CN110121218B - 一种5g智能前端系统及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了无线通信领域的一种5G智能前端系统，包括一核心网、一RRU、一数/模转换器、一功率放大器组、一双工器、一有源天线阵列；所述RRU的一端与核心网连接，另一端与所述数/模转换器以及有源天线阵列连接；所述功率放大器组的一端与数/模转换器连接，另一端与所述双工器连接；所述双工器与有源天线阵列连接；本发明还提供了一种5G智能前端系统的使用方法。本发明的优点在于：提升了5G的数据传输效率，降低了5G的建网成本。

Description

一种5G智能前端系统及其使用方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别指一种5G智能前端系统及其使用方法。
背景技术
5G即第五代移动通信技术，是4G之后的延伸。5G网络作为下一代移动通信网络，其最高理论传输速度比4G网络快数百倍，在1秒之内可以下载整部超高画质电影。5G和4G一样，是一个长期演进的多种技术的组合，现有的研究成果已经让人们体验到超高速率、零时延、超大连接、信息融合等5G的部分特性，但这并不是5G的全部，随着各种研究的不断深入，5G关键支撑技术从2017年开始逐步得以明确，并进入实质性的标准化研究与制定阶段，最终在2020年前后实际商用部署，5G将为人们的日常生产、生活提供更加便利的通信条件。
传统的2G、3G、4G网络采用的是“核心网+BBU+RRU”通信模式，BBU(BuildingBaseband Unite室内基带处理单元)集中放置在机房，RRU(Radio Remote Unite远端射频模块)安装在楼层，核心网与BBU之间通过光纤传输数据，BBU与RRU之间通过光纤传输数据，RRU通过同轴电缆以及功分器(耦合器)等连接至天线传输数据；对于下行方向：光纤从BBU直接连到RRU，BBU和RRU之间传输的是基带数字信号，这样基站可以控制某个用户的信号从指定的RRU通道发射出去，可以大大降低对本小区其他通道上用户的干扰；对于上行方向：用户手机信号被距离最近的通道收到，然后从这个通道经过光纤传到基站，这样也可以大大降低不同通道上用户之间的干扰。且该通信模式对于容量配置非常灵活，可按容量需求，在不改变RRU和分布系统的前提下，通过配置BBU来支持每通道从1/6载波到3载波的扩容。
但是这种通信模式在5G网络下将导致如下问题：由于5G多采用有源天线阵列，相比之前的单天线，天线的数据收发量大增，进而使得BBU和RRU之间传送的数据量将是4G网络时的几十倍甚至几百倍，这将带给现有的光纤传输网络难以承受的压力和挑战，导致数据延时过长，且BBU必须放置在机房，使得网络覆盖成本过高。
发明内容
本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种5G智能前端系统，实现提升5G的数据传输效率，降低5G建网成本。
本发明是这样实现技术问题之一的：一种5G智能前端系统，包括一核心网,还包括一RRU、一数/模转换器、一功率放大器组、一双工器以及一有源天线阵列；所述RRU的一端与核心网连接，另一端分别与所述数/模转换器以及有源天线阵列连接；所述功率放大器组的一端与数/模转换器连接，另一端与所述双工器连接；所述双工器与有源天线阵列连接；
所述RRU包括一光调制器、一光滤波器、一光电转换器、一处理器、一上/下变频器、一包络跟踪器、一波束成形器、一闭环校正器以及一最大比合并器；所述光调制器的一端与核心网连接，另一端与所述光滤波器连接；所述光电转换器的一端与光滤波器连接，另一端与所述处理器连接；所述上/下变频器的一端与处理器连接，另一端与所述数/模转换器连接；所述包络跟踪器、波束成形器、闭环校正器、最大比合并器以及有源天线阵列均分别与处理器连接。
进一步地，所述功率放大器组包括一第一功率放大器以及一第二功率放大器；所述第一功率放大器的输入端与双工器的输出端连接，输出端与所述数/模转换器的输入端连接；所述第二功率放大器的输入端与数/模转换器的输出端连接，输出端与所述双工器连接。
进一步地，所述第一功率放大器为低噪声放大器。
本发明要解决的技术问题之二，在于提供一种5G智能前端系统的使用方法，实现提升5G的数据传输效率，降低5G建网成本。
本发明是这样实现技术问题之二的：一种5G智能前端系统的使用方法，所述方法需使用如权利要求1至3任一所述的一种5G智能前端系统，所述方法包括如下不分先后顺序的步骤：
步骤S10、有源天线阵列接收到上行数据时，上行数据经过双工器至第一功率放大器对上行数据进行放大，放大后的上行数据经过数/模转换器由模拟信号转换为数字信号，并通过RRU对上行数据进行处理后传输至核心网；
步骤S20、核心网向RRU发送下行数据时，RRU对下行数据进行处理后，下行数据经过数/模转换器由数字信号转换为模拟信号，并经过第二功率放大器进行功率放大后，由双工器传输给有源天线阵列。
进一步地，所述步骤S10具体包括：
步骤S11、有源天线阵列接收到上行数据时，上行数据经过双工器至第一功率放大器对上行数据进行放大后发送至数/模转换器；
步骤S12、数/模转换器将放大后的上行数据由模拟信号转换为数字信号后发送至上/下变频器；
步骤S13、上/下变频器对转换为数字信号的上行数据的工作频率进行调整后发送至处理器；
步骤S14、处理器通过最大比合并器对调整工作频率后的上行数据进行时延调整，对调整后的各路上行数据进行叠加以得到幅度增强后的波形，并将叠加后的上行数据依次经过光电转换器、光滤波器以及光调制器发送至核心网。
进一步地，所述步骤S20具体包括：
步骤S21、核心网向RRU发送下行数据，下行数据依次经过光调制器、光滤波器以及光电转换器传输至处理器；
步骤S22、处理器通过波束成形器调整有源天线阵列的相位和增益；
步骤S23、处理器将下行数据发送至上/下变频器，对下行数据的工作频率进行调整后发送至数/模转换器；数/模转换器将下行数据由数字信号转换为模拟信号，并经过第二功率放大器进行功率放大后，由双工器传输给有源天线阵列；
步骤S24、有源天线阵列将接收到的下行数据反馈给RRU，RRU通过闭环校正器对相关参数进行检测与补偿；
步骤S25、经过闭环校正器处理后的下行数据依次经过数/模转换器、第二功率放大器以及双工器传输给有源天线阵列；
步骤S26、有源天线阵列将下行数据的发送参数反馈给RRU，RRU通过包络跟踪器动态调整第二功率放大器的电压以提高效率。
本发明的优点在于：
1、通过将所述5G智能前端系统直接连接到核心网，即由“核心网+RRU”通信模式代替原来的“核心网+BBU+RRU”通信模式，缩短了数据传输路径，减轻了光纤传输网络的压力，进而提升了5G的数据传输效率；由于省去了BBU，也不必专门租用机房放置BBU，极大的降低了5G的建网成本。
2、通过RRU集成包络跟踪器提取发射信号的包络形状，动态调整功放的供电电压及功放晶体管的Bias电压，从而使功放达到最高效率，相对于现有的4G射频系统极大的降低了功耗。
3、通过RRU集成波束成形器对有源天线阵列进行动态的相位和增益控制，利用电磁波同频干涉的原理，形成所需的波形，覆盖指定区域，极大的提升了信噪比以及降低了网络干扰。
4、通过RRU集成闭环校正器，利用反馈链路对整套收发链路的各类参数进行检测和补偿，如多路功放合路前进行功率、时延、相位、带内波动等参数的补偿，实现自动修正各路参数以保证收发通道中信号的一致性。
5、通过RRU集成最大比合并器调整各路信号的时延，然后进行叠加各路信号以得到幅度增强之后的波形，从而有效提高上行信号的SNR，改善EVM，降低误码率，有效的提升网络覆盖范围及降低移动台的能耗。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1是本发明一种5G智能前端系统的电路原理框图。
图2是本发明波束成形器的自适应算法示意图。
图3是本发明波束成形器的波束成形图。
图4是本发明最大比合并器的原理图。
图5是本发明包络跟踪器的原理图。
图6是本发明闭环校正器的原理图。
具体实施方式
请参照图1至图6所示，本发明一种5G智能前端系统的较佳实施例，包括一集成MAC功能的核心网,还包括一RRU、一数/模转换器、一功率放大器组、一双工器以及一有源天线阵列；所述RRU的一端与核心网连接，另一端分别与所述数/模转换器以及有源天线阵列连接；所述功率放大器组的一端与数/模转换器连接，另一端与所述双工器连接；所述双工器与有源天线阵列连接；所述数/模转换器用于将数字信号转换为模拟信号以及将模拟信号转换为数字信号；所述功率放大器组用于对接收到的信号进行放大；所述双工器用于将发射和接收信号相隔离，保证接收和发射都能同时正常工作；所述有源天线阵列包括复数根有源天线；通过将所述5G智能前端系统直接连接到核心网，即由“核心网+RRU”通信模式代替原来的“核心网+BBU+RRU”通信模式，缩短了数据传输路径，减轻了光纤传输网络的压力，进而提升了5G的数据传输效率；由于省去了BBU，也不必专门租用机房放置BBU，极大的降低了5G的建网成本；
将BBU中的调制解调功能移至所述RRU中有效提升了传输效率，减小传输压力：
Figure BDA0002035510670000051
从移动台上行传输至基站的数据I/Q分量为32bit/节，假设需要传输的有效位数为3kbit，则64QAM调制方式下，传统RRU通过光纤传输至BBU的数据量为16kbit，而本发明的RRU传输的数据量则为3kbit，相比于传统RRU的传输效率提升了18.75％。对于16QAM和QPSK的调制方式，相较于传统RRU的传输效率分别提升了12.5％和6.25％。
有源天线阵列可以显著降低系统功耗，提升系统效率：
Number of users＝1 Number of users＝120 Number of users＝1
Nt＝1 Nt＝120 Nt＝120
由
Figure BDA0002035510670000061
推导出
Figure BDA0002035510670000062
和
Figure BDA0002035510670000063
Figure BDA0002035510670000064
从公式中可以看出，在只有一根天线时，服务一个用户的情况下，天线的总功耗为1；将天线扩展至120根时，服务120个用户的情况下，天线的总功耗为1，而服务单个用户的总功耗则只需要0.008。
所述RRU包括一光调制器、一光滤波器、一光电转换器、一处理器、一上/下变频器、一包络跟踪器、一波束成形器、一闭环校正器以及一最大比合并器；所述光调制器的一端与核心网连接，另一端与所述光滤波器连接；所述光电转换器的一端与光滤波器连接，另一端与所述处理器连接；所述上/下变频器的一端与处理器连接，另一端与所述数/模转换器连接；所述包络跟踪器、波束成形器、闭环校正器、最大比合并器以及有源天线阵列均分别与处理器连接。所述光调制器用于控制光的强度；所述光滤波器用于通过波长对光进行过滤；所述光电转换器是一种类似于基带MODEM(数字调制解调器)的设备，和基带MODEM不同的是接入的是光纤专线，是光信号，分为全双工流控，半双工背压控制；所述上/下变频器用于将中频已调信号与卫星通信上行频率进行相互转换；
所述包络跟踪器用于提取发射信号的包络形状，动态调整功放的供电电压及功放晶体管的Bias电压，从而使功放达到最高效率，相对于现有的4G射频系统极大的降低了功耗。利用包络跟踪技术，功放效率可从原来～18％(A/B类)提升到50％左右，让无线通信系统更加绿色、环保，从而降低运营成本。
所述波束成形器用于对有源天线阵列进行动态的相位和增益控制；利用电磁波同频干涉的原理，形成所需的波形，覆盖指定区域，极大的提升了信噪比以及降低了网络干扰。
所述闭环校正器，用于对整套收发链路的各类参数进行检测和补偿，如多路功放合路前进行功率、时延、相位、带内波动等参数的补偿，实现自动修正各路参数以保证收发通道中信号的一致性。闭环校正器适用于各类系统，但对于多天线系统的应用尤其关键。
所述最大比合并器用于调整各路信号的时延，然后进行叠加各路信号以得到幅度增强之后的波形，从而有效提高上行信号的SNR，改善EVM，降低误码率，有效的提升网络覆盖范围及降低移动台的能耗。由于移动台(手机)的小型化，无法将大规模天线阵列置于其内，出于节省功耗的考虑，移动台多为单天线结构，因此移动台给基站发射的上行信号相对较弱。若移动台与基站距离较远，则移动台发送的上行信息有可能由于信号微弱而无法被基站成功解码或解码的误码率太高。而最大比合并(Maximal Ratio Combining,MRC)是分集合并技术中的最优选择，相对于选择合并和等增益合并可以获得最好的性能，性能提升是由Array Gain带来的更高SNR，进而带来更好的误码率特性。
所述功率放大器组包括一第一功率放大器以及一第二功率放大器；所述第一功率放大器的输入端与双工器的输出端连接，输出端与所述数/模转换器的输入端连接；所述第二功率放大器的输入端与数/模转换器的输出端连接，输出端与所述双工器连接。
所述第一功率放大器为低噪声放大器，所述低噪声放大器是噪声系数很低的放大器，一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。
一种5G智能前端系统的使用方法的较佳实施例，包括如下不分先后顺序的步骤：
步骤S10、有源天线阵列接收到上行数据时，上行数据经过双工器至第一功率放大器对上行数据进行放大，放大后的上行数据经过数/模转换器由模拟信号转换为数字信号，并通过RRU对上行数据进行处理后传输至核心网；
步骤S20、核心网向RRU发送下行数据时，RRU对下行数据进行处理后，下行数据经过数/模转换器由数字信号转换为模拟信号，并经过第二功率放大器进行功率放大后，由双工器传输给有源天线阵列。
所述步骤S10具体包括：
步骤S11、有源天线阵列接收到多路上行数据时，上行数据经过双工器至第一功率放大器对上行数据进行放大后发送至数/模转换器；
步骤S12、数/模转换器将放大后的上行数据由模拟信号转换为数字信号后发送至上/下变频器；
步骤S13、上/下变频器对转换为数字信号的上行数据的工作频率进行调整后发送至处理器；
步骤S14、处理器通过最大比合并器对调整工作频率后的上行数据进行时延调整，对调整后的各路上行数据进行叠加以得到幅度增强后的波形，并将叠加后的上行数据依次经过光电转换器、光滤波器以及光调制器发送至核心网。
所述步骤S20具体包括：
步骤S21、核心网向RRU发送下行数据，下行数据依次经过光调制器、光滤波器以及光电转换器传输至处理器；
步骤S22、处理器通过波束成形器调整有源天线阵列的相位和增益，利用电磁波同频干涉原理形成需要的波形，覆盖指定区域；
步骤S23、处理器将下行数据发送至上/下变频器，对下行数据的工作频率进行调整后发送至数/模转换器；数/模转换器将下行数据由数字信号转换为模拟信号，并经过第二功率放大器进行功率放大后，由双工器传输给有源天线阵列；
步骤S24、有源天线阵列将接收到的下行数据反馈给RRU，RRU通过闭环校正器对相关参数进行检测与补偿；
步骤S25、经过闭环校正器处理后的下行数据依次经过数/模转换器、第二功率放大器以及双工器传输给有源天线阵列；
步骤S26、有源天线阵列将下行数据的发送参数反馈给RRU，RRU通过包络跟踪器动态调整第二功率放大器的电压以提高效率。
综上所述，本发明的优点在于：
1、通过将所述5G智能前端系统直接连接到核心网，即由“核心网+RRU”通信模式代替原来的“核心网+BBU+RRU”通信模式，缩短了数据传输路径，减轻了光纤传输网络的压力，进而提升了5G的数据传输效率；由于省去了BBU，也不必专门租用机房放置BBU，极大的降低了5G的建网成本。
2、通过RRU集成包络跟踪器提取发射信号的包络形状，动态调整功放的供电电压及功放晶体管的Bias电压，从而使功放达到最高效率，相对于现有的4G射频系统极大的降低了功耗。
3、通过RRU集成波束成形器对有源天线阵列进行动态的相位和增益控制，利用电磁波同频干涉的原理，形成所需的波形，覆盖指定区域，极大的提升了信噪比以及降低了网络干扰。
4、通过RRU集成闭环校正器，利用反馈链路对整套收发链路的各类参数进行检测和补偿，如多路功放合路前进行功率、时延、相位、带内波动等参数的补偿，实现自动修正各路参数以保证收发通道中信号的一致性。
5、通过RRU集成最大比合并器调整各路信号的时延，然后进行叠加各路信号以得到幅度增强之后的波形，从而有效提高上行信号的SNR，改善EVM，降低误码率，有效的提升网络覆盖范围及降低移动台的能耗。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (2)

1.一种5G智能前端系统的使用方法，其特征在于：所述方法需使用如下一种5G智能前端系统，包括一核心网、一RRU、一数/模转换器、一功率放大器组、一双工器以及一有源天线阵列；所述RRU的一端与核心网连接，另一端分别与所述数/模转换器以及有源天线阵列连接；所述功率放大器组的一端与数/模转换器连接，另一端与所述双工器连接；所述双工器与有源天线阵列连接；
所述RRU包括一光调制器、一光滤波器、一光电转换器、一处理器、一上/下变频器、一包络跟踪器、一波束成形器、一闭环校正器以及一最大比合并器；所述光调制器的一端与核心网连接，另一端与所述光滤波器连接；所述光电转换器的一端与光滤波器连接，另一端与所述处理器连接；所述上/下变频器的一端与处理器连接，另一端与所述数/模转换器连接；所述包络跟踪器、波束成形器、闭环校正器、最大比合并器以及有源天线阵列均分别与处理器连接；
所述功率放大器组包括一第一功率放大器以及一第二功率放大器；所述第一功率放大器的输入端与双工器的输出端连接，输出端与所述数/模转换器的输入端连接；所述第二功率放大器的输入端与数/模转换器的输出端连接，输出端与所述双工器连接；
所述第一功率放大器为低噪声放大器；
所述RRU的一端与核心网连接具体为：所述RRU集成了BBU的各功能模块，安装于机房外，一端通过光纤直接与核心网连接；
所述方法包括如下不分先后顺序的步骤：
步骤S10、有源天线阵列接收到上行数据时，上行数据经过双工器至第一功率放大器对上行数据进行放大，放大后的上行数据经过数/模转换器由模拟信号转换为数字信号，并通过RRU对上行数据进行处理后传输至核心网；
步骤S20、核心网向RRU发送下行数据时，RRU对下行数据进行处理后，下行数据经过数/模转换器由数字信号转换为模拟信号，并经过第二功率放大器进行功率放大后，由双工器传输给有源天线阵列；
所述步骤S20具体包括：
步骤S21、核心网向RRU发送下行数据，下行数据依次经过光调制器、光滤波器以及光电转换器传输至处理器；
步骤S22、处理器通过波束成形器调整有源天线阵列的相位和增益；
步骤S23、处理器将下行数据发送至上/下变频器，对下行数据的工作频率进行调整后发送至数/模转换器；数/模转换器将下行数据由数字信号转换为模拟信号，并经过第二功率放大器进行功率放大后，由双工器传输给有源天线阵列；
步骤S24、有源天线阵列将接收到的下行数据反馈给RRU，RRU通过闭环校正器对相关参数进行检测与补偿；
步骤S25、经过闭环校正器处理后的下行数据依次经过数/模转换器、第二功率放大器以及双工器传输给有源天线阵列；
步骤S26、有源天线阵列将下行数据的发送参数反馈给RRU，RRU通过包络跟踪器动态调整第二功率放大器的电压以提高效率。
2.如权利要求1所述的一种5G智能前端系统的使用方法，其特征在于：所述步骤S10具体包括：
步骤S11、有源天线阵列接收到上行数据时，上行数据经过双工器至第一功率放大器对上行数据进行放大后发送至数/模转换器；
步骤S12、数/模转换器将放大后的上行数据由模拟信号转换为数字信号后发送至上/下变频器；
步骤S13、上/下变频器对转换为数字信号的上行数据的工作频率进行调整后发送至处理器；
步骤S14、处理器通过最大比合并器对调整工作频率后的上行数据进行时延调整，对调整后的各路上行数据进行叠加以得到幅度增强后的波形，并将叠加后的上行数据依次经过光电转换器、光滤波器以及光调制器发送至核心网。
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