CN105680949A - 基于波分复用的带内全双工光载无线通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于波分复用的带内全双工光载无线通信系统，包括：中心局点、远端节点、远端天线单元、用户端，其中，远端天线单元、用户端中均设有自干扰消除模块，所述中心局点通过馈线光纤连接至远端节点一端，所述远端节点另一端通过N个分布式光纤分别连接至N个对应的远端天线单元，其中N为大于零的自然数，所述远端天线单元通过无线信道与用户端进行数据通信。本发明能够对带内自干扰信号进行消除，得到较好的抑制带宽和抑制比，从而实现上下行射频信号在同一频带内同时传输，倍增频谱效率；且自干扰消除系统抑制带宽较宽，从而拓展光载无线通信系统的可用无线频段。此外，利用波分复用的无源光网络，实现低成本多用户长距离无线接入。

Description

基于波分复用的带内全双工光载无线通信系统

技术领域

本发明涉及光通信及无线通信技术领域，具体地，涉及一种基于波分复用的带内全双工光载无线通信系统。

背景技术

随着第四代移动通信网络的商用，各种新颖的无线多媒体业务不断应用，用户对无线通信系统传输速率和传输容量的需求急剧增加，更好地利用和拓展有限的频谱资源以及解决长距离大容量用户接入成为亟待解决的问题。无线传输速率的提升需要提升频谱效率、增大可用带宽，或开发更高频率的新频段。提升频谱效率，即开发更高阶调制格式，然而这会增加成本。频谱资源的紧张意味着增大可用带宽的成本也很高。为更高效地利用日益紧张的无线频谱资源，下一代移动通信系统对带内全双工技术，即同时同频全双工技术提出了新的需求。与现有的频分双工(Frequency-DivisionDuplex，FDD)或者时分双工(Time-DivisionDuplex，TDD)系统相比，带内全双工系统(In-BandFull-Duplex,IBFD)在同一个频率信道上实现用户之间的实时双向通信，将频谱利用率增加了一倍，可以实现大密度、高效率的网络接入。另一方面，基于光纤波分复用无源光网络(WavelengthDivisionMultiplexedPassiveOpticalNetwork,WDM-PON)架构的光载无线(RadiooverFiber，RoF)系统，因其传输容量大，成本低，传输距离长的优势，被广泛地应用在接入网领域。WDM-RoF为每个远端天线单元分配特定的波长，每个基于无源光网络结构的WDM-RoF系统的网络基础设施可以被多个用户共享，管理运营简单，因而被认为是未来大容量光无线接入网的主流解决方案。

带内全双工无线通信系统将不需要FDD或TDD模式在频域或时域上单独分离上、下行信道，可以在同一时刻以相同的频率进行无线信号的收发，实现实时双向无线通信。由于带内全双工系统的发射天线与接收天线在物理位置上的接近，大功率的发射信号会被接收天线接收，对微弱功率的同频段接收信号产生干扰，即同频自干扰效应。自干扰效应会严重影响接收信号的质量，制约着带内全双工技术优势的发挥，是全双工通信发展的一大瓶颈技术。因此，实现带内全双工通信的首要问题就是对同频自干扰进行消除。基于电子学方案的自干扰消除系统工作带宽、工作频段以及消除性能受电子元件性能限制。基于光学的自干扰消除技术将光学技术的优势应用到自干扰消除系统中，可以支持更高频段的电信号在光域进行处理，从而实现自干扰消除系统对高频段的扩展、在高传输带宽下进行自干扰消除。现有基于光学方案的自干扰消除技术中，一般使用马赫曾德尔调制器、电吸收调制器等宽带调制器对电信号进行调制。利用光器件的性质从接收到的信号中减去自身系统的发射信号部分，得到微弱的有用接收信号。这一过程需要复制自身系统的发射信号，并对其进行反相、延时和衰减以尽量完全将接收信号中的自干扰部分减去。

经过现有文献检索发现，M.P.Chang等人在《IEEEMICROWAVEANDWIRELESSCOMPONENTSLETTER(电气和电子工程师协会微波和无线器件快报)》(Vol.23,No.2，2013)上发表了题为“Opticalanalogself-interferencecancellationusingelectro-absorptionmodulators”的文章，提出了一种光学自干扰消除方案，针对宽带带内全双工技术展开探索。该方案使用两个电吸收调制激光器(EAM)以及一个平衡光电探测器(BPD)，利用平衡光电探测器两路光电流相减的原理，将调制到光载波上的自干扰信号除去，并通过平衡光电探测器恢复出所需的电信号。这一方案获得了相对电学方案较高频段的自干扰信号消除，文献中报告了900MHz频段以及2.4GHz频段的获得40MHz带宽约40dB的抑制比。由于在平衡接收之前需要经过两路光路传输，而WDM-ROF系统中，每个远端天线单元仅对应远端节点中阵列波导光栅的一个端口，所以使用平衡光电接收机的方案不适用于WDM-ROF系统。

又经检索发现，QiZhou,HanlinFeng等人于2014年在《OpticsLetters(光学快报)》(Vol.39,No.22，2014)上发表了题为“Widebandco-siteinterferencecancellationbasedonhybridelectricalandopticaltechniques”的文章。该文章提出了基于光电混合的自干扰消除方案，该方案使用平衡-不平衡变换器(Balun)对复制的发射信号进行电学反相，使用了两个电吸收调制激光器(EAM)以将电信号调制到光载波上，其中EAM1调制接收到的有用信号以及噪声，EAM2调制前级Balun输出的已反相的参考信号。调制好的信号分别经上下两分支光路传输并耦合后，送入光电接收机PD中进行光电转换。其中下分支光路对信号进行衰减和延时，以对准并消除上分支光路中的干扰信号。衰减和延迟都需要精确调整以获得最大化的干扰抑制比。实验获得了220MHz带宽内的45dB抑制比以及10MHz窄带宽内57dB的抑制比，对于宽带5.5GHz信号仍可获得30dB的抑制比。该方案受限于电吸收调制器的调制带宽，对于WDM-RoF系统而言，希望获得更高频段的频谱资源。

本发明引用专利申请号为：201510590805.0，发明名称为“带内全双工无线通信系统的同频自干扰消除系统及方法”中提出的自干扰消除系统，利用双驱动马赫曾德尔调制器、压控增益微波放大器对干扰信号进行消除，相干性佳，得到较好的抑制带宽和抑制比性能。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于波分复用的带内全双工光载无线通信系统。

根据本发明提供的基于波分复用的带内全双工光载无线通信系统，包括：中心局点、远端节点、远端天线单元、用户端，其中，所述远端天线单元、用户端中均设有自干扰消除模块，所述中心局点通过馈线光纤连接至远端节点一端，所述远端节点另一端通过N个分布式光纤分别连接至N个对应的远端天线单元，其中N为大于零的自然数，所述远端天线单元通过无线信道与用户端进行数据通信。

优选地，所述自干扰消除模块配置在远端天线单元及用户端接收天线的后级。

优选地，远端天线单元与用户端使用同频带射频信号进行带内全双工无线通信。

优选地，所述中心局点包括：N个发射机、N个接收机、第一阵列波导光栅；

-所述接收机用于接收上行光载无线信号，处理后恢复出基带信号；

-所述发射机用于产生下行射频信号，调制到光载波后利用下行光纤传输；

-所述第一阵列波导光栅用于对各个用户对应的接收机和发射机进行下行波分复用与上行波分解复用。

优选地，所述远端节点包括：第二阵列波导光栅，所述第二阵列波导光栅通过馈线光纤与中心局点相连，用于实现无源上行波分复用与下行波分解复用。

优选地，所述远端天线单元包括：光电探测器、功放、发射天线与接收天线；

-所述光电探测器用于解调下行光载无线信号；

-所述功放用于对射频信号进行功率放大；

-所述发射天线用于发射下行射频信号；

-所述接收天线用于接收带内上行射频信号；

-所述自干扰消除模块用于消除上行信号中的下行自干扰信号，恢复出有用的上行信号，并调制到光载波上进行上行光载无线传输。

优选地，所述用户端包括：发射天线、接收天线、自干扰消除模块、射频及基带单元；

-所述发射天线用于发射上行射频信号；

-所述接收天线用于接收带内下行射频信号；

-所述自干扰消除模块用于消除带内上行自干扰，恢复出有用的下行信号，并交由后级的射频及基带单元进行信号处理。

优选地，所述自干扰消除模块包括：信号收发模块、信号放大延时模块、信号调制模块、光纤、光电转换模块、微波功率分配器；

-所述信号收发模块，用于接收射频信号，并将射频信号发送至信号放大延时模块；

-所述信号放大延时模块，用于对射频信号进行放大和延时处理后输出；

-所述信号调制模块，用于消除掉经所述信号放大延时模块输出的射频信号中的自干扰信号后得到有用信号，并将该有用信号通过光纤传输至所述光电转换模块；

-所述光电转换模块，用于将接收到的有用信号转换为相应的电数据后输出。

优选地，所述信号放大延时模块包括：压控增益微波放大器、可调微波延时线，接收天线所接收到的射频信号、由微波功率分配器复制的远端天线单元发射天线前端的发射信号或者用户端发射天线前端的发射信号分别依次经过设有压控增益微波放大器、可调微波延时线的两路通信链路后得到相应的经放大延时的射频信号作为所述信号放大延时模块的输出；所述信号调制模块为双驱动马赫曾德尔调制器，所述双驱动马赫曾德尔调制器包括第一射频信号输入端、第二射频信号输入端，所述第一射频信号输入端接收经所述信号放大延时模块放大和延时后的接收天线所接收到的射频信号，其中所述接收到的射频信号包括有用信号和自干扰信号；所述第二射频信号输入端接收经所述信号放大延时模块放大和延时后的复制的远端天线单元发射天线前端的发射信号或者用户端发射天线前端的发射信号；所述双驱动马赫曾德尔调制器对第一射频信号输入端、第二射频信号输入端所接收到的射频信号进行调制后得到消除了自干扰信号的有用信号。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的基于波分复用的带内全双工光载无线通信系统中设有自干扰消除模块，能够对干扰信号进行消除，从而得到较好的抑制带宽和抑制比，实现上下行射频信号在同一频带内同时传输，倍增频谱效率。

2、本发明提供的基于波分复用的带内全双工光载无线通信系统的可用无线带宽更宽，利用自干扰消除模块中的双驱动马赫曾德尔调制器上下臂的耦合性在光场域从接收信号中减去自干扰信号，信号相干性更强，可以获得更大抑制带宽，从而拓展光载无线通信系统的可用无线频段。

3、本发明提供的基于波分复用的带内全双工光载无线通信系统利用波分复用的无源光网络，可实现低成本多用户长距离无线接入。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的基于波分复用的带内全双工光载无线通信系统示意图；

图2为带内全双工无线通信系统的同频自干扰消除系统的结构方框图；

图3为本发明中上行信号在抑制自干扰之前和抑制自干扰信号之后的效果对比图。

图中：

1-压控增益微波放大器；

2-可调微波延时线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的基于波分复用的带内全双工光载无线通信系统，包括：中心局点、远端节点、远端天线单元、用户端，所述远端天线单元、用户端中均设有自干扰消除模块；

其中，所述中心局点与馈线光纤连接，馈线光纤的另一端与远端节点中的第二阵列波导光栅连接，远端节点另一侧与N个分布式光纤连接。其中N为大于零的自然数，即第二阵列波导光栅的端口数。分布式光纤另一端连接远端天线单元。远端天线单元与用户端通过无线信道进行通信。所述远端天线单元与用户端使用同频带同时进行双向带内全双工无线通信，使无线频谱效率倍增。

具体地，如图1所示，在本实施例中，包括：中心局点、远端节点、带有自干扰消除模块的远端天线单元、带有自干扰消除模块的用户端；

-所述中心局点，用于发射下行光载无线信号，接收上行光载无线信号。并对上下行信号进行计算和处理，简化远端天线单元的运算与处理功能；

-所述远端节点，用于对各个接入用户以一种低成本、无功耗的方式进行无源波分复用与波分解复用；

-所述远端天线单元，用于将下行光载无线信号解调到射频频段，并通过发射天线发射到无线信道中；通过复制下行发射信号到天线后端的自干扰消除模块中，与接收信号中的自干扰在幅度和时间上对准后相消，将上行带内无线信号中的下行自干扰进行消除，恢复出上行有用射频信号后调制到光载波上，进行上行光载无线传输。

-所述用户端，用于发射上行射频信号，接收带内下行射频信号，并通过接收天线后级的自干扰消除系统，消除上行自干扰信号，恢复出下行射频信号并进行射频-基带处理。其中，图中所示，复制的下行信号是指由远端天线单元发射天线前端的发射信号复制而得，复制的上行信号是指由用户端发射天线前端的发射信号复制而得。

所述中心局点，包括：N个光电接收单元(接收机)、N个光电发射单元(发射机)、第一阵列波导光栅；光电接收单元用于接收上行光载无线信号，并进行处理恢复出基带信号；光电发射单元用于产生下行射频信号，并调制到光载波上用于下行光纤传输；阵列波导光栅1用于对各个用户对应的接收机和发射机进行下行波分复用与上行波分解复用。

所述远端节点，包括第二阵列波导光栅，所述第二阵列波导光栅用于对各个接入用户以一种低成本、无功耗的方式进行无源上行波分复用与下行波分解复用。

所述远端天线单元包括：光电探测器、功放、自干扰消除模块、发射天线与接收天线；光电探测器用于解调下行光载无线信号；功放用于对射频信号进行功率放大；发射天线用于发射下行射频信号；接收天线用于接收带内上行射频信号；自干扰消除模块用于消除上行信号中的下行自干扰信号，恢复出有用的上行信号，并调制到光载波上进行上行光载无线传输。

所述用户端包括：发射天线、接收天线、自干扰消除模块、射频及基带单元；发射天线用于发射上行射频信号；接收天线用于接收带内下行射频信号，自干扰消除模块用于消除带内上行自干扰，恢复出有用的下行信号，并交由后级的射频及基带单元进行信号处理。

具体地，如图2所示，一种带内全双工无线通信系统的同频自干扰消除系统(即本发明中的自干扰消除模块)，包括：信号收发模块、信号放大延时模块、信号调制模块、光纤、光电转换模块；

-所述信号收发模块，用于接收相应的微波信号，并将射频信号发送至信号放大延时模块；

-所述信号放大延时模块，用于对射频信号进行放大和延时处理；

-所述信号调制模块，用于消除掉射频信号中的自干扰信号后得到有用信号，并将该有用信号通过光纤传输至所述光电转换模块；

-所述光电转换模块将接收到的有用信号转换为相应的电数据后输出。

所述信号收发模块包括发射天线、接收天线；发射天线用于发射射频信号，接收天线2用于接收相应的射频信号。

所述信号放大延时模块包括：压控增益微波放大器1、可调微波延时线2，接收天线所接收到的射频信号、复制的天线发射的射频信号分别依次经过设有压控增益微波放大器1、可调微波延时线2的两路通信链路后得到相应的经放大延时的射频信号。

所述信号调制模块为双驱动马赫曾德尔调制器，所述双驱动马赫曾德尔调制器包括第一射频信号输入端、第二射频信号输入端，所述第一射频信号输入端接收经放大和延时后的接收天线所接收到的射频信号，其中所述接收到的射频信号包括有用信号和自干扰信号；所述第二射频信号输入端接收经放大和延时后的复制的天线发射的射频信号；并通过所述双驱动马赫曾德尔调制器调制后得到消除了自干扰信号的有用信号。

所述双驱动马赫曾德尔调制器还包括第一偏置输入端和第二偏置输入端，所述第一偏置输入端和第二偏置输入端分别输入相应的固定偏置电压。

所述光电转换模块为光电检测器，用于将已调制的消除了自干扰的有用接收信号进行光电转换，得到有用接收电数据。

具体地，应用于带内全双工无线通信系统的同频自干扰消除系统，包括双驱动马赫曾德尔调制器、压控增益微波放大器1(VCA)、微波延时线2、40GHz带宽光电探测器等；其中，所述的双驱动马赫曾德尔调制器的射频口1输入经放大和延时后的复制的发射射频信号，双驱动马赫曾德尔调制器的射频口2输入经放大和延时后的接收天线2接收射频信号，接收射频信号包括有用信号和自干扰信号。所述的双驱动马赫曾德尔调制器的偏置输入口1和2分别输入相应的固定偏置电压。所述同频自干扰消除系统配置在无线通信系统接收天线的后级。所述复制的发射信号是由无线通信系统发射天线前端的发射信号复制而得。所述激光器输出端连接偏振控制器，偏振控制器输出端连接双驱动马赫曾德尔调制器，激光器用于产生调制所需的激光，偏振控制器用于控制输入激光的偏振态，使输入光经过偏振敏感的马赫曾德尔调制器后能获得最佳输出光功率。复制的发射信号连接到压控增益微波放大器，压控增益微波放大器连接到可调微波延时线2，所述可调微波延时线4连接到双驱动马赫曾德尔调制器的射频口1端口。接收到的自干扰信号和有用信号连接到压控增益微波放大器，压控增益微波放大器连接到可调微波延时线4，可调微波延时线4连接到双驱动马赫曾德尔调制器的射频口2端口。双驱动马赫曾德尔调制器的偏置点1和偏置点2输入的是设定的固定偏置电压值。所述自干扰系统包括光电探测器，所述光电接收设备用于解调消除自干扰后的有用接收射频信号。

更进一步地，所述压控增益微波放大器1(VCA)用于放大接收天线接收到的自干扰信号和有用信号，以及复制的发射信号；所述可调微波延时线用于对微波信号进行延时；二者共同的目的是使复制的发射信号和接收到的自干扰信号幅度相等、相位对准，以在双驱动马赫曾德尔调制器中进行消除。所述激光器用于产生光源；所述光电检测器用于将已调制的消除了自干扰的有用接收信号进行光电转换，得到有用接收电数据。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种基于波分复用的带内全双工光载无线通信系统，其特征在于，包括：中心局点、远端节点、远端天线单元、用户端，其中，所述远端天线单元、用户端中均设有自干扰消除模块，所述中心局点通过馈线光纤连接至远端节点一端，所述远端节点另一端通过N个分布式光纤分别连接至N个对应的远端天线单元，其中N为大于零的自然数，所述远端天线单元通过无线信道与用户端进行数据通信。

2.根据权利要求1所述的基于波分复用的带内全双工光载无线通信系统，其特征在于，所述自干扰消除模块配置在远端天线单元及用户端接收天线的后级。

3.根据权利要求1所述的基于波分复用的带内全双工光载无线通信系统，其特征在于，远端天线单元与用户端使用同频带射频信号进行带内全双工无线通信。

4.根据权利要求1所述的基于波分复用的带内全双工光载无线通信系统，其特征在于，所述中心局点包括：N个发射机、N个接收机、第一阵列波导光栅；

-所述接收机用于接收上行光载无线信号，处理后恢复出基带信号；

-所述发射机用于产生下行射频信号，调制到光载波后利用下行光纤传输；

-所述第一阵列波导光栅用于对各个用户对应的接收机和发射机进行下行波分复用与上行波分解复用。

5.根据权利要求1所述的基于波分复用的带内全双工光载无线通信系统，其特征在于，所述远端节点包括：第二阵列波导光栅，所述第二阵列波导光栅通过馈线光纤与中心局点相连，用于实现无源上行波分复用与下行波分解复用。

6.根据权利要求1所述的基于波分复用的带内全双工光载无线通信系统，其特征在于，所述远端天线单元包括：光电探测器、功放、发射天线与接收天线；

-所述光电探测器用于解调下行光载无线信号；

-所述功放用于对射频信号进行功率放大；

-所述发射天线用于发射下行射频信号；

-所述接收天线用于接收带内上行射频信号；

-所述自干扰消除模块用于消除上行信号中的下行自干扰信号，恢复出有用的上行信号，并调制到光载波上进行上行光载无线传输。

7.根据权利要求1所述的基于波分复用的带内全双工光载无线通信系统，其特征在于，所述用户端包括：发射天线、接收天线、自干扰消除模块、射频及基带单元；

-所述发射天线用于发射上行射频信号；

-所述接收天线用于接收带内下行射频信号；

-所述自干扰消除模块用于消除带内上行自干扰，恢复出有用的下行信号，并交由后级的射频及基带单元进行信号处理。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的基于波分复用的带内全双工光载无线通信系统，其特征在于，所述自干扰消除模块包括：信号收发模块、信号放大延时模块、信号调制模块、光纤、光电转换模块、微波功率分配器；

-所述信号收发模块，用于接收射频信号，并将射频信号发送至信号放大延时模块；

-所述信号放大延时模块，用于对射频信号进行放大和延时处理后输出；

-所述信号调制模块，用于消除掉经所述信号放大延时模块输出的射频信号中的自干扰信号后得到有用信号，并将该有用信号通过光纤传输至所述光电转换模块；

-所述光电转换模块，用于将接收到的有用信号转换为相应的电数据后输出。

9.根据权利要求8所述的基于波分复用的带内全双工光载无线通信系统，其特征在于，所述信号放大延时模块包括：压控增益微波放大器(1)、可调微波延时线(2)，接收天线所接收到的射频信号、由微波功率分配器复制的远端天线单元发射天线前端的发射信号或者用户端发射天线前端的发射信号分别依次经过设有压控增益微波放大器、可调微波延时线(2)的两路通信链路后得到相应的经放大延时的射频信号作为所述信号放大延时模块的输出；所述信号调制模块为双驱动马赫曾德尔调制器，所述双驱动马赫曾德尔调制器包括第一射频信号输入端、第二射频信号输入端，所述第一射频信号输入端接收经所述信号放大延时模块放大和延时后的接收天线所接收到的射频信号，其中所述接收到的射频信号包括有用信号和自干扰信号；所述第二射频信号输入端接收经所述信号放大延时模块放大和延时后的复制的远端天线单元发射天线前端的发射信号或者用户端发射天线前端的发射信号；所述双驱动马赫曾德尔调制器对第一射频信号输入端、第二射频信号输入端所接收到的射频信号进行调制后得到消除了自干扰信号的有用信号。