CN109302225B - 一种基于rof的分布式天线系统及其应用 - Google Patents

一种基于rof的分布式天线系统及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于ROF的分布式天线系统及其应用。本发明所述系统在数据链路层通过MAC帧处理单元构建基于IEEE802.3协议的MAC帧，利用地址提取与解析单元提取其中的地址帧并解析成光开关阵列的控制信号，光开关阵列根据控制信号构建中心局与地址码标识天线之间端到端的ROF通信链路，从而实现了系统对分布式天线的控制。本发明所述基于ROF的分布式天线系统，基于IEEE802.3协议构建的MAC帧，并开辟1字节的地址帧作为天线地址标识，实现对分布式天线地址的分配；结合星型拓扑结构的ROF传输链路实现系统对分布式天线端到端的控制。

Description

一种基于ROF的分布式天线系统及其应用
技术领域
本发明涉及一种基于ROF的分布式天线系统及其应用，属于分布式天线系统的技术领域。
背景技术
基于ROF的分布式天线系统中运用光纤作为天线与中心站之间的传输链路，直接利用光载波来传输射频信号，其中光纤仅起到传输的作用，交换、控制和信号的再生都集中在中心站，天线端仅实现光电转换，这样可以将复杂昂贵的设备集中到中心局，让多个远端天线共享这些设备，减少天线端的功耗和成本，并实现天线的分布式部署。
现有技术中的分布式天线系统大多数采用波分复用技术，为每根天线所在光路分配不同波长的光载波。采用这种技术的分布式天线系统具有低复杂度、低成本和低功耗的优势，但是无法实现对分布式天线地址的分配以及对每根天线实现端到端的选择和控制。
现有技术中，将测试端与被测试端之间的距离差作为Chan算法或Chan与Taylor协同算法的输入，得到网络终端的位置坐标，属于现有技术，例如“《基于Chan和Taylor的TDOA协同定位算法研究云南省无线电检测中心昆明6500000陈德章唐皓吴季达》”公开了具体的方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于ROF的分布式天线系统。
本发明提供一种基于上述系统对分布式天线进行控制的方法。
术语说明：
ROF(Radio Over Fiber)：光载无线通信技术，是应高速大容量无线通信需求，新兴发展起来的将光纤通信和无线通信结合起来的无线接入技术。简单的说是在中心站将微波调制到激光上，之后调制后的光波通过复杂的光纤链路进行传输，到达基站后，光电转换将微波信号解调，再通过天线发射供用户使用；
MAC：Media Access Control。
发明概述：
该系统在数据链路层通过MAC帧处理单元构建基于IEEE802.3协议的MAC帧，利用地址提取与解析单元提取其中的地址帧并解析成光开关阵列的控制信号，光开关阵列根据控制信号构建中心局与地址码标识天线之间端到端的ROF通信链路，从而实现了系统对分布式天线的控制。
本发明的技术方案为：
一种基于ROF的分布式天线系统，包括依次连接的MAC帧处理单元、地址提取与解析单元、光开关阵列、基于星型拓扑结构的ROF传输链路和分布式天线阵列；所述分布式天线阵列中设置有多个地址码标识天线；所述地址码标识天线是由地址码标识的天线。
MAC帧处理单元在基于IEEE802.3协议定义的标准MAC帧基础上，将“数据和填充”字段的最高字节定义为地址码用于分布式天线标识；地址提取与解析单元在基于MAC帧处理单元构建的MAC帧中提取地址码字段，并将其解析为用于光开关阵列控制的并行物理电平流信号。MAC帧处理单元和地址提取与解析单元两个模块在GX-SOC/SOPC-Dev-LabPlatform实验平台上实现，利用VDHL硬件描述语言在Quartus II开发环境下实现对模块的描述和设计。
根据本发明优选的，所述分布式天线阵列中设置有四个地址码标识天线，四个地址码标识天线作为端点，共同围成正方形。
进一步优选的，所述地址码包括在低位的地址段和在高位的无效段；无效段始终设置为0，地址段的设置与系统功能的对应关系如下表所示：
Figure BDA0001839506390000021
地址段和无效段的具体长度依据系统分布式天线的数量分配；本发明是基于4根天线的系统，所以定义地址段为4bits，相应的无效段也为4bits。
一种基于上述系统对分布式天线进行控制的方法，包括步骤如下：
1)所述MAC帧生成单元构建系统数据链路层的MAC帧；MAC帧中设置有地址码；所述地址码用于地址码标识天线的地址标识；
2)地址提取与解析单元提取MAC帧中的地址码并将地址码解析为物理层光开关阵列的控制信号；
3)光开关阵列根据控制信号构建中心局与地址码标识天线之间端到端的ROF通信链路，实现系统对分布式天线阵列的控制；
“构建”的具体过程为，光开关阵列根据控制信号对ROF链路中分布式天线所在光路的通断进行设置，进而完成中心局与地址码标识天线之间端到端的ROF通信链路的选择；
中心局是ROF中的概念，MAC帧处理单元、地址提取与解析单元，光开关阵列，信号调制都是在中心局完成。
系统为分布式天线阵列中的每根天线分配相应的端到端的光纤传输链路，并利用光功分器为每条链路提供光源，形成一对多的光信号传输结构，即ROF通信链路；基于星型拓扑结构的ROF传输链路使中心局实现一对多的方式与分布式天线的信号传输；
4)分布式天线阵列实现地址码标识天线与网络覆盖区域内终端的无线通信；
5)系统采用轮询的方式控制每个地址码标识天线依次与网络终端进行信息交互，通过TDOA技术采集定位特征参数；所述定位特征参数为无线终端到地址码标识天线的距离差；TDOA是一种现有的无线定位技术，通过TDOA技术最终会得到终端到天线的距离差。
6)将采集的定位特征参数作为Chan与Taylor协同算法的输入，得到网络终端的位置坐标。
根据本发明优选的，所述步骤4)采用时分复用TDM-TDOA的方法采集定位特征参数，具体方法如下：
中心局控制第一天线与终端的信息交互，TS1时刻启动定时器，中心局开始发送信号，经过传输时间TROF到达第一天线并对外发射无线信号，TTran1时刻后终端接收到无线信号，进行解调和分析，并利用内部定时器记录信号处理的时间TProcl；终端建立包含TProc1的基带发送信号并经过TSend时间的射频调制和信号传输，最终回传给中心局，中心局在T1时刻接收到回传的信号，进行数据存储；至此，第一天线的工作流程结束；
以此类推，中心局依次控制其他天线以相同的方式与终端进行信息交互，结束一个总采集周期后，对采集的数据进行处理：
在第一天线的工作周期内，建立以下等式关系：
T1-TS1＝2TROF+2TTran1+TProc1+TSend (1)
同理，在天线2、3、4的工作周期内，依次建立以下等式关系：
T2-TS2＝2TROF+2TTran2+TProc2+TSend (2)
T3-TS3＝2TROF+2TTran3+TProc3+TSend (3)
T4-TS4＝2TROF+2TTran4+TProc4+TSend (4)
分别计算式(2)-式(1)、式(3)-式(1)、式(4)-式(1)得到：
Figure BDA0001839506390000041
Figure BDA0001839506390000042
Figure BDA0001839506390000043
式(5)、式(6)、式(7)等号右边都是通过系统采集得到的已知参量，而等号左边都是TDOA待求参量；假设电磁波在空间的传播速度为S，则R12、R13、R14的计算表达式分别为：
R12＝R2-R1＝S(TTran2-TTran1) (8)
R13＝R3-R1＝S(TTran3-TTran1) (9)
R14＝R4-R1＝S(TTran4-TTran1) (10)
其中，T1为中心局收到第一天线回传信号的时刻；TS1为第一天线定时器的启动时刻；TROF为信号从中心局到达天线的传输时间；TTran1为信号从第一天线到终端的传输时间；TProc1为终端处理第一天线信号的时间；TSend为终端进行射频调制和将信号回传给中心局的时间；
T2为中心局收到第二天线回传信号的时刻；TS2为第二天线定时器的启动时刻；TTran2为信号从第二天线到终端的传输时间；TProc2为终端处理第二天线信号的时间；
T3为中心局收到第三天线回传信号的时刻；TS3为第三天线定时器的启动时刻；TTran3为信号从第三天线到终端的传输时间；TProc3为终端处理第三天线信号的时间；
T4为中心局收到第四天线回传信号的时刻；TS4为第四天线定时器的启动时刻；TTran4为信号从第四天线到终端的传输时间；TProc4为终端处理第四天线信号的时间。
采用时分复用TDM-TDOA(Time Division Multiplexing-TDOA)的方法采集定位特征参数，是本发明的创新点，TDM-TDOA描述的含义是在一个周期内分别控制分布式天线(时分复用的来源)与终端进行信息交互。
根据本发明优选的，所述步骤6)的具体步骤是，通过Chan算法将所述定位特征参数和所有天线的位置坐标建立非线性方程组，并采用二重最小二乘算法求出方程组的非迭代闭式解，即终端的初始位置坐标，再通过Taylor算法将初始位置坐标进行迭代求解，得到终端的最终位置坐标。
根据本发明优选的，所述步骤1)中的数据链路层的MAC帧基于IEEE802.3协议构建，并在其长度/类型字段后开辟1字节作为地址码。
本发明的有益效果为：
1.本发明所述基于ROF的分布式天线系统，基于IEEE802.3协议构建的MAC帧，并开辟1字节的地址帧作为天线地址标识，实现对分布式天线地址的分配；结合星型拓扑结构的ROF传输链路实现系统对分布式天线端到端的控制；
2.本发明所述基于ROF的分布式天线系统，采用轮询的方式控制分布式天线依次与区域内的终端进行信息交互采集定位特征参数，将系统采集的定位特征参数结合Chan与Taylor协同算法实现对网络终端的位置估计；除了在室外，还可在大型商场，火车站，机场等室内环境实现无线定位，克服了传统的GPS只能进行室外定位的局限性，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述基于ROF的分布式天线系统的结构示意图；
图2为本发明所述数据链路层构建的MAC帧结构；
图3(a)为Chan算法的运算流程图；
图3(b)为Chan与Taylor协同算法的运算流程图；
图4为基于ROF的分布式天线系统端到端的信号传输流程图；
图5为系统的信号传输性能下行传输；
图6为系统的信号传输性能上行传输；
图7为实施例2地址码标识天线部署方式示意图；
图8(a)为三根分布式天线的部署方式(单位：km)；
图8(b)为四根分布式天线的部署方式(单位：km)；
图8(c)为五根分布式天线的部署方式(单位：km)；
图9为本发明所述时分复用TD-TDOA方法的时序图；
其中，1、MAC帧处理单元；2、地址提取与解析单元；3、光开关阵列；4、基于星型拓扑结构的ROF传输链路；5、分布式天线阵列。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
如图1-2所示。
一种基于ROF的分布式天线系统，包括依次连接的MAC帧处理单元1、地址提取与解析单元2、光开关阵列3、基于星型拓扑结构的ROF传输链路4和分布式天线阵列5；所述分布式天线阵列5中设置有多个地址码标识天线；所述地址码标识天线是由地址码标识的天线。
MAC帧处理单元在基于IEEE802.3协议定义的标准MAC帧基础上，将“数据和填充”字段的最高字节定义为地址码用于分布式天线标识；地址提取与解析单元在基于MAC帧处理单元构建的MAC帧中提取地址码字段，并将其解析为用于光开关阵列控制的并行物理电平流信号。MAC帧处理单元和地址提取与解析单元两个模块在GX-SOC/SOPC-Dev-LabPlatform实验平台上实现，利用VDHL硬件描述语言在Quartus II开发环境下实现对模块的描述和设计。
所述分布式天线阵列5中设置有四个地址码标识天线，四个地址码标识天线作为端点，共同围成正方形，如图7所示。所述光开关阵列由4个一位的光开关并行组成；输入是4个并行的光信号，输出也是4个并行的光信号；控制信号是4个并行的物理电平流，对光开关阵列中相应的光路通断进行设置，当控制信号是高电平，则光开关接通，当控制信号是低电平，则光开关断开；所述光开关为FOS1200-3300型号的超快速光开关1x1，1x2，2x2可选。
所述地址码包括在低位的地址段和在高位的无效段；无效段始终设置为0，地址段的设置与系统功能的对应关系如下表所示：
Figure BDA0001839506390000061
Figure BDA0001839506390000071
地址段和无效段的具体长度依据系统分布式天线的数量分配；本发明是基于4根天线的系统，所以定义地址段为4bits，相应的无效段也为4bits。
无线定位机制的确定
3种不同数量的天线：3天线、4天线、5天线；2种不同的定位算法：Chan算法、Chan与Taylor协同算法；不同数量的天线部署情况如图8(a)、图8(b)、图8(c)所示；
在该定位系统中，设置σ分别为2.5，5，7.5和10，测试点在3天线、4天线和5天线的定位系统下利用单独的Chan算法和Chan与Taylor协同算法的均方根误差如下表(单位：km)所示：
Figure BDA0001839506390000072
从上表可见随着系统分布式天线数量的提升，无论是利用单独的Chan算法还是Chan与Taylor协同算法，均方根误差都降低，系统的定位精度提升；而在天线数量相同的系统下，相较于单独的Chan算法，Chan与Taylor协同算法具有有更低的均方根误差，即更高的定位精度；
5根天线系统下利用Chan与Taylor协同算法的定位效果相较于4根天线下利用Chan与Taylor协同算法有略微的提升，但是天线数量的提高伴随着系统功耗的提升，综合考虑定位精度和系统功耗两个方面，采用4根天线的系统并结合Chan与Taylor协同算法实现无线定位的机制；
实施例2
一种基于实施例1所述的系统对分布式天线进行控制的方法，包括步骤如下：
1)所述MAC帧生成单元构建系统数据链路层的MAC帧；MAC帧中设置有地址码；所述地址码用于地址码标识天线的地址标识；数据链路层的MAC帧基于IEEE802.3协议构建，并在其长度/类型字段后开辟1字节作为地址码。
2)地址提取与解析单元提取MAC帧中的地址码并将地址码解析为物理层光开关阵列的控制信号；
3)光开关阵列根据控制信号构建中心局与地址码标识天线之间端到端的ROF通信链路，实现系统对分布式天线阵列的控制；
“构建”的具体过程为，光开关阵列根据控制信号对ROF链路中分布式天线所在光路的通断进行设置，进而完成中心局与地址码标识天线之间端到端的ROF通信链路的选择；
中心局是ROF中的概念，MAC帧处理单元、地址提取与解析单元，光开关阵列，信号调制都是在中心局完成。
系统为分布式天线阵列中的每根天线分配相应的端到端的光纤传输链路，并利用光功分器为每条链路提供光源，形成一对多的光信号传输结构，即ROF通信链路；基于星型拓扑结构的ROF传输链路使中心局实现一对多的方式与分布式天线的信号传输；
4)分布式天线阵列实现地址码标识天线与网络覆盖区域内终端的无线通信；
5)系统采用轮询的方式控制每个地址码标识天线依次与网络终端进行信息交互，通过TDOA技术采集定位特征参数；所述定位特征参数为无线终端到地址码标识天线的距离差；如图3(a)所示；TDOA是一种现有的无线定位技术，通过TDOA技术最终会得到终端到天线的距离差。
6)将采集的定位特征参数作为Chan与Taylor协同算法的输入，得到网络终端的位置坐标；如图3(b)所示。
如图4、图9所示，所述步骤4)采用时分复用TDM-TDOA的方法采集定位特征参数，具体方法如下：
中心局控制第一天线与终端的信息交互，TS1时刻启动定时器，中心局开始发送信号，经过传输时间TROF到达第一天线并对外发射无线信号，TTran1时刻后终端接收到无线信号，进行解调和分析，并利用内部定时器记录信号处理的时间TProc1；终端建立包含TProc1的基带发送信号并经过TSend时间的射频调制和信号传输，最终回传给中心局，中心局在T1时刻接收到回传的信号，进行数据存储；至此，第一天线的工作流程结束；
以此类推，中心局依次控制其他天线以相同的方式与终端进行信息交互，结束一个总采集周期后，对采集的数据进行处理：
在第一天线的工作周期内，建立以下等式关系：
T1-TS1＝2TROF+2TTran1+TProc1+TSend (1)
同理，在天线2、3、4的工作周期内，依次建立以下等式关系：
T2-TS2＝2TROF+2TTran2+TProc2+TSend (2)
T3-TS3＝2TROF+2TTran3+TProc3+TSend (3)
T4-TS4＝2TROF+2TTran4+TProc4+TSend (4)
分别计算式(2)-式(1)、式(3)-式(1)、式(4)-式(1)得到：
Figure BDA0001839506390000091
Figure BDA0001839506390000092
Figure BDA0001839506390000093
式(5)、式(6)、式(7)等号右边都是通过系统采集得到的已知参量，而等号左边都是TDOA待求参量；假设电磁波在空间的传播速度为S，则R12、R13、R14的计算表达式分别为：
R12＝R2-R1＝S(TTran2-TTran1) (8)
R13＝R3-R1＝S(TTran3-TTran1) (9)
R14＝R4-R1＝S(TTran4-TTran1) (10)
其中，T1为中心局收到第一天线回传信号的时刻；TS1为第一天线定时器的启动时刻；TROF为信号从中心局到达天线的传输时间；TTran1为信号从第一天线到终端的传输时间；TProc1为终端处理第一天线信号的时间；TSend为终端进行射频调制和将信号回传给中心局的时间；
T2为中心局收到第二天线回传信号的时刻；TS2为第二天线定时器的启动时刻；TTran2为信号从第二天线到终端的传输时间；TProc2为终端处理第二天线信号的时间；
T3为中心局收到第三天线回传信号的时刻；TS3为第三天线定时器的启动时刻；TTran3为信号从第三天线到终端的传输时间；TProc3为终端处理第三天线信号的时间；
T4为中心局收到第四天线回传信号的时刻；TS4为第四天线定时器的启动时刻；TTran4为信号从第四天线到终端的传输时间；TProc4为终端处理第四天线信号的时间。
采用时分复用TDM-TDOA(Time Division Multiplexing-TDOA)的方法采集定位特征参数，是本发明的创新点，TDM-TDOA描述的含义是在一个周期内分别控制分布式天线(时分复用的来源)与终端进行信息交互。
端到端信号传输的可行性测试：
如图5、6所示；端到端信号传输的眼图和信号传输性能参数：
信号传输方向 Q Factor Min.BER
下行 20.83 1.14e-96
上行 11.95 3.02e-33
根据Q Factor和Min.BER两个反映信号传输性能的参量，下行传输和上行传输的Q因子分别为20.83和11.95，高于一般标准的6；而最低误码率分别为1.14e-96和3.02e-33，高于IEEE标准的10e-10，从而验证了系统端到端信号传输的可行性。
实施例3
如实施例2所述的对分布式天线进行控制的方法，进一步的，所述步骤6)的具体步骤是，通过Chan算法将所述定位特征参数和所有天线的位置坐标建立非线性方程组，并采用二重最小二乘算法求出方程组的非迭代闭式解，即终端的初始位置坐标，再通过Taylor算法将初始位置坐标进行迭代求解，得到终端的最终位置坐标。

Claims (4)

1.一种基于ROF的分布式天线系统对分布式天线进行控制的方法，所述系统，包括依次连接的MAC帧处理单元、地址提取与解析单元、光开关阵列、基于星型拓扑结构的ROF传输链路和分布式天线阵列；所述分布式天线阵列中设置有多个地址码标识天线；所述地址码标识天线是由地址码标识的天线；所述分布式天线阵列中设置有四个地址码标识天线，四个地址码标识天线作为端点，共同围成正方形；所述地址码包括在低位的地址段和在高位的无效段；无效段始终设置为0，地址段的设置与系统功能的对应关系为：无效段是0000，当地址段是0001、0010、0100或1000时，系统功能为无线定位，当地址段是其他情况时，系统功能为组播；其特征在于，包括步骤如下：
1)所述MAC帧处理单元构建系统数据链路层的MAC帧；MAC帧中设置有地址码；
2)地址提取与解析单元提取MAC帧中的地址码并将地址码解析为物理层光开关阵列的控制信号；
3)光开关阵列根据控制信号构建中心局与地址码标识天线之间端到端的ROF通信链路，实现系统对分布式天线阵列的控制；
4)分布式天线阵列实现地址码标识天线与网络覆盖区域内终端的无线通信；
5)系统采用轮询的方式控制每个地址码标识天线依次与网络终端进行信息交互，通过TDOA技术采集定位特征参数；所述定位特征参数为网络终端到地址码标识天线的距离差；
6)将采集的定位特征参数作为Chan与Taylor协同算法的输入，得到网络终端的位置坐标。
2.根据权利要求1所述的对分布式天线进行控制的方法，其特征在于，所述步骤5)通过TDOA技术采集定位特征参数的方法为，采用时分复用TDM-TDOA方法采集定位特征参数，具体步骤如下：
中心局控制第一天线与终端的信息交互，TS1时刻启动定时器，中心局开始发送信号，经过传输时间TROF到达第一天线并对外发射无线信号，TTran1时刻后终端接收到无线信号，进行解调和分析，并利用内部定时器记录信号处理的时间TProc1；终端建立包含TProc1的基带发送信号并经过TSend 时间的射频调制和信号传输，最终回传给中心局，中心局在T1时刻接收到回传的信号，进行数据存储；至此，第一天线的工作流程结束；
以此类推，中心局依次控制其他天线以相同的方式与终端进行信息交互，结束一个总采集周期后，对采集的数据进行处理：
在第一天线的工作周期内，建立以下等式关系：
T1-TS1＝2TROF+2TTran1+TProc1+TSend (1)
同理，在天线2、3、4的工作周期内，依次建立以下等式关系：
T2-TS2＝2TROF+2TTran2+TProc2+TSend (2)
T3-TS3＝2TROF+2TTran3+TProc3+TSend (3)
T4-TS4＝2TROF+2TTran4+TProc4+TSend (4)
分别计算式(2)-式(1)、式(3)-式(1)、式(4)-式(1)得到：
Figure FDA0003229364130000021
Figure FDA0003229364130000022
Figure FDA0003229364130000023
式(5)、式(6)、式(7)等号右边都是通过系统采集得到的已知参量，而等号左边都是TDOA待求参量；假设电磁波在空间的传播速度为S，则R12、R13、R14的计算表达式分别为：
R12＝R2-R1＝S(TTran2-TTran1) (8)
R13 ＝R3-R1＝S(TTran3-TTran1) (9)
R14＝R4-R1＝S(TTran4-TTran1) (10)
其中，T1为中心局收到第一天线回传信号的时刻；TS1为第一天线定时器的启动时刻；TROF为信号从中心局到达天线的传输时间；TTran1为信号从第一天线到终端的传输时间；TProc1为终端处理第一天线信号的时间；TSend 为终端进行射频调制和将信号回传给中心局的时间；
T2为中心局收到第二天线回传信号的时刻；TS2为第二天线定时器的启动时刻；TTran2为信号从第二天线到终端的传输时间；TProc2为终端处理第二天线信号的时间；
T3为中心局收到第三天线回传信号的时刻；TS3为第三天线定时器的启动时刻；TTran3为信号从第三天线到终端的传输时间；TProc3为终端处理第三天线信号的时间；
T4为中心局收到第四天线回传信号的时刻；TS4为第四天线定时器的启动时刻；TTran4为信号从第四天线到终端的传输时间；TProc4为终端处理第四天线信号的时间。
3.根据权利要求1所述的对分布式天线进行控制的方法，其特征在于，所述步骤6)的具体步骤是，通过Chan算法将所述定位特征参数和所有天线的位置坐标建立非线性方程组，并采用二重最小二乘算法求出方程组的非迭代闭式解，即终端的初始位置坐标，再通过Taylor算法将初始位置坐标进行迭代求解，得到终端的最终位置坐标。
4.根据权利要求1所述的对分布式天线进行控制的方法，其特征在于，所述步骤1)中的数据链路层的MAC帧基于IEEE802.3协议构建，并在其长度/类型字段后开辟1字节作为地址码。
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