CN105515670A - 基于光生矢量毫米波和光载波重用的全双工光载无线结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于光载无线通信系统技术领域，具体为基于光生矢量毫米波和光载波重用的全双工光载无线架构。本发明在全双工光载无线架构下行链路中采用光生矢量毫米波方案，基于一个单驱动光调制器和发送端预编码技术生成高频谱效率高稳定度的矢量毫米波信号用以携带下行数据，可简化中央局结构，提升下行数据的频谱利用率；在全双工光载无线架构上行链路中采用光载波重用方案，利用来自中央局的中心光载波携带上行数据，可避免基站中额外激光器的使用，简化基站结构，充分利用所有的光功率。本发明具有执行简易、结构简单、频谱高效等优点。将其应用于光载无线通信系统中，可以简化光载无线通信系统架构，降低光载无线通信系统成本。

Description

基于光生矢量毫米波和光载波重用的全双工光载无线结构

技术领域

本发明属于光载无线通信系统技术领域，具体涉及一种全双工光载无线结构。

背景技术

光载无线（Radio-over-Fiber,缩写为RoF）技术具有大带宽、高移动性和低传输损耗等诸多优势，有望应用在未来的宽带无线通信中。简单而成本高效的光生毫米波技术是推进光载无线系统商用化的关键技术之一。外部光调制技术作为广泛应用的光生毫米波技术的一种，可以为光载无线系统提供高稳定度高纯度的毫米波载波。并且，基于外部光调制的光倍频技术在实现高频率高纯度毫米波生成的同时有效降低了对发送端电器件和光器件的带宽要求。与此同时，在光载无线系统中引入先进的矢量信号调制能够显著改善设备带宽效率和系统频谱效率，从而有效地解决频谱资源不足的迫切问题，并大大地增加无线传输速率。科研界已经提出并证实了基于光倍频技术和预编码技术的光生矢量毫米波方案【X.Li,J.Yu,J.Zhang,J.Xiao,Z.Zhang,Y.Xu,andL.Chen,“QAMvectorsignalgenerationbyopticalcarriersuppressionandprecodingtechniques,”IEEEPhotonicsTechnologyLetters27(18),1977-1980(2015)】，【Y.Wang,Y.Xu,X.Li,J.Yu,andN.Chi,“BalancedprecodingtechniqueforvectorsignalgenerationbasedonOCS,”IEEEPhotonicsTechnologyLetters27(13),2469-2472(2015)】。此方案具有结构简单、成本高效等优点。

另一方面，为了进一步简化基站的结构，科研界已经提出了基站光载波重用技术（亦或中央局集中式光源技术），其利用来自中央局的光载波携带并传输上行数据，从而避免了基站内额外激光器的使用【J.Yu,Z.Jia,T.Wang,andG.K.Chang,“anovelRadio-over-Fiberconfigurationusingopticalphasemodulatortogenerateanopticalmm-waveandcentralizedlightwaveforuplinkconnection,”IEEEPhotonicsTechnologyLetters19(3),140-142(2007)】。因此，光载无线系统中，光生矢量毫米波技术和光载波重用技术的结合将有效地简化整体系统架构，提升系统频谱利用率和传输速率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种执行简易、结构简单、频谱高效的基于光生矢量毫米波和光载波重用的全双工光载无线架构。

本发明提供的基于光生矢量毫米波和光载波重用的全双工光载无线架构，下行链路中采用基于一个单驱动光调制器和发送端预编码的光生矢量毫米波方案，在实现光纤和无线无缝融合的同时，可以生成高频谱效率高稳定度的矢量毫米波信号用以携带下行数据，并且下行链路用单驱动光调制器同时提供用于生成矢量毫米波信号的两条一阶子载波和用于携带上行数据的中心光载波；上行链路中采用光载波重用方案，利用下行链路用单驱动光调制器产生的中心光载波携带上行数据，避免了基站中额外激光器的使用，简化基站结构的同时还充分利用了所有的光功率。

本发明提供的基于光生矢量毫米波和光载波重用的全双工光载无线结构，包括：用于全双工通信的中央局、基站以及连接中央局和基站的光纤链路；其中：

所述中央局包括：

一个发送端离线数字信号处理模块，用于对下行数据进行矢量调制、预编码和数字上变频等处理；

一个数模转换器模块，用于执行对携带下行数据的预编码射频驱动信号的数模转换；

一个单模激光器，用于产生单模连续波长光载波；

一个直流偏置电压源，用于为下行链路用单驱动光调制器提供偏置电压；

一个下行链路用单驱动光调制器，用于将携带下行数据的预编码射频驱动电信号调制到激光器输出的光载波上，以提供一条大功率的中心光载波和两条相对小功率的一阶子载波，两条一阶子载波的频率间隔为射频驱动频率的两倍。所述光调制器可以采用马赫增德尔型强度调制器、相位调制器、直接调制激光器或电吸收调制器等。当采用相位调制器时可以移除上述直流偏置电压源，当采用直接调制激光器时可以移除上述单模激光器；

一个光接收机，用于接收和处理携带上行数据的光信号，从中恢复出上行数据。

所述光纤链路包括：

一个下行光纤链路，用于传输携带下行数据的光信号；

一个上行光纤链路，用于传输携带上行数据的光信号。上行数据和下行数据可以采用相同的光纤链路进行传输，也可以为了避免串扰采用不同的光纤链路进行传输；

所述基站包括：

一个光滤波器，用于实现中心光载波和两条一阶子载波的分离。所述光滤波器可以采用光交织器、波长选择开关、波分复用解复用器或光纤布拉格光栅等；

一个单端光电二极管，用于实现两条一阶子载波的外差拍频，以生成载波频率为射频驱动频率两倍的携带有下行数据的常规矢量毫米波信号；

一个双工器，用于实现下行数据和上行数据的分离；

一个基站天线，用于发送携带有下行数据的矢量毫米波信号和接收携带有上行数据的无线射频信号；

一个混频器，用于实现携带上行数据的无线射频信号到基带的下变频；

一个上行链路用单驱动马赫增德尔型强度调制器，用于将下变频后的上行数据调制到来自中央局的中心光载波上。

本发明提供的基于光生矢量毫米波和光载波重用的全双工光载无线结构，其工作流程为：

对于用于下行通信的中央局部分，发送端离线数字信号处理模块完成对下行数据的矢量调制、预编码和数字上变频等处理，以生成携带下行数据的预编码射频驱动信号，然后该射频驱动信号经过数模转换器模块执行数模转换，再经过下行链路用单驱动光调制器调制单模连续波长光载波，该下行链路通过单驱动光调制器的输出是一条大功率的中心光载波和两条相对小功率的频率间隔为射频驱动频率两倍的一阶子载波；中央局生成的携带下行数据的光信号经由下行光纤链路传输到基站；在基站内，光滤波器将来自中央局的中心光载波和两条一阶子载波分离开来，两条一阶子载波经过单端光电二极管外差拍频后可以生成载波频率为射频驱动频率两倍的携带有下行数据的常规矢量毫米波信号，其随后经过基站天线被送入自由空间中；同样在基站内，经由基站天线接收的携带上行数据的无线射频信号首先通过混频器被下变频至基带，然后经过上行链路用光调制器调制来自中央局的中心光载波，和基站天线相连的一个双工器用于实现下行数据和上行数据的分离；基站生成的携带上行数据的光信号经由上行光纤链路传输到中央局；

对于用于上行通信的中央局部分，光接收机用于接收和处理携带上行数据的光信号，以从中恢复出上行数据。

本发明中，下行数据采用的矢量调制格式可以为正交相移键控（QuadraturePhaseShiftKeying,缩写为QPSK）、8阶正交幅度调制（8-aryQuadratureAmplitudeModulation,缩写为8QAM）、16阶正交幅度调制（16-aryQuadratureAmplitudeModulation,缩写为16QAM）等等。

本发明中，下行数据可以采用不平衡式预编码方案，详见【X.Li,J.Yu,J.Zhang,J.Xiao,Z.Zhang,Y.Xu,andL.Chen,“QAMvectorsignalgenerationbyopticalcarriersuppressionandprecodingtechniques,”IEEEPhotonicsTechnologyLetters27(18),1977-1980(2015)】，也可以采用平衡式预编码方案，详见【Y.Wang,Y.Xu,X.Li,J.Yu,andN.Chi,“BalancedprecodingtechniqueforvectorsignalgenerationbasedonOCS,”IEEEPhotonicsTechnologyLetters27(13),2469-2472(2015)】。

本发明在下行链路中采用光生矢量毫米波方案，简化了中央局结构的同时还提升了下行数据的频谱利用率；在上行链路中采用光载波重用方案，简化了基站结构的同时还充分利用了所有的光功率。本发明提出的基于光生矢量毫米波和光载波重用的全双工光载无线架构具有结构简单、成本高效、执行简易等优点。将其应用于光载无线通信系统中，可以简化光载无线通信系统架构，降低光载无线通信系统成本，适合于U、V、W等多种不同频段的光载无线通信系统。

附图说明

图1是本发明提出的基于光生矢量毫米波和光载波重用的全双工光载无线架构示意图。

图中标号：1-发送端离线数字信号处理模块，2-数模转换器模块，3-单模激光器，4-直流偏置电压源，5-下行链路用单驱动光调制器，6-下行光纤链路，7-光滤波器，8-单端光电二极管，9-双工器，10-基站天线，11-混频器，12-上行链路用单驱动马赫增德尔型强度调制器，13-上行光纤链路，14-光接收机，15-中央局，16-基站，17-基于光生矢量毫米波和光载波重用的全双工光载无线架构。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作具体说明。

图1所示为基于光生矢量毫米波和光载波重用的全双工光载无线架构，它包括：

发送端离线数字信号处理模块1，其主要作用是对下行数据进行矢量调制、预编码和数字上变频等处理。下行数据采用的矢量调制格式可以为正交相移键控、8阶正交幅度调制、16阶正交幅度调制等等。下行数据可以采用不平衡式预编码方案，详见【X.Li,J.Yu,J.Zhang,J.Xiao,Z.Zhang,Y.Xu,andL.Chen,“QAMvectorsignalgenerationbyopticalcarriersuppressionandprecodingtechniques,”IEEEPhotonicsTechnologyLetters27(18),1977-1980(2015)】，也可以采用平衡式预编码方案，详见【Y.Wang,Y.Xu,X.Li,J.Yu,andN.Chi,“BalancedprecodingtechniqueforvectorsignalgenerationbasedonOCS,”IEEEPhotonicsTechnologyLetters27(13),2469-2472(2015)】。

数模转换器模块2，其主要作用是对离线数字信号处理产生的携带下行数据的预编码射频驱动信号执行数模转换。

单模激光器3，其主要作用是输出指定频率的单纵模激光作为光载波。

直流偏置电压源4，其主要作用是为下行链路用单驱动光调制器提供偏置电压。

下行链路用单驱动光调制器5，其主要作用是在携带下行数据的预编码射频信号的驱动下，对光载波进行调制。下行链路用单驱动光调制器的输出是一条大功率的中心光载波和两条相对小功率的一阶子载波，两条一阶子载波的频率间隔为射频驱动频率的两倍。光调制器可以采用马赫增德尔型强度调制器，相位调制器，直接调制激光器，电吸收调制器等。当采用相位调制器时可以移除上述直流偏置电压源4，当采用直接调制激光器时可以移除上述单模激光器3。

下行光纤链路6，其主要作用是传输携带下行数据的光信号。

光滤波器7，其主要作用是实现中心光载波和两条一阶子载波的分离。光滤波器可以采用光交织器、波长选择开关、波分复用解复用器、光纤布拉格光栅等。

单端光电二极管8，其主要作用是对两条一阶子载波执行外差拍频，从而生成载波频率为射频驱动频率两倍的电矢量毫米波信号。单端光电二极管探测到的电矢量毫米波信号显示常规的矢量调制。

双工器9，其主要作用是分离下行数据和上行数据。

基站天线10，其主要作用是发送携带有下行数据的矢量毫米波信号，并同时接收携带有上行数据的无线射频信号。

混频器11，其主要作用是实现对携带有上行数据的无线射频信号到基带的下变频处理。

上行链路用单驱动马赫增德尔型强度调制器12，其主要作用是将下变频后的上行数据调制到与两个一阶子载波分离开来的中心光载波上。

上行光纤链路13，其主要作用是传输携带上行数据的光信号。上行数据和下行数据可以采用相同的光纤链路进行传输，也可以为了避免串扰采用不同的光纤链路进行传输。

光接收机14，其主要作用是接收和处理携带上行数据的光信号，从中恢复出上行数据。

总之，本发明所述的基于光生矢量毫米波和光载波重用的全双工光载无线架构，具有执行简易、结构简单、频谱高效等优点，其在光载无线通信系统中的应用可以简化光载无线通信系统架构，降低光载无线通信系统成本，适合于U、V、W等多种不同频段的光载无线通信系统。

Claims (7)

1.一种基于光生矢量毫米波和光载波重用的全双工光载无线结构，其特征在于包括：用于全双工通信的中央局、基站以及连接中央局和基站的光纤链路；其中：

所述中央局包括：

一个发送端离线数字信号处理模块，用于对下行数据进行矢量调制、预编码和数字上变频处理；

一个数模转换器模块，用于执行对携带下行数据的预编码射频驱动信号的数模转换；

一个单模激光器，用于产生单模连续波长光载波；

一个直流偏置电压源，用于为下行链路用单驱动光调制器提供偏置电压；

一个下行链路用单驱动光调制器，用于将携带下行数据的预编码射频驱动电信号调制到激光器输出的光载波上，以提供一条大功率的中心光载波和两条相对小功率的一阶子载波，两条一阶子载波的频率间隔为射频驱动频率的两倍；

一个光接收机，用于接收和处理携带上行数据的光信号，从中恢复出上行数据；

所述光纤链路包括：

一个下行光纤链路，用于传输携带下行数据的光信号；

一个上行光纤链路，用于传输携带上行数据的光信号；

所述基站包括：

一个光滤波器，用于实现中心光载波和两条一阶子载波的分离；

一个单端光电二极管，用于实现两条一阶子载波的外差拍频，以生成载波频率为射频驱动频率两倍的携带有下行数据的常规矢量毫米波信号；

一个双工器，用于实现下行数据和上行数据的分离；

一个基站天线，用于发送携带有下行数据的矢量毫米波信号和接收携带有上行数据的无线射频信号；

一个混频器，用于实现携带上行数据的无线射频信号到基带的下变频；

一个上行链路用单驱动马赫增德尔型强度调制器，用于将下变频后的上行数据调制到来自中央局的中心光载波上。

2.根据权利要求1所述的基于光生矢量毫米波和光载波重用的全双工光载无线结构，其特征在于工作流程如下：

对于用于下行通信的中央局部分，发送端离线数字信号处理模块完成对下行数据的矢量调制、预编码和数字上变频处理，以生成携带下行数据的预编码射频驱动信号，然后该射频驱动信号经过数模转换器模块执行数模转换，再经过下行链路用单驱动光调制器调制单模连续波长光载波，该下行链路通过单驱动光调制器的输出是一条大功率的中心光载波和两条相对小功率的频率间隔为射频驱动频率两倍的一阶子载波；中央局生成的携带下行数据的光信号经由下行光纤链路传输到基站；在基站内，光滤波器将来自中央局的中心光载波和两条一阶子载波分离开来，两条一阶子载波经过单端光电二极管外差拍频后生成载波频率为射频驱动频率两倍的携带有下行数据的常规矢量毫米波信号，其随后经过基站天线被送入自由空间中；同样在基站内，经由基站天线接收的携带上行数据的无线射频信号首先通过混频器被下变频至基带，然后经过上行链路用光调制器调制来自中央局的中心光载波，和基站天线相连的双工器用于实现下行数据和上行数据的分离；基站生成的携带上行数据的光信号经由上行光纤链路传输到中央局；对于用于上行通信的中央局部分，光接收机用于接收和处理携带上行数据的光信号，以从中恢复出上行数据。

3.根据权利要求1所述的基于光生矢量毫米波和光载波重用的全双工光载无线结构，其特征在于，下行数据采用的矢量调制格式为正交相移键控、8阶正交幅度调制或16阶正交幅度调制。

4.根据权利要求1所述的基于光生矢量毫米波和光载波重用的全双工光载无线结构，其特征在于，下行数据采用不平衡式预编码方案，或者采用平衡式预编码方案。

5.根据权利要求1所述的基于光生矢量毫米波和光载波重用的全双工光载无线结构，其特征在于，所述的下行链路用单驱动光调制器采用马赫增德尔型强度调制器，相位调制器，直接调制激光器，或电吸收调制器。

6.根据权利要求1所述的基于光生矢量毫米波和光载波重用的全双工光载无线结构，其特征在于，所述的光滤波器采用光交织器、波长选择开关、波分复用解复用器或光纤布拉格光栅。

7.根据权利要求1所述的基于光生矢量毫米波和光载波重用的全双工光载无线结构，其特征在于，上行数据和下行数据采用相同的光纤链路进行传输，或者采用不同的光纤链路进行传输。