CN111615799A - 用于分布式微波mimo通信的微波频率电信号的光分配的系统和方法 - Google Patents

用于分布式微波mimo通信的微波频率电信号的光分配的系统和方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种微波发射系统，该微波发射系统利用光纤来传送微波频率源。本机振荡器产生电形式的微波频率源。直调激光器接收第一微波频率源并产生光信号。光纤用于将光信号从激光器传送到光电探测器。光电探测器接收光信号的第一分量，并将光信号的第一分量转换为电形式的第二微波频率源。微波调制器使用第二微波频率源执行微波调制，以及微波天线用于发射第一微波调制器的输出。对于MIMO操作，可以有第二微波调制器。微波频率源也可以使用光纤传送到第二微波调制器，或者，该源可以靠近两个微波调制器中的一个，并且使用光纤传送到两个微波调制器中的另一个。

Description

用于分布式微波MIMO通信的微波频率电信号的光分配的系统 和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年1月19日递交的发明名称为“用于分布式微波MIMO通信的微波频率电信号的光分配的系统和方法”、申请号为15/875,065的美国专利申请的优先权，其内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本申请涉及微波MIMO通信。
背景技术
视距(line of sight，LOS)微波MIMO通信通常涉及分开若干米的两个或更多天线。设计可以与非相干频率源一起工作的LOS MIMO系统的各种尝试尚未成功。备选方案是基于相干频率源的LOS MIMO系统。然而，对于微波MIMO系统，将相干频率源分配到多个室外单元以用于MIMO发送或接收仍然有显著的障碍。
在使用单个频率源而没有特殊分配机制的系统中，天线之间可能仅存在非常小的间隔，从而导致低MIMO容量。
为了达到更好的MIMO容量，需要室外单元的天线之间的间隔较大。在这样的系统中，从单个频率源开始，难以获得两个天线处的信号之间的所需相干性。通过波导将单个信号分配到多个室外单元是昂贵的，并且涉及困难的安装程序。在同轴电缆上的分配是昂贵且有损耗的。
发明内容
提供了一种微波发射系统，该微波发射系统利用光纤来传送由本机微波频率振荡器提供的微波参考频率信号。利用调制光源，例如直调激光二极管，将微波频率信号转换为光学形式。然后，将光学形式的参考频率信号传送到一个或多个微波调制器或解调器。该光学形式的参考频率信号转换回电形式以便在微波调制器或解调器处使用。有利地，这允许微波频率信号以精确的频率传送到远离本机振荡器的微波调制器或解调器。
根据本发明的一个方面，提供了一种微波发射系统，包括：本机振荡器，用于产生第一微波频率电信号；光源，用于接收上述第一微波频率电信号并产生光信号；至少一根光纤，用于传送光信号；第一光电探测器，用于接收上述光信号的第一分量并将上述光信号的上述第一分量转换为第二微波频率电信号；第一微波调制器，用于使用上述第二微波频率电信号执行微波调制；第一微波天线，用于发射上述第一微波调制器的输出。
可选地，光源包括直调激光二极管。
可选地，上述系统还包括：第二微波调制器，用于接收上述第一微波频率电信号，并使用上述第一微波频率电信号执行微波调制；第二微波天线，用于发射上述第二微波调制器的输出。
可选地，上述系统还包括第一室外单元和第二室外单元，其中：第一室外单元包括本机振荡器、光源、第二微波调制器、和第二微波天线；第二室外单元包括第一光电探测器、第一微波调制器、和第一微波天线。
可选地，上述系统还包括分光器，上述分光器将上述光信号分成上述光信号的上述第一分量和上述光信号的第二分量；其中，上述至少一根光纤包括用于将上述光信号传送到上述分光器的第一光纤、用于传送上述光信号的上述第一分量的第二光纤、以及用于传送上述光信号的上述第二分量的第三光纤；第二光电探测器，用于接收上述光信号的上述第二分量并将上述光信号的上述第二分量转换为第三微波频率电信号；第二微波调制器，用于使用上述第三微波频率电信号执行微波调制；第二微波天线，用于发射上述第二微波调制器的输出。
可选地，上述系统还包括室内单元、第一室外单元、和第二室外单元，其中：第一室外单元包括第一光电探测器、第一微波调制器、和第一微波天线；第二室外单元包括第二光电探测器、第二微波调制器、和第二天线；室内单元包括本机振荡器和光源。
可选地，该系统还包括MIMO处理器，该MIMO处理器用于从输入数据流产生第一MIMO分量和第二MIMO分量，其中，连接第一微波调制器以接收并调制第一MIMO分量，以及连接第二微波调制器以接收并调制第二MIMO分量。
可选地，该系统还包括MIMO处理器，该MIMO处理器用于从输入数据流产生第一MIMO分量和第二MIMO分量，其中，连接第一微波调制器以接收并调制第一MIMO分量，以及连接第二微波调制器以接收并调制第二MIMO分量。
可选地，该系统还包括MIMO处理器，该MIMO处理器用于从输入数据流产生第一MIMO分量和第二MIMO分量，其中，连接第一微波调制器以接收并调制第一MIMO分量，以及连接第二微波调制器以接收并调制第二MIMO分量。
可选地，MIMO处理器包括解复用器以及MIMO预编码器，解复用器用于将输入数据流解复用为第一数据流和第二数据流，MIMO预编码器用于从第一数据流和第二数据流产生第一MIMO预编码输出和第二MIMO预编码输出；其中，上述第一MIMO分量和上述第二MIMO分量是上述第一MIMO预编码输出和上述第二MIMO预编码输出。
可选地，上述系统还用于使用上述至少一根光纤在上述两个室外单元之间交换数据信号。
根据本发明的另一方面，提供了一种包括如上所述的微波发射系统的微波MIMO发射器；还提供了一种微波MIMO接收器。
根据本发明的另一方面，提供了一种包括第一微波MIMO发射器和第一微波MIMO接收器的第一微波MIMO收发器，第一微波MIMO发射器包括如上所述的微波发射系统；还提供了第二微波MIMO收发器，包括第二微波MIMO发射器和第二微波MIMO接收器。
根据本发明的另一方面，提供了一种方法，包括：产生第一微波频率电信号；通过使用上述第一微波频率电信号调制光源来产生光信号；用至少一根光纤传送上述光信号；接收光信号的第一分量并将接收到的第一分量转换为第二微波频率电信号；使用上述第二微波频率电信号执行第一微波调制；用第一微波天线发射上述执行第一微波调制的输出。
可选地，该方法还包括接收第一微波频率电信号，并使用第一微波频率电信号执行第二微波调制；用第二微波天线发射执行第二微波调制的输出。
可选地，该方法还包括利用分光器将光信号分成光信号的第一分量和光信号的第二分量；其中，利用光纤传送上述光信号包括利用第一光纤将上述光信号传送到上述分光器，利用第二光纤传送上述光信号的上述第一分量，以及利用第三光纤传送上述光信号的上述第二分量；该方法还包括：接收光信号的第二分量并将光信号的第二分量转换为第二微波频率电信号；使用第二微波频率电信号执行第二微波调制；用第二发射天线发射执行第二微波调制的输出。
可选地，该方法还包括执行MIMO处理以从输入数据流产生第一MIMO分量和第二MIMO分量，其中，执行第一微波调制包括调制第一MIMO分量，并且执行第二微波调制包括调制第二MIMO分量。
可选地，执行MIMO处理包括：将输入数据流解复用为第一数据流和第二数据流；对第一数据流和第二数据流进行MIMO预编码以产生第一MIMO预编码输出和第二MIMO预编码输出；其中，上述第一MIMO分量和上述第二MIMO分量是上述第一MIMO预编码输出和上述第二MIMO预编码输出。
可选地，该方法还包括使用至少一根光纤在两个室外单元之间交换数据信号。
附图说明
图1A描绘了MIMO微波系统的框图，其中，单个本机振荡器用来生成用于两个微波调制器的微波频率电信号。
图1B描绘了MIMO微波系统的框图，其中，单个本机振荡器用来生成用于两个微波解调器的微波频率电信号。
图1C描绘了MIMO微波系统的框图，其中，微波频率电信号在本机提供给多个微波调制器或多个解调器的其中一个，并且经由光纤递送到多个微波调制器或多个解调器中的另一个。
图2A描绘了微波调制器的示例性实现和数据发送的路径的示例性实现的框图。
图2B描绘了微波解调器的示例性实现和数据接收的路径的示例性实现的框图。
图3描绘了本发明的实施例所提供的分置式架构(split mount architecture)的示意图。
图4描绘了本发明的实施例所提供的主从架构的示意图。
图5是执行微波频率电信号的光分配的方法的流程图。
具体实施方式
一般地，本公开的实施例提供了微波频率源信号的光分配方法和系统，例如用于分布式微波MIMO通信。
为了例图的简单和清楚，附图标记可能在图中重复以指示对应或类似的元件。阐述了许多细节以提供对本文上述的示例的理解。可以在没有这些细节的情况下实践这些示例。在其它示例中，没有详细描述公知的方法、过程、和组件，以避免使所描述的示例模糊。不应认为本说明书限于本文上述的示例的范围。
现在参考图1A，示出了本发明的实施例提供的MIMO微波系统的框图，其中，单个本机振荡器用于生成用于两个微波调制器的微波频率电信号。该系统包括输出微波频率电信号的本机振荡器100。在一些实施例中，本机振荡器100输出频率在6GHz到43GHz范围内的信号，但是还可以输出其它频率的信号。本机振荡器100的输出连接到直调激光器102的输入。更一般地，可以采用产生光学输出的任何适当的调制光源，例如具有外部调制器的调制LED或激光二极管。激光器102的输出连接到光纤104，该光纤通过分光器106连接到两根光纤110、112。每根光纤110、112连接到相应的光电探测器(photodetector，PD)114、116。光电探测器114、116的输出通过放大器115、117连接到微波调制器118、120，上述调制器连接到微波天线119、121。在一些实施例中，放大器115、微波调制器118、和天线119在第一室外单元中，并且放大器117、微波调制器120、和天线121在第二室外单元中。两个室外单元在物理上彼此隔开，以实现MIMO通信所需的分离。
在工作时，本机振荡器100生成微波频率电信号。上述微波频率电信号由直调激光器102转换为光信号，并且该光信号在光纤104上输出。信号在分光器106中分离，光信号的第一分量和第二分量被引导至两根光纤110、112。光信号的两个分量中的每一个由两个光电探测器114、116中的相应一个探测，以在两个位置处，即在连接到相应的两个微波调制器118、120的放大器115、117的输入处，再现微波频率电信号。每个微波调制器118、120使用频率源的两个再现之一执行微波调制，并在微波天线119、121之一上输出微波信号。
示例功率预算如下：
a.本机振荡器100的输出处的功率：Pout_LO在+8dBm
b.直调激光器的输出端的功率：Pout_DML在+12dBm
c.光电探测器的输入端的功率：每接收器的Pin_PD在+6dBm
d.光电探测器的输出端的功率：Pout_PD在-20dBm
e.放大器的输出端的功率：Pout_Amp＝+8dBm。
现在参考图1B，示出了由本发明的实施例提供的MIMO微波系统的框图，其中，单个本机振荡器用于生成由两个微波解调器使用的微波频率电信号。除了微波解调器130、132代替了图1A的微波调制器118、120之外，该系统与参考图1A描述的系统相同。操作是类似的，但是微波信号由微波天线119、121接收，并且使用微波解调器130、132使用分布式微波频率电信号来解调。
在另一实施例中，将图1A和图1B的功能组合，其中，第一本机振荡器为两个调制器生成微波频率源信号(用于MIMO发送)，而第二本机振荡器为两个解调器生成微波频率电信号(用于MIMO接收)。在一些实施例中，包含两根光纤的股线用于承载发射微波频率信号和接收微波频率信号。
在另一实施例中，在发射微波频率电信号和接收微波频率电信号之间使用固定频率间隔。在这样的实施例中，可以使用单个微波频率电信号。如在其它实施例中那样，使用直调激光器、光纤、和光电探测器将其传送到第一调制器和第一解调器，并且传送到第二调制器和第二解调器。在别的地方处理所需的发射频率和接收频率之间的差异。
在一些实施例中，在发射微波频率的频率处的共享微波频率信号的情况下，在IDU内部使用发射频率和接收频率之间的间隔(例如1008MHz)来创建发射频率和接收频率之间的发射接收间隔。
ODU处的单个光分布式频率源将射频(radio frequency，RF)接收信号转换为中频(intermediate frequency，IF)接收信号(发送给IDU)。该中频是发射频率和接收频率之间的频率差。ODU还将从IDU接收的中频发射信号转换为RF发射信号。
还可以有其它架构。图1A和图1B的示例涉及用于发射、接收、或发射和接收的2x2MIMO。类似的方法可用于NxN MIMO的发射、接收、或发射和接收，其中，N＞2。
在另一实施例中，微波频率电信号在本机被提供给多个微波调制器或多个解调器的其中一个，并且经由光纤递送到多个微波调制器或多个解调器中的另一个。图1C中描述了一个例子。这里，来自本机振荡器100的微波频率电信号直接(即以电形式)传递到在图1C中称为本机微波调制器或解调器140的多个微波调制器或多个解调器之一。微波频率电信号经由如前所述的光通道传递到另一个微波调制器或解调器，而不需要分光器，该另一个微波调制器或解调器称为间隔微波调制器或解调器，因为它与本机微波调制器或解调器142物理上隔开。下面描述的图4的分置式架构是这种方法的示例。在这种情况下，由直调激光器产生的整个光信号传递到间隔微波调制器。
现在参考图2A，示出了本发明的实施例所提供的MIMO微波系统的框图，该系统基于图1A的系统，但是示出了微波调制器118、120的示例实现的具体细节，并且还示出了用于数据传输的路径的示例实现。更具体地说，示出了连接到解复用器204的数据源200，该解复用器将来自数据源200的数据解复用成两个数据流S0、S1。这两个数据流输入到MIMO预编码器206，其执行MIMO预编码以产生用于两个微波调制器118、120的两个MIMO预编码输出。更一般地，在一些实施例中，存在MIMO处理器，其从输入数据流产生第一MIMO分量和第二MIMO分量，以由两个微波调制器进行调制。与MIMO预编码器206组合的解复用器204是具体示例。
将描述微波调制器118的示例性实现的细节。微波调制器120的示例是相同的。在该示例中，微波调制器118包括低通滤波器232、IF(中频)放大器234、混频器236、基片集成波导(substrate integrated waveguide,SIW)带通滤波器240、前置放大器242、和功率放大器244，上述器件依次连接在一起。混频器236还连接到放大器115的输出。在工作时，预编码的输出之一在滤波器232中进行低通滤波，并且在IF放大器234中进行放大。然后，在混频器236中与微波频率电信号进行混频。混频器236的输出在带通滤波器240中进行滤波，在前置放大器242中进行前置放大，并且在功率放大器244中进行功率放大。
作为如图2A的实施例中使用单独的数据发送路径的备选，在另一实施例中，MIMO预编码信号(MIMO预编码器206的输出)与微波频率电信号复用，并在光纤112、110上传递到调制器118、120。在特定示例中，第二激光器用数字预编码信号调制，并且结果在光域中与直调激光器102的输出复用。
现在参考图2B，示出了由本发明的实施例提供的MIMO微波系统的框图，其基于图1B的系统，但是示出了微波解调器130、132的示例实现的具体细节，并且还示出了用于数据接收的路径的示例实现。对于数据接收，来自微波解调器130、132的解调信号由MIMO解码器220接收，该MIMO解码器将两个数据流产生为两个数据流S0、S1，然后在复用器222中，这两个数据流被复用为单个流以用于数据宿(data sink)224。将通过示例的方式描述微波解调器130。微波解调器130包括依次连接在一起的低噪声放大器270、SIW带通滤波器272、混频器274、IF放大器276、和低通滤波器278。天线119在微波解调器130的输入处连接到低噪声放大器270。
现在参考图3，示出了由本发明的实施例提供的分置式架构的示意图。示出了通过光纤362、364连接到两个室外单元(outdoor unit，ODU)358、360的室内单元(indoor unit，IDU)350。IDU 350具有风扇352、双中频板354和系统控制、开关和定时板356。用于产生一个或多个微波频率电信号并将其转换为光信号的功能由双中频板354执行。室外单元358、360包括根据前述实施例的微波调制器和解调器中的至少一个，并且包括光电探测器以将接收的光信号转换为微波载波以供本机使用。
现在参考图4，示出了由本发明的实施例提供的主从架构的示意图。示出了两个室外单元(ODU)300、302。室外单元300、302连接到相应的室外网络电缆306、308。每个室外单元300、302包括微波调制器和微波解调器中的至少一个。两个室外单元300、302通过光纤304互连。室外单元之一300包括微波频率源(未示出)，并且使用与先前其它实施例描述的相同的功能经由光纤304将微波频率源传送到另一室外单元302，上述功能包括直调激光器和光电探测器(未示出)，但不包括分光器。在这种情况下，室外单元300作为主机，室外单元302作为从机。在一些实施例中，光纤304还在两个室外单元300、302之间传送数字采样，并将微波频率信号从主单元300传送到从单元302。在所示的示例中，数字采样可以在两个方向上交换，而微波频率信号在从ODU 300到ODU 302的一个方向上。
图1A或图1C的功能可以用于微波MIMO发射器，而图1B或图1C的功能可以用于微波MIMO接收器。在一些实施例中，单向微波MIMO链路是用包括图1A或图1C的功能的微波MIMO发射器和包括图1B或图1C的功能的微波MIMO接收器的组合来实现的。
更一般地，在另一实施例中，单向链路包括微波MIMO发射器和微波MIMO接收器。微波MIMO发射器或微波MIMO接收器采用根据本文描述的实施例之一的分布式微波频率源。
根据上述示例之一，还可以形成包括两个单向链路的功能的双向微波MIMO链路。第一微波MIMO收发器包括第一微波MIMO发射器和第一微波MIMO接收器，并且第二微波MIMO收发器包括第二MIMO发射器和第二微波MIMO接收器。
现在参考图5，示出了微波电频率信号的光分配方法的流程图。该方法开始于框500，产生第一微波频率电信号。框502涉及通过使用第一微波频率电信号调制光源来产生光信号。框504涉及用至少一根光纤来传送光信号。框506涉及接收光信号的第一分量并将所接收的第一分量转换为第二微波频率电信号。框508涉及使用第二微波频率电信号执行第一微波调制。框510涉及用第一微波天线发射上述执行第一微波调制的输出。
图5的方法提供了经由光纤的微波电频率信号的光分配，以用于执行第一微波调制。例如，这可以是从室内单元到室外单元，或者从一个室外单元到另一个室外单元。可选地，相同的方法用于传送微波频率信号以用于执行第二微波调制。
可以根据上述教导实施本公开的许多修改和变化。因此，应理解，在所附权利要求的范围内，可以以不同于本文具体描述的方式实施本公开。

Claims (17)

1.一种微波发射系统，包括：
本机振荡器，用于产生第一微波频率电信号；
光源，用于接收所述第一微波频率电信号并产生光信号；
至少一根光纤，用于传送所述光信号；
第一光电探测器，用于接收所述光信号的第一分量并将所述光信号的所述第一分量转换为第二微波频率电信号；
第一微波调制器，用于使用所述第二微波频率电信号执行微波调制；
第一微波天线，用于发射所述第一微波调制器的输出。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光源包括直调激光二极管。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的系统，还包括：
第二微波调制器，用于接收所述第一微波频率电信号，并使用所述第一微波频率电信号执行微波调制；
第二微波天线，用于发射所述第二微波调制器的输出。
4.根据权利要求3所述的系统，包括第一室外单元和第二室外单元，其中：
所述第一室外单元包括所述本机振荡器、所述光源、所述第二微波调制器和所述第二微波天线；
所述第二室外单元包括所述第一光电探测器、所述第一微波调制器、和所述第一微波天线。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，还包括：
分光器，将所述光信号分成所述光信号的所述第一分量和所述光信号的第二分量；
其中，所述至少一根光纤包括用于将所述光信号传送到所述分光器的第一光纤、用于传送所述光信号的所述第一分量的第二光纤、以及用于传送所述光信号的所述第二分量的第三光纤；
第二光电探测器，用于接收所述光信号的所述第二分量并将所述光信号的所述第二分量转换为第三微波频率电信号；
第二微波调制器，用于使用所述第三微波频率电信号执行微波调制；
第二微波天线，用于发射所述第二微波调制器的输出。
6.根据权利要求5所述的系统，包括室内单元、第一室外单元和第二室外单元，其中：
所述第一室外单元包括所述第一光电探测器、所述第一微波调制器、和所述第一微波天线；
所述第二室外单元包括所述第二光电探测器、所述第二微波调制器、和所述第二天线；
所述室内单元包括所述本机振荡器和所述光源。
7.根据权利要求3至5中任一项所述的系统，还包括：
MIMO处理器，用于从输入数据流产生第一MIMO分量和第二MIMO分量，其中，连接所述第一微波调制器以接收并调制所述第一MIMO分量，并且连接所述第二微波调制器以接收并调制所述第二MIMO分量。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述MIMO处理器包括解复用器以及MIMO预编码器，所述解复用器用于将所述输入数据流解复用为第一数据流和第二数据流，所述MIMO预编码器用于从所述第一数据流产生第一MIMO预编码输出并从所述第二数据流产生第二MIMO预编码输出；
其中，所述第一MIMO分量是所述第一MIMO预编码输出，所述第二MIMO分量是所述第二MIMO预编码输出。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的系统，还用于使用所述至少一根光纤在所述两个室外单元之间交换数据信号。
10.一种系统，包括：
包括根据权利要求1所述的微波发射系统的微波MIMO发射器；
微波MIMO接收器。
11.一种系统，包括：
第一微波MIMO收发器，包括第一微波MIMO发射器和第一微波MIMO接收器，所述第一微波MIMO发射器包括根据权利要求1所述的微波发射系统；
第二微波MIMO收发器，包括第二微波MIMO发射器和第二微波MIMO接收器。
12.一种方法，包括：
产生第一微波频率电信号；
通过使用所述第一微波频率电信号调制光源来产生光信号；
用至少一根光纤传送所述光信号；
接收所述光信号的第一分量并将接收到的所述第一分量转换为第二微波频率电信号；
使用所述第二微波频率电信号执行第一微波调制；
用第一微波天线发射所述执行第一微波调制的输出。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
接收所述第一微波频率电信号，并使用所述第一微波频率电信号执行第二微波调制；
用第二微波天线发射执行第二微波调制的输出。
14.根据权利要求12和13中任一项所述的方法，还包括：
用分光器将所述光信号分成所述光信号的所述第一分量和所述光信号的第二分量；
其中，用光纤传送所述光信号包括用第一光纤将所述光信号传送到所述分光器，用第二光纤传送所述光信号的所述第一分量，以及用第三光纤传送所述光信号的所述第二分量；
所述方法还包括：
接收所述光信号的所述第二分量并将所述光信号的所述第二分量转换为第二微波频率电信号；
使用所述第二微波频率电信号执行第二微波调制；
用第二发射天线发射执行第二微波调制的输出。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括：
执行MIMO处理以从输入数据流产生第一MIMO分量和第二MIMO分量，
其中，执行第一微波调制包括调制所述第一MIMO分量，执行第二微波调制包括调制所述第二MIMO分量。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，执行MIMO处理包括：
将输入数据流解复用为第一数据流和第二数据流；
对所述第一数据流和所述第二数据流进行MIMO预编码以产生第一MIMO预编码输出和第二MIMO预编码输出；
其中，所述第一MIMO分量是所述第一MIMO预编码输出，所述第二MIMO分量是所述第二MIMO预编码输出。
17.根据权利要求13所述的方法，还包括：
使用所述至少一根光纤在两个室外单元之间交换数据信号。
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