CN115412171A - 一种基于光频梳和多芯光纤的大规模远距离波束赋形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光频梳和多芯光纤的大规模远距离波束赋形方法。本方法为:1)利用光源产生M个频率间隔为fr的光载波并输入强度调制器,将待传射频信号调制到光载波上,得到M个波分复用通道并输入色散选择模块;2)色散选择模块对所有波分复用通道引入色散相关时延,并通过1*N分路器拷贝为N份,每份所含M个波分复用通道分别经一可调时延线引入时延,并输入N芯光纤扇入单元的一个通道;N份波分复用通道经N芯光纤链路传输至RRU的N芯光纤扇出单元;3)N芯光纤扇出单元从接收信号中分离N个空分复用通道分别输入一解波分复用器分离出M个波分复用通道;4)将所得波分复用通道经光电转换和电放大馈电于天线阵产生无线波束。
Description
技术领域
本发明涉及微波光子学领域,具体为一种采用光频梳作为多波长光载波,通过多芯光纤传输至远端天线阵的大规模远距离波束赋形方案。本方案适用于光载无线信号接入网,可在远端无线单元的大规模天线阵上产生高增益、高指向性的一维和二维波束,并在中心局完成波束指向的远程控制。
背景技术
随着信息时代的发展和移动通信技术的进步,光载无线信号传输(RoF)成为无线接入网的一项关键的技术。通过将复杂的功能和结构部署在中心局(CO),并由光纤连接中心局和远端无线单元(RRU),一个CO可同时控制相距数公里的多个RRU,扩大了无线网络的覆盖范围。随着5G的发展,毫米波被应用RoF系统中,以适应日益增长的数据容量。毫米波具有高传播损耗特点,只有高增益,高指向性的无线波束,才能弥补传播损耗,这需要应用一维甚至二维的大规模天线阵列。因此,RoF系统需要和波束赋形结合,在RRU以可控波束的形式发射信号,适应5G时代毫米波频段的应用。
基于光真时延(TTD)的波束赋形由于不存在波束斜视问题,适用于宽带毫米波信号,成为研究热点。近年已有数个工作,将光TTD波束赋形和RoF系统结合,产生了可以通过光纤传远的无线波束,并在CO控制波束指向。例如,Masashi Tadokoro等人利用色散和时延的线性关系,使用多波长光源,设计了基于波分复用的远距离波束赋形系统[MasashiTadokoro,et al.“Optically-controlled beam forming technique for 60GHz-ROFsystem using dispersion of optical fiber and DFWM,”OFC,OWN2(2007)]。随着多芯光纤(MCF)的制造,基于空分复用的远距离波束赋形系统也成为研究热点。使用MCF作为传输通道,在CO改变各纤芯接入可调时延线的长度或者使用微环阵列改变通道时延,可以实现RRU中天线单元的时延控制[M.Morant,et al.“Multi-beamforming provided by dual-wavelength true time delay pic and multicore fiber,”J.Light.Technol.38,5311-5317(2020)]。然而上述方案或者单纯利用波分复用维度,或者单纯利用空分复用维度,均只能将个位数的TTD通道馈电给远端天线阵列,在TTD通道数量上存在提升的空间。
发明内容
为了适应RRU处大规模天线阵的需求,本发明提供一种可供一维和二维大规模天线阵列实现远距离波束赋形的方法。使用电光调制梳或微腔光梳作为光源,M个(如M=41)等频率间隔的波分复用通道可被同时调制上待传射频信号,相比多波长激光器提高了波分复用的通道数量;通过N芯光纤(如N=7)传输,通道数量从空分复用维度继续提升;这样,M*N(如M*N=287)个时延可控的TTD通道可被RRU接收,并馈电于远端天线阵,产生指向角度可控,高增益,功率集中的无线波束。
本发明使用电光调制梳或微腔光梳作为光源,产生M个频率间隔为fr的光载波;通过强度调制器,M个梳齿被同时调制上待传射频信号,对应M个波分复用通道;经过色散选择模块,相邻波分复用通道在远端的时延差可被控制(正比于链路色散);通过1*N分路器,M个波分复用通道被同时拷贝为N份;每份(含M个波分复用通道)经过相对应的可调时延线,引入可调的芯间时延差,并通过N芯光纤的一个纤芯传输至RRU;在RRU,通过多芯光纤扇出,分离N个空分复用通道;每个解空分复用后的通道经过解波分复用器(DWDM),分离M个波分复用通道;M*N个通道中的每一波分复用通道分别经过光电转换和电放大,馈电于一维或二维天线阵,产生无线波束。
对于一维天线阵,相邻波分复用通道的时延差决定一维波束指向,受色散选择模块控制;各纤芯串接的可调时延线需设置为合适的芯间时延偏置(具体大小在实施方式部分),使得各纤芯波分复用通道的时延可以首尾等差相接。
对于二维天线阵,波束的二维指向被独立控制;相邻波分复用通道的时延差决定波束和X轴的夹角,受色散选择模块控制;相邻纤芯之间的时延差决定波束和Y轴的夹角,受纤芯串接的可调时延线控制。
本发明的技术方案为:
一种基于光频梳和多芯光纤的大规模远距离波束赋形方法,其步骤包括:
1)以光频梳作为光源;利用光源产生M个频率间隔为fr的光载波并输入强度调制器,所述强度调制器将输入的待传射频信号调制到每个所述光载波上,得到M个波分复用通道并输入色散选择模块;
2)所述色散选择模块对所有波分复用通道进行时延后输入1*N分路器,将M个所述波分复用通道拷贝为N份,每份所含的M个波分复用通道分别经一对应的可调时延线引入时延,并输入N芯光纤扇入单元的一个通道;所述N芯光纤扇入单元的各通道对接N芯光纤的各纤芯;N份波分复用通道经N芯光纤链路传输至RRU的N芯光纤扇出单元;
3)所述N芯光纤扇出单元从接收信号中分离N个空分复用通道;每一空分复用通道输入一解波分复用器分离出M个波分复用通道;
4)将步骤3)所得M*N个波分复用通道分别经光电转换和电放大,馈电于天线阵产生无线波束。
进一步的,所述天线阵为一维天线阵,通过控制各天线单元对应通道的时延,使相邻通道之间的时延间隔均为Δτ;其中第n纤芯串接可调时延线引入的时延与第一纤芯串接可调时延线引入的时延之差为:τn-offset=(n-1)MΔτ;相邻波分复用通道之间的时延差Δτ=2πβfr,其中长度为L的传输链路的总色散β=βi-βMCFL,βi为第i色散元件的二阶色散值,N芯光纤各纤芯的二阶色散系数均为-βMCF;根据确定一维天线阵中的第i个波束指向θi,其中d为相邻天线单元的间距,c为光速。
进一步的,所述天线阵为二维天线阵,设二维天线阵位于xOy平面,中心位于坐标原点;相邻波分复用通道之间的时延差Δτx-i=2π(βi-βMCFL)fr,L为传输链路的长度,βi为第i色散元件的二阶色散值,N芯光纤各纤芯的二阶色散系数均为-βMCF,N芯光纤相邻纤芯的时延差为Δτy,由与各纤芯串接的可调时延线的时延值控制;则波束与X轴正方向夹角θx-i由确定,波束与Y轴正方向夹角θy由公式确定。
进一步的,所述色散选择模块为多条不同长度的色散补偿光纤,或级联的色散选择模块,或可调啁啾光栅。
进一步的,所述色散选择模块包括第一1*P光开关、第二1*P光开关和P个色散元件;第一1*P光开关和第二1*P光开关均选择接通第i通道;M个波分复用通道经第i色散元件后输入1*N分路器。
进一步的,所述光源为电光调制梳或微腔光梳。
一种基于光频梳和多芯光纤的大规模远距离波束赋形系统,其特征在于,包括光源、强调调制器、色散选择模块、1*N分路器、N芯光纤和天线阵;其中
所述光源用于产生M个频率间隔为fr的光载波并输入强度调制器;
所述强度调制器用于将输入的待传射频信号调制到每个所述光载波上,得到M个波分复用通道并输入色散选择模块;
所述色散选择模块用于对每一所述波分复用通道同时进行时延后输入1*N分路器;
所述1*N分路器用于将M个所述波分复用通道拷贝为N份,并将每份所含的M个波分复用通道分别经一对应的可调时延线引入时延并输入N芯光纤扇入单元的一个通道;
所述N芯光纤扇入单元用于对接N芯光纤链路的N个纤芯;
所述N芯光纤链路将N份波分复用通道传输至RRU的N芯光纤扇出单元;
所述N芯光纤扇出单元用于从接收信号中分离N个空分复用通道,并将每一空分复用通道输入一解波分复用器分离出M个波分复用通道;所得M*N个波分复用通道经光电转换和电放大,馈电于天线阵产生无线波束。
本发明的有益效果是:
本发明提供了大规模远距离波束赋形的实现方法,适用于一维和二维的远端天线阵列,使得大增益,高指向性的毫米波波束可应用在5G时代的RoF系统中。
附图说明
图1为本发明基于光频梳和多芯光纤的大规模远距离波束赋形系统原理图;其中,1-M波长光频梳,2-强度调制器,3-待传射频信号,4-色散选择模块,5-1*P光开关,6-第一色散元件,7-第二色散元件,8-第P色散元件,9-可调时延线阵列,10-1*N分路器;11-第一可调时延线,12-第二可调时延线,13-第N可调时延线,14-N芯光纤扇入,15-N芯光纤链路,16-N芯光纤扇出,17-第一波分复用解复用器,18-第N波分复用解复用器,19-M*N光电探测器、电放大器阵列,20-M*N天线阵列,21-远端无线波束;
图2为针对一维波束赋形测量远端287个通道的时延结果;
图3为本方法产生一维波束的方向图;
(a)波束指向θ0=0°,(b)波束指向θ0=60°;
图4为针对二维波束赋形测量远端287个通道的时延结果;
图5为本方法产生二维波束的方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的方案进行进一步详细描述。
本发明的方案原理如图1所示。在中心局,频率间隔为fr的M波长光梳被用作光源。本发明采用25GHz的高功率射频信号驱动商用光梳产生器,经过EDFA放大后,通过波长选择开关确定fr,并对光梳平坦化,产生了M=41根频率间隔fr=50GHz的平坦光梳。注意,光梳的产生不限于本方法,基于克尔效应的微腔光梳等也可以用作M波长光源。41根光梳被调制上待传信号,用作41个波分复用通道(这里,待传信号为矢量网络分析仪产生的扫频信号,以便后续测量通道时延;频率范围为17.5GHz~18.5GHz,对应K波段毫米波)。
色散选择模块为P条不同长度的色散补偿光纤,其中,第一色散元件6的二阶色散值为β1,第二色散元件7的二阶色散值为β2,第P色散元件8的二阶色散值为βP,这里二阶色散的单位取ps2。它们由1*P光开关选择接入,对应一维波束的P个指向角度θ1~θP,以及二维波束和X轴的P个夹角θx-1~θx-P。通过扩大P,或采用级联色散结构,可实现密集可调的波束指向(如P=256,则可指向256个角度)。注意,色散选择模块不限于本方法,级联的色散选择模块或可调啁啾光栅等也可以用作色散选择模块。
在可调时延线阵列9中,第一可调时延线11和N芯光纤的第一纤芯串接,第二可调时延线12和N芯光纤的第二纤芯串接,第N可调时延线13和N芯光纤的第N纤芯串接。我们使用了商用的7芯同质光纤作为传输链路,即N=7;其长度为L,各纤芯的二阶色散系数均为-βMCF;通过光纤跳线,将7个纤芯固有的时延偏差补偿至0ps。在RRU,多芯光纤扇出分离7个空分复用通道;7个频率间隔为fr的解波分复用器(DWDM)分离M*N=287个TTD通道。M*N个TTD通道和M*N天线阵列的单元一一对接。M*N天线阵可以一维线性排列,也可以二维矩阵排列。受限于实验室条件,我们用一台Waveshaper代替解波分复用器,分别对287个通道的时延进行测试,得到了时延-通道关系,从而获得了波束形状。注意,多芯光纤不限于7芯光纤。8芯光纤、19芯等多芯光纤,以及多芯少模光纤也可以用作传输链路。
对于一维波束,天线阵呈等间距线性排列。波束指向由RRU处相邻波分复用通道之间的时延差决定,受色散选择模块控制,具体控制方式如下:假设色散选择模块中,第i色散元件——色散值为βi(ps2)被选择,则链路的总色散为:
β=βi-βMCFL.
相邻波分复用通道之间的时延差为:
Δτ=2πβfr.
这里忽略三阶色散的影响。实际系统中,可以通过CO中Waveshaper的相位补偿消除链路三阶色散。
针对一维线性天线阵,各纤芯的波分复用通道需要首尾依次相接,使相邻通道之间的时延间隔均为Δτ。因此,各纤芯需要通过可调时延线引入时延偏置。第n纤芯的时延偏置被定义为第n纤芯串接的可调时延线引入的时延与第一纤芯串接的可调时延线引入的时延之间的时延差。对于第n纤芯(n=1~N),时延偏置需要设定为:
τn-offset=(n-1)MΔτ=41(n-1)Δτ
例如,n=3时,τ3-offset=41*2*Δτ=82Δτ。
由此,波束指向θi可由下式确定:
这里d为相邻天线单元的间距,c为光速。因此,当色散选择模块的色散值设定为βi,且和第n纤芯串接的可调时延线按照上述公式引入时延偏置τn-offset时,波束指向θi可唯一确定。
对于二维波束,天线阵呈等间距矩阵排列。假设天线阵位于xOy平面,中心位于坐标原点。则波束指向可以由波束与X轴正方向夹角θx和波束与Y轴正方向夹角θy唯一确定。波束与X轴正方向夹角θx由RRU处相邻波分复用通道之间的时延差Δτx(也是天线阵行间时延差)决定,受色散选择模块控制;波束与Y轴正方向夹角θy由RRU处相邻纤芯之间的时延差Δτy(也是天线阵列间时延差)决定,受纤芯串接的可调时延线控制。具体控制方式如下:假设色散选择模块中,第i色散元件——色散值为βi被选择,相邻波分复用通道之间的时延差Δτx-i为:
Δτx-i=2π(βi-βMCFL)fr
波束与X轴正方向夹角θx-i由下式确定:
在CO,通过和各纤芯串接的可调时延线,分别对第一纤芯到第七纤芯引入0,Δτy,2Δτy,......,6Δτy的时延,使得相邻纤芯的时延差为Δτy,则波束与Y轴正方向夹角θy由下式确定:
因此,每设置一个色散选择模块的色散值βi,波束与X轴正方向夹角θx-i可以唯一确定;通过改变和各纤芯串接可调时延线的时延大小,每设定特定的相邻纤芯时延差Δτy,波束与Y轴正方向夹角θy-i可以唯一确定。
对于一维波束,我们以θ0=0°和θ0=60°为例,在图2展示了各通道相对中心通道的时延。展示了远端波束形状。在图3展示了θ0=0°和θ0=60°的波束方向图。
对于二维波束,我们以θx=90°,θy=68.9°(Δτy=10ps)为例,在图4展示了各通道的相对时延。在图5中,分别以θx=90°,θy=68.9°(Δτy=10ps)和θx=30°,θy=90°(Δty=0ps)为例,给出了远端波束形状。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制,本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明的精神和范围,本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。
Claims (7)
1.一种基于光频梳和多芯光纤的大规模远距离波束赋形方法,其步骤包括:
1)以光频梳作为光源;利用光源产生M个频率间隔为fr的光载波并输入强度调制器,所述强度调制器将输入的待传射频信号调制到每个所述光载波上,得到M个波分复用通道并输入色散选择模块;
2)所述色散选择模块对所有波分复用通道进行时延后输入1*N分路器,将M个所述波分复用通道拷贝为N份,每份所含的M个波分复用通道分别经一对应的可调时延线引入时延,并输入N芯光纤扇入单元的一个通道;所述N芯光纤扇入单元的各通道对接N芯光纤的各纤芯;N份波分复用通道经N芯光纤链路传输至RRU的N芯光纤扇出单元;
3)所述N芯光纤扇出单元从接收信号中分离N个空分复用通道;每一空分复用通道输入一解波分复用器分离出M个波分复用通道;
4)将步骤3)所得M*N个波分复用通道分别经光电转换和电放大,馈电于天线阵产生无线波束。
4.如权利要求1或2或3所述的方法,其特征在于,所述色散选择模块为多条不同长度的色散补偿光纤,或级联的色散选择模块,或可调啁啾光栅。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述色散选择模块包括第一1*P光开关、第二1*P光开关和P个色散元件;第一1*P光开关和第二1*P光开关均选择接通第i通道;M个波分复用通道经第i色散元件后输入1*N分路器。
6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述光源为电光调制梳或微腔光梳。
7.一种基于光频梳和多芯光纤的大规模远距离波束赋形系统,其特征在于,包括光源、强调调制器、色散选择模块、1*N分路器、N芯光纤和天线阵;其中
所述光源用于产生M个频率间隔为fr的光载波并输入强度调制器;
所述强度调制器用于将输入的待传射频信号调制到每个所述光载波上,得到M个波分复用通道并输入色散选择模块;
所述色散选择模块用于对每一所述波分复用通道同时进行时延后输入1*N分路器;
所述1*N分路器用于将M个所述波分复用通道拷贝为N份,并将每份所含的M个波分复用通道分别经一对应的可调时延线引入时延并输入N芯光纤扇入单元的一个通道;
所述N芯光纤扇入单元用于对接N芯光纤链路的N个纤芯;
所述N芯光纤链路将N份波分复用通道传输至RRU的N芯光纤扇出单元;
所述N芯光纤扇出单元用于从接收信号中分离N个空分复用通道,并将每一空分复用通道输入一解波分复用器分离出M个波分复用通道;所得M*N个波分复用通道经光电转换和电放大,馈电于天线阵产生无线波束。
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- 2021-05-27 CN CN202110586618.0A patent/CN115412171B/zh active Active
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