CN110166097A - 一种面向5g c-ran的集中控制波束赋形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向5G C‑RAN的集中控制波束赋形方法，该方法将波束赋形中的权重控制模块从天线单元中解耦出来。同时，通过C‑RAN中不同RRU处的波束赋形权重的控制单元解耦后，集中部署在C‑RAN的BBU Pool处，以提供统一的波束管理与优化平台，实现基于光真时延的PAA波束赋形，面向C‑RAN架构的平滑演进。

Description

一种面向5G C-RAN的集中控制波束赋形方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种面向5G C-RAN的集中控制波束赋形方法。
背景技术
在无线通信领域中，云无线接入网络(C-RAN)是构成下一代系统的有前途的架构，其基带处理被集中在由基带单元(BBU)所组成的虚拟池--BBU Pool中。与传统的无线接入网络架构相比，其功率和能源的消耗得到有效降低，具有降低网络运营成本的潜力。
另一方面，空分复用技术能够大大提高了无线通信的容量。对于空分复用技术的实现，相控天线阵列(PAA)具有转向能力和紧凑的结构，已被广泛地研究与应用。与基于电移相器的波束赋形方法相比，基于光学真时延(OTTD，optical true time delay)的方法具有大带宽，高紧凑性，无斜角波束转向，低损耗等优势。此外，基于光学真实时间延迟的相控天线阵列系统易于与光载无线(RoF)系统融合，而不会显著增加总体成本。
在无线通信部署中，通过相控天线阵列波束赋形技术基站可以实现具有高空间分辨率和高增益的尖锐波束，可以提供灵活的空间复用能力，提高接收功率并抑制多用户干扰。然而，随着通信流量需求急剧增加，未来的无线通信架构由超密集微小区组成，基站中的微波波束成形模式不可避免地导致高成本支出和无线通信网络中的运营支出
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种面向5G C-RAN的集中控制波束赋形方法，通过改变控制矢量来改变相邻天线单元之间的相位差，进而改变天线波束的最大增益方向，实现波束控制。
为实现上述发明目的，本发明一种面向5G C-RAN的集中控制波束赋形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、信号预处理
(1.1)、对输入的初始信号以特定频率的采样脉冲进行采样，得到数字信号；
(1.2)、将数字信号进行上变频处理，得到用于传输的射频信号；
(2)、产生单模光纤传输中需要的光载波
利用多波长激光源产生一组具有均匀波长间隔的光载波，记为λc1,λc2,…,λcm，m为光载波总个数；
(3)、波束赋形中的时延值映射
(3.1)、设远端RRU中的相控阵天线数目为n；利用光分离器将步骤(2)产生的光载波分成n份；
(3.2)、根据需要的波束赋形方向，构建一个用于光载波波长选择的波长控制矩阵WCM，其大小为k×n，k为WCM的行数，WCM的每一行对应一个波束方向的n个光载波波长组成的控制矢量；
(3.3)、根据远端RRU需要的波束方向信息，选择WCM中控制矢量，然后调节n个可调谐光滤波器，将其中心频率分别与选定的控制矢量所对应的波长一一对齐；
(3.4)、利用调节好的可调谐光滤波器，从步骤(2)产生的m个光载波中挑选出需要的n个；
(4)、利用电光调制器将步骤(1)中待传输的射频信号分别调制到挑选出的n个光载波上，得到n路光载射频信号；
(5)、利用单模光纤传输光载射频信号
(5.1)、利用波分复用器将n路光载射频信号耦合到单模光纤上传输；
(5.2)、将单模光纤上传输时需要的时延引入至光载射频信号中，其时延间隔为：
Δτi,j＝(j-i)ΔλDL
其中，i,j表示相邻两相邻光载波，Δλ是相邻光载波之间的波长间隔，D是单模光纤的色散系数，L是单模光纤的长度；
(6)、在远端RRU中，引入无源De-Mux对传输的n路光载射频信进行分离
(6.1)、利用无源De-Mux在远端RRU出分离出n路光载射频信号；
(6.2)、设置信道连接矩阵ICM，用于表征无源De-Mux的各信道与各光电探测器的连接关系；
(6.3)、在信道连接矩阵ICM的控制下，将De-Mux的各信道与n个光耦合器相连接；之后，通过n个光电探测器对分离的n路光载射频信号进行光电解调制，还原出n路射频信号；
(7)、通过阵列天线发射射频信号组，实现波束方向控制
(7.1)、利用带通滤波器对n路射频信号进行滤波；
(7.2)、将滤波后的n路射频信号通过功率放大器放大后，然后通过改变控制矢量来改变相邻天线单元之间的相位差，进而改变天线波束的最大增益方向，实现波束控制，最后利用阵列天线进行发射。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明是一种面向5G C-RAN的集中控制波束赋形方法，该方法将波束赋形中的权重控制模块从天线单元中解耦出来。同时，通过C-RAN中不同RRU(RRU,Radio Remote Unit)处的波束赋形权重的控制单元解耦后，集中部署在C-RAN的BBU Pool处，以提供统一的波束管理与优化平台，实现基于光真时延(OTTD,Optical True Time Delay)的PAA波束赋形，面向C-RAN架构的平滑演进。
同时，本发明一种面向5G C-RAN的集中控制波束赋形方法还具有以下有益效果：
(1)在RRU的PAA处，利用低成本的无源波分解复用器(De-Mux,Demultiplexer)代替一组昂贵的有源可调谐光滤波器，简化了系统中波束赋形的复杂度以及成本；
(2)波束赋形权重控制的物理实现是基于OTTD值的控制实现，系统不仅具有微波光子的固有优势，如大带宽、低损耗、无电磁干扰。同时，所提的集中控制波束赋形方案还具有无“波束偏斜”的优点；
(3)此外，在所提方案中，将C-RAN系统中集中控制波束赋形的设计难度以及无源化射频远端带来的限制集中到BBU Pool中处理，可以充分利用该单元的计算与处理能力。
附图说明
图1是本发明一种面向5G C-RAN的集中控制波束赋形方法原理图；
图2是波长控制矩阵的一个实例图；
图3是波长控制矩阵调整可调谐光滤波器进行波长选择的原理图；
图4是信道选择矩阵的一个实例图；
图5是信道选择矩阵的工作原理图；
图6是光与无线融合接入中兼容5G C-RAN架构的集中控制波束赋形方案的系统架构图；
图7是引入的光学真时延与光载波波长间隔的关系图；
图8是基于OTTDP的3.1GHz频率射频载波的阵列波束形成因子和集中控制波束方向控制图；
图9是波束控制矩阵WCM压缩前后所需要的光载波数量的对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
为了方便描述，先对具体实施方式中出现的相关专业术语进行说明：
RRU(Radio Remote Unit)：射频拉远单元；
De-Mux(Demultiplexer)：解复用器；
图1是本发明一种面向5G C-RAN的集中控制波束赋形方法流程图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种面向5G C-RAN的集中控制波束赋形方法，包括以下步骤：
S1、信号预处理
S1.1、对输入的初始信号以特定频率的采样脉冲进行采样，得到数字信号；
S1.2、将数字信号进行上变频处理，得到用于传输的射频信号；
在本实施例中，以模拟信号为例，经过上述处理后，得到频率为3.1GHz的射频信号。
S2、产生单模光纤传输中需要的光载波
利用多波长激光源产生一组具有均匀波长间隔的光载波，记为λc1,λc2,…,λcm，且所产生的光载波中相邻光载波之间的波长间隔Δλ与远端RRU中使用的De-Mux的信道间隔一致，其中，m为光载波总个数；
在本实施例中，相邻光载波之间的波长间隔为Δλ＝0.4nm,光载波λc1,λc2,…,λcm从193.1THz到193.35THz。
S3、波束赋形中的时延值映射
本发明是将波束赋形中所需的时延值映射为光真时延池，具体过程为：
S3.1、设远端RRU中的相控阵天线数目为n；利用光分离器将步骤S2产生的光载波分成n份；
S3.2、根据需要的波束赋形方向，构建一个用于光载波波长选择的波长控制矩阵WCM，波长控制矩阵WCM是一个存储特定波长组合的k×n矩阵，k为WCM的行数。其每一行是对应一个波束方向的n个光载波波长组成的控制矢量，且同一行各相邻元素波长间隔一致，而各行控制矢量具有特有的光载波波长间隔并且相互不一致。
在本实施例中，如图2所示，WCM是一个7×5矩阵(7波束方向，5天线)，根据实际需求可以进行7个方向的波束控制。
S3.3、根据远端RRU需要的波束方向信息，选择WCM中控制矢量，然后调节n个可调谐光滤波器，将其中心频率分别与选定的控制矢量所对应的波长一一对齐；
S3.4、如图3所示，利用调节好的可调谐光滤波器，从步骤S2产生的m个光载波中挑选出需要的n个；
S4、利用电光调制器将步骤S1中待传输的射频信号分别调制到挑选出的n个光载波上，得到n路光载射频信号；
S5、利用单模光纤传输光载射频信号
利用长度合理设置的单模光纤传输光载射频信号，并引入所需的时延值，需要时延值可以使用其他光器件，如光纤光栅来引入，其引入方法不限于此。下面我们对具体过程进行描述：
S5.1、利用波分复用器将n路光载射频信号耦合到单模光纤上传输；
S5.2、将单模光纤上传输时需要的时延引入至光载射频信号中，其时延间隔为：
Δτi,j＝(j-i)ΔλDL
其中，i,j表示相邻两相邻光载波，Δλ是相邻光载波之间的波长间隔，D是单模光纤的色散系数，L是单模光纤的长度；
在本实施例中，单模光纤的长度为L＝5km，相邻波长间隔为Δλ＝0.4nm，引入时延的单位时延间隔为ΔT＝31ps。
S6、在远端RRU中，引入无源De-Mux对传输的n路光载射频信进行分离
S6.1、利用无源De-Mux在远端RRU出分离出n路光载射频信号；
S6.2、设置信道连接矩阵ICM，用于表征无源De-Mux的各信道与各光电探测器的连接关系；
在本实施例中，信道连接矩阵ICM，其大小为m×n，如图4所示，ICM是一个35×5矩阵(35信道，5天线)；其中，信道连接矩阵的每一行对应一个解波分复用器信道，每一列对应一个天线，并以元素“1”表示两者间链路相连，以元素“0”表示两者间链路断开，且信道连接矩阵的每一行仅有一个相连状态。
S6.3、在信道连接矩阵ICM的控制下，将De-Mux的各信道与n个光耦合器相连接；如图5所示，之后，通过n个光电探测器对分离的n路光载射频信号进行光电解调制，还原出n路射频信号；
S7、通过阵列天线发射射频信号组，实现波束方向控制
S7.1、利用带通滤波器对n路射频信号进行滤波；
S7.2、将滤波后的n路射频信号通过功率放大器放大后，然后通过改变控制矢量来改变相邻天线单元之间的相位差，进而改变天线波束的最大增益方向，实现波束控制，最后利用阵列天线进行发射。
下面对阵列天线将K路引入不同光学真时延的射频信号进而形成指向特定方向的波束赋形的过程进行说明：
设阵列天线的间距为d，第j(j＝1,2,...,K)个天线单元在远区产生的电场强度为：
其中，Ij为第j个天线单元的激励电流，fj为天线单元方向图，Kj为比例常数，则总场强E可化为：
其中，Δφβ是天线单元间相位差其大小由光纤链路和线性啁啾光纤光栅的总延时τi,j决定，θ是天线波束的最大增益指向，λelc为天线处射频信号的波长；假定表示相邻天线单元接收来自方向信号的相位差，则有：
其中，X＝Δφ-Δφβ，取绝对值可得线阵列的幅度方向函数为：
通过引入不同的OOTD，改变相邻天线单元之间的相位差Δφβ，进而改变天线波束的最大增益方向，实现波束赋形；
图6是光与无线融合接入中兼容5G C-RAN架构的集中控制波束赋形方案的系统架构图。
该系统可以分为两个主要的模块：中心站出的控制模块以及远端的天线连接模块。其实现过程如图6所示，利用一个多波长激光器产生m根波长间隔为Δλ的光梳线λ1，…，λm，用其构成需要的OTTD-P池。
经过单模光纤传输后的各信号引入的光学真时延与波长间隔的关系如图7所示，呈线性均匀分布。光学真时延的值是通过仿真系统获得的，其中我们用193.1THz中心频率固定一个激光波长，并用50GHz为步长从193.1THz到193.35THz不断调整另一个激光器波长，最后将3.1GHz的射频信号分别调制到上面进行传输；
各波束方向与标定方向的偏转角度则由图8给出，在此实施例中一共有7个方向，而在图中我们以前三个方向作为例子进行展示；
此外，在系统中，我们通过合理地设计WCM，使同一波长的光载波能在不同方向中得到重复使用(同列不同行)，能够有效地节省所需要的光载波数量，起到节约波长资源的效果，如图9所示。图9给出了波束控制矩阵压缩前后所需要的光载波数量的对比图，可以看出进过合理的设计WCM所需波长的数目是远远小于无波长压缩方案的。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种面向5G C-RAN的集中控制波束赋形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、信号预处理
(1.1)、对输入的初始信号以特定频率的采样脉冲进行采样，得到数字信号；
(1.2)、将数字信号进行上变频处理，得到用于传输的射频信号；
(2)、产生单模光纤传输中需要的光载波
利用多波长激光源产生一组具有均匀波长间隔的光载波，记为λc1,λc2,…,λcm，m为光载波总个数；
(3)、波束赋形中的时延值映射
(3.1)、设远端RRU中的相控阵天线数目为n；利用光分离器将步骤(2)产生的光载波分成n份；
(3.2)、根据需要的波束赋形方向，构建一个用于光载波波长选择的波长控制矩阵WCM，其大小为k×n，k为WCM的行数，WCM的每一行对应一个波束方向的n个光载波波长组成的控制矢量；
(3.3)、根据远端RRU需要的波束方向信息，选择WCM中控制矢量，然后调节n个可调谐光滤波器，将其中心频率分别与选定的控制矢量所对应的波长一一对对齐；
(3.4)、利用调节好的可调谐光滤波器，从步骤(2)产生的m个光载波中挑选出需要的n个；
(4)、利用电光调制器将步骤(1)中待传输的射频信号分别调制到挑选出的n个光载波上，得到n路光载射频信号；
(5)、利用单模光纤传输光载射频信号
(5.1)、利用波分复用器将n路光载射频信号耦合到单模光纤上传输；
(5.2)、将单模光纤上传输时需要的时延引入至光载射频信号中，其时延间隔为：
Δτi,j＝(j-i)ΔλDL
其中，i,j表示相邻两相邻光载波，Δλ是相邻光载波之间的波长间隔，D是单模光纤的色散系数；
(6)、在远端RRU中，引入无源De-Mux对传输的n路光载射频信进行分离
(6.1)、利用无源De-Mux在远端RRU出分离出n路光载射频信号；
(6.2)、设置信道连接矩阵ICM，用于表征无源De-Mux的各信道与各光电探测器的连接关系；
(6.3)、在信道连接矩阵ICM的控制下，将De-Mux的各信道与n个光耦合器相连接；之后，通过n个光电探测器对分离的n路光载射频信号进行光电解调制，还原出n路射频信号；
(7)、通过阵列天线发射射频信号组，实现波束方向控制
(7.1)、利用带通滤波器对n路射频信号进行滤波；
(7.2)、将滤波后的n路射频信号通过功率放大器放大后，然后通过改变控制矢量来改变相邻天线单元之间的相位差，进而改变天线波束的最大增益方向，实现波束控制，最后利用阵列天线进行发射。
2.根据权利要求1所述的一种面向5G C-RAN的集中控制波束赋形方法，其特征在于，所述光载波λc1,λc2,…,λcm中，相邻光载波之间的波长间隔Δλ与远端RRU中使用的无源De-Mux的信道间隔一致。
3.根据权利要求1所述的一种面向5G C-RAN的集中控制波束赋形方法，其特征在于，所述信道连接矩阵ICM，其大小为m×n；其中，信道连接矩阵的每一行对应一个解波分复用器信道，每一列对应一个天线，并以元素“1”表示两者间链路相连，以元素“0”表示两者间链路断开，且信道连接矩阵的每一行仅有一个相连状态。
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HUAN HUANG: "Optical True Time Delay Pools Based Centralized Beamforming Control for Wireless Base Stations Phased-Array Antennas", 《JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY》 *

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