CN113285903B - 一种大规模mimo-ofdm光无线通信系统及其低峰均比通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规模MIMO‑OFDM光无线通信系统及其低峰均比通信方法，该系统包含多个光发送节点和光接收节点；每个光发送节点配备由光纤端口阵列和发送透镜构成的光天线，光纤端口包含光纤口和光纤透镜；光纤透镜调整光纤口生成光波束的宽度，不同光纤端口发出的光经发送透镜折射到不同的光接收节点；光接收节点利用接收透镜将不同方向的接收波束折射到不同的光接收单元进行检测；通信方法为在系统功率和发送信号峰均比约束下设计预编码矩阵，最大化系统和速率；本发明显著提升同时通信的光接收节点个数以及每个光接收节点的信号流数，大幅降低每个光纤端口的发送信号峰均比。

Description

一种大规模MIMO-OFDM光无线通信系统及其低峰均比通信 方法

技术领域

本发明涉及一种光无线通信系统及通信方法，特别是涉及一种大规模MIMO-OFDM光无线通信系统及其低峰均比通信方法。

背景技术

随着移动通信技术和物联网的发展，对无线通信传输速率的提出了更高的要求。受限于射频频谱资源过于短缺，光无线通信作为一种新型无线通信方式，成为近年来研究的热点。光无线通信可以提供额外的带宽资源，从而实现高速数据传输。相比于传统无线通信技术，光无线通信技术具有安全性高、低功耗、频谱无需授权和抗电磁干扰等方面的优势，因此，一直被认为是未来移动通信的可供选择的技术之一。

在光无线通信系统中，通常使用幅度调制和强度检测，大多数场景只考虑直达经传输情况，因此信道具有高度相关性，限制系统性能的大幅提升。当采用非成像MIMO光通信系统时，基站中的发射端口会输出全向光信号，由于发射端口阵列到用户的距离远大于发射端口阵列的尺寸，信道高度相关，因此一个发射端口阵列只能发射一个数据流。为了支持多用户传输，需要在不同位置安装多个发射端口阵列，同时服务的用户数受限于发射端口阵列数，影响系统和速率性能。对于采用光OFDM调制的MIMO光无线系统，峰均比问题较为严重，当发射功率较高时，容易进入光发射机的非线性发射区，影响系统性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大规模MIMO-OFDM光无线通信系统及其低峰均比通信方法；在本发明中光发送节点利用光纤端口阵列和发送透镜同时向多个光接收节点传输数据信号，光接收节点利用光接收单元阵列和接受透镜接收多个发送节点的信号，显著提升传输数据流数和系统速率容量，提高单个节点的传输速率，并克服OFDM信号的高峰均比问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种多波束生成光天线

包括光纤收发端口阵列和透镜，所述光纤收发端口阵列包括多个光纤端口和多个光纤透镜，所述光纤端口的数量与所述光纤透镜的数量相同，其中，每个所述光纤透镜均具有圆柱形结构，并且其折射率分布满足由轴中心向外逐渐增大，轴中心的折射率最低，与包层连接处的折射率最大；所述光纤端口与所述光纤透镜之间通过熔接的方式进行连接或者通过连接器件进行活动连接；

在发送光信号的时候，不同的光纤端口发出的光信号经过其连接的光纤透镜扩束后形成一组固定束宽的光波束，不同的光波束经过透镜折射到不同方向；

在接收光信号的时候，不同方向的接收信号经过透镜折射到不同的光纤端口，由所述的光纤透镜耦合进入光纤中进行接收。

大规模MIMO-OFDM光无线通信系统

包括至少两个光发送节点，且分布在不同位置；多个所述光发送节点共同覆盖同一通信区域，每个所述的光发送节点均包括所述的光天线，多个光纤端口在多个在通信区域生成多个光波束，相邻光纤端口生成的光波束在光强衰减到1/2处交叠，相隔一个或多个的光纤端口生成的光束不互相重叠；

包括至少两个光接收节点，且分布在不同位置；所述的每个光接收节点均包括所述的光天线；光信号经过透镜折射到相应的光纤端口，使每个光纤端口接收来自一个方向的波束，相邻的光纤端口对应接收波束存在重叠，相隔一个或多个的光纤端口对应接收波束不互相重叠。

进一步的，所述光无线通信系统采用DCO-OFDM调制，包括基站侧装置和用户终端侧装置；

所述基站侧装置包括厄密特对称模块、预编码模块、IDFT处理模块、直流偏置模块和电光转换模块，用于实现多用户预编码传输；

所述用户终端侧装置包括光电转换模块、DFT处理模块、接收检测模块，用于对接收信号进行检测，恢复每个用户终端的发送信号。

大规模MIMO-OFDM光无线通信系统的低峰均比通信方法

每个光发送节点通过上行信道探测或者光接收节点反馈获得每个光接收节点的信道信息，利用该信道信息，在总功率约束以及峰均比约束条件下，设计预编码矩阵，最大化系统和速率。

进一步的，所述低峰均比通信方法具体包括如下步骤：

步骤S1、待发送信号经过厄密特对称，生成具有对称结构的发送符号；

步骤S2、发送信号经过预编码矩阵，生成频域发送信号；

步骤S3、频域发送信号经过IDFT处理，生成时域发送信号；

步骤S4、在时域发送信号中，通过添加直流偏置生成单极OFDM信号，完成DCO-OFDM调制；

步骤S5、调制后的单极OFDM信号经光发射机完成从电信号到光信号的转换，通过光天线发送到不同的光接收节点；

步骤S6、接收端利用光接收节点将光信号转换为电信号；

步骤S7、接收电信号进行DFT变换，通过接收矩阵完成检测接收，估计得到发送信号。

进一步的，每个光发送节点拥有所有光发送节点到所有不同光接收节点的信道信息，所述信道信息包括该光发送节点到光接收节点的完整信道矩阵，或者是该光发送节点中一个或多个光纤端口到光接收节点中一个或多个光纤端口的信道子矩阵；当光发送节点采用上行信道探测方式获得信道信息时，光接收节点向光发送节点发送导频信号，光发送节点根据接收的导频信号估计上行信道信息，并利用信道互易性获得下行信道信息；当光发送节点采用上行链路反馈方式获得信道信息时，光发送节点发送导频信号，光接收节点估计信道信息，并通过其他上行链路反馈。

进一步的，所述光接收节点利用所获取的信道信息，构建信道矩阵，采用最大比合并或最小均方误差接收方法，对接收信号进行检测。

本发明的有益效果是：

1、本发明中，单个光发送节点利用光发送单元阵列以及发送透镜可以同时发送多个光接收节点的信号，降低不同光接收节点之间的信号干扰；通过光纤透镜可以控制覆盖区域，适用更广泛的使用场景。

2、本发明中，单个光接收节点利用光接收单元阵列以及接受透镜同时接收多个光发送节点的发送信号，降低不同光发送节点之间的信号干扰。

3、本发明使用的低峰均比预编码方案可以有效降低发送信号峰均比，降低功耗并减小非线性失真。

4、本发明中，多个光发送节点服务多个光接收节点，可以解决单发送节点由于遮挡等因素导致的通信中断，且多个光发送节点同时向单个光接收节点发送多路信号，提升单节点的传输速率。

5、本发明中，当光发送单元个数较多时，利用发送透镜生成不同方向的发送波束，在发送信号过程中，光发送节点仅需获得不同光接收节点对应波束的信道信息，并在相应的波束上发送信号，降低信道信息获取难度以及发送信号设计的复杂度。

6、本发明中，当光接收节点中光接收单元个数较多时，利用接收透镜接收不同方向的波束，在接收信号过程中，光接收节点仅需估计不同光发送节点到其对应光接收单元的信道信息，并在相应的接收波束上检测接收信号，降低信道估计难度以及接收信号处理的复杂度。

附图说明

图1为本发明中多节点网络无线通信系统传输示意图；

图2为本发明中单个光纤发送单元到单个光接收单元的传输示意图；

图3为本发明中光纤透镜的步长等效模型示意图；

图4为本发明中光纤末端连接光纤透镜的示意图；

图5为本发明中使用/不使用光纤透镜的光波束强度对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地描述，显然，所描述的实施例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，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例公开了一种多波束生成光天线，包括光纤收发端口阵列和透镜，光纤收发端口阵列包括多个光纤端口和多个光纤透镜，光纤端口的数量与光纤透镜的数量相同，其中，每个光纤透镜均具有圆柱形结构，如图4所示，并且其折射率分布满足由轴中心向外逐渐增大，轴中心的折射率最低，与包层连接处的折射率最大；光纤端口与光纤透镜之间通过熔接的方式进行连接或者通过连接器件进行活动连接；

在发送光信号的时候，不同的光纤端口发出的光信号经过其连接的光纤透镜扩束后形成一组固定束宽的光波束，不同的光波束经过透镜折射到不同方向；

在接收光信号的时候，不同方向的接收信号经过透镜折射到不同的光纤端口，由的光纤透镜耦合进入光纤中进行接收。

实施例2

本实施例在实施例1的基础之上，提供了一种大规模MIMO-OFDM光无线通信系统，该系统包括至少两个光发送节点，且分布在不同位置；多个光发送节点共同覆盖同一通信区域，每个光发送节点均包括实施例1中提及的光天线，多个光纤端口在多个在通信区域生成多个光波束，相邻光纤端口生成的光波束在光强衰减到1/2处交叠，相隔一个或多个的光纤端口生成的光束不互相重叠；

包括至少两个光接收节点，且分布在不同位置；每个光接收节点均包括实施例1中提及的光天线；光信号经过透镜折射到相应的光纤端口，使每个光纤端口接收来自一个方向的波束，相邻的光纤端口对应接收波束存在重叠，相隔一个或多个的光纤端口对应接收波束不互相重叠。

具体的说，在本实施例中光无线通信系统采用DCO-OFDM调制，包括基站侧装置和用户终端侧装置；基站侧装置包括厄密特对称模块、预编码模块、IDFT处理模块、直流偏置模块和电光转换模块，用于实现多用户预编码传输；用户终端侧装置包括光电转换模块、DFT处理模块、接收检测模块，用于对接收信号进行检测，恢复每个用户终端的发送信号。

实施例3

参见图1-图5，本实施例提供利用收发透镜的低峰均比大规模MIMO-OFDM光无线通信方法，在本方法中，考虑L个光发送节点与K个光接收节点通信的情况，如图1所示，L个光发送节点安装在不同的位置，每个光发送节点包括光天线、光链路和基带单元三部分，其中，光天线包含M个光纤发送端口、M个光纤透镜和一个发送透镜，K个光接收节点随机分布在L个光发送节点的覆盖范围内，每个光接收节点同样包括光天线、光链路和基带单元，其中，光天线包含N个光接收单元和接收透镜。

基带单元负责收发信号的处理功能，包含数字基带处理模块以及A/D和D/A模块，基站与用户终端之间实现大规模MIMO-OFDM光无线通信。在下行传输过程中，基站侧基带单元的数字基带处理模块用于实现多用户预编码传输，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模拟电信号转化为数字电信号，并通过数字基带处理模块实现多用户信号解调，恢复用户终端的发送信号。

光收发链路负责实现电信号和光信号之间的相互转换，通过光纤与光天线的相连，光收发链路个数与光纤端口个数相同。在发送信号的过程中，基站侧光收发链路将基带单元发出的模拟电信号添加直流偏置后驱动激光器，生成对应的光信号，之后光信号经过光放大器放大，通过光纤传输到光天线发送；用户终端侧的光收发链路利用光放大器将光天线接收的光信号放大，通过光探测器将光信号转化为对应电信号，最后传输到基带单元进行信号处理。

光发送节点利用光天线中的光纤端口阵列以及发送透镜生成不同方向的波束。光天线用于发送和接收光信号，包括光纤端口阵列和一个发送接收透镜。光纤端口由光纤和光纤透镜组成，在发送信号的过程中，光纤发出具有一定角度拓展的光波束，经过光纤透镜扩束后生成远场发散角更大的光波束，不同端口发出的光波束被发送透镜折射到不同的方向，利用光纤端口阵列和发送透镜可以生成光波束阵列，完整覆盖整个通信区域，从而实现通信区域中的全光波束覆盖。光接收节点利用光天线中的光纤端口阵列以及接收透镜接收光信号，不同位置的终端发出的光线被接收透镜折射到光纤端口阵列中不同的光纤端口，通过光纤透镜耦合进光纤传输到光收发链路中。

光发送/接收节点利用光发送/接收光纤端口阵列以及发送/接收透镜生成不同方向的波束。光发送光纤端口阵列还可以替换成发光二极管(LED)，激光二极管(LD)，或者其他光发送装置；光纤透镜可以替换成微透镜或其他光学扩束结构；光接收光纤端口阵列还可以替换成光电二极管或其他光检测装置。光发送/接收光纤端口阵列可以采用蜂窝阵列、方形阵列或其他阵列结构。发送/接收透镜可以采用单透镜或多透镜组结构。在单透镜结构下，单透镜需要覆盖整个发送/接收单元，不同单元利用透镜生成不同方向的发送/接收波束；在多透镜组结构下，单个透镜覆盖单个或多个发送/接收单元，整个透镜组覆盖整个发送/接受单元，不同单元利用透镜组生成不同方向的发送/接收单元。本实例以光发送/接收节点配置单透镜结构为例，该方法也可以拓展为光发送/接收节点配置多透镜的情况。

光发送节点利用光天线中的发送光纤阵列以及发送透镜生成不同方向的发送光束，向不同的光接收节点发送光信号；光接收节点利用接收透镜和接收光纤阵列接收来自不同光接收节点的光信号。首先考虑光发送侧发送波束的形成，如图2所示，以光发送节点中单个光纤端口到第k个光接收节点的光线传输路径为例，光纤发出的光强服从高斯分布，则第l个光发送节点中第i个光纤端口发出的光在距离发送单元中心为r，传播距离为z处的光强为：

其中，ω(z)是光束半径，可以用瑞利长度

计算得到：

所使用光纤透镜，其折射率在轴中心处最小，并随着轴距变大而逐渐增加。其折射率分布可以表示为：

n(r)＝n₁(1+β²r²/2) (3)

其中，β是二次折射系数，由于靠近纤芯部分的折射率比靠近光纤包层部分的折射率低，光线会逐渐沿纤镜向外扩散，从而扩大光束宽度。通过合理设计光纤透镜的折射率分布和长度，就可以实现所需的扩束要求。

为了设计光纤透镜参数，本实施例析了光线在光纤透镜中的传播过程。

光纤透镜折射率的连续变化可以看作是一系列微小的折射率步进变化，如图3所示。进入光纤透镜的光线穿过一系列的边界，每次都是从折射率较低的一层进入到折射率较高的一层。最后，光线以较大的角度离开光纤透镜。定义入射角为θ₀，出射角为θ_d，不同折射率层之间的入射角和折射角分别定义为θ₁,θ₂,…,θ_k-1,θ_k。通过斯涅尔定律，可以得到入射处入射角与折射角的关系：

不同的折射层中，其角度关系可以表示为：

n₁·sinθ₁＝n₂·sinθ₂＝…＝n_k·sinθ_k (5)

出射处的角度关系为：

将上述三个式子联合，并将自由空间的折射率n₀＝1代入，可以得到入射角和出射角的角度关系：

从上式可知，在入射角和入射位置固定时，出射角角度与出射角处的折射率正相关。建立圆柱坐标系

其中z轴沿着光纤透镜的轴中心线，定义轴中心线上的折射率为n(0)，在轴距为r的位置处折射率为n(r)，为了方便起见，我们用n替换n(r)，则光线方程可以表示为：

其中，s时光线经过的几何路径。上述三个公式分别为光线方程的径向分量、轴向分量和圆周分量。给定方程的初始条件：

通过化简可以得到光纤透镜的光线方程：

当入射光线为子午光线时，

则上式可以化简为：

通过选择折射率分布系数，可以设计出光纤透镜的长度、半径等各项参数。如图5所示，当使用光纤透镜后，光波束的宽度明显变大。

当光线从第i个光纤透镜以角度

射出，并经过焦距为F的发送透镜后，光线被折射后的光照强度可以表示为：

I(ψ_i)＝I(α^-1ψ_i,d₁)U(θ_d-α^-1ψ_i) (17)

其中，定义α＝1-d₁/F，

是被折射光线偏离折射后中心光线的角度，d₁是光纤透镜发射端距离发送透镜的距离。利用发送透镜，单个光纤发送端口发出的光线经过透镜形成具有一定覆盖范围的波束，如图1所示，波束的方向由光纤端口的水平位置决定，波束的角度范围由光纤透镜与发送透镜间的距离决定。调节光纤端口的水平位置，使相邻发送波束在光强衰减到一半的位置处交叠，相隔的波束间互不重叠。

之后考虑从光发送节点向光接收节点的传输过程。我们考虑一个MIMO-OFDM传输系统，并只关注于其直达径传输，不考虑其他反射分量，信道在整个频带上是平坦的，共N个子载波，且每个子载波的信道矢量是相同的。令ψ_l,m,k代表第l个光发送节点中第m个光纤端口到第k个光接收节点的光线与第l个光发送节点中第i个光纤端口中心光线的夹角，φ_l,k是第l个光发送节点发出的光在第k个光接收节点的入射角，A_k是第k个光接收节点的接收面积，d_l,k是第l个光发送节点到第k个光接收节点的距离，则第l个光发送节点中第m个光纤端口到第k个光接收节点的信道增益可以表示为：

h_l,m,k＝A_kβ(d_l,k)I_i(ψ_l,m,k)cos(φ_l,k) (18)

其中，β(d_l,k)表示由于传播距离引起的信道衰减，与d_l,k的平方成反比。因此，我们可以得到第l个光接收节点到第k个接收节点的第n个子载波的信道矢量：

h_l,k,n＝A_l,kβ(d_l,k)cos(φ_l,k)[I₁(ψ_l,1,k),…,I_M(ψ_l,M,k)]^T (19)

考虑多个光发送节点向多个光接收节点传输信号的过程，每个光发送节点发送所有光接收节点的信号之和，每个光接收节点接收所有光发送节点的发送信号。令第l个光发送节点向第k个光接收节点的第n个子载波的发送信号为x_l,k,n，则第k个光接收节点第n个子载波的接收信号可以表达为

其中，Hl,k,n表示第l个光发送节点到第k个光接收节点的第n个子载波的信道矩阵，其第(i,j)个元素可以表达为[H_l,k,n]_i,j＝h_l,i,k,j,n，z_k,n表示第n个子载波的接收噪声向量，其元素相互独立，符合高斯分布。

光发送节点在发送光信号之前，需要获取其到不同用户的信道信息。该信道信息可以是光发送节点中一个或多个光发送单元到光接收节点中一个或多个光接收单元的信道子矩阵，也可以是所有光发送节点中多有光发送单元到所有光接收节点中光接收节点的完整信道矩阵。该信道信息可以通过上行链路反馈获得，也可以通过上行链路估计获得。在上行链路反馈方法中，光发送节点向光接收节点发送导频信号，光接收节点通过信道估计得到估计信道信息，并通过其他的上行链路将信息反馈到光发送节点。在上行链路估计的方法中，光发送节点配置额外的光接收单元，

光接收节点配置额外的光发送节点，光接收节点通过额外的光发送单元发送上行导频信号，光发送节点通过额外的光接收节点接收导频信号，得到上行信道信息，并根据光路可逆性原理获得光发送节点到光接收节点的信道信息。

光发送节点根据获得的信道信息设计发送信号，可以采用多个光发送节点联合向光接收节点发送信号，或多个光发送节点独立向光接收节点发送信号。采用联合发送方法时，将L个光发送节点到第k个光接收节点的第n个子载波信道系数构成信道矩阵：

H_k,n＝[H_1,k,n H_2,k,n ... H_L,k,n] (21)

根据信道矩阵H_k,n联合设计发送信号。使用DCO-OFDM调制，为了保证发送信号为实数，发送符号被设计成具有厄密特对称的形式，第k个光接收节点的接收信号的频域符号表示为：

s_k＝[0,s_k,1,s_k,2,…,s_k,N/2-1,0,s_k,N/2-1,…,s_k,2,s_k,1]^T (22)

采用独立发送方法时，各个光发送节点根据不同光接收节点的信道信息设计发送相互独立的数据信号。下面以多个光发送节点独立发送信号为例，发送信号的设计方法可以相似的应用于不同的光发送节点联合发送信号场景。光发送信号根据信道信息H_k,n设计发送信号x_l,k,n，可以采用采用正则化迫零(RZF)预编码发送方法，或采用最大比发射(MRT)预编码发送方法，根据信道信息设计预编码矩阵，向光接收节点发送信号，或者采用采用低峰均比最优预编码方案，根据估计的信道信息，通过迭代方法设计最优传输矩阵。光发送节点发送的信号包括导频信号和数据信号，通过导频信号获得估计信道信息。光接收节点根据信道对接收信号进行检测，可以采用基于最大比合并(MRC)或最小化均方误差(MMSE)的线性检测方法或者波束分多址接收检测方法。

具体的发送和接收方法如下：

1、基于RZF或MRT的线性预编码的发送方法

L个光发送节点同时向K个光接收节点发送光信号，每个光发送节点发送K个光接收节点的信号之和，并且每个光发送节点向单个光接收节点发送单个数据流。将独立同分布的数据信号s_l,k,n经过线性预编码w_l,k,n获得，即：

x_l.k.n＝w_l.k.ns_l.k.n (23)

当采用MRT预编码时，预编码向量

可以表示为：

其中，

是峰均比约束因子，是的发送信号x_l,k,n满足相应的峰均比约束，

是功率约束因子，在总功率约束条件下发送信号总功率为P，则功率因子

为：

g_l,k,n是第l个光发送节点中不同光发射单元到第k个光发送节点的第n个子载波的信道增益，表示为：

g_l,k,n＝[g_l,k,1,n g_l,k,2,n … g_l,k,M,n]^T (26)

其中，

当采用RZF预编码时，预编码向量

可以表示为：

其中，

是峰均比约束因子，是的发送信号x_l,k,n满足相应的峰均比约束，

是功率约束因子，在总功率约束条件下发送信号总功率为P，则功率因子β^MRT为：

这里以总功率约束为例，但不限于总功率约束条件，对于其他功率约束条件，设置相应的功率因子β。

2、低峰均比最优预编码方案

低峰均比最优预编码方案为光发送节点根据信道信息为不同的光接收节点分配不同的发送波束集合，利用不同的发送波束集合发送不同的光接收节点信号。第l个光发送节点向第k个光接收节点发送信号x_l,k,n的协方差矩阵：

信号s_l.k.n(n＝0,...,N-1)的幅度约束在

且服从独立同分布，所以对于第k个用户的接收到来自第l个光发送节点的和速率可以表示为：

因此总和速率为：

令Q＝{Q_1,1,1,Q_1,1,2,…,Q_L,K,(N/2-1)}是传输协方差矩阵的集合，则总和速率可以写成：

R_sum＝f(Q)-g(Q) (32)

其中，

总功率约束可以表示为：

对于第l个发送节点中第m个发送单元的峰均比约束，可以写成：

其中，

B_dc,l_,m是第l个发送节点中第m个发送单元的偏置电流。

所以，该问题可以写成优化问题的形式：

该问题可以利用SPCA方法和CCCP方法，在每次迭代时用凸逼近函数代替非凸约束函数，化为一组局部凸函数来求解其KKT解，并通过迭代获得最优值。其迭代过程可以表示为：

通过迭代可以得到低峰均比最优预编码方案的预编码矩阵，实现最优传输。

3、基于MRC或MMSE线性接收机的接收方法

每个光发送节点接收到光发送信号之和，根据不同的光发送节点到不同光接收节点的信道状态信息对接收信号进行检测，得到发送信号。令第k个光接收节点接收到的L个光发送节点的发送信号之和y_k，利用接收向量r_l,k检测第l个光发送节点的发送信号，即：

接收向量r_l,k根据等效信道信息

进行设计，当采用最大比合并(MRC)线性接收方案时，接收向量为：

当采用最小均方误差(MMSE)方案时，接收向量为：

其中，

σ²是噪声方差。第k个光接收节点对检测结果r_l,k进行译码，恢复原始发送信号，获得第l个发送节点的数据。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.大规模MIMO-OFDM光无线通信系统，其特征在于，包括至少两个光发送节点，且分布在不同位置；多个所述光发送节点共同覆盖同一通信区域，每个所述的光发送节点均包括多波束生成光天线，多个光纤端口在多个在通信区域生成多个光波束，相邻光纤端口生成的光波束在光强衰减到1/2处交叠，相隔一个或多个的光纤端口生成的光束不互相重叠；

包括至少两个光接收节点，且分布在不同位置；所述的每个光接收节点均包括所述的多波束生成光天线；光信号经过透镜折射到相应的光纤端口，使每个光纤端口接收来自一个方向的波束，相邻的光纤端口对应接收波束存在重叠，相隔一个或多个的光纤端口对应接收波束不互相重叠；

其中，所述的多波束生成光天线，其包括：

光纤收发端口阵列和透镜，所述光纤收发端口阵列包括多个光纤端口和多个光纤透镜，所述光纤端口的数量与所述光纤透镜的数量相同，其中，每个所述光纤透镜均具有圆柱形结构，并且其折射率分布满足由轴中心向外逐渐增大，轴中心的折射率最低，与包层连接处的折射率最大；所述光纤端口与所述光纤透镜之间通过熔接的方式进行连接或者通过连接器件进行活动连接；

在发送光信号的时候，不同的光纤端口发出的光信号经过其连接的光纤透镜扩束后形成一组固定束宽的光波束，不同的光波束经过透镜折射到不同方向；

在接收光信号的时候，不同方向的接收信号经过透镜折射到不同的光纤端口，由所述的光纤透镜耦合进入光纤中进行接收。

2.根据权利要求1所述的大规模MIMO-OFDM光无线通信系统，其特征在于，所述光无线通信系统采用DCO-OFDM调制，包括基站侧装置和用户终端侧装置；

所述基站侧装置包括厄密特对称模块、预编码模块、IDFT处理模块、直流偏置模块和电光转换模块，用于实现多用户预编码传输；

所述用户终端侧装置包括光电转换模块、DFT处理模块、接收检测模块，用于对接收信号进行检测，恢复每个用户终端的发送信号。

3.根据权利要求1-2中任一权利要求所述的大规模MIMO-OFDM光无线通信系统的低峰均比通信方法，其特征在于，每个光发送节点通过上行信道探测或者光接收节点反馈获得每个光接收节点的信道信息，利用该信道信息，在总功率约束以及峰均比约束条件下，设计预编码矩阵，最大化系统和速率。

4.根据权利要求3所述的低峰均比通信方法，其特征在于，所述低峰均比通信方法具体包括如下步骤：

步骤S1、待发送信号经过厄密特对称，生成具有对称结构的发送符号；

步骤S2、发送信号经过预编码矩阵，生成频域发送信号；

步骤S3、频域发送信号经过IDFT处理，生成时域发送信号；

步骤S4、在时域发送信号中，通过添加直流偏置生成单极OFDM信号，完成DCO-OFDM调制；

步骤S5、调制后的单极OFDM信号经光发射机完成从电信号到光信号的转换，通过光天线发送到不同的光接收节点；

步骤S6、接收端利用光接收节点将光信号转换为电信号；

步骤S7、接收电信号进行DFT变换，通过接收矩阵完成检测接收，估计得到发送信号。

5.根据权利要求4所述的低峰均比通信方法，其特征在于，每个光发送节点拥有所有光发送节点到所有不同光接收节点的信道信息，所述信道信息包括该光发送节点到光接收节点的完整信道矩阵，或者是该光发送节点中一个或多个光纤端口到光接收节点中一个或多个光纤端口的信道子矩阵；当光发送节点采用上行信道探测方式获得信道信息时，光接收节点向光发送节点发送导频信号，光发送节点根据接收的导频信号估计上行信道信息，并利用信道互易性获得下行信道信息；当光发送节点采用上行链路反馈方式获得信道信息时，光发送节点发送导频信号，光接收节点估计信道信息，并通过其他上行链路反馈。

6.根据权利要求5所述的低峰均比通信方法，其特征在于，所述光接收节点利用所获取的信道信息，构建信道矩阵，采用最大比合并或最小均方误差接收方法，对接收信号进行检测。

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