CN114793136B - 一种基于光信能同传的5g微基站全双工通信系统 - Google Patents

一种基于光信能同传的5g微基站全双工通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于光电技术和通信技术领域，更具体地，涉及一种基于光信能同传的5G微基站全双工通信系统，通过搭建单模和多模光纤双纤信能同传网络，给远端无源的无线信号系统提供信号和能量支持。一方面，利用两组可调谐激光源和两组光环形器，近端的一路空载波回传上行信号来实现远端5G微基站系统的全双工通信；另一方面，由于多模光纤损伤阈值大的特性可传输高功率激光，通过光伏转化器为远端天线及调制器、放大器提供电能开销，提高了光电效率，降低了远端功耗，实现了全双工5G微基站通信系统。

Description

一种基于光信能同传的5G微基站全双工通信系统
技术领域
本发明属于光电技术和通信技术领域，更具体地，涉及一种基于光信能同传的5G微基站全双工通信系统。
背景技术
随着5G时代的蓬勃发展，移动办公、远程教育、电子商务、云计算等对无线数据传输速率有了更高的要求。当前形势下提升移动网络质量，构建更合理更高效的无线通信网络是研究热点。然而由于传统无线通信如4G通信工作频率较低，频段较窄1880-1900MHz、2320-2370MHz、2575-2635MHz导致带宽受限，5G网络采用更高的频率及更大带宽3300-3400MHz、3400-3600MHz和4800-5000MHz以提升传输容量。同时由于基站射频信号频率提高，无线信号路径损耗增大，长距离无线传输受限。因此增加微基站数量以提升微基站覆积率是一种可靠手段。
远端微基站兼有通信互联功能和用电开销，利用光纤通信技术可实现搭建远端无源的微基站系统，核心在于光信能同传网络，即通过光纤载波同时传输信号和能量，光信号和光能量在接收端分离，光信号由光电探测器转化为电信号做信号处理，光能量由光伏电池转化为电能为探测器及微基站系统供能。近端将高能激光器和发射机集中化，通过光纤将能量传输和信号传输系统简化，远端基站实现无源化，降低了布线难度和高压危险。光信息能量同传可分为单纤信能同传和双纤信能同传。其中，单纤传输方案相对简洁，基于单纤信能共传方案主要有两种，一是利用双包层结构特种光纤在光纤芯层传输1550nm信号光及内包层传输850nm能量光以实现单纤共传，可实现大带宽和高能量的信能同传，难点在于特种光纤及其对应的耦合器和光剥离器难以制备且难以获得较大效率，类似的有多芯光纤；二是采用单模光纤，能量激光波段为1480nm，信号光波段1550nm，在收端做分路及解调，但是入纤光功率受限于受激拉曼散射和受激布里渊散射难以实现高功率的能量传输。双纤方案基于两根光纤，多模光纤用于导入高能830～1100nm激光，接收端由光伏电池进行光电转化；另有单模光纤用于传输信号光，常用C波段光源1530nm～1565nm，双纤系统可实现大带宽和高能量的信能同传，由于远端无源化，在远端实现信号回传成为一大难题，主要在于激光光源功耗开销较大。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中的缺陷，提供一种基于光信能同传的5G微基站全双工通信系统，提高了光电效率，降低了远端功耗，实现了全双工5G微基站通信系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于光信能同传的5G微基站全双工通信系统，包括近端设备、远端设备和波导介质，近端设备通过波导介质连接远端设备；其中，
所述的波导介质包括单模光纤和多模光纤；光信号通过单模光纤双向传输，光能量通过多模光纤传输；
所述的近端设备包括：
信号发射端：包括第一窄带可调谐激光器、第二窄带可调谐激光器、信号发生器、第一调制器、第一波分复用器、第一掺铒光纤放大器、第一光环形器；其中，所述第一窄带可调谐激光器连接第一调制器，同时所述第一调制器接信号发生器，所述第一调制器的输出端与所述第二窄带可调谐激光器共同接第一波分复用器，合束后顺序连接第一掺铒光纤放大器、第一光环形器；
上行信号接收端：包括第二光电探测器、信号分析仪；所述第二光电探测器光输入端连接第一光环形器的输出端，所述第二光电探测器的电信号输出端连接信号分析仪；
能量发射端：包括高功率激光器；所述高功率激光器的光输出端连接多模光纤；
所述的远端设备包括：
下行信号接收端：包括第二光环形器、第二波分复用器、第一光电探测器、第二调制器、第二掺铒光纤放大器、低噪声放大器、接收天线、功率放大器、发射天线；其中，所述第二光环形器的输入端连接单模光纤，另一输入端连接第二掺铒光纤放大器，输出端连接第二波分复用器；所述第二波分复用器的两个输出端口分别连接第一光电探测器和第二调制器；所述第一光电探测器的电信号输出端顺序连接功率放大器、发射天线；所述接收天线连接低噪声放大器，输出电信号加载于第二调制器；所述第二调制器连接第二掺铒光纤放大器；
能量接收端：包括光伏转化器、稳压器，所述光伏转化器的光输入端连接多模光纤，电输出端连接稳压器。
在本发明中，通过搭建单模和多模光纤双纤信能同传网络，给远端无源的无线信号系统提供信号和能量支持。一方面，利用两组可调谐激光源和两组光环形器，近端的一路空载波回传上行信号来实现远端5G微基站系统的全双工通信；另一方面，由于多模光纤损伤阈值大的特性可传输高功率激光，通过光伏转化器为远端天线及调制器、放大器提供电能开销，完全实现远端5G微基站系统的无源改造。本发明实质上提供了一种利用大容量高功率的双纤信能同传系统以实现远端无源系统的全双工通信方案。
进一步的，所述的第一窄带可调谐激光器用于调制光信号，所述的第二窄带可调谐激光器用于空载波；第一窄带可调谐激光器与第二窄带可调谐激光器发射的波长的间隔由第一波分复用器决定，200GHz对应C波段1.6nm。外调制器高阶调制格式性能优于内调制器，对于无线下行信号可做256QAM调制，上行信号可做64QAM调制。
进一步的，所述的第一光环形器和第二光环形器用于光纤两端收发机的双向实时通信，近端发射光信号连接远端接收机，远端经处理的无线上行信号连接近端接收机，
进一步的，所述的第二波分复用器用于对两路信号光做波分，调制信号光由远端第一光电探测器转化为电信号，经由功率放大器发送给发射天线产生无线下行信号。
进一步的，所述的接收天线将无线信号转化为电信号，电信号由低噪声放大器放大，通过第二调制器将上行电信号调制到另一路空载波，光载波经第二掺铒光纤放大器放大后通过第二光环形器回到近端接收机。
进一步的，所述的第二光电探测器将上行光信号做光电探测，探测电信号由信号分析仪做数字信号处理，包括EVM误差矢量幅度和BER误码率的测量。
进一步的，所述的高功率激光器通过多模光纤单向传输，由远端光伏转化器进行光电转化，电流通过稳压器输送给远端各个用电单元；远端用电单元包括第一光电探测器、第二掺铒光纤放大器；同时需要一定直流偏置电压的有发射天线的功率放大器、接收天线的低噪声放大器，以及第二调制器。
进一步的，系统输出光功率表示为：
Pout＝Pin-αfiber·Lfiber-αcon·Ncon
系统光电转化效率为：
Figure BDA0003587319450000041
其中，η表示为系统光电转化效率，Pe_out表示为系统输出电功率，Pout、Pin分别表示为系统输出、输入光功率，αfiber为传输损耗，Lfiber为传输距离，αcon为连接损耗，Ncon为连接头个数。
进一步的，所述的第一窄带可调谐激光器和第二窄带可调谐激光器采用窄线宽分布式反馈激光器。
进一步的，所述的第一波分复用器和第二波分复用器的带宽为200GHz，第一窄带可调谐激光器和第二窄带可调谐激光器的波长分别为1550.517nm、1552.122nm；所述的高功率激光器的波段为830nm～1100nm；所述的信号发生器的下行信号调制格式为256QAM，上行信号的调制格式为64QAM。
与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种基于光信能同传的5G微基站全双工通信系统，通过在发射端引入一路空载波和两组光环形器，实现远端无源网络接收天线的上行信号光载波回传，进而实现5G微基站的全双工通信系统；通过信号光纤和能量光纤分离，避免高入纤功率下产生非线性效应引发串扰，同时能量光在大孔径多模光纤传输损耗更低。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图。
图2是上行信号星座图。
图3是高功率激光器1km传输转化效率图。
附图标记：1、单模光纤；2、多模光纤；3、第一窄带可调谐激光器；4、第二窄带可调谐激光器；5、信号发生器；6、第一调制器；7、第一波分复用器；8、第一掺铒光纤放大器；9、第一光环形器；10、第二光电探测器；11、信号分析仪；12、高功率激光器；13、第二光环形器；14、第二波分复用器；15、第一光电探测器；16、第二调制器；17、第二掺铒光纤放大器；18、低噪声放大器；19、接收天线；20、功率放大器；21、发射天线；22、光伏转化器；23、稳压器。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。下面结合具体实施方式对本发明作在其中一个实施例中说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。
实施例1：
如图1所示，虚线为近端、远端框架，带箭头实线为光传输路径和电信号路径，粗实线为电能连接。
本实施例提供一种基于光信能同传的5G微基站全双工通信系统，包括近端设备、远端设备和波导介质，近端设备通过波导介质连接远端设备；其中，波导介质包括单模光纤1和多模光纤2；光信号通过单模光纤1双向传输，光能量通过多模光纤2传输。
近端设备包括信号发射端、上行信号接收端、能量发射端；
信号发射端：包括第一窄带可调谐激光器3、第二窄带可调谐激光器4、信号发生器5、第一调制器6、第一波分复用器7、第一掺铒光纤放大器8、第一光环形器9；其中，第一窄带可调谐激光器3连接第一调制器6，同时第一调制器6接信号发生器5，第一调制器6的输出端与第二窄带可调谐激光器4共同接第一波分复用器7，合束后顺序连接第一掺铒光纤放大器8、第一光环形器9；
上行信号接收端：包括第二光电探测器10、信号分析仪11；第二光电探测器10光输入端连接第一光环形器9的输出端，第二光电探测器10的电信号输出端连接信号分析仪11；
能量发射端：包括高功率激光器12；高功率激光器12的光输出端连接多模光纤2。
远端设备包括下行信号接收端、能量接收端；
下行信号接收端：包括第二光环形器13、第二波分复用器14、第一光电探测器15、第二调制器16、第二掺铒光纤放大器17、低噪声放大器18、接收天线19、功率放大器20、发射天线21；其中，第二光环形器13的输入端连接单模光纤1，另一输入端连接第二掺铒光纤放大器17，输出端连接第二波分复用器14；第二波分复用器14的两个输出端口分别连接第一光电探测器15和第二调制器16；第一光电探测器15的电信号输出端顺序连接功率放大器20、发射天线21；接收天线19连接低噪声放大器18，输出电信号加载于第二调制器16；第二调制器16连接第二掺铒光纤放大器17；
能量接收端：包括光伏转化器22、稳压器23，光伏转化器22的光输入端连接多模光纤2，电输出端连接稳压器23。
具体的，第一窄带可调谐激光器3用于调制光信号，第二窄带可调谐激光器4用于空载波；第一窄带可调谐激光器3与第二窄带可调谐激光器4发射的波长的间隔由第一波分复用器7决定，200GHz对应C波段1.6nm。外调制器高阶调制格式性能优于内调制器，对于无线下行信号可做256QAM调制，上行信号可做64QAM调制。
其中，第一光环形器9和第二光环形器13用于光纤两端收发机的双向实时通信，近端发射光信号连接远端接收机，远端经处理的无线上行信号连接近端接收机。第二波分复用器14用于对两路信号光做波分，调制信号光由远端第一光电探测器15转化为电信号，经由功率放大器20发送给发射天线21产生无线下行信号。接收天线19将无线信号转化为电信号，电信号由低噪声放大器18放大，通过第二调制器16将上行电信号调制到另一路空载波，光载波经第二掺铒光纤放大器17放大后通过第二光环形器13回到近端接收机。第二光电探测器10将上行光信号做光电探测，探测电信号由信号分析仪11做数字信号处理，包括EVM误差矢量幅度和BER误码率的测量。
另外，高功率激光器12通过多模光纤2单向传输，由远端光伏转化器22进行光电转化，电流通过稳压器23输送给远端各个用电单元；远端用电单元包括第一光电探测器15、第二掺铒光纤放大器17；同时需要一定直流偏置电压的有发射天线21的功率放大器20、接收天线19的低噪声放大器18，以及第二调制器16。
系统输出光功率表示为：
Pout＝Pin-αfiber·Lfiber-αcon·Ncon
系统光电转化效率为：
Figure BDA0003587319450000071
其中，η表示为系统光电转化效率，Pe_out表示为系统输出电功率，Pout、Pin分别表示为系统输出、输入光功率，αfiber为传输损耗，Lfiber为传输距离，αcon为连接损耗，Ncon为连接头个数。
工作原理：
第一窄带可调谐激光器3、第二窄带可调谐激光器4分别发射波长为λ1和λ2的激光，信号发生器5产生下行信号，由第一调制器6将此射频信号加载到波长λ1的光载波上，同时波长λ2的光不加载信号。波长为λ1和λ2的两路光由第一波分复用器7耦合后，先经过第一掺铒光纤放大器8进行光功率放大，再接入第一光环形器9，第一光环形器9对应输出端连接单模光纤1传输到远端。
远端混合光信号先接入第二光环形器13，输出端接入第二波分复用器14进行波束分离，分离的λ1波段光信号由第一光电探测器15转化为电信号，电信号通过功率放大器20放大后接入发射天线21，至此近端发射机的信号由远端发射天线21传播到自由空间。
远端接收天线19同时接收自由空间其他用户的5G频段信号，接收的电信号由低噪声放大器18放大，作为信号源输入第二调制器16，λ2波段的空载波由第二波分复用器14分离后输入第二调制器16，至此接收天线19的电信号加载到λ2波段的激光上，再经第二掺铒光纤放大器17放大后，输入第二光环行器，通过单模光纤1回传至近端。
近端的上行光信号先由第一光环行器分离，之后接入第二光电探测器10进行光电转化为电信号，接入信号分析仪11做数字信号处理。
近端高功率激光器12直接接入多模光纤2，远端光输出到光伏转化器22，光电转化之后的电能由稳压器23进行变压和稳压，稳压的电流连接第一光电探测器15，第二掺铒光纤放大器17以提供电能，同时接入第二调制器16、低噪声放大器18、功率放大器20以提供偏置电压。
实施例2
本实施例与实施例1其它结构相同，不同的是，在本实施例中，第一窄带可调谐激光器3和第二窄带可调谐激光器4采用窄线宽分布式反馈激光器。
实施例3
本实施例与实施例1其它结构相同，不同的是，在本实施例中，第一波分复用器7和第二波分复用器14的带宽为200GHz，第一窄带可调谐激光器3和第二窄带可调谐激光器4的波长分别为1550.517nm、1552.122nm；高功率激光器12的波段为830nm～1100nm；信号发生器5的下行信号调制格式为256QAM，上行信号的调制格式为64QAM。
如图2所示，为64QAM上行信号星座图，EVM＝2.76％。
如图3所示，为976nm激光器经105/125 0.22NA多模光纤2传输1km的光电效率及功率图，最大入纤光功率101W时输出电功率10.7W，效率10.6％。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于光信能同传的5G微基站全双工通信系统，其特征在于，包括近端设备、远端设备和波导介质，近端设备通过波导介质连接远端设备；其中，
所述的波导介质包括单模光纤(1)和多模光纤(2)，光信号通过单模光纤(1)双向传输，光能量通过多模光纤(2)传输；
所述的近端设备包括：
信号发射端：包括第一窄带可调谐激光器(3)、第二窄带可调谐激光器(4)、信号发生器(5)、第一调制器(6)、第一波分复用器(7)、第一掺铒光纤放大器(8)、第一光环形器(9)；其中，所述第一窄带可调谐激光器(3)连接第一调制器(6)，同时所述第一调制器(6)接信号发生器(5)，所述第一调制器(6)的输出端与所述第二窄带可调谐激光器(4)共同接第一波分复用器(7)，合束后顺序连接第一掺铒光纤放大器(8)、第一光环形器(9)；
上行信号接收端：包括第二光电探测器(10)、信号分析仪(11)；所述第二光电探测器(10)光输入端连接第一光环形器(9)的输出端，所述第二光电探测器(10)的电信号输出端连接信号分析仪(11)；
能量发射端：包括高功率激光器(12)；所述高功率激光器(12)的光输出端连接多模光纤(2)；
所述的远端设备包括：
下行信号接收端：包括第二光环形器(13)、第二波分复用器(14)、第一光电探测器(15)、第二调制器(16)、第二掺铒光纤放大器(17)、低噪声放大器(18)、接收天线(19)、功率放大器(20)、发射天线(21)；其中，所述第二光环形器(13)的输入端连接单模光纤(1)，另一输入端连接第二掺铒光纤放大器(17)，输出端连接第二波分复用器(14)；所述第二波分复用器(14)的两个输出端口分别连接第一光电探测器(15)和第二调制器(16)；所述第一光电探测器(15)的电信号输出端顺序连接功率放大器(20)、发射天线(21)；所述接收天线(19)连接低噪声放大器(18)，输出电信号加载于第二调制器(16)；所述第二调制器(16)连接第二掺铒光纤放大器(17)；
能量接收端：包括光伏转化器(22)、稳压器(23)，所述光伏转化器(22)的光输入端连接多模光纤(2)，电输出端连接稳压器(23)；
其中，所述的接收天线(19)将无线信号转化为电信号，电信号由低噪声放大器(18)放大，通过第二调制器(16)将上行电信号调制到另一路空载波，光载波经第二掺铒光纤放大器(17)放大后通过第二光环形器(13)回到近端接收机；所述的高功率激光器(12)通过多模光纤(2)单向传输，由远端光伏转化器(22)进行光电转化，电流通过稳压器(23)输送给远端各个用电单元；远端用电单元包括第一光电探测器(15)、第二掺铒光纤放大器(17)、功率放大器(20)、低噪声放大器(18)以及第二调制器(16)。
2.根据权利要求1所述的基于光信能同传的5G微基站全双工通信系统，其特征在于，所述的第一窄带可调谐激光器(3)用于调制光信号，所述的第二窄带可调谐激光器(4)用于空载波；第一窄带可调谐激光器(3)与第二窄带可调谐激光器(4)发射的波长的间隔由第一波分复用器(7)决定。
3.根据权利要求1所述的基于光信能同传的5G微基站全双工通信系统，其特征在于，所述的第一光环形器(9)和第二光环形器(13)用于光纤两端收发机的双向实时通信，近端发射光信号连接远端接收机，远端经处理的无线上行信号连接近端接收机。
4.根据权利要求1所述的基于光信能同传的5G微基站全双工通信系统，其特征在于，所述的第二波分复用器(14)用于对两路信号光做波分，调制信号光由远端第一光电探测器(15)转化为电信号，经由功率放大器(20)发送给发射天线(21)产生无线下行信号。
5.根据权利要求1所述的基于光信能同传的5G微基站全双工通信系统，其特征在于，所述的第二光电探测器(10)将上行光信号做光电探测，探测电信号由信号分析仪(11)做数字信号处理，包括EVM误差矢量幅度和BER误码率的测量。
6.根据权利要求1至5任一项所述的基于光信能同传的5G微基站全双工通信系统，其特征在于，系统输出光功率表示为：
Pout＝Pin-αfiber·Lfiber-αcon·Ncon
系统光电转化效率为：
Figure QLYQS_1
其中，η表示为系统光电转化效率，Pe_out表示为系统输出电功率，Pout、Pin分别表示为系统输出、输入光功率，αfiber为传输损耗，Lfiber为传输距离，αcin为连接损耗，Ncon为连接头个数。
7.根据权利要求6所述的基于光信能同传的5G微基站全双工通信系统，其特征在于，所述的第一窄带可调谐激光器(3)和第二窄带可调谐激光器(4)采用窄线宽分布式反馈激光器。
8.根据权利要求7所述的基于光信能同传的5G微基站全双工通信系统，其特征在于，所述的第一波分复用器(7)和第二波分复用器(14)的带宽为200GHz，第一窄带可调谐激光器(3)和第二窄带可调谐激光器(4)的波长分别为1550.517nm、1552.122nm；所述的高功率激光器(12)的波段为830nm～1100nm；所述的信号发生器(5)的下行信号调制格式为256QAM，上行信号的调制格式为64QAM。
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400 Gbit/s 286 km超长站距无中继传输系统研究;黄丽艳;刘洋;徐健;龙函;孙淑娟;喻杰奎;王文忠;罗清;;光通信研究(第05期);全文 *

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