CN108282165A - 一种无线通信系统架构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线通信系统架构，包括基模块及与一个或多个所述基模块集成的一种或多种具有复用功能的复用模块；所述基模块包括数字调制解调器、中频模块及射频前端。本发明提供的无线通信系统架构，对该架构进行了模块化设计，以基模块单元作为系统架构的核心单元，可根据需求集成相应的复用功能，具有一定的扩展能力。

Description

一种无线通信系统架构
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种无线通信系统架构。
背景技术
为了满足更高速率、更宽带宽的无线传输需求，近年来新型无线通信系统的研究焦点逐步移向毫米波和太赫兹频域。太赫兹频段具有丰富的带宽资源，仅通过简单的调制方式便可以实现数据速率大于100Gbps的通信系统。但是由于其大气特性使得衰减较大，较难用于实现长距离的无线通信。毫米波频段(30GHz至300GHz)拥有4个大气窗口，受大气吸收的影响较小，但可使用的频带宽度相对太赫兹有限，目前仅能实现10Gbps量级的长距离无线通信。
现有的面向长距离、高速率无线通信系统的研究方案多强调一体化设计。当需要提升系统性能时，借助于利用某项新型技术、或提升某个器件的工艺水平，再重新设计一体化系统来进行演示验证。该种思想缺乏对具有实现可扩展性的商用系统架构的考虑，欠缺研究和利用目前已经基本成熟的各项技术，工程化参考价值相对较低。
发明内容
本发明提供一种无线通信系统架构，用以解决现有技术中无线通信系统缺乏扩展性的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的，一种无线通信系统架构，
包括基模块及与一个或多个所述基模块集成的一种或多种具有复用功能的复用模块；
所述基模块包括数字调制解调器、中频模块及射频前端。
可选的，所述数字调制解调器的前向链路设置为多个I/Q信道，所述I/Q信道用于将接收的以太网数据包生成多个第一基带信号并发送至所述中频模块；
所述数字调制解调器的返回链路将来自所述中频模块的第二基带信号恢复为以太网数据包。
可选的，所述中频模块的发射链路设置有频率复合模块；
所述频率复合模块将多个所述第一基带信号的带宽求和生成第一中频信号，并发送至所述射频前端；
所述中频模块的接收链路将来自所述射频前端的第二中频信号向下转换为所述第二基带信号后递交给所述数字调制解调器。
可选的，所述射频前端的发射链路将来自所述中频模块的第一中频信号向上转换为预设的频段信号后发射；
所述射频前端的接收链路将接收到的频段信号向下转换为所述第二中频信号后发送至所述中频模块。
可选的，所述基模块还包括设置在所述射频前端的天线系统；所述天线系统包括天线共用器和天线。
可选的，所述复用模块包括：双极化模块、射频自干扰消除模块及视线多输入多输出LOS-MIMO模块。
可选的，所述基模块集成所述双极化模块时，将每两个所述基模块设置成相互极化正交的双极化基模块组；
所述基模块集成所述射频自干扰消除模块时，在所述基模块的射频前端设置环形器；
所述基模块集成所述视线多输入多输出LOS-MIMO模块时，为每个或每组所述基模块或所述双极化基模块组设置独立的所述天线系统，且每组所述基模块或双极化基模块组之间的所述天线系统相距设置。
可选的，所述基模块集成所述射频自干扰消除模块时，还包括：
在所述基模块的射频前端设置固定延迟器和可调衰减器阵列。
可选的，所述天线为如下结构中的一种：
抛物面天线；
具有跟踪扫描功能的伺服系统天线；
及电扫相控阵天线。
本发明的有益效果为：
本发明提供了一种无线通信系统架构，对该架构进行了模块化设计，以基模块单元作为系统架构的核心单元，可根据需求集成相应的复用功能，具有一定的扩展能力。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明无线通信系统架构中基模块的总体架构图；
图2为本发明无线通信系统架构的构建流程图；
图3为本发明第三实施例中无线通信系统架构示意图；
图4为本发明第三实施例中在射频前端集成射频自干扰模块示意图。
图中：1-数字调制解调器，2-中频模块，3-射频前端，4-天线共用器，5-天线。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
请参见图1，在本发明的第一实施例中，提供了一种无线通信系统架构，
包括基模块及与一个或多个所述基模块集成的一种或多种具有复用功能的复用模块，复用模块用于提升系统架构的频谱利用效率；
所述基模块包括数字调制解调器1、中频模块2及射频前端3。
基模块带宽依据数据处理能力尽可能宽，以减小总集成模块数量，提升系统综合性能。
本发明实施例中无线通信系统架构还可以称之为无线通信系统。
可选的，所述数字调制解调器1的前向链路设置为多个I/Q信道，所述I/Q信道用于将接收的以太网数据包生成多个第一基带信号并发送至所述中频模块2；
所述数字调制解调器1的返回链路将来自所述中频模块2的第二基带信号恢复为以太网数据包。
可选的，所述中频模块2的发射链路设置有频率复合模块；
所述频率复合模块将多个所述第一基带信号的带宽求和生成第一中频信号，并发送至所述射频前端3；
所述中频模块2的接收链路将来自所述射频前端3的第二中频信号向下转换为所述第二基带信号后递交给所述数字调制解调器1。
可选的，所述射频前端3的发射链路将来自所述中频模块2的第一中频信号向上转换为预设的频段信号后发射；
所述射频前端3的接收链路将接收到的频段信号向下转换为所述第二中频信号后发送至所述中频模块2。
可选的，所述基模块还包括设置在所述射频前端3的天线系统；所述天线系统包括天线共用器4和天线5。
所述天线5为如下结构中的一种：
抛物面天线、具有跟踪扫描功能的伺服系统天线及电扫相控阵天线。
可选的，所述复用模块包括：双极化模块、射频自干扰消除模块及视线多输入多输出LOS-MIMO模块。
可选的，所述基模块集成所述双极化模块时，将每两个所述基模块设置成相互极化正交的双极化基模块组；使组合后的两个所述基模块产生极化正交的两种信号，在相同带宽条件下达到复用的目的，此时，将提升频谱利用效率1倍，也就是说整个系统的传输速率理论上将达到未使用时的2倍。
所述基模块集成所述射频自干扰消除模块时，在所述基模块的射频前端3设置环形器；集成射频自干扰消除模块是为了通过采用模拟或数字技术，解决发射和接收路径的非理想隔离以及近场反射带来的干扰问题，实现带内全双工通信。在发射和接收带宽相同、设计速率相同时，集成射频自干扰消除模块可提升频谱利用效率1倍，也就是说整个系统的传输速率理论上将达到未使用时的2倍。
所述基模块集成所述视线多输入多输出LOS-MIMO模块时，为每个或每组所述基模块或所述双极化基模块组设置独立的所述天线系统，且每组所述基模块或双极化基模块组之间的天线系统相距设置，也就是说对应不同组的所述基模块或双极化基模块组的天线系统中的天线5间保持一定的空间距离使信号可区分，最终达到空分复用的目的，本发明优选实施例中所述天线5均为具有接收和发射功能的收发天线。其中对于整个无线通信系统传输距离R的考虑，需要保证小于等于瑞利距离，即满足：
式中n为天线5数量，DT和DR为天线5间的间距。此时，接收到的信号可以通过信号处理解码为多路独立的信息，即可通过空分复用提升频谱利用效率。该技术的采用将使频谱利用效率提升到n倍。
此外，为避免残余发射信号进入接收信号通道，可选的，所述基模块集成所述射频自干扰消除模块时，还包括：
在所述基模块的射频前端3设置固定延迟器和可调衰减器阵列。通过将一部分发射信号引入固定延迟器和可调衰减器阵列，构建基函数，进而通过调整可调衰减器阵列中可调衰减器的值使得接收信号最小，即消除了接收端残余发射信号。
请参见图2，在本发明的第二实施例中，提供了一种无线通信系统架构，
包括基模块及与一个或多个所述基模块集成的一种或多种具有复用功能的复用模块，复用模块用于提升系统架构的频谱利用效率；所述复用模块包括：双极化模块、射频自干扰消除模块及视线多输入多输出LOS-MIMO模块。所述基模块包括数字调制解调器1、中频模块2及射频前端3，及设置在射频前端3的天线系统。所述架构的构建流程如下：
步骤S101、设计指标：
明确整个无线通信系统的设计指标要求，包括传输距离R(单位公里)、传输速率X(单位Gbps)、应用场景(固定或移动、平台尺寸要求等)。
步骤S102、基模块的构建：
根据设计指标为基模块选取适当的射频频率、系统带宽W及基模块带宽W0、调制模式和额定传输速率X0。本发明设计的架构目的在于满足高速和长距离传输的需求，因此主要考虑毫米波频段。优选毫米波的4个大气窗口频段，具体为35GHz、94GHz、140GHz、220GHz附近，避开衰减峰60GHz、120GHz、180GHz。基模块带宽建议依据数据处理能力尽可能宽，以减小总集成模块数量，提升系统综合性能。基模块除数字调制解调器1、中频模块2及射频前端3外还包括天线共用器4和天线5，天线共用器4设置在所述射频前端，所述天线5设置在天线共用器4上，天线共用器4和天线5在所述基模块集成复用模块时，还根据具体集成的复用模块进行相应的构建或调整。此外，射频前端3的放大器依据射频频率、传输距离R等指标进行链路预算后确定。
步骤S103、复用模块的选择和集成：
本发明实施例中，首先根据需要达到的频谱利用率提升倍数：
对所述基模块集成所述双极化模块或所述射频自干扰消除模块，此时频谱利用率提升倍数为2。
对所述基模块集成所述视线多输入多输出LOS-MIMO模块，此时频谱利用率提升倍数为n；优选的，对所述基模块集成所述视线多输入多输出LOS-MIMO模块时，为每个或每组所述基模块或所述双极化基模块组设置独立的所述天线系统，且每组所述基模块或双极化基模块组之间的天线系统相距设置，具体应用情形包括：
仅采用单个基模块进行收发信号时，为每个基模块设置独立的所述天线系统；
将多个基模块作为一组，设置多组基模块进行收发信号时，为每组所述基模块设置独立的所述天线系统，且每组所述基模块之间的天线系统相距设置。
仅采用单个双极化基模块组进行收发信号时，为相隔一定距离的每个双极化基模块组设置独立的所述天线系统。
将多个双极化基模块组作为一组，设置多组双极化基模块组进行收发信号时，为每组所述双极化基模块组设置独立的所述天线系统，且每组所述双极化基模块组之间的天线系统相距设置。
对所述基模块同时集成所述双极化模块和所述视线多输入多输出LOS-MIMO模块，或，对所述基模块同时集成所述射频自干扰消除模块和所述视线多输入多输出LOS-MIMO模块，此时频谱利用率提升倍数为2×n；
对所述基模块同时集成所述双极化模块、所述视线多输入多输出LOS-MIMO模块和所述射频自干扰消除模块，此时频谱利用率提升倍数为2×n×2。
然后根据设计指标要求，计算仅使用多个基模块利用全部系统带宽、不集成复用模块时的传输速率(向下取整，2代表发送和接收各占据一半带宽)，式中，X0为基模块的额定传输速率，W0为基模块带宽，再计算整个无线通信系统设计指标传输速率X与X1的倍数差(向上取整)，考虑集成双极化模块时的频谱利用率提升倍数2、集成视线多输入多输出LOS-MIMO模块时的频谱利用率提升倍数n、集成射频自干扰消除模块时的频谱利用率提升倍数2(当发射和接收带宽相同时)，且满足整个无线通信系统的总频谱利用率提升倍数大于等于为满足设计指标需要的提升倍数，即2×n×2≥m。
步骤S104、选择天线5：依据设计指标的要求选择天线5结构类型，如点对点固定传输可选取简单抛物面天线，如需要移动目标间通信，则选择具有跟踪扫描功能的伺服系统或电扫相控阵天线。
步骤S105、链路预算：
执行完步骤S101～S104后，通过链路预算分析各步骤完成的构建情况，若基模块的部分器件参数不适合则需要回到基模块的构建步骤S102进行优化调整。可选的，在第一次进行链路预算时，也要依据链路预算结果返回步骤S102进行优化调整。
请参见图3，在本发明的第三实施例中，提供一种无线通信系统架构，包括基模块及与八个所述基模块集成的三种具有复用功能的复用模块；所述基模块包括数字调制解调器1、中频模块2及射频前端3，及设置在射频前端3的天线系统。本实施例将无线通信系统架构应用于空地的长距离高速无线通信系统。
提出的设计指标要求实现具有空地通信功能的长距离高速无线通信系统，通信传输距离R为50公里，通信传输速率X为100Gbps。
1)选择工作频段，基于E频段选择71-76GHz和81-86GHz作为系统射频工作频段，工作总带宽W＝10GHz。该频段处于毫米波的大气窗口之中，被作为良好的通信频段使用。
2)构建基模块，选择两个5GHz频段，基模块带宽W0采用W0＝5GHz带宽，具体构建过程为：
a1)所述数字调制解调器1的前向链路设置为两个2.5GHz的I/Q信道，以降低实现难度，在两个2.5GHz的I/Q信道中将接收的以太网数据包生成两个第一基带信号，并将两个第一基带信号发送至中频模块2。数字调制解调器1的返回链路将来自所述中频模块2的5GHz的第二基带信号恢复为以太网数据包。为达到尽可能高的数据速率，选用64QAM高阶数字调制方案。数据处理选用Xilinx公司的Virtex-7FPGA，其收发器速度可达12.5Gbps。
b1)中频模块2的发射链路设置有频率复合模块，在适当的中频频率上，所述中频模块2将接收的多个所述第一基带信号的频率转换至预设的频率(即适于处理的中间频率)后，由所述频率复合模块将多个所述第一基带信号的带宽求和生成第一中频信号，并发送至所述射频前端3，使输出的第一中频信号带宽达到5GHz。
所述中频模块2的接收链路将来自所述射频前端3的5GHz带宽的第二中频信号向下转换为所述第二基带信号后递交给所述数字调制解调器1。
c1)射频前端3的发射链路将来自所述中频模块2的第一中频信号向上转换为预设的频段信号(即E频段信号)后发射，并通过射频前端3的功率放大器放大以满足发射功率。
所述射频前端3的接收链路将接收到的E频段信号向下转换为所述第二中频信号后发送至所述中频模块2，转换之前还将所述E频段信号采用低噪声放大器放大。鉴于近年来GaN技术趋于成熟，同时考虑尽可能小的尺寸、重量和功耗以便用于空中平台，对射频前端使用基于GaN技术的功率放大器。采用D01GHGaN工艺，器件截止频率达到110GHz，功率密度3.5W/mm，基于此工艺制造的放大器输出功率可以超过瓦级别。
通过上述构建过程，可以实现5GHz带宽的基带模块未编码额定传输速率X0＝25Gbps。
3)复用模块的集成，
a2)基模块集成双极化模块，将每两个所述基模块分别设置成+45°和-45°两个相互极化正交的双极化基模块组，采用交叉极化干扰消除技术保证隔离度。
b2)在双极化基模块组的基模块中集成所述射频自干扰消除模块，使用全部10GHz带宽，通过采用射频自干扰消除法，实现带内全双工通信，使发射和接收共用带宽。参见图4，本实施例优选的在所述基模块的射频前端3设置环形器，将发射和接收信号隔离。同时考虑到环形器的不完美性将使残余发射信号进入接收信号通道，采用模拟射频自干扰消除法，在所述基模块的射频前端设置固定延迟器和可调衰减器阵列，通过将一部分发射信号引入固定延迟器和可调衰减器阵列，构建基函数，进而通过调整可调衰减器的值使得接收信号最小，即消除接收端残余发射信号。
c2)再集成所述视线多输入多输出LOS-MIMO模块，参见图3，本实施例中将两个双极化基模块组作为一组，设置两组双极化基模块组，每组双极化基模块组设置独立的天线系统，且两组双极化基模块组之间的天线系统间保持一定的空间距离相距设置，使信号可区分，达到空分复用的目的。并保证传输距离R小于等于瑞利距离，以使得接收到的信号可以通过信号处理解码为多路独立的信息。考虑到适合于航空平台，天线系统中的天线5之间的距离(DT和DR)选择10米，即两组双极化基模块组的天线5的间距为10米，天线5的数量n为2，两个天线5都分别具有接收和发射的功能，得到对应于E频段的传输距离R最大可超过50公里，大于设计指标传输距离R。
通过计算得到当基模块同时集成双极化模块、视线多输入多输出LOS-MIMO模块(天线数量为2)、射频自干扰消除模块时得到频谱利用率提升倍数2×2×2≥m，满足总频谱利用率提升倍数大于等于为满足设计指标需要的提升倍数的要求。
4)天线5选择，天线5可以选择共形天线阵列，进而通过波束成形技术实现波束跟踪，也可以选择基于机械扫描的抛物面天线等。
5)链路预算，通过链路预算，在71-76GHz频段，当发射天线孔径为0.3米，接收天线孔径为1.8米时，发射天线增益44.7dBi，接收天线增益60.2dBi，传输距离R为50公里，发射功率16dBm，接收功率-52.6dBm，接收灵敏度-68.9dBm，链路余量16.3dB，对64QAM可以实现未编码时误码率小于10-6。具体链路预算情况见表1。
表1第三实施例链路预算情况表
基于本发明提供的无线通信系统架构设计的面向空地的长距离E频段高速无线通信系统，依据本实例分析，可以实现基于5GHz带宽的基模块未编码传输速率25Gbps。进一步对基模块集成双极化模块、2天线的视线多输入多输出LOS-MIMO模块、以及射频自干扰消除模块(充分利用10GHz带宽)，使得数据传输速率达到200Gbps，满足设计指标100Gbps的要求。同时，在进行各项设计时考虑了空间平台的适用性，以及足够的传输距离。其中为满足设计指标50公里的传输距离，射频前端3的功率放大器的发射功率需求为16dBm，可以用GaN半导体技术实现；LOS-MIMO天线间距设计为10米，适用于一般性的航空平台；采用GaN半导体工艺使得器件体积和重量均较小，符合航空平台的要求；天线5设计为具有波束跟踪功能，满足航空平台的机动性条件。综上所述，依据本发明提供的长距离毫米波高速无线通信系统架构，最终可以实现传输速率达200Gbps，传输距离50公里，适用于移动航空平台对地通信的无线通信系统。也适用于有扩展性要求的商用系统。
显然，本发明提供了一种无线通信系统架构，对该架构进行了模块化设计，以基模块单元作为系统架构的核心单元，可根据需求集成相应的复用功能，具有一定的扩展能力。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无线通信系统架构，其特征在于，
包括基模块及与一个或多个所述基模块集成的一种或多种具有复用功能的复用模块；
所述基模块包括数字调制解调器、中频模块及射频前端。
2.如权利要求1所述的无线通信系统架构，其特征在于，
所述数字调制解调器的前向链路设置为多个I/Q信道，所述I/Q信道用于将接收的以太网数据包生成多个第一基带信号并发送至所述中频模块；
所述数字调制解调器的返回链路将来自所述中频模块的第二基带信号恢复为以太网数据包。
3.如权利要求2所述的无线通信系统架构，其特征在于，
所述中频模块的发射链路设置有频率复合模块；
所述频率复合模块将多个所述第一基带信号的带宽求和生成第一中频信号，并发送至所述射频前端；
所述中频模块的接收链路将来自所述射频前端的第二中频信号向下转换为所述第二基带信号后递交给所述数字调制解调器。
4.如权利要求3所述的无线通信系统架构，其特征在于，
所述射频前端的发射链路将来自所述中频模块的第一中频信号向上转换为预设的频段信号后发射；
所述射频前端的接收链路将接收到的频段信号向下转换为所述第二中频信号后发送至所述中频模块。
5.如权利要求1所述的无线通信系统架构，其特征在于，
所述基模块还包括设置在所述射频前端的天线系统；所述天线系统包括天线共用器和天线。
6.如权利要求5所述的无线通信系统架构，其特征在于，
所述复用模块包括：双极化模块、射频自干扰消除模块及视线多输入多输出LOS-MIMO模块。
7.如权利要求6所述的无线通信系统架构，其特征在于，
所述基模块集成所述双极化模块时，将每两个所述基模块设置成相互极化正交的双极化基模块组；
所述基模块集成所述射频自干扰消除模块时，在所述基模块的射频前端设置环形器；
所述基模块集成所述视线多输入多输出LOS-MIMO模块时，为每个或每组所述基模块或所述双极化基模块组设置独立的所述天线系统，且每组所述基模块或双极化基模块组之间的所述天线系统相距设置。
8.如权利要求7所述的无线通信系统架构，其特征在于，所述基模块集成所述射频自干扰消除模块时，还包括：
在所述基模块的射频前端设置固定延迟器和可调衰减器阵列。
9.如权利要求5所述的无线通信系统架构，其特征在于，所述天线为如下结构中的一种：
抛物面天线；
具有跟踪扫描功能的伺服系统天线；
及电扫相控阵天线。
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