CN111541510B - 一种5g前传网络的多小区波束成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种5G前传网络的多小区波束成形方法，将所有的控制单元部署在CU，对n个AP部署

个相同的具有一定约束的OTTDP，根据各AP的需求选用OTTDP，并利用单模光纤对信号引入相应的光真时延，从而使AP中各天线的信号产生一定的相位差，形成相应的波束。同时，关于OTTDP的物理实现通过多波长激光源产生特定波长间隔的光载波得到，选取OTTDP时采用最少原则，做到对资源的重复利用。

Description

一种5G前传网络的多小区波束成形方法

技术领域

本发明属于微波通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种5G前传网络的多小区波束成形方法。

背景技术

毫米波系统具有更快的传输速率以及更大的系统容量，但毫米波的路径损耗和穿透损耗过大，而波束成形所获得的增益可以弥补毫米波在传输过程中的损耗，因此波束成形是毫米波系统实现的关键技术。

波束成形可以分为模拟波束成形、全数字波束成形、混合波束成形三种，混合波束成形的性能优于模拟波束成形，且在实际部署中，混合波束成形比全数字波束成形更容易实现。相控天线阵被广泛用于波束成形的实现中，现在大多波束成形采用基于电学移相器的传统相控天线阵，中国专利[201910910231.9]报道了一种在毫米波多输入多输出系统中，仅使用具有恒模约束的移相器的波束成形方法；但与基于电学移相器的传统相控天线阵相比，光学真时延相控天线阵具有更大的带宽，更高的紧凑性，更低的损耗以及抗干扰能力更强。

目前，利用色散补偿光纤、光纤光栅等色散材料是获得光真时延的一个重要途径，基于光纤光栅棱镜的光学真时延相控天线阵系统利用光纤光栅棱镜，通过改变光的波长，使光经过不同长度的光纤，从而获得时间延迟(文献[1]：Liu Y,Yao J,Yang J,“Widebandtrue-time-delay unit for phased array beamforming using discrete-chirpedfiber grating prism,”Optics Communications,2002,207(1-6):177-187.)；将不同长度比的高色散光纤(色散系数约为-70ps/(nm·km))与色散位移光纤结合，再调谐激光器波长，实现光真时延(文献[2]：Frankel M Y，Esman R D,“True Time-Delay Fiber-OpticControl of an Ultrawideband Array Transmitter/Receiver with MultibeamCapability,”IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1995,43(9):2387-2394.)。此外，还可利用可调光滤波器和微波光子滤波器实现多波束的光学真时延，即将频率不同的微波信号通过电光调制器调制在光载波上，然后使载波经过一定长度的单模光纤，由于光的色散，不同频率的光载波会产生时间延迟，再利用微波光子滤波器从滤出的光载波中滤出相应的微波信号(文献[3]：Ye X,Zhang F,Pan S,“Optical true timedelay unit for multi-beamforming,”Optics Express,2015,23(8):10002-8.)。

在5G系统中，由于对前传带宽的需求是巨大，eCPRI协议在5G中被广泛应用。对于5G前传部署场景，可以分为：分布式无线接入网(D-RAN)场景以及集中式无线接入网(C-RAN)场景；为满足5G系统中空口速率急速增长的要求，在基于eCPRI协议的集中/分布单元集中部署的云无线接入网络中，有源天线单元密集部署，同时，有源天线单元的密集部署满足了5G网络中对海量用户接入的需求。在5G前传网络中，由于eCPRI协议建议将波束成形的计算及权重控制单元都部署在集中/分布单元，在大量部署时会使成本增加，也会浪费有限的前传资源。针对以上问题，本发明提出一种多小区波束成形及实施方法，将所有的控制部署在中心单元(Central Unit,CU)的同时，实现资源复用，降低部署成本和远端接入点(Access Point,AP)复杂度。

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5G前传网络的多小区波束成形方法，对于多小区，通过中心单元实现所有AP的连接，实现了资源复用，降低部署成本和AP复杂度。

为实现上述发明目的，本发明一种5G前传网络的多小区波束成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、设置多小区的光真时延池OTTDP

(1.1)、在多小区部署中，光真时延池OTTDP由波长控制矩阵WCM和互连矩阵ICM组成；n个远端接入点AP部署

个OTTDP，则有

个WCM和n个ICM组成；

各个OTTDP的WCM在中心单元CU处对波束进行控制，即在CU处完成各个AP的连接；

部署

个相同的OTTDP，令OTTDP_j表示第j个OTTDP，

其中，WCM_j∈C^N×K用来控制波束方向，K为波束模式数，WCM_j的第k列对应第k个波束模式，即每一列对应一个波束模式，N为单个AP配备的天线数，第r行表示天线r，WCM_j的元素λ_t,r表示用波长为λ_t的光载波将射频信号通过光纤传送到天线r；

(1.2)、部署

个相同的多波长激光源，每个多波长激光源产生m个波长间距为Δλ的光载波，用向量表示可以写为p_w＝{λ₁,λ₂,…,λ_t,…,λ_m}，且任意两个激光源产生的光载波完全相同，其中，λ_t表示激光源产生的光载波的波长，m＞N；

(1.3)、将ICM_i部署在每个AP中，1≤i≤n，用来描述AP中的无源解波分复用器DeMux的不同输出通道和各天线的固定连接关系；

WCM_j在满足约束条件时，若WCM_j中存在元素λ_t,r，则ICM_i中的第t行第r列的元素为1，表示DeMux的输出通道t与天线r连接；若WCM_j中不存在元素λ_t,r，则ICM_i中的第t行第r列的元素为0，表示DeMux的输出通道t与天线r之间没有连接；

(1.4)、使用最少OTTDP的原则，以满足所有AP的要求；

n个AP部署

个OTTDP，每个OTTDP有K个模式，若有K个AP分别选择K个不同的工作模式，则在任意WCM_j中选出1到K列，分别滤出每列对应的光载波传输给相应的AP，此时K个AP只用到1个OTTDP；同理，若AP_i、AP_j均选用模式k，1≤i,j≤n,i≠j，则分别在WCM_i，WCM_j中选出第k列，滤出该列对应的光载波传输给相应的AP；

(2)、分离光载波

选择

个相同的1:N的无源光分离器，每个多波长激光源连接一个无源光分离器，每个无源光分离器将多波长光源产生的光载波分为N份，每份有m个光载波；

(3)、利用滤波器对分离的光载波进行滤波处理

将

个WCM同时作用在控制器上，通过控制器控制滤波器，采用使用最少OTTDP的原则选出每个AP所需要的N个光载波；

(4)、调制射频信号

射频发生器产生待发送的射频信号，然后通过电光调制器将待发送的射频信号分别调制到选出的N个光载波上；

(5)、单模光纤传输

将调制后的光信号通过多路光复用器耦合到单模光纤中，通过单模光纤将信号传输到AP；

(6)、信号分离

利用无源解波分复用器DeMux将单模光纤中传输的光信号进行分离，得到N个经单模光纤传输后的光信号，光载波为λ_t的光信号通过DeMux的第t个输出通道输出，其中，1≤t≤m；

(7)、将光信号转换为电信号并确定由单模光纤引入的时延

(7.1)、DeMux通过光复用器将输出的光信号传输到光电探测器，光电探测器再将光信号转换为电信号；

(7.2)、确定光电探测器输出电信号的时延；

计算天线i和天线j之间的时延差Δτ_i,j：

Δτ_i,j＝(j-i)ΔλDL

其中，Δλ表示两相邻光载波之间的波长间距，1≤i≤j≤N，D和L分别表示单模光纤的色散系数和长度；

(8)、波束形成

(8.1)、计算天线i和天线j之间的相位差Δψ_i,j＝2πfΔτ_i,j，其中，f为射频信号的频率；

(8.2)、根据各天线间的相位差，对天线阵列的波束方向进行控制，然后进行放大和滤波处理，形成波束通过天线发射。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种5G前传网络的多小区波束成形方法，将所有的控制单元部署在CU，对n个AP部署

个相同的具有一定约束的OTTDP，根据各AP的需求选用OTTDP，并利用单模光纤对信号引入相应的光真时延，从而使AP中各天线的信号产生一定的相位差，形成相应的波束。同时，关于OTTDP的物理实现通过多波长激光源产生特定波长间隔的光载波得到，选取OTTDP时采用最少原则，做到对资源的重复利用。

同时，本发明一种5G前传网络的多小区波束成形方法还具有以下有益效果：

(1)、对n个AP部署

个相同的具有一定约束的OTTDP，与对单小区波束成形的重复部署相比，大大节省了硬件成本，同时，实现了资源的重复利用；

(2)、通过单模光纤引入光真时延，与使用电学移相器的波束成形系统相比，具有更大的带宽，更高的紧凑性，更低的损耗以及抗干扰能力更强，并且可以消除由电学移相器带来的波束偏移现象。

附图说明

图1是本发明一种5G前传网络的多小区波束成形方法原理图；

图2是一种单小区波束成形及实施方法图(4天线，8模式)；

图3是波束图；

图4是信号时延图；

图5是一种5G前传网络的多小区波束成形及实施方法图(3APs，4天线，8模式)；

图6是超过

个AP需要同一个模式的概率三维图。

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

首先介绍一种单小区波束成形及实施方法的具体实施例，如图2所示，4天线、8模式的一种单小区波束成形及实施的具体过程包括以下步骤：

S1、利用多波长激光源产生光载波，中心波长为1550nm，波长间距为Δλ＝100GHz(即0.8nm)；

S2、设置光真时延池OTTDP

S2.1、设置波长控制矩阵WCM

由于WCM存在一定的约束条件，即：

min m

λ_t,r≠λ_u,v(t≠u,r≠v)

λ_l,s-λ_h,s＝(l-h)sΔλ

其中，t≠u≠l≠h，r≠v≠s，λ_t,r表示用波长为λ_t的光载波将射频信号通过光纤传送到天线r，且λ_l,s+1,λ_h,s均属于WCM_j的第k列，且K＝8，解上述优化问题可以得到m值为37，即多波长激光源产生37个光载波，同时可以得到波长控制矩阵WCM，WCM的元素的值即为对应光载波的波长；

S2.2、根据WCM的值得到互连矩阵ICM，WCM和ICM具体的值如图2所示；

S3、分离光载波，用1：4光分离器将光载波分为4份，每份有37个光载波，且这4份光载波完全相同；

S4、滤出光载波

4份完全相同的光载波分别作用在4个可调谐光学滤波器上，可调谐光学滤波器在其控制器的控制下滤出相应波长的光载波，如图2所示；此实施例共有8个模式，8个模式形成的波束图如图3所示；此实施例中，AP采用模式1，则WCM的第一列作用在可调谐光学滤波器的控制器上，控制器控制4个可调谐光滤波器分别滤出光载波λ₃，λ₄，λ₅，λ₆；

S5、调制射频信号

利用射频发射器产生3.5GHz频率的正弦信号，并将射频信号调制在滤出的光载波λ₃，λ₄，λ₅，λ₆上；

S6、引入时延差

S6.1、将调制后的多路信号通过多路复用器输出到同一个输出线路中；

S6.2、将多路复用器的输出信号耦合到单模光纤中，且长度L为10km，信号通过单模光纤传输到AP，从而天线i和天线j之间的时延差Δτ_i,j可以表示为，即信号i和信号j之间的时延差：

Δτ_i,j＝(j-i)ΔλDL

其中，D为单模光纤的色散参数，此实施例中选择的单模光纤的色散参数D＝17ps/(nm*km)，则相邻信号之间的时延差:

Δτ＝ΔλDL＝0.8nm*17ps/(nm*km)*10km＝0.136ns

因此从理论上看，每增加10km的单模光纤，则可增加0.136ns的时延差，调制后的信号λ₃，λ₄，λ₅，λ₆之间的实际时延差如图4所示。

S7、对信号进行解调

S7.1、信号通过无源DeMux将一路信号分解为多路信号，由于采用的是无源DeMux，所以输出通道与天线之间的连接是固定的，具体连接由ICM表示，信号从DeMux的输出通道3，4，5，6输出分别到达天线1，2，3，4；

S7.2、DeMux输出的信号分别通过光复用器传输到光电探测器，光电探测器对信号进行解调，并将光信号转换为电信号，此时输出的射频信号已引入相应的时延差；

S8、波束形成

S8.1、射频信号经过射频放大器放大，然后经过滤波器将信号中的噪声滤出；

S8.1、各天线之间信号的时延差即是各信号的相位差，从而形成相应的波束。

图1是本发明一种多小区波束成形方法原理图。

接下来介绍一种5G前传网络的多小区波束成形及实施的具体实施方式，原理如图1所示，图5是3APs、4天线、8模式的一种5G前传网络的多小区波束成形及实施方法图，具体包括以下步骤：

S1、设置多小区的光真时延池OTTDP

S1.1、在多小区部署中，光真时延池OTTDP由波长控制矩阵WCM和互连矩阵ICM组成；3个远端接入点AP部署2个OTTDP，由2个WCM和3个ICM组成；

各个OTTDP的WCM在中心单元CU处对波束进行控制，即在CU处完成各个AP的连接；

部署2个相同的OTTDP，令OTTDP_j表示第j个OTTDP，1≤j≤2；其中，WCM_j∈C^4×8用来控制波束方向，即单个AP配备4根天线，每个OOTDP有8个波束模式，WCM_j的第k列对应第k个波束模式，即每一列对应一个波束模式，第r行表示天线r，WCM_j的元素λ_t,r表示用波长为λ_t的光载波将射频信号通过光纤传送到天线r；

S1.2、部署2个相同的多波长激光源，每个多波长激光源产生m个中心波长为1550nm，波长间距为Δλ＝100GHz(即0.8nm)，用向量表示可以写为p_w＝{λ₁,λ₂,…,λ_t,…,λ_m}，且任意两个激光源产生的光载波完全相同，其中，λ_t表示激光源产生的光载波的波长；

S1.3、将ICM_i部署在每个AP中，1≤i≤3，用来描述AP中的无源解波分复用器DeMux的不同输出通道和各天线的固定连接关系；

WCM_j在满足约束条件时，若WCM_j中存在元素λ_t,r，则ICM_i中的第t行第r列的元素为1，表示DeMux的输出通道t与天线r连接；若WCM_j中不存在元素λ_t,r，则ICM_i中的第t行第r列的元素为0，表示DeMux的输出通道t与天线r之间没有连接；

WCM_j满足的约束条件为：

其中，

表示使向量p_w中的元素数量最少，即尽可能使用少的光载波；t≠u≠l≠h，r≠v≠s，λ_t,r表示用波长为λ_t的光载波将射频信号通过光纤传送到天线r，且λ_l,s+1,λ_h,s均属于WCM_j的第k列，解上述优化问题可以得到m值为37，即每个多波长激光源产生37个光载波，同时可以得到波长控制矩阵WCM_j，WCM_j的元素的值即为对应光载波的波长，继而可以得到ICM_i；

S1.4、使用最少OTTDP的原则，以满足所有AP的要求；

例如：若有3个AP1，AP2，AP3，则预先设置2个OTTDP，即OTTDP₁，OTTDP₂；若3个AP分别选择3个不同的模式1，2，3工作，则在WCM₁(或WCM₂)中选出所需的3个模式即第1，2，3列，然后分别滤出每列对应的光载波传输给相应的AP；若AP1，AP2选择2个不同的模式1，2，AP3选择模式1，则从WCM₁(或WCM₂)中选出第1，2列，分别滤出AP1，AP2所需的光载波，然后从WCM₂(或WCM₁)中选出第1列，滤出AP3所需的光载波；

S2、分离光载波

选用2个相同的1:4的无源光分离器，每个多波长激光源连接一个无源光分离器，将2个多波长激光源产生的光载波分别分为4份，每份有37个光载波，且这8份光载波完全相同；

S3、利用滤波器对分离的光载波进行滤波处理

8份完全相同的光载波分别作用在8个滤波器上，每4个滤波器为一组，所有、滤波器在其控制器的控制下滤出相应波长的光载波；在此实施例中，AP1，AP2，AP3分别采用模式1，模式1和模式2，则WCM1的第一列作用在第一组滤波器的控制器上，滤出光载波λ₃，λ₄，λ₅，λ₆；WCM2的第一列作用在第二组滤波器的控制器上，滤出光载波λ₃，λ₄，λ₅，λ₆；WCM1的第二列作用在第一组滤波器的控制器上，滤出光载波λ₈，λ₁₀，λ₁₂，λ₁₄；

S4、调制射频信号

利用射频发射器产生3.5GHz频率的正弦信号，并将射频信号分别调制在滤出的3组光载波上；

S5、单模光纤传输

将调制后的光信号通过多路光复用器耦合到单模光纤中，通过单模光纤将信号传输到AP，单模光纤长度L为10km；

S6、信号分离

每个AP中利用无源解波分复用器DeMux将单模光纤中传输的光信号进行分离，得到4个经单模光纤传输后的光信号，光载波为λ_t的光信号通过DeMux的第t个输出通道输出，其中，1≤t≤37；

S7、将光信号转换为电信号并确定由单模光纤引入的时延

S7.1、DeMux通过光复用器将输出的光信号传输到光电探测器，光电探测器再将光信号转换为电信号；

S7.2、确定光电探测器输出电信号的时延；

计算天线i和天线j之间的时延差Δτ_i,j：

Δτ_i,j＝(j-i)ΔλDL

其中，Δλ表示两相邻光载波之间的波长间距，1≤i≤j≤N，D和L分别表示单模光纤的色散系数和长度，此实施例中选择的单模光纤的色散参数D＝17ps/(nm*km)，则相邻信号之间的时延差:

Δτ＝ΔλDL＝0.8nm*17ps/(nm*km)*10km＝0.136ns

因此从理论上看，每增加10km的单模光纤，则可增加0.136ns的时延差；

S8、波束形成

S8.1、计算天线i和天线j之间的相位差Δψ_i,j＝2πfΔτ_i,j，其中，f为射频信号的频率为3.5GHz；

S8.2、根据各天线间的相位差，对天线阵列的波束方向进行控制，然后进行放大和滤波处理，形成波束通过天线发射。

通过上述理论分析可知，通过该多小区波束成形及实施方法可以减少AP复杂度及成本。上述多小区实例中有8个模式供3个AP使用，若三个AP采用3种不同的模式，例如AP1，AP2，AP3分别采用模式1，2，3，则此时只需使用一个OTTDP即可满足所有AP的需求，即只需使用一套激光源和滤波器设备；同样，上述实例中，有两个AP使用相同的模式，此时使用两个OTTDP便能满足AP的需求。因此n个AP，只需

个OOTDP即能满足AP的需求，即只需部署

套激光源与滤波器等设备，大大降低设备成本，成功实现资源复用。

但注意到上述实施例中，若3个AP均选择模式1则无法满足其中一个AP的要求，则对于部署

个OTTDP，超过t个AP需要同一个模式的概率为：

其中K是模式数，n≥3为AP数。

图6为上述概率函数的三维图，通过三维图可以看出，当n一定时，NOP随K值得增加而减小，当K一定时，在n＝4处取得最大值，因此随着K或n的增加，NOP的值将会趋近于0，当然此结论也可由数学推导得出。

由上述分析可知，当AP的数量或部署的模式数大到一定数量时，超过t个AP需要同一个模式的概率NOP趋于0，即AP的性能被影响的概率很小，因此该多小区波束成形及实施方法实现了资源复用，在满足AP性能要求的同时，减少AP的复杂度和成本。

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 (2)

1.一种5G前传网络的多小区波束成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、设置多小区的光真时延池OTTDP

(1.1)、在多小区部署中，光真时延池OTTDP由波长控制矩阵WCM和互连矩阵ICM组成；n个远端接入点AP部署

个OTTDP，则有

个WCM和n个ICM组成光真时延池OTTDP；

各个OTTDP的WCM在中心单元CU处对波束进行控制，即在CU处完成各个AP的连接；

部署

个相同的OTTDP，令OTTDP_j表示第j个OTTDP，

其中，WCM_j∈C^N×K用来控制波束方向，K为波束模式数，WCM_j的第k列对应第k个波束模式，即每一列对应一个波束模式，N为单个AP配备的天线数，第r行表示天线r，WCM_j的元素λ_t,r表示用波长为λ_t的光载波将射频信号通过光纤传送到天线r；

(1.2)、部署

个相同的多波长激光源，每个多波长激光源产生m个波长间距为Δλ的光载波，所述光载波用向量表示为p_w＝{λ₁,λ₂,…,λ_t,…,λ_m}，且任意两个激光源产生的光载波完全相同，其中，λ_t表示激光源产生的光载波的波长，m＞N；

(1.3)、将ICM_i部署在每个AP中，1≤i≤n，用来描述AP中的无源解波分复用器DeMux的不同输出通道和各天线的固定连接关系；

WCM_j在满足约束条件时，若WCM_j中存在元素λ_t,r，则ICM_i中的第t行第r列的元素为1，表示DeMux的输出通道t与天线r连接；若WCM_j中不存在元素λ_t,r，则ICM_i中的第t行第r列的元素为0，表示DeMux的输出通道t与天线r之间没有连接；

(1.4)、使用最少OTTDP的原则，以满足所有AP的要求；

n个AP部署

个OTTDP，每个OTTDP有K个模式，若有K个AP分别选择K个不同的工作模式，则在任意WCM_j中选出1到K列，分别滤出每列对应的光载波传输给相应的AP，此时K个AP只用到1个OTTDP；同理，若AP_i、AP_j均选用模式k，1≤i,j≤n,i≠j，则分别在WCM_i，WCM_j中选出第k列，滤出该列对应的光载波传输给相应的AP；

(2)、分离光载波

选择

个相同的1:N的无源光分离器，每个多波长激光源连接一个无源光分离器，每个无源光分离器将多波长光源产生的光载波分为N份，每份有m个光载波；

(3)、利用滤波器对分离的光载波进行滤波处理

将

个WCM同时作用在控制器上，通过控制器控制滤波器，采用使用最少OTTDP的原则选出每个AP所需要的N个光载波；

(4)、调制射频信号

射频发生器产生待发送的射频信号，然后通过电光调制器将待发送的射频信号分别调制到选出的N个光载波上；

(5)、单模光纤传输

将调制后的光信号通过多路光复用器耦合到单模光纤中，通过单模光纤将信号传输到AP；

(6)、信号分离

利用无源解波分复用器DeMux将单模光纤中传输的光信号进行分离，得到N个经单模光纤传输后的光信号，光载波为λ_t的光信号通过DeMux的第t个输出通道输出，其中，1≤t≤m；

(7)、将光信号转换为电信号并确定由单模光纤引入的时延

(7.1)、DeMux通过光复用器将输出的光信号传输到光电探测器，光电探测器再将光信号转换为电信号；

(7.2)、确定光电探测器输出电信号的时延；

计算天线i和天线j之间的时延差Δτ_i,j：

Δτ_i,j＝(j-i)ΔλDL

其中，Δλ表示两相邻光载波之间的波长间距，1≤i≤j≤N，D和L分别表示单模光纤的色散系数和长度；

(8)、波束形成

(8.1)、计算天线i和天线j之间的相位差Δψ_i,j＝2πfΔτ_i,j，其中，f为射频信号的频率；

(8.2)、根据各天线间的相位差，对天线阵列的波束方向进行控制，然后进行放大和滤波处理，形成波束通过天线发射。

2.根据权利要求1所述的一种5G前传网络的多小区波束成形方法，其特征在于，所述WCM_j满足的约束条件为：

其中，t≠u≠l≠h，r≠v≠s，λ_t,r表示用波长为λ_t的光载波将射频信号通过光纤传送到天线r，且λ_l,s+1,λ_h,s均属于WCM_j的第k列。

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