，这归功于高质量的载波传送。该方案在保持数字域前传数据传输的同时，采用基于微波光子技术的点对多点射频载波分发方案来增强Cell-free大规模MIMO的信号同步性能。

通过Nokia Bell Labs这一研究案例的成功实现，我们看到了先进设计工具在推动光电子技术发展中发挥的重要作用。我们祝贺PIC Studio用户取得的成功。感谢客户因信任选择PIC Studio，也期盼与全球硅基光电子设计者持续携手，推动光电子设计从器件、线路到系统设计技术的持续升级。

"作为Nokia Bell Labs的研究团队，我们在开发Cell-free大规模MIMO前传网络技术的过程中，PIC Studio为我们提供了无可替代的设计支持。从项目启动之初，我们就面临着复杂的光电混合设计挑战，需要在同一个平台上完成从光学器件到系统级仿真的全流程设计。

PIC Studio的PhotoCAD工具让我们能够进行极其精确的版图设计，而Advanced SDL功能更是让我们印象深刻，不仅保证了整个版图与原理图设计的一致性还能自动生成版图脚本，这大大减少了我们在重复性工作上的时间投入，让团队能够将更多精力集中在创新技术的探索上。

最令我们感到惊喜的是pSim Plus光电联合仿真工具。在以往的项目中，我们往往需要在不同的软件平台之间切换进行光学和电学仿真，这不仅效率低下，还容易在数据传递过程中产生误差。而pSim Plus让我们能够在统一的环境下完成所有的仿真工作，实时获得优化数据和反馈，这种无缝的工作流程让我们的设计迭代速度提升了数倍。

正是有了PIC Studio这样强大而完整的设计工具链，我们才能够在Cell-free大规模MIMO前传网络这一前沿技术领域取得突破性进展。200 Gbps每波长的传输性能和25%的EVM性能改善，这些成果的背后都离不开PIC Studio提供的精准设计能力。我们相信，PIC Studio将继续帮助更多的研究团队和企业在光电子技术领域创造更多可能。"

——Nokia Bell Labs Cell-free MIMO研究团队

[1] D. Zhang, X. Huang, X. Hu, and K. Zhang, "Cell-free Massive MIMO Fronthaul with Point-to-Multipoint Data Transmission and Photonics-assisted Radio Carrier Distribution," in Proc. European Conference on Optical Communication (ECOC), 2025.