CN111565069B - 光纤使能光无线通信系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了光纤使能光无线通信(FE‑OWC)系统及方法。本发明采用由光纤收发端口阵列以及透镜或反射镜构成的光天线，生成不同方向的光波束，实现通信区域的全波束覆盖，光天线通过光纤与光收发链路连接，光收发链路实现光信号与电信号的相互转换，与光收发链路电信号连接的基带信号处理单元实现用户调度、收发信号处理等。基站与用户终端之间利用光波束实施多用户MIMO或大规模MIMO或波束分多址光无线通信。本发明所提出的FE‑OWC系统及方法可以支持超高速率的用户数据传输及系统吞吐量，且复杂度低，可用于构建巨容量热点覆盖和各种特殊应用的光无线通信系统，并用于光纤通信网络向无线覆盖延展，实现移动光通信和支持移动性的全光通信。

Description

光纤使能光无线通信系统及方法
技术领域
本发明涉及一种光无线通信技术，具体涉及光天线、光纤使能光无线通信(FE-OWC，fiber enabled optical wireless communication)装置、FE-OWC系统及方法，属于移动通信技术领域。
背景技术
随着移动通信的发展，移动设备的数量以及无线传输速率的需求迅猛增长，虚拟现实、增强现实等新兴应用需要极高的传输速率。在后5G以及6G移动通信系统中，单用户传输速率需求高达10Gbps，系统吞吐量需求达到1Tbps。然而传统低频段的频谱资源严重短缺，无法支持超高速率的移动通信，需要利用更高频段的频谱资源。光无线通信利用光波段提供非常丰富的频谱资源，支持高速数据传输，是一种极具潜力的无线通信方式。相比于高频段的射频无线通信，光无线通信还具有收发信号处理复杂度低、通信器件和设备成熟等优点。
可见光通信是光无线通信中的一个研究方向，将信号调制到可见光的幅度上，利用LED提供照明的同时向用户终端传输数据信号。为了满足照明的需求，LED生成宽波束覆盖整个通信区域，同时由于大多数场景仅考虑直达径传输情况，因此光无线通信的信道系数具有高度的相关性。单个光发送节点发送全向信号，通常视为单个发送天线，只能传输单路数据信号，系统同时服务的用户终端个数受限。另外，由于LED的调制带宽约为20MHz，不能充分利用光无线通信中丰富的频谱资源，系统的传输速率较低，不能满足超高速率数据传输的需求。此外，目前的可见光无线通信系统仅考虑基站到用户终端的下行传输，不能支持双向通信。
另一个研究方向是红外光无线通信，通过生成具有方向性的窄波束，将光信号能量集中到用户终端处，极大提升接收能量，同时利用激光器产生光信号，支持数十Gbps的传输速率。然而，由于激光器产生的红外光波束具有极强的方向性，因此收发器件需要精确对准，在用户移动等场景下，极大增加了系统的复杂度，而且大多数红外光无线光通信系统仅考虑点对点单链路传输，无法支持多个或大量用户终端同时通信。
发明内容
发明目的：针对现有光无线通信面临着服务用户终端个数受限、覆盖范围小、方向校准复杂度高、以及单向传输的瓶颈问题，本发明目的在于提供一种光天线，以及基于该光天线的FE-OWC装置、FE-OWC系统及方法，以能充分利用光波段丰富的频谱资源，实现通信区域内信号全覆盖并支持终端移动性的高速率双向通信，满足未来移动通信应用需求。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明所述的光天线，包括光纤收发端口阵列以及透镜或反射镜；在发送信号的过程中，单个光纤收发端口发出的光经过透镜折射或反射镜反射后在某一方向生成具有一定角度范围的光波束，不同光纤收发端口发出的光折射或反射到不同方向；在接收信号的过程中，来自不同方向的接收光线经过透镜折射或反射镜反射后耦合进不同的光纤收发端口进行接收，不同光纤收发端口接收不同方向的光信号。
进一步地，所述光天线中的光纤收发端口包括光纤端口和微透镜；在发送信号的过程中，单个光纤端口发出的光信号经过微透镜折射后，生成具有一定角度范围的光波束；在接收信号的过程中，微透镜将一定角度范围内的光信号耦合进光纤端口。
进一步地，所述光天线利用光纤收发端口阵列以及透镜或反射镜生成不同方向的光波束，不同光波束覆盖不同区域，光纤收发端口阵列生成的所有光波束覆盖整个通信区域，实现通信区域全波束覆盖。
本发明所述的FE-OWC装置，包括上述的光天线以及光收发链路；光天线用于发送和接收不同方向的光信号；光天线与光收发链路通过光纤直接连接，或通过光交换单元连接；光收发链路用于实现光信号与电信号的相互转换；单个FE-OWC装置与单个或一组FE-OWC装置进行无线通信。
进一步地，所述光收发链路用于实现光信号与电信号的相互转换；在发送信号的过程中，电信号加上偏置电流后驱动激光器，生成与电信号对应的光信号，或采用外调制器方式，将激光源产生的光信号与电信号输入外调制器，生成对应的光信号，光信号经过光放大器放大后通过光纤传输到光天线；在接收信号的过程中，光天线接收的信号通过光纤传输到光收发链路，经过光放大器放大后，利用光探测器检测光信号，转换为对应的电信号。
进一步地，当光天线与光收发链路直接连接时，每个光收发链路对应一个光纤收发端口，光收发链路个数与光纤收发端口个数相同；当光天线与光收发链路通过光交换单元连接时，光收发链路个数小于等于光纤收发端口个数，光交换单元用于切换光收发链路与光纤收发端口的对应关系，将光收发链路中的信号与光天线生成的波束相对应。
进一步地，基站侧FE-OWC装置还包括基带信号处理单元，所述基带信号处理单元包含A/D和D/A模块以及数字基带处理与控制模块；下行传输过程中，基站侧的数字基带处理与控制模块用于实现用户调度以及多用户预编码传输，生成每个用户终端的发送信号，D/A模块用于将数字基带处理与控制模块生成的发送信号转化为模拟信号输入光收发链路；上行传输过程中，A/D模块用于将基站侧光收发链路输出的电信号转化为数字信号，数字基带处理与控制模块用于对多用户接收信号进行检测，恢复每个用户终端的发送信号。
进一步地，用户终端侧FE-OWC装置还包括基带信号处理单元，所述基带信号处理单元包含A/D和D/A模块以及数字基带处理与控制模块；下行传输过程中，A/D模块用于将用户终端侧光收发链路输出的电信号转化为数字信号，数字基带处理与控制模块用于对接收信号进行检测，恢复基站的发送信号；上行传输过程中，用户终端侧的数字基带处理与控制模块用于实现预编码传输，D/A模块用于将生成的发送信号转化为模拟信号输入光收发链路。
进一步地，基站侧FE-OWC装置还包括基带信号处理单元，所述基带信号处理单元包含基带调制与基带解调模块以及数字基带处理与控制模块；下行传输过程中，基站侧的数字基带处理与控制模块用于为不同用户终端分配互不重叠的波束集合，生成向各用户终端发送的数字基带信号，基带调制模块用于生成向各用户终端发送的模拟基带信号，传输到对应的光收发链路，利用相应的光纤收发端口进行发送；上行传输过程中，基带解调模块用于将基站侧光收发链路输出的模拟基带接收信号进行解调，生成数字基带信号，数字基带处理与控制模块用于根据波束分配的结果以及每个用户终端对应波束上的数字基带信号恢复各用户终端的发送信号。
进一步地，用户终端侧FE-OWC装置还包括基带信号处理单元，所述基带信号处理单元包含基带调制与基带解调模块以及数字基带处理与控制模块；下行传输过程中，用户终端侧基带解调模块用于将光收发链路输出的模拟信号进行解调，生成数字基带信号，数字基带处理与控制模块用于挑选基站对应的光纤收发端口，根据其接收数字基带信号恢复基站侧的发送信号；上行传输过程中，用户终端侧的数字基带处理与控制模块用于生成上行数字基带发送信号，基带调制模块用于生成模拟基带发送信号，传输到光收发链路，利用与基站对应的光纤收发端口进行发送。
本发明所述的FE-OWC系统，该系统的基站和用户终端配置均配置上述FE-OWC装置。基站与用户终端之间实现多用户MIMO或大规模MIMO光无线通信或波束分多址BDMA光无线通信。
本发明所述的FE-OWC方法，该方法基于所述的FE-OWC系统，计算单链路传输的链路预算并建立收发端电信号传输信道模型；链路预算包括发送端电光转换、光无线信道增益、接收端光电转换以及接收端电噪声；发送端电光转换部分根据电光转换器件的光电特性，建立发送端输出的光功率与输入电信号之间的对应关系；光无线信道增益为发送端光纤收发端口到接收端光纤收发端口之间的无线信道增益；接收端光电转换部分考虑接收光信号经过光放大器放大以及光探测器检测两个过程，建立接收端输入光信号与输出电信号之间的转换关系；接收端电噪声包括光放大器和光探测器引入的电噪声，建立单个链路接收电信号中信号功率与噪声功率之间的关系；在单个链路预算的基础上，建立完整的从发送端到接收端电信号传输的信道模型；基于该信道模型，基站和用户终端之间实施多用户MIMO或大规模MIMO或波束分多址光无线通信方法。
进一步地，所述光无线信道增益描述从发送端到接收端光无线传输的信道增益，包括发送端的波束建模、自由空间传输信道增益、接收端光纤收发端口接收功率比率以及光纤端口的耦合效率四个部分；发送端的波束建模描述光纤收发端口发出的光线经过透镜折射或反射镜反射后生成单个波束的光强分布，随着发送端光纤收发端口个数的增加，单个光纤收发端口到不同用户终端的光强渐进正交；自由空间传输信道增益考虑光波束经过自由空间从发送端到接收端的传输过程，其与传输距离的平方成反比；接收端光纤收发端口接收功率比率描述单个光纤收发端口接收的光功率占用户总接收功率的比率，其与接收平面上接收光线投影和光纤收发端口的公共面积成正比；光纤端口的耦合效率为光纤端口处的接收光线能够耦合进入光纤的比率，其与入射光线在光纤端口处的角度范围和光纤端口的接收角的公共区域成正比。
另一方面，本发明所述的FE-OWC方法，为基于所述的FE-OWC系统实现的多用户MIMO或大规模MIMO光无线通信方法，具体通信过程包含如下步骤：
同步：基站广播下行同步信号，用户终端利用接收信号建立并保持与基站同步；
信道探测：用户终端发送上行探测信号，基站根据接收的探测信号估计各用户终端的信道信息；
下行传输：基站利用各用户终端的信道信息以及信道的低秩特性进行预编码传输，同时发送所有用户终端的信号，包括导频信号和数据信号，各用户终端根据接收的导频信号估计信道信息，并利用信道信息恢复数据信号；
上行传输：用户终端利用预编码传输同时向基站发送信号，包括导频信号和数据信号，基站接收到所有用户终端的信号叠加，根据导频信号估计各用户终端的信道信息，并利用信道的低秩特性进行接收处理，恢复各用户终端的数据信号。
进一步地，下行传输过程中，基站通过上行探测过程估计每个用户终端到基站的上行信道，利用信道的互易性获得下行信道，将信道矩阵分解为列向量与行向量的乘积，并计算各用户终端的接收信干噪比以及可达和速率，在单个光纤收发端口功率约束条件下，以最大化系统和速率为目标设计最优线性预编码；或者基站根据信道矩阵分解的行向量采用最大比发射MRT或正则化迫零RZF预编码方法，利用预编码向量同时发送所有用户终端的信号，包括导频信号和数据信号；上行传输过程中，基站接收到所有用户终端的信号叠加，根据接收的导频信号估计各用户终端的上行信道矩阵，并将其分解为列向量与行向量的乘积，以最大化系统和速率为目标设计最优线性接收机；或者基站根据各用户信道矩阵分解的列向量采用最大比合并MRC接收机，利用线性接收机对接收的数据信号进行检测，恢复各用户终端的发送信号。
进一步地，下行传输过程中，各用户终端根据接收的导频信号估计下行传输信道矩阵，并将其分解为列向量与行向量的乘积，以最大化系统和速率为目标设计最优线性接收机，用户终端利用最优线性接收机对接收的数据信号进行检测；上行传输过程中，各用户终端利用信道的互易性，根据下行信道估计获得上行信道信息，并将信道矩阵分解为列向量与行向量的乘积，在总功率约束的条件下，以最大化系统和速率为目标设计最优预编码向量，用户终端利用预编码向量同时发送上行信号，包括导频信号和数据信号。
另一方面，本发明所述的FE-OWC方法，为基于所述的FE-OWC系统实现的波束分多址光无线通信方法，所述波束分多址光无线通信方法为基站根据各用户终端的信道信息为不同的用户终端分配互不重叠的波束，每个波束发送和接收最多一个用户终端的信号，利用不同方向的光波束同时与用户终端双向通信；用户终端根据信道信息挑选基站对应方向的波束，利用单个波束与单个基站进行通信；具体通信过程包含如下步骤：
同步：基站广播下行同步信号，用户终端利用接收信号建立并保持与基站同步；
信道探测：用户终端发送上行探测信号，基站根据接收的探测信号为每个用户终端分配波束，同一时频资源上与基站通信的用户，所分配的波束互不重叠且每个用户仅分配一个波束；
下行传输：基站根据波束分配结果，在每个用户终端分配的波束上发送独立信号，各用户终端根据接收到的信号，挑选与基站对应的波束进行接收检测；
上行传输：各用户终端在基站对应的波束上发送信号，基站根据波束分配的结果，在每个用户终端分配的波束上接收检测各用户终端的发送信号。
进一步地，下行传输过程中，基站根据波束分配的结果，在每个用户终端分配的波束上向其发送信号，不同波束发送不同用户终端的信号，多用户下行传输链路分解为多个并行的单用户链路，基站采用基带调制方式生成用户模拟基带发送信号；上行传输过程中，基站根据波束分配的结果，在每个用户终端分配的波束上接收检测该用户终端的发送信号，基站利用不同的波束接收检测不同用户终端的信号，多用户上行传输链路分解为多个并行的单用户链路，基站采用基带解调方式生成各用户终端的数字基带信号。
进一步地，下行传输过程中，各用户终端根据接收信号的强度，挑选基站对应的波束，在对应的波束上采用基带解调方式生成数字基带信号；上行传输过程中，每个用户终端在基站对应的波束上，采用基带调制方式生成模拟基带信号。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明中，基站利用光纤收发端口阵列以及透镜或反射镜构成的光天线生成多个或大量不同方向的波束，不同波束覆盖不同区域，基站利用不同波束同时与多个或大量用户终端通信，大幅提升光无线通信支持的用户终端个数。
2.本发明利用光纤支持的超高速率数据传输，显著提升每个用户终端链路的传输速率以及系统吞吐量。
3.基站和用户终端利用光纤收发端口发送和接收信号，可以实现双向通信，解决光无线通信中单向传输的局限。
4.基站利用光天线生成多个或大量不同方向的波束，实现通信区域的全波束覆盖。用户终端在移动的过程中，从一个波束区域移动到另一个波束区域，基站仅需要切换用户终端对应的波束，不需要复杂的跟踪系统。
5.基站利用不同的波束与不同的用户终端进行通信，将多用户传输链路分解为多个单用户传输链路，每个单用户传输链路可以采用光调制与光解调(如OOK调制与解调)方式，可以不需要A/D和D/A设备，显著降低超高速光无线通信系统的实现复杂度。
6.光天线与光收发链路通过光纤连接，由于光纤传输过程中的损耗极低，光天线可以灵活布设，而且光天线为无源系统，成本较低，由此可以大幅降低系统构建成本。
7.基站和用户终端的光天线将接收到的光信号输入到光纤，利用光纤放大器进行放大之后再进行光接收处理，可以大幅提高接收能力，由此降低发送端的发射功率，或增加通信距离。
8.所提出的光纤使能光无线通信方法，可以利用成熟的光纤通信技术、器件和设备，高效地构建高速光无线通信系统，满足未来5G之后移动通信对传输速率和系统容量量级或多量级提升的需求。
9.所提出的光纤使能光无线通信系统，也可以方便地与光纤通信网络对接，实现光纤通信网络向无线覆盖延展，由此实现移动光通信及支持终端移动性的全光通信。
附图说明
图1为光纤使能光无线通信系统架构示意图；
图2为光收发链路示意图；
图3为光天线结构示意图；
图4为波束图样示意图，(a)单个光纤收发端口，(b)光纤收发端口阵列；
图5为系统吞吐量性能示意图，(a)下行传输，(b)上行传输。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
(1)系统构成
本发明公开了光纤使能光无线通信(FE-OWC,fiber enabled optical wirelesscommunication)系统，其系统架构如图1所示，单个基站(BS,base station)同时服务K个用户终端(UT,user terminal)，基站和用户终端均配置FE-OWC装置，FE-OWC装置包括光天线、光收发链路以及基带信号处理单元。光天线与光收发链路通过光纤连接，由于光纤传输过程中的损耗极低，光天线可以灵活布设。
光天线用于发送和接收光信号，包括光纤收发端口阵列以及透镜或反射镜。在发送信号的过程中，单个光纤收发端口发出的光经过透镜折射或反射镜反射后，在某一方向生成具有一定角度扩展的光波束，不同光纤收发端口发出的光折射或反射到不同方向，利用光纤收发端口阵列以及透镜或反射镜生成多个不同方向的光波束，实现通信区域的全波束覆盖，即所有光纤收发端口对应的光波束能够覆盖整个通信区域。在接收信号的过程中，不同方向的接收光线经过透镜折射或反射镜反射到不同的光纤收发端口，耦合进光纤传输到光收发链路。
光收发链路实现光信号与电信号的相互转换，其系统架构如图2所示。在发送信号的过程中，电信号加上偏置电流后驱动激光器(LD,laser diode)，生成与电信号对应的光信号，也可以采用外调制器的方式，将激光源产生的光信号与电信号输入外调制器，生成与电信号对应的光信号。光信号经过光放大器，如掺铒光纤放大器(EDFA,erbium-dopedfiber amplifier)，放大后通过光纤传输到光天线进行发送。在接收信号的过程中，光天线接收的光信号通过光纤传输到光收发链路，经过光放大器放大后，利用光探测器，如雪崩二极管(APD,avalanche photodiode)，检测光信号，如其强度，转换为对应的电信号。另外，在双向传输过程中，光环形器(OC,optical circulator)用于分隔不同方向的光信号。
光天线与光收发链路通过光纤直接连接，或者通过光交换单元连接。当光天线与光收发链路直接连接时，每个光收发链路对应一个光纤收发端口，光收发链路个数与光纤收发端口个数相同。当光天线与光收发链路通过光交换单元连接时，光收发链路个数小于等于光纤收发端口个数，光交换单元用于切换光收发链路与光纤收发端口的对应关系，将光收发链路中的信号与光天线生成的波束相对应。
基带信号处理单元用于实现包括用户调度、收发信号处理等功能。具体而言，本发明实施例公开两种基带信号处理方法。在第一种基带信号处理方法中，基带信号处理单元包含A/D和D/A模块以及数字基带处理与控制模块，基站与用户终端之间实现多用户MIMO(multiple-input multiple-output)或大规模MIMO光无线通信。在下行传输过程中，基站侧的数字基带处理与控制模块用于实现用户调度以及多用户预编码传输，生成每个用户终端的发送信号，D/A模块用于将数字基带处理与控制模块生成的发送信号转化为模拟信号输入光收发链路；用户终端侧A/D模块用于将光收发链路输出的电信号转化为数字信号，数字基带处理与控制模块用于对接收信号进行检测，恢复基站的发送信号。在上行传输过程中，用户终端侧数字基带处理与控制模块用于实现预编码传输，D/A模块用于将生成的发送信号转化为模拟信号输入光收发链路；基站侧A/D模块用于将光收发链路输出的电信号转化为数字信号，数字基带处理与控制模块用于对多用户接收信号进行检测，恢复每个用户终端的发送信号。
在第二种基带信号处理方法中，基带信号处理单元没有A/D和D/A模块，包含基带调制与基带解调模块(如OOK(on-off keying)调制与解调)以及数字基带处理与控制模块，基站与用户终端之间实现多用户或大量用户的波束分多址(BDMA,beam divisionmultiple access)光无线通信。在下行传输过程中，基站侧的数字基带处理与控制模块用于为不同用户终端分配互不重叠的波束集合，生成向各用户终端发送的数字基带信号，基带调制模块用于生成向各用户终端发送的模拟基带信号，传输到对应的光收发链路，利用相应的光纤收发端口进行发送；用户终端侧基带解调模块用于将光收发链路输出的模拟信号进行解调，生成数字基带信号，数字基带处理与控制模块用于挑选与基站对应的光纤收发端口，根据其接收数字基带信号恢复基站侧的发送信号。在上行传输过程中，用户终端侧的数字基带处理与控制模块用于生成上行数字基带发送信号，基带调制模块用于生成模拟基带发送信号，传输到光收发链路，利用与基站对应的光纤收发端口进行发送；基站侧基带解调模块用于将光收发链路输出的模拟基带接收信号进行解调，生成数字基带信号，数字基带处理与控制模块用于根据波束分配的结果以及每个用户终端对应波束上的数字基带信号恢复各用户终端的发送信号。
(2)光天线设计
光天线由光纤收发端口阵列以及透镜或反射镜构成，本实施例以光纤收发端口阵列和透镜构成为例，其结构如图3所示，配置反射镜的光天线可以类似地得到。以单模光纤为例，相应的设计方法可以应用于其它光纤结构中。单模光纤端口发出的光强近似服从高斯分布，在传播距离为z的横截面上距离中心半径为r的位置，光强分布可以建模为
Figure BDA0002446155890000091
其中，I0(z)表示在距离为z的横截面上的最强光强，
Figure BDA0002446155890000092
表示在距离为z的横截面上的光斑大小，ω0为束腰宽度(z＝0)，
Figure BDA0002446155890000093
为瑞利距离，λ为光的波长。光纤端口发出的光线主要集中在光斑ω1(z)的范围内。
为扩大光纤端口发出和接收光线的角度范围，在光纤端口配置微透镜构成光纤收发端口。当微透镜的焦距为f，微透镜与光纤端口之间的距离为d1时，光纤收发端口发出光线的强度分布可以表达为
Figure BDA0002446155890000094
其中，ω2(z)为光纤收发端口发出的光在位置z处的光斑大小，
Figure BDA0002446155890000095
当传输距离z远大于透镜焦距f和d1时，光纤收发端口发出光线的角度扩展为
Figure BDA0002446155890000096
其中，ω3为
Figure BDA0002446155890000097
上式中，θC描述了光纤收发端口发送和接收光线的角度范围，通过调节微透镜的焦距f以及微透镜与光纤端口之间的距离d1可以改变光纤收发端口生成波束的角度范围。为了扩大波束的角度扩展，应当减少距离d1，即微透镜尽可能靠近光纤端口。从而，在角度θC范围内，单个光纤收发端口生成的波束远场强度分布可以建模为
Figure BDA0002446155890000098
其中，θ为相对于z轴的极化角，U(·)为单位阶跃函数。
光天线包括光纤收发端口阵列以及透镜。例如，M个光纤收发端口构成方形阵列或者圆形阵列或者六边形阵列等，单个透镜覆盖整个光纤收发端口阵列，或多个透镜共同覆盖整个光纤收发端口阵列，不同透镜覆盖不同的光纤收发端口，光纤收发端口阵列与透镜之间的距离为d2。以透镜的中心为原点，建立直角坐标系，记第i个光纤收发端口的坐标为(xi,yi,zi)，则水平距离为
Figure BDA0002446155890000101
垂直坐标为zi＝-d2。第i个光纤收发端口发出的光线，其与垂直方向夹角为
Figure BDA0002446155890000102
经过透镜折射后，方向为
Figure BDA0002446155890000103
其中，F为透镜的焦距。
当
Figure BDA0002446155890000104
时，表示光纤收发端口发出的中心光线，其经过透镜折射后方向为-ri/F，仅与光纤收发端口的水平位置有关；
Figure BDA0002446155890000105
表示与垂直方向夹角为
Figure BDA0002446155890000106
的光线经过透镜折射后与折射后的中心光线的相对夹角，其与光纤收发端口的垂直位置有关。由(6)式可知单个光纤收发端口发出的光线生成角度扩展为θC的光波束，经过透镜折射后，在-ri/F方向上生成一个角度范围为(1-d2/F)θC的光波束。因此，单个光纤收发端口发出的光线经过透镜折射可以在某一方向生成具有一定角度范围的光波束。令α＝1-d2/F，则与中心光线夹角(相对折射角)为ψi的光线强度分布可以表示为
Ii(ψi)＝TlensI(α-1ψi,d2) (8)
其中，Tlens表示透镜增益。
为了实现通信区域的全波束覆盖，利用光纤收发端口阵列以及透镜，通过设计光纤收发端口阵列的水平位置和垂直位置，生成不同方向的多个或大量光波束，覆盖整个通信区域。以
Figure BDA0002446155890000107
个光纤收发端口构成方形阵列为例，在x轴和y轴方向上，通信覆盖区域的最大角度范围为Θ，相邻波束在最大功率衰减到一半的位置重叠，则光纤收发端口阵列与透镜之间的距离为
Figure BDA0002446155890000108
其中，θ1/2为最大功率衰减到一半的角度位置。由此可以得到第i个光纤收发端口的坐标为
Figure BDA0002446155890000111
其中，da为相邻光纤收发端口之间的距离，满足
Figure BDA0002446155890000112
m1和m2表示在方形阵列中第m1行和第m2列位置，满足
Figure BDA0002446155890000113
光纤收发端口也可以排列成圆形阵列或六边形阵列，当排成圆形阵列时，在圆心处以及半径为rc、2rc等圆周上均匀排列光纤收发端口，通过调整圆周半径和光纤收发端口间隔使得光纤收发端口发出的光经过透镜折射实现接收平面的全波束覆盖；当排列成六边形阵列时，在中心处，以及六边形边长为rh呈蜂窝结构向外扩展的位置排列光纤收发端口，通过调整六边形的边长使得光纤收发端口发出的光经过透镜折射实现全波束覆盖。
通信区域的全波束覆盖也可以通过光纤收发端口阵列以及反射镜实现。单个反射镜覆盖整个光纤收发端口阵列，或多个反射镜共同覆盖整个光纤收发端口阵列。在单个光纤收发端口的光强分布模型(6)式基础上，利用几何光学建立在位置(xi,yi,zi)处的光纤收发端口发出的光经过反射镜反射的过程，从而得到不同位置的光纤收发端口经过反射镜反射后生成波束的方向和角度范围。根据反射镜反射的物理规律以及通信区域全覆盖的需求，设计光纤收发端口的位置，使得光纤收发端口发出的光经过反射镜反射后覆盖整个通信区域。
当光纤收发端口个数较大时，光纤收发端口阵列与透镜之间的距离d2趋向于透镜的焦距F，光纤收发端口阵列位于透镜的焦平面处。不同光纤收发端口发出的光线经过透镜折射到不同方向，照射不同区域。当用户终端位于不同区域时，单个光纤收发端口发出的光到两个用户终端的光强渐近正交，
Figure BDA0002446155890000114
其中，
Figure BDA0002446155890000115
和
Figure BDA0002446155890000116
为用户1和用户2关于第i个光纤收发端口的相对折射角。单个光纤收发端口最多发送一个用户的信号，不同用户终端接收不同光纤收发端口发出的光信号。
图4为8×8光纤收发端口阵列在接收平面上生成的波束图样，在一个5m×5m高为3m的通信场景，基站位于该场景的中心。图4中(a)展示了光纤收发端口阵列中单个光纤收发端口生成的波束图样，即在接收平面上光强的分布，单个光纤收发端口发出的光经过透镜折射后，汇聚到某一区域形成一个波束；图4中(b)展示了光纤收发端口阵列生成的波束图样，不同的光纤收发端口生成不同方向的波束，从而利用8×8的波束实现整个通信区域的全波束覆盖。
(3)链路预算和信道模型
基于上述的FE-OWC系统，考虑单链路传输的链路预算，并建立完整的下行传输和上行传输的信道模型。首先，以下行传输过程为例，计算从基站到用户终端的链路预算，包括发送端电光转换、光无线信道增益、接收端光电转换以及接收端电噪声四个部分。在此基础上，建立下行传输信道模型，并分析其信道特性，上行传输过程与下行传输过程相似，可以类似地建立上行传输信道模型。
在发送端，电光转换将电信号转换为对应的光信号，通过直接改变激光器的驱动电流实现，或通过外调制器来实现。采用直接改变激光器的驱动电流时，当驱动电流高于门限Ith时，输出光功率与输入电流之间存在线性对应关系。因而，在承载信息的电信号x上添加偏置电流IB(IB＞Ith)后输入激光器，则在线性范围内输出光强可以表达为
PLD＝PLD,0(1+mx) (12)
其中，PLD,0为偏置电流驱动下输出的光功率，m为光强与输入电流的转换系数。激光器输出的光信号，经过光放大器放大后进行发送。令光放大器的增益为G，则输出光强为
Figure BDA0002446155890000121
其中，
Figure BDA0002446155890000122
光无线信道增益描述从基站侧光纤端口到用户终端侧光纤端口的无线传输信道增益，包括发送端的波束建模、自由空间传输信道增益、接收端光纤收发端口接收功率比率以及光纤端口的耦合效率四个部分。发送端的波束建模已在光天线设计中进行了讨论，当第k个用户终端与基站第i个光纤收发端口的中心光线夹角为
Figure BDA0002446155890000123
时，光纤端口光发出的光线强度分布由(8)式
Figure BDA0002446155890000124
给出。从基站侧第i个光纤收发端口到第k个用户终端透镜处的无线信道增益
Figure BDA0002446155890000125
为
Figure BDA0002446155890000126
其中，Ak表示第k个用户终端侧透镜的面积，
Figure BDA0002446155890000127
为用户终端侧光线的入射角，dk为基站到用户终端的距离，βd(dk)描述由传输距离dk引起的信道衰减，根据光线传输能量守恒定律，可以计算得到
Figure BDA0002446155890000131
信道衰减与传输距离的平方成反比，同时也反比于α2，α描述了经过透镜折射后波束的角度扩展变化，当α较小时，即波束集中在较小的角度范围内，信道增益较大。
在用户终端侧，接收光线经过透镜折射后被光纤收发端口接收。当入射光线的入射角为
Figure BDA0002446155890000132
入射位置为
Figure BDA0002446155890000133
时，经过透镜折射并在自由空间传输
Figure BDA0002446155890000134
距离后，在接收平面处的角度和位置为
Figure BDA0002446155890000135
其中，
Figure BDA0002446155890000136
为用户终端侧透镜的焦距。入射角为
Figure BDA0002446155890000137
的入射光线在接收平面上的照射区域为
Figure BDA0002446155890000138
其中，
Figure BDA0002446155890000139
为用户终端侧透镜的半径，
Figure BDA00024461558900001310
由下式计算得到
Figure BDA00024461558900001311
单个光纤收发端口接收光线的功率与接收光线在接收平面上的照射区域与光纤收发端口的公共区域成正比，令第j个光纤收发端口的区域为
Figure BDA00024461558900001312
则第j个光纤收发端口接收光线功率的比率为
Figure BDA00024461558900001313
若光天线包括光纤收发端口阵列以及反射镜，利用几何光学原理分析入射光线以角度
Figure BDA00024461558900001314
入射反射镜时，经过反射镜反射后，在接收平面上的照射区域，单个光纤收发端口接收光线的功率与接收光线在接收平面上的照射区域与光纤收发端口的公共区域成正比。
考虑光纤端口的耦合效率，光纤端口安装了微透镜扩大波束角度为θC，根据光线传输的可逆性，在角度为θC之内的光线可以耦合进入光纤进行传输，则光纤端口的接收角为
Ωf＝{0≤Ξ≤2π,0≤θ≤θC} (20)
其中，Ξ表示水平方向接收角，θ表示垂直方向接收角度。经过透镜折射后，入射光线在光纤端口处的角度范围Ωs可以计算为
Figure BDA0002446155890000141
耦合系数
Figure BDA0002446155890000142
为Ωf与Ωs的公共区域与Ωs区域的体积之比，其可以表示为
Figure BDA0002446155890000143
综合上述四部分，可以得到从基站侧第i个光纤端口到第k个用户终端的第j个光纤端口的无线光传输信道增益为
Figure BDA0002446155890000144
接下来考虑接收端的光电转换过程，接收的光信号首先经过光放大器放大，之后利用光电探测器将光信号转换为对应的电信号。当接收的光信号功率为P1，光放大器的增益为G时，光放大器的输出功率为GP1。光放大器输出的光信号被光电探测器(如雪崩二极管)转换为对应的电信号，光电探测器的放大因子为Mp，光电探测器的响应度为
Figure BDA0002446155890000145
则光电探测器的输出电信号为
Figure BDA0002446155890000146
结合电光转换、光无线信道增益以及接收端光电转换，基站第i个光纤收发端口到第k个用户终端的第j个光纤收发端口之间的电信号传输信道增益可以表达为
Figure BDA0002446155890000147
基站第i个光纤收发端口发送电信号
Figure BDA0002446155890000148
到第k个用户终端的第j个光纤收发端口接收的电信号ykj之间的关系为
Figure BDA0002446155890000149
其中，np为噪声，其主要包含光电探测器的散粒噪声以及信号与放大的自发辐射噪声混合的差拍噪声，其方差可以近似表达为
Figure BDA00024461558900001410
其中，q为电子电荷，Be为电信号带宽，F(Mp)为光电探测器的噪声系数，NF为光放大器的噪声系数。因而，单链路的接收信噪比可以计算为
Figure BDA00024461558900001411
其中，
Figure BDA0002446155890000151
为发射信号的功率。
在建立了从基站到用户终端单链路传输信道模型以及单链路信噪比之后，下面考虑从基站到用户终端完整的信道模型。基站配置M个光纤收发端口，用户终端配置N个光纤收发端口，则基站到第k个用户终端的电信号传输信道矩阵为
Figure BDA0002446155890000152
其第(j,i)个元素为
Figure BDA0002446155890000153
由(23)式，光无线传输信道增益
Figure BDA0002446155890000154
可以分解为
Figure BDA0002446155890000155
因而信道矩阵
Figure BDA0002446155890000156
可以分解为
Figure BDA0002446155890000157
其中
Figure BDA0002446155890000158
[·]T表示转置运算，该结果表明信道矩阵的秩为1，呈现低秩的特性。
上行传输的信道模型与下行传输的信道模型相似。当基站和用户终端在上行传输和下行传输的过程中使用相同的收发设备，上行传输和下行传输的电光转换以及光电转换过程是一致的，仅有用户终端的发送功率以及光无线传输信道增益不同。在上行传输过程中，用户终端侧的发送功率为
Figure BDA0002446155890000159
第k个用户终端的第j个光纤收发端口发出的光线强度分布可以类似地建模为
Figure BDA00024461558900001510
其中
Figure BDA00024461558900001511
为用户到基站的相对折射角，则从第k个用户终端的第j个光纤收发端口到基站侧透镜的信道增益可以建模为
Figure BDA00024461558900001512
其中，A为基站侧透镜的面积，βu(dk)表示由传输距离dk引起的信道衰减，
Figure BDA00024461558900001513
为基站侧的入射角。当上行传输中第k个用户的信号耦合进基站第i个光纤收发端口的功率系数为
Figure BDA00024461558900001514
进入光纤端口的耦合效率为
Figure BDA00024461558900001515
则光传输信道增益为
Figure BDA00024461558900001516
因此，从第k个用户终端到基站完整的电信号传输信道矩阵为
Figure BDA00024461558900001517
其第(i,j)个元素为
Figure BDA00024461558900001518
同样，上行传输信道矩阵
Figure BDA00024461558900001519
可以分解为
Figure BDA00024461558900001520
其中，
Figure BDA00024461558900001521
Figure BDA00024461558900001522
因此，上行传输到信道矩阵的秩为1。
由于光线传输的可逆性，上行传输的信道路径和下行传输的信道路径是互易的，即下行传输中第k个用户终端接收到基站第i个光纤收发端口的信号，在上行传输过程中，基站的第i个光纤收发端口接收第k个用户终端的发送信号；同样在用户终端侧，下行传输中用户的第j个光纤收发端口接收基站的信号，在上行传输中基站接收到第j个光纤收发端口发出的信号。
(4)多用户MIMO/大规模MIMO光无线通信方法
在FE-OWC系统中，基站利用多个(数个至数十个)或大量(数百至数千个)波束与多个或大量用户终端双向通信。当收发端均配置与光收发链路相对应的A/D和D/A模块的情况下，其数字基带处理可以实现上下行多用户MIMO(MU-MIMO,multi-user MIMO)传输，进而实现多用户MIMO光无线通信。进一步地，当基站侧配置大量光收发链路和光纤收发端口的情况下，基站可以同大量用户终端同时通信，实现大规模MIMO(massive MIMO)光无线通信。从数字基带处理角度，多用户MIMO/大规模MIMO通信过程包含如下四个步骤：同步、信道探测、下行传输以及上行传输。1)基站广播下行同步信号，用户终端利用接收信号建立并保持与基站同步。2)用户终端发送上行探测信号，基站根据接收的探测信号估计各用户终端的信道信息。3)基站利用各用户终端的信道信息以及信道的低秩特性进行预编码传输，同时发送所有用户终端的信号，包括导频信号和数据信号，各用户终端根据接收的导频信号估计信道信息，并利用信道信息恢复数据信号。4)用户终端利用预编码传输同时向基站发送信号，包括导频信号和数据信号，基站接收到所有用户终端的信号叠加，根据导频信号估计各用户终端的信道信息，并利用信道的低秩特性进行接收处理，恢复各用户终端的数据信号。下面将具体介绍下行传输和上行传输过程。
a)下行传输
在下行传输过程中，基站同时发送K个用户终端的信号，第i个光纤收发端口向第k个用户终端发送的信号记为
Figure BDA0002446155890000161
则基站向第k个用户终端发送的信号记为
Figure BDA0002446155890000162
第k个用户终端的接收信号可以表示为
Figure BDA0002446155890000163
其中，
Figure BDA0002446155890000164
表示从基站到第k个用户终端的电信号传输信道增益，nk为高斯噪声，其均值为0，协方差矩阵为对角阵Λk，第(j,j)个对角线元素为
Figure BDA0002446155890000165
基站在信道探测过程中根据接收的探测信号估计上行信道信息，利用下行信道和上行信道的互易性，获得下行信道矩阵。基站到单个用户终端的信道矩阵秩为1，信道矩阵
Figure BDA0002446155890000166
可以分解为列向量与行向量乘积的形式，即
Figure BDA0002446155890000167
基站向第k个用户终端发送的信号
Figure BDA0002446155890000168
是由独立同分布的数据符号
Figure BDA0002446155890000169
经过线性预编码
Figure BDA00024461558900001610
生成。第k个用户终端根据接收的信号，采用线性接收机
Figure BDA00024461558900001611
检测数据信号，即
Figure BDA00024461558900001612
则下行传输中，第k个用户终端的接收信干噪比为
Figure BDA00024461558900001613
当发送信号
Figure BDA0002446155890000171
为零均值单位方差的均匀分布时，可达和速率表示为
Figure BDA0002446155890000172
其中，κ＝6/(πe)。在单个光纤收发端口功率约束条件下，最大化系统和速率的问题可以表示为
Figure BDA0002446155890000173
其中，ei＝[0,...,0,1,0,...,0]T为单位向量，只有第i个元素为1，其余元素为0，pd为基站侧单个光纤收发端口的功率约束。
上述最大化系统和速率的最优线性接收机为
Figure BDA0002446155890000174
最优线性预编码为
Figure BDA0002446155890000175
其中，
Figure BDA0002446155890000176
系数aj和bk分别为
Figure BDA0002446155890000177
对角阵D是辅助矩阵，使得预编码向量满足约束条件。最优线性预编码可以通过如下算法获得：
步骤1，初始化预编码向量
Figure BDA0002446155890000178
以及对角阵D(0)，根据公式(31)计算和速率初始值(Rd)(0)，设置迭代指示i＝1。
步骤2，根据公式(35)计算系数aj以及bk。
步骤3，根据公式(34)更新预编码向量
Figure BDA0002446155890000179
计算和速率(Rd)(i)。
步骤4，计算与功率约束之间的差值
Figure BDA0002446155890000181
其中diag(·)表示由对角线元素构成的列向量。
步骤5，如果||Δ||≤∈，∈为误差门限，则终止迭代；否则，更新D(i)＝D(i-1)+tΔ，其中t为更新步长，设置i＝i+1，返回步骤2。
上述迭代算法终止时，可以得到最优预编码向量
Figure BDA0002446155890000182
因此，在光纤使能光无线通信下行传输中，基站利用预编码向量
Figure BDA0002446155890000183
向第k个用户终端发送信号，第k个用户终端利用线性接收向量
Figure BDA0002446155890000184
对接收的信号进行检测，恢复基站发送的数据信号。
b)上行传输
在光纤使能光无线通信上行传输过程中，用户终端利用信道的互易性通过下行信道估计获得上行信道信息，并设计线性预编码发送独立的信号，基站接收到用户终端发送信号的叠加。记
Figure BDA0002446155890000185
为第k个用户终端发送的上行信号，其可以表示为
Figure BDA0002446155890000186
其中
Figure BDA0002446155890000187
为用户侧预编码向量，
Figure BDA0002446155890000188
为第k个用户终端的发送信号。则基站侧接收信号可以表达为
Figure BDA0002446155890000189
其中，
Figure BDA00024461558900001810
为第k个用户终端到基站的上行传输电信号增益，由于信道矩阵的秩为1，其可以分解为列向量与行向量乘积的形式，即
Figure BDA00024461558900001811
z为基站侧电信号噪声，其均值为0，协方差矩阵为对角阵Λ，第(i,i)个元素为
Figure BDA00024461558900001812
基站根据接收的信号，采用线性接收机
Figure BDA00024461558900001813
检测第k个用户终端的发送信号，即
Figure BDA00024461558900001814
则第k个用户终端的接收信干噪比为
Figure BDA00024461558900001815
上行传输系统和速率为
Figure BDA00024461558900001816
在总功率约束的条件下，设计线性预编码以及线性接收机最大化上行传输系统和速率，该问题可以表示为
Figure BDA0002446155890000191
其中，pu为上行传输中每个用户终端的功率约束。满足上述功率约束条件下，最大化上行传输系统和速率的最优预编码向量为
Figure BDA0002446155890000192
最优线性接收机为
Figure BDA0002446155890000193
其中，ck为与第k个用户终端发送功率相关的辅助变量。当ck≠0或者
Figure BDA0002446155890000194
时，ck满足
Figure BDA0002446155890000195
最优线性预编码和线性接收机可以通过如下算法获得：
步骤1，初始化
Figure BDA0002446155890000196
根据公式(41)和(42)计算预编码向量以及接收机向量，并利用公式(39)计算上行传输和速率Ru，设置k＝1。
步骤2，在给定其他用户终端ci值的情况下，根据公式(43)计算ck值，并根据公式(41)和(42)更新预编码向量以及接收机向量，利用公式(39)计算上行传输和速率R(k)。
步骤3，如果R(k)＞Ru，更新Ru＝R(k)，设置ck为根据公式(43)计算的结果；否则，保持ck不变。
步骤4，设置k＝k+1，如果k≤K，返回步骤2；否则，终止迭代。
通过上述算法，可以获得各用户终端最优ck值，根据公式(41)和(42)计算预编码向量
Figure BDA0002446155890000201
以及接收机向量
Figure BDA0002446155890000202
在光纤使能光无线通信上行传输中，第k个用户终端利用预编码向量
Figure BDA0002446155890000203
向基站发送信号，基站利用线性接收向量
Figure BDA0002446155890000204
检测第k个用户终端的信号。
上述以最大化系统和速率为目标设计最优线性预编码和最优线性接收机为例做示例性说明，基站也可以根据信道矩阵分解的行向量采用最大比发射(MRT,maximal ratiotransmission)或正则化迫零(RZF,regularized zero forcing)等预编码方法进行预编码设计，也可以根据各用户信道矩阵分解的列向量采用最大比合并(MRC,maximal ratiocombining)接收机，此处不再一一赘述。
(5)波束分多址(BDMA)光无线通信方法
为降低系统构建成本，FE-OWC系统收发端可以不配置与光收发链路相对应的宽带A/D和宽带D/A模块，在此情况下，基站可以同多个用户终端或大量用户终端实现波束分多址(BDMA)通信。值得注意的是，即使收发端不配置宽带A/D和宽带D/A模块，为实现通信过程的有效控制，系统中可以配置适当带宽的A/D和D/A模块，同时即使收发端配置宽带A/D和宽带D/A模块，仍然可以使用BDMA通信方法，来降低数字基带处理的复杂度。光纤使能波束分多址光无线通信方法为：基站根据各用户终端的信道信息为不同的用户终端分配互不重叠的波束，每个波束发送和接收最多一个用户终端的信号，利用不同方向的光波束同时与用户终端双向通信；用户终端根据信道信息挑选基站对应方向的波束，利用单个波束与单个基站进行通信。具体通信过程包含如下四个步骤：同步、信道探测、下行传输以及上行传输。1)基站广播下行同步信号，用户终端利用接收信号建立并保持与基站同步。2)用户终端发送上行探测信号，基站根据接收的探测信号为每个用户终端分配波束，同一时频资源上与基站通信的用户，所分配的波束互不重叠且每个用户仅分配一个波束。3)下行传输过程中，基站根据波束分配结果，在每个用户终端分配的波束上发送独立信号，各用户终端根据接收到的信号，挑选基站对应的波束进行接收检测。4)上行传输过程中，各用户终端在基站对应的波束上发送信号，基站根据波束分配的结果，在每个用户终端分配的波束接收检测各用户终端的发送信号。下行传输和上行传输过程具体为：
a)下行传输
在光纤使能波束分多址下行传输过程中，基站为不同的用户终端分配互不重叠的波束，利用不同的波束向不同用户终端发送信号。当基站分配给第k个用户终端的波束为ik时，第k个用户终端发送信号的预编码向量为
Figure BDA0002446155890000205
其中ei为单位向量，其第i个元素为1，其余元素为0。由于基站分配给不同用户终端的波束互不重叠，因而不同用户终端的预编码向量相互正交，即
Figure BDA0002446155890000211
在这种情况下，基站在第ik个波束上，以功率p向第k个用户终端发送信号。用户终端根据接收信号强度挑选基站对应的波束进行接收，即接收向量为
Figure BDA0002446155890000212
其中jk表示在第k个用户终端侧基站对应的光纤收发端口。
由于在波束分多址下行传输中，基站挑选不同的发送波束发送不同用户终端的信号，用户终端挑选基站对应的波束接收信号，因而多用户下行传输链路可以分解为多个并行的单用户链路。基站可以采用基带调制(如OOK调制)方式生成用户模拟基带发送信号，用户终端根据接收信号强度，挑选基站对应的波束，在对应的波束上采用基带解调(如OOK解调)方式生成数字基带信号。因而，基站和用户终端可以不需要使用A/D和D/A器件，极大降低了超高速无线传输系统的实现复杂度。
b)上行传输
在光纤使能波束分多址上行传输过程中，根据光线传输路径的可逆性，第k个用户终端利用第jk个光纤端口发送信号，即上行传输的预编码向量为
Figure BDA0002446155890000213
基站根据接收信号，在第ik个波束上接收检测第k个用户终端的信号，即基站检测第k个用户终端的接收向量为
Figure BDA0002446155890000214
由于基站分配给不同用户终端的波束互不重叠，基站利用不同的光纤收发端口接收检测不同用户终端的信号，因此多用户上行传输链路也可以分解为多个并行的单用户链路。每个用户终端在基站对应的波束上，采用基带调制(如OOK调制)方式生成模拟基带信号，基站根据波束分配的结果，在每个用户终端分配的波束上采用基带解调(如OOK解调)方式进行解调，生成各用户终端的数字基带信号，可以避免使用A/D和D/A器件，降低系统实现复杂度。
图5展示了在一个面积为16m×16m高为8m的大型场景(如候机厅、体育馆)中，系统吞吐量随着光纤收发端口个数增长的示意图，该场景中有300个用户终端。在下行传输过程中，将多用户MIMO/大规模MIMO传输方法(图中Optimal)以及波束分多址(BDMA)传输的性能与最大比发射(MRT,maximal ratio transmission)和正则化迫零预编码(RZF,regularized zero forcing)进行了对比，最大比发射和正则化迫零预编码的预编码向量分别为
Figure BDA0002446155890000215
其中，βMRT和βRZF为功率系数满足功率约束条件，α是正则化因子。图5中(a)为下行传输性能示意图，随着光纤收发端口个数的增长，波束分多址传输的性能优于RZF以及MRT逼近最优性能，并且系统吞吐量超过1Tbps。在上行传输过程中，将最优设计方案以及波束分多址(BDMA)传输的性能与最大比合并(MRC,maximal ratio combining)进行对比，最大比合并的接收向量为
Figure BDA0002446155890000221
图5中(b)展示了上行传输性能示意图，可以看出随着光纤收发端口个数的增加，波束分多址传输的性能逼近最优传输，优于MRC的性能。另外，在光纤收发端口个数较大的情况下，波束分多址下行传输和上行传输的系统实现复杂度非常低。

Claims (18)

1.一种光天线，其特征在于：包括光纤收发端口阵列以及透镜或反射镜，所述光天线中的光纤收发端口包括光纤端口和微透镜，为扩大光纤端口发出和接收光线的角度范围，所述微透镜靠近光纤端口放置；在发送信号的过程中，单个光纤端口发出的光信号经过微透镜折射后，生成具有一定角度范围的光波束，单个光纤收发端口发出的光再经过透镜折射或反射镜反射后在某一方向生成具有一定角度范围的光波束，不同光纤收发端口发出的光折射或反射到不同方向；在接收信号的过程中，来自不同方向的接收光线经过透镜折射或反射镜反射后耦合进不同的光纤收发端口进行接收，微透镜再将一定角度范围内的光信号耦合进光纤端口，不同光纤收发端口接收不同方向的光信号；利用光纤收发端口阵列以及透镜或反射镜生成不同方向的光波束，不同光波束覆盖不同区域，光纤收发端口阵列生成的所有光波束覆盖整个通信区域，实现通信区域全波束覆盖。
2.光纤使能光无线通信FE-OWC装置，其特征在于：包括根据权利要求1所述的光天线以及光收发链路；光天线用于发送和接收不同方向的光信号；光天线与光收发链路通过光纤直接连接，或通过光交换单元连接；光收发链路用于实现光信号与电信号的相互转换；单个FE-OWC装置与单个或一组FE-OWC装置进行无线通信。
3.根据权利要求2所述的FE-OWC装置，其特征在于：所述光收发链路用于实现光信号与电信号的相互转换；在发送信号的过程中，电信号加上偏置电流后驱动激光器，生成与电信号对应的光信号，或采用外调制器方式，将激光源产生的光信号与电信号输入外调制器，生成对应的光信号，光信号经过光放大器放大后通过光纤传输到光天线；在接收信号的过程中，光天线接收的信号通过光纤传输到光收发链路，经过光放大器放大后，利用光探测器检测光信号，转换为对应的电信号。
4.根据权利要求2所述的FE-OWC装置，其特征在于：当光天线与光收发链路直接连接时，每个光收发链路对应一个光纤收发端口，光收发链路个数与光纤收发端口个数相同；当光天线与光收发链路通过光交换单元连接时，光收发链路个数小于等于光纤收发端口个数，光交换单元用于切换光收发链路与光纤收发端口的对应关系，将光收发链路中的信号与光天线生成的波束相对应。
5.根据权利要求2所述的FE-OWC装置，其特征在于：基站侧FE-OWC装置还包括基带信号处理单元，所述基带信号处理单元包含A/D和D/A模块以及数字基带处理与控制模块；下行传输过程中，基站侧的数字基带处理与控制模块用于实现用户调度以及多用户预编码传输，生成每个用户终端的发送信号，D/A模块用于将数字基带处理与控制模块生成的发送信号转化为模拟信号输入光收发链路；上行传输过程中，A/D模块用于将基站侧光收发链路输出的电信号转化为数字信号，数字基带处理与控制模块用于对多用户接收信号进行检测，恢复每个用户终端的发送信号。
6.根据权利要求2所述的FE-OWC装置，其特征在于：用户终端侧FE-OWC装置还包括基带信号处理单元，所述基带信号处理单元包含A/D和D/A模块以及数字基带处理与控制模块；下行传输过程中，A/D模块用于将用户终端侧光收发链路输出的电信号转化为数字信号，数字基带处理与控制模块用于对接收信号进行检测，恢复基站的发送信号；上行传输过程中，用户终端侧的数字基带处理与控制模块用于实现预编码传输，D/A模块用于将生成的发送信号转化为模拟信号输入光收发链路。
7.根据权利要求2所述的FE-OWC装置，其特征在于：基站侧FE-OWC装置还包括基带信号处理单元，所述基带信号处理单元包含基带调制与基带解调模块以及数字基带处理与控制模块；下行传输过程中，基站侧的数字基带处理与控制模块用于为不同用户终端分配互不重叠的波束集合，生成向各用户终端发送的数字基带信号，基带调制模块用于生成向各用户终端发送的模拟基带信号，传输到对应的光收发链路，利用相应的光纤收发端口进行发送；上行传输过程中，基带解调模块用于将基站侧光收发链路输出的模拟基带接收信号进行解调，生成数字基带信号，数字基带处理与控制模块用于根据波束分配的结果以及每个用户终端对应波束上的数字基带信号恢复各用户终端的发送信号。
8.根据权利要求2所述的FE-OWC装置，其特征在于：用户终端侧FE-OWC装置还包括基带信号处理单元，所述基带信号处理单元包含基带调制与基带解调模块以及数字基带处理与控制模块；下行传输过程中，用户终端侧基带解调模块用于将光收发链路输出的模拟信号进行解调，生成数字基带信号，数字基带处理与控制模块用于挑选基站对应的光纤收发端口，根据其接收数字基带信号恢复基站侧的发送信号；上行传输过程中，用户终端侧的数字基带处理与控制模块用于生成上行数字基带发送信号，基带调制模块用于生成模拟基带发送信号，传输到光收发链路，利用与基站对应的光纤收发端口进行发送。
9.光纤使能光无线通信FE-OWC系统，其特征在于：所述FE-OWC系统的基站和用户终端配置均配置根据权利要求2-4任一项所述的FE-OWC装置；或者基站配置权利要求5所述的FE-OWC装置，用户终端配置根据权利要求6所述的FE-OWC装置；或者基站配置权利要求7所述的FE-OWC装置，用户终端配置根据权利要求8所述的FE-OWC装置。
10.光纤使能光无线通信FE-OWC系统，其特征在于：所述FE-OWC系统的基站配置根据权利要求2-5任一项所述的FE-OWC装置，用户终端配置根据权利要求2-4、6任一项所述的FE-OWC装置，基站与用户终端之间实现多用户MIMO或大规模MIMO光无线通信；或者基站配置根据权利要求2-4、7任一项所述的FE-OWC装置，用户终端配置根据权利要求2-4、8任一项所述的FE-OWC装置，基站与用户终端之间实现波束分多址BDMA光无线通信。
11.光纤使能光无线通信FE-OWC方法，其特征在于：所述通信方法基于根据权利要求10所述的FE-OWC系统，计算单链路传输的链路预算并建立收发端电信号传输信道模型；链路预算包括发送端电光转换、光无线信道增益、接收端光电转换以及接收端电噪声；发送端电光转换部分根据电光转换器件的光电特性，建立发送端输出的光功率与输入电信号之间的对应关系；光无线信道增益为发送端光纤收发端口到接收端光纤收发端口之间的无线信道增益；接收端光电转换部分考虑接收光信号经过光放大器放大以及光探测器检测两个过程，建立接收端输入光信号与输出电信号之间的转换关系；接收端电噪声包括光放大器和光探测器引入的电噪声，建立单个链路接收电信号中信号功率与噪声功率之间的关系；在单个链路预算的基础上，建立完整的从发送端到接收端电信号传输的信道模型；基于该信道模型，基站和用户终端之间实施多用户MIMO或大规模MIMO或波束分多址光无线通信方法。
12.根据权利要求11所述的FE-OWC方法，其特征在于：所述光无线信道增益描述从发送端到接收端光无线传输的信道增益，包括发送端的波束建模、自由空间传输信道增益、接收端光纤收发端口接收功率比率以及光纤端口的耦合效率四个部分；发送端的波束建模描述光纤收发端口发出的光线经过透镜折射或反射镜反射后生成单个波束的光强分布，随着发送端光纤收发端口个数的增加，单个光纤收发端口到不同用户终端的光强渐进正交；自由空间传输信道增益考虑光波束经过自由空间从发送端到接收端的传输过程，其与传输距离的平方成反比；接收端光纤收发端口接收功率比率描述单个光纤收发端口接收的光功率占用户总接收功率的比率，其与接收平面上接收光线投影和光纤收发端口的公共面积成正比；光纤端口的耦合效率为光纤端口处的接收光线能够耦合进入光纤的比率，其与入射光线在光纤端口处的角度范围和光纤端口的接收角的公共区域成正比。
13.光纤使能光无线通信FE-OWC方法，其特征在于：所述通信方法为基于根据权利要求10所述的FE-OWC系统实现的多用户MIMO或大规模MIMO光无线通信方法，具体通信过程包含如下步骤：
同步：基站广播下行同步信号，用户终端利用接收信号建立并保持与基站同步；
信道探测：用户终端发送上行探测信号，基站根据接收的探测信号估计各用户终端的信道信息；
下行传输：基站利用各用户终端的信道信息以及信道的低秩特性进行预编码传输，同时发送所有用户终端的信号，包括导频信号和数据信号，各用户终端根据接收的导频信号估计信道信息，并利用信道信息恢复数据信号；
上行传输：用户终端利用预编码传输同时向基站发送信号，包括导频信号和数据信号，基站接收到所有用户终端的信号叠加，根据导频信号估计各用户终端的信道信息，并利用信道的低秩特性进行接收处理，恢复各用户终端的数据信号。
14.根据权利要求11或13所述的FE-OWC方法，其特征在于：下行传输过程中，基站通过上行探测过程估计每个用户终端到基站的上行信道，利用信道的互易性获得下行信道，将信道矩阵分解为列向量与行向量的乘积，并计算各用户终端的接收信干噪比以及可达和速率，在单个光纤收发端口功率约束条件下，以最大化系统和速率为目标设计最优线性预编码；或者基站根据信道矩阵分解的行向量采用最大比发射MRT或正则化迫零RZF预编码方法，利用预编码向量同时发送所有用户终端的信号，包括导频信号和数据信号；上行传输过程中，基站接收到所有用户终端的信号叠加，根据接收的导频信号估计各用户终端的上行信道矩阵，并将其分解为列向量与行向量的乘积，以最大化系统和速率为目标设计最优线性接收机；或者基站根据各用户信道矩阵分解的列向量采用最大比合并MRC接收机，利用线性接收机对接收的数据信号进行检测，恢复各用户终端的发送信号。
15.根据权利要求11或13所述的FE-OWC方法，其特征在于：下行传输过程中，各用户终端根据接收的导频信号估计下行传输信道矩阵，并将其分解为列向量与行向量的乘积，以最大化系统和速率为目标设计最优线性接收机，用户终端利用最优线性接收机对接收的数据信号进行检测；上行传输过程中，各用户终端利用信道的互易性，根据下行信道估计获得上行信道信息，并将信道矩阵分解为列向量与行向量的乘积，在总功率约束的条件下，以最大化系统和速率为目标设计最优预编码向量，用户终端利用预编码向量同时发送上行信号，包括导频信号和数据信号。
16.光纤使能光无线通信FE-OWC方法，其特征在于：所述通信方法为基于根据权利要求10所述的FE-OWC系统实现的波束分多址光无线通信方法，所述波束分多址光无线通信方法为基站根据各用户终端的信道信息为不同的用户终端分配互不重叠的波束，每个波束发送和接收最多一个用户终端的信号，利用不同方向的光波束同时与用户终端双向通信；用户终端根据信道信息挑选基站对应方向的波束，利用单个波束与单个基站进行通信；具体通信过程包含如下步骤：
同步：基站广播下行同步信号，用户终端利用接收信号建立并保持与基站同步；
信道探测：用户终端发送上行探测信号，基站根据接收的探测信号为每个用户终端分配波束，同一时频资源上与基站通信的用户，所分配的波束互不重叠且每个用户仅分配一个波束；
下行传输：基站根据波束分配结果，在每个用户终端分配的波束上发送独立信号，各用户终端根据接收到的信号，挑选与基站对应的波束进行接收检测；
上行传输：各用户终端在基站对应的波束上发送信号，基站根据波束分配的结果，在每个用户终端分配的波束上接收检测各用户终端的发送信号。
17.根据权利要求11或16所述的FE-OWC方法，其特征在于：下行传输过程中，基站根据波束分配的结果，在每个用户终端分配的波束上向其发送信号，不同波束发送不同用户终端的信号，多用户下行传输链路分解为多个并行的单用户链路，基站采用基带调制方式生成用户模拟基带发送信号；上行传输过程中，基站根据波束分配的结果，在每个用户终端分配的波束上接收检测该用户终端的发送信号，基站利用不同的波束接收检测不同用户终端的信号，多用户上行传输链路分解为多个并行的单用户链路，基站采用基带解调方式生成各用户终端的数字基带信号。
18.根据权利要求11或16所述的FE-OWC方法，其特征在于：下行传输过程中，各用户终端根据接收信号的强度，挑选基站对应的波束，在对应的波束上采用基带解调方式生成数字基带信号；上行传输过程中，每个用户终端在基站对应的波束上，采用基带调制方式生成模拟基带信号。
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