CN116709523B - 基于偏振复用的高频谱效率全双工毫米波通信无线链路系统 - Google Patents

基于偏振复用的高频谱效率全双工毫米波通信无线链路系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于偏振复用的高频谱效率全双工毫米波通信无线链路系统。通过采用偏振复用技术，构建两个以相同频率载波为中心的正交极化信道，分别在上行链路和下行链路中分别传输垂直极化和水平极化的数据，即可实现全双工毫米波通信光无线链路架构。该无线通信系统的全双工毫米波通信光无线链路架构上行链路和下行链路的载波频率相同，充分利用了频带资源，能够实现更大容量的数据传输，大大提高了无线通信系统的频谱效率。

Description

基于偏振复用的高频谱效率全双工毫米波通信无线链路系统
技术领域
本发明属于光纤-无线(Radio-over-Fiber，ROF)通信系统技术领域，具体为一种基于偏振复用实现高频谱效率全双工毫米波通信的光无线链路系统。
背景技术
随着虚拟现实技术(VR)、增强现实技术(AR)及互联网技术的发展，用户对于通信系统的实时性、传输速率、传输容量提出了更高的要求。毫米波频段(30-300GHz)能够为用户提供丰富的带宽资源，在提高通信系统的传输容量的同时，提高通信系统的传输速率，是5G通信技术中着重发展的通信频段。光载无线通信技术(ROF)同时结合了光纤通信低损耗和毫米波无线通信移动性的优点。此外，光载无线通信技术还可以突破传统毫米波产生技术中部分电子器件带来的带宽限制，能够灵活的生成更高频率的毫米波信号，进一步扩大通信系统可用的频带资源，实现更高的传输速率。全双工通信方式能够同时实现通信双方的接收数据及发送数据，使数据在两个方向上同时进行传送操作。全双工通信方式无需切换数据传输方向，弥补半双工通信方式不能够同时双向传输数据，只能够交替单向传输数据的缺点，节约了传半双工通信方式中切换数据传输方向的时间，提高通信系统的传输速率，同时满足了用户对于通信系统实时性的要求。
目前，传统的全双工毫米波无线通信系统的上行链路的载波频率范围与下行链路的载波频率范围不同，即使用不同频率的载波实现数据在毫米波无线通信系统上行链路和下行链路中同时传输。但是，这些方案也带来频带资源的浪费，当通信系统中只有上行链路或者只有下行链路中有数据传输，那么没有数据传输的链路所占据的频带资源就会被浪费。
发明内容
针对上述情况，本发明提出了一种基于偏振复用技术的高频谱效率全双工毫米波通信光无线链路架构，包括毫米波通信光无线链路上行传输部分和毫米波通信光无线链路下行传输部分，所述毫米波通信光无线链路上行传输部分包括：
一个提供本振光载波的单模激光器a；
一个提供信号光载波的单模激光器b；
一个光调制器a，用于将上行数据调制到信号光载波上，以生成调制光信号；
一个光耦合器a，用于实现本振光源与调制光信号的耦合，以生成携带上行数据的光信号；
一个一定长度的单模光纤a，用于实现长距离的数据传输；
一个光衰减器a，用于调节进入光电二极管的光信号功率大小；
一个光电二极管a，用于对耦合光信号进行外差拍频，生成电毫米波信号；
一对正交模转换器a，分别作为无线链路发射端和接收端的H/V双工器，以分离双正交极化通道，提供极化隔离；
一个发送端天线，具体为一个圆极化天线，用于发送携带上行数据的无线毫米波信号到自由空间中；
一个接收端天线，具体为一个圆极化天线，用于从自由空间中接收携带上行数据的无线毫米波信号；
一个毫米波信号接收机，用于处理接收到的携带上行数据的无线毫米波信号，以恢复上行数据；
所述毫米波通信光无线链路下行传输部分包括：
一个提供本振光载波的单模激光器c；
一个提供信号光载波的单模激光器d；
一个光调制器b，用于将下行数据调制到信号光载波上，以生成调制光信号；
一个光耦合器b，用于实现本振光源与调制光信号的耦合，以生成携带下行数据的光信号；
一个一定长度的单模光纤b，用于实现长距离的数据传输；
一个光衰减器b，用于调节进入光电二极管的光信号功率大小；
一个光电二极管b，用于对耦合光信号进行外差拍频，生成电毫米波信号；
一对正交模转换器b，分别作为无线链路发射端和接收端的H/V双工器，以分离双正交极化通道，提供极化隔离；
与毫米波通信光无线链路上行传输部分共用的一个发送端天线，具体为一个圆极化天线，用于发送携带下行数据的无线毫米波信号到自由空间中；
与毫米波通信光无线链路上行传输部分共用的一个接收端天线，具体为一个圆极化天线，用于从自由空间中接收携带下行数据的无线毫米波信号；
一个毫米波信号接收机b，用于处理接收到的携带下行数据的无线毫米波信号，以恢复下行数据；
其中，所述系统中使用正交模转换器作为H/V双工器用于分离水平方向和垂直方向的两个偏振通道；
所述系统中的水平极化通道和垂直极化通道的载波中心频率为30-300GHz，以实现高频谱效率的全双工毫米波通信无线链路系统，上行链路和下行链路的载波中心频率范围为30-300GHz；
通过采用偏振复用技术，借助H/V双工器构建两个以相同频率载波为中心的正交极化信道，分别在上行链路和下行链路中传输垂直极化和水平极化的数据，使上行链路和下行链路数据传输所占频带相同。
优选的，该系统中的全双工无线毫米波链路结合了光载无线通信(ROF)技术，通过在一定长度的光纤中传输光信号，将远处的数据传输到无线毫米波链路的发射端，实现长距离传输。
优选的，上行数据采用的调制格式包括OOK、PAM4、PAM8、QPSK和16QAM。
优选的，下行数据采用的调制格式包括OOK、PAM4、PAM8、QPSK和16QAM。
优选的，该系统中的全双工无线毫米波链路的上行方向和下行方向的H/V双工器、发射端天线和接收端天线是共用的。
优选的，该系统中的无线链路发射端天线和接收端天线均为圆极化天线，能够同时透过水平极化毫米波信号和垂直极化毫米波信号。
与相关技术相比较，本发明提供的基于偏振复用的高频谱效率全双工毫米波通信无线链路系统具有如下有益效果：
本发明提出的光无线链路系统通过偏振复用，实现上行链路和下行链路的数据同时传输，且上行链路和下行链路中的载波频率相同，构建了高频谱效率、可靠性高的全双工无线通信系统结构；其包含的主要创新点和关键技术如下：
1.通过采用偏振复用技术，借助H/V双工器构建两个以相同频率载波为中心的正交极化信道，分别在上行链路和下行链路中传输垂直极化和水平极化的数据，使上行链路和下行链路数据传输所占频带相同，有效的提高了全双工无线通信系统的频谱利用率和通信系统容量。
2.结合了光载无线通信技术(ROF)，能够突破传统毫米波生成技术中部分电子器件带来的带宽瓶颈，能够灵活的生成不同频率的毫米波信号，生成更高频率的毫米波信号，提高通信系统的传输速率。
3.结合了光载无线通信技术(ROF)，通过在一定长度的光纤中传输光信号，将远处的数据传输到无线毫米波链路的发射端，实现长距离、高速传输
附图说明
图1是偏振复用技术的高频谱效率全双工毫米波通信光无线链路系统结构图。
图中标号：1、单模激光器a；2、光调制器a；3、掺铒光纤放大器a；4、 单模激光器b；5、偏振保持光耦合器a；6、单模光纤a；7、光衰减器a；8、光电二极管a；9、正交模转换器a；10、发射端天线；11、接收端天线；12、正交模转换器b；13、毫米波信号接收机a；14、单模激光器c；15、光调制器b；16、掺铒光纤放大器b；17、单模激光器d；18、偏振保持光耦合器b；19、单模光纤b；20、光衰减器b；21、光电二极管b；22、毫米波信号接收机b；23、上行链路发射机与下行链路接收机；24、下行链路发射机与上行链路接收机；25、全双工毫米波通信光无线链路架构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实验实例，对本发明作具体说明。
请结合参阅图1，其中，图1是偏振复用技术的高频谱效率全双工毫米波通信光无线链路系统结构图。
基于偏振复用的高频谱效率全双工毫米波通信无线链路系统包括毫米波通信光无线链路上行传输部分和毫米波通信光无线链路下行传输部分，所述毫米波通信光无线链路上行传输部分包括：
一个提供本振光载波的单模激光器a1；
一个提供信号光载波的单模激光器b4；
一个光调制器a2，用于将上行数据调制到信号光载波上，以生成调制光信号；
一个偏振保持光耦合器a5，用于实现本振光源与调制光信号的耦合，以生成携带上行数据的光信号；
一个一定长度的单模光纤a6，用于实现长距离的数据传输；
一个光衰减器a7，用于调节进入光电二极管的光信号功率大小；
一个光电二极管a8，用于对耦合光信号进行外差拍频，生成电毫米波信号；
一对正交模转换器a9，分别作为无线链路发射端和接收端的H/V双工器，以分离双正交极化通道，提供极化隔离；
一个发送端天线10，具体为一个圆极化天线，用于发送携带上行数据的无线毫米波信号到自由空间中；
一个接收端天线11，具体为一个圆极化天线，用于从自由空间中接收携带上行数据的无线毫米波信号；
一个毫米波信号接收机a13，用于处理接收到的携带上行数据的无线毫米波信号，以恢复上行数据；
所述毫米波通信光无线链路下行传输部分包括：
一个提供本振光载波的单模激光器c14；
一个提供信号光载波的单模激光器d17；
一个光调制器b15，用于将下行数据调制到信号光载波上，以生成调制光信号；
一个偏振保持光耦合器b18，用于实现本振光源与调制光信号的耦合，以生成携带下行数据的光信号；
一个一定长度的单模光纤b19，用于实现长距离的数据传输；
一个光衰减器b20，用于调节进入光电二极管的光信号功率大小；
一个光电二极管b21，用于对耦合光信号进行外差拍频，生成电毫米波信号；
一对正交模转换器b12，分别作为无线链路发射端和接收端的H/V双工器，以分离双正交极化通道，提供极化隔离；
与毫米波通信光无线链路上行传输部分共用的一个发送端天线10，具体为一个圆极化天线，用于发送携带下行数据的无线毫米波信号到自由空间中；
与毫米波通信光无线链路上行传输部分共用的一个接收端天线11，具体为一个圆极化天线，用于从自由空间中接收携带下行数据的无线毫米波信号；
一个毫米波信号接收机b22，用于处理接收到的携带下行数据的无线毫米波信号，以恢复下行数据；
其中，所述系统中使用正交模转换器作为H/V双工器用于分离水平方向和垂直方向的两个偏振通道；
所述系统中的水平极化通道和垂直极化通道的载波中心频率为30-300GHz，以实现高频谱效率的全双工毫米波通信无线链路系统，水平极化通道和垂直极化通道的载波中心频率可以相同，也可以不同，上行链路和下行链路的载波中心频率范围为30-300GHz；
通过采用偏振复用技术，借助H/V双工器构建两个以相同频率载波为中心的正交极化信道，分别在上行链路和下行链路中传输垂直极化和水平极化的数据，使上行链路和下行链路数据传输所占频带相同。
该系统中的全双工无线毫米波链路结合了光载无线通信(ROF)技术，通过在一定长度的光纤中传输光信号，将远处的数据传输到无线毫米波链路的发射端，实现长距离传输。
上行数据采用的调制格式包括OOK、PAM4、PAM8、QPSK和16QAM。
下行数据采用的调制格式包括OOK、PAM4、PAM8、QPSK和16QAM，并且，下行数据和下行数据的调制格式可以相同，也可以不同。
该系统中的全双工无线毫米波链路的上行方向和下行方向的H/V双工器、发射端天线和接收端天线是共用的。
该系统中的无线链路发射端和接收端天线均为圆极化天线，能够同时透过水平极化毫米波信号和垂直极化毫米波信号。
本发明提供的基于偏振复用的高频谱效率全双工毫米波通信无线链路系统的工作原理如下：
对于本发明提出的光无线链路系统中的全双工无线毫米波链路而言，在上行链路中，单模激光器a1发出的连续波在光调制器a2中被下行数据调制，调制后的光信号经过掺铒光纤放大器a3放大后与单模激光器b4发出的连续波在偏振保持光耦合器a5中进行耦合，耦合在一起的已调制光载波和未调制光载波经过一定长度单模光纤a6传输之后，经过一个光衰减器a7调节功率后输入到光电二极管a8中进行外差拍频，生成毫米波信号，将毫米波信号传输至一个正交模转换器a9，输出垂直极化的毫米波信号经过发射端天线10送入自由空间中进行传输，在接收端，毫米波信号被接收端天线11接收，经过一个正交模转换器b12进行转换后，被送入一个毫米波信号接收机a13进行处理，以恢复下行数据；
在下行链路中，单模激光器c14发出的连续波在光调制器b15中被下行数据调制，调制后的光信号经过光放大器a16放大后与另一个单模激光器17发出的连续波在偏振保持光耦合器18中进行耦合，耦合在一起的已调制光载波和未调制光载波经过一定长度单模光纤19传输之后，经过一个光衰减器20调节功率后输入到光电二极管21中进行外差拍频，生成毫米波信号，将毫米波信号传输至一个正交模转换器12，输出水平极化的毫米波信号经过发射端天线11送入自由空间中进行传输，在接收端，毫米波信号被接收端天线10接收，经过一个正交模转换器9进行转换后，被送入一个无线毫米波接收机22进行处理，以恢复下行数据；
在上行链路与下行链路中，发送端和接收端的正交模转换器、圆极化天线是共用的。
通过采用偏振复用技术，构建两个以相同频率载波为中心的正交极化信道，分别在上行链路和下行链路中传输垂直极化和水平极化的数据，即可实现全双工毫米波通信光无线链路架构，与其他毫米波全双工通信方案相比，本发明提出的全双工毫米波通信光无线链路架构上行链路和下行链路的载波频率相同，充分利用了频带资源，能够实现更大容量的数据传输，提高了无线通信系统的频谱效率，此外，本发明结合了ROF技术，能够更加灵活生成不同频率的毫米波信号。
与相关技术相比较，本发明提供的基于偏振复用的高频谱效率全双工毫米波通信光无线链路架构具有如下有益效果：
通过偏振复用技术正交模转换器，构建了能够同时分别在上行链路和下行链路中传输垂直极化和水平极化的数据的无线毫米波通信系统系统，且上行链路和下行链路数据传输所占频带范围相同，无线通信系统的频带利用率高，本发明还结合了光载无线通信技术(ROF)，通过在一定长度的光纤中传输光信号，将远处的数据传输到光无线毫米波链路的发射端，实现长距离、高速传输。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于偏振复用的高频谱效率全双工毫米波通信无线链路系统，包括毫米波通信光无线链路上行传输部分和毫米波通信光无线链路下行传输部分，其特征在于：
所述毫米波通信光无线链路上行传输部分包括：
提供本振光载波的单模激光器a；
提供信号光载波的单模激光器b；
光调制器a，用于将上行数据调制到信号光载波上，以生成调制光信号；
光耦合器a，用于实现本振光源与调制光信号的耦合，以生成携带上行数据的光信号；
一定长度的单模光纤a，用于实现长距离的数据传输；
光衰减器a，用于调节进入光电二极管的光信号功率大小；
光电二极管a，用于对耦合光信号进行外差拍频，生成电毫米波信号；
一对正交模转换器a，分别作为无线链路发射端和接收端的H/V双工器，以分离双正交极化通道，提供极化隔离；
发送端天线，具体为圆极化天线，用于发送携带上行数据的无线毫米波信号到自由空间中；
接收端天线，具体为圆极化天线，用于从自由空间中接收携带上行数据的无线毫米波信号；
毫米波信号接收机a，用于处理接收到的携带上行数据的无线毫米波信号，以恢复上行数据；
所述毫米波通信光无线链路下行传输部分包括：
提供本振光载波的单模激光器c；
提供信号光载波的单模激光器d；
光调制器b，用于将下行数据调制到信号光载波上，以生成调制光信号；
光耦合器b，用于实现本振光源与调制光信号的耦合，以生成携带下行数据的光信号；
单模光纤b，用于实现长距离的数据传输；
光衰减器b，用于调节进入光电二极管的光信号功率大小；
光电二极管b，用于对耦合光信号进行外差拍频，生成电毫米波信号；
一对正交模转换器b，分别作为无线链路发射端和接收端的H/V双工器，以分离双正交极化通道，提供极化隔离；
与毫米波通信光无线链路上行传输部分共用的发送端天线，具体为圆极化天线，用于发送携带下行数据的无线毫米波信号到自由空间中；
与毫米波通信光无线链路上行传输部分共用的接收端天线b，具体为圆极化天线，用于从自由空间中接收携带下行数据的无线毫米波信号；
毫米波信号接收机b，用于处理接收到的携带下行数据的无线毫米波信号，以恢复下行数据；
其中，所述系统中使用正交模转换器作为H/V双工器用于分离水平方向和垂直方向的两个偏振通道；
所述系统中的水平极化通道和垂直极化通道的载波中心频率为30-300GHz，以实现高频谱效率的全双工毫米波通信无线链路系统，上行链路和下行链路的载波中心频率范围为30-300GHz；
通过采用偏振复用技术，借助H/V双工器构建两个以相同频率载波为中心的正交极化信道，分别在上行链路和下行链路中传输垂直极化和水平极化的数据，使上行链路和下行链路数据传输所占频带相同。
2.根据权利要求1所述的基于偏振复用的高频谱效率全双工毫米波通信无线链路系统，其特征在于，该系统中的全双工无线毫米波链路结合了光载无线通信(ROF)技术，通过在一定长度的光纤中传输光信号，将远处的数据传输到无线毫米波链路的发射端，实现长距离传输。
3.根据权利要求1所述的基于偏振复用的高频谱效率全双工毫米波通信无线链路系统，其特征在于，上行数据采用的调制格式包括OOK、PAM4、PAM8、QPSK和16QAM。
4.根据权利要求1所述的基于偏振复用的高频谱效率全双工毫米波通信无线链路系统，其特征在于，下行数据采用的调制格式包括OOK、PAM4、PAM8、QPSK和16QAM。
5.根据权利要求1所述的基于偏振复用的高频谱效率全双工毫米波通信无线链路系统，其特征在于，该系统中的全双工无线毫米波链路的上行方向和下行方向的H/V双工器、发射端天线和接收端天线是共用的。
6.根据权利要求1所述的基于偏振复用的高频谱效率全双工毫米波通信无线链路系统，其特征在于，该系统中的无线链路发射端天线和接收端天线均为圆极化天线，能够同时透过水平极化毫米波信号和垂直极化毫米波信号。
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基于偏振复用光调制器产生PDM-16QAM射频信号;李韦萍等;光学学报;第40卷(第23期);30-36 *

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