CN1545225A - 自由空间光传输移动通信直放站 - Google Patents
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Abstract
本发明将自由空间光通信FSO(Free SpaceOptical)技术和移动通信中继技术结合起来，充分发挥两种技术的特点，产品可广泛应用于移动通信网络组网和网络优化。该系统近端设备将移动通信下行信号RF信号，调制到红外激光信号上发射出去，远端设备接收红外激光信号后，将其转变为移动通信网络信号，可方便的将网络信号扩展到移动通信盲区，解决移动通信覆盖问题。上行方向原理与下行方向原理相同。采用FSO技术来实现移动通信中继系统近远端之间的传输，既可避免有线传输成本高、施工周期长、布线困难等缺点，还可根除无线同频传输直放站施工安装受收发天线隔离度的限制问题，又可避免无线异频传输时需要占用额外的有限的无线频谱资源。
Description
技术领域
本发明涉及自由空间光传输移动通信FSO中继系统即自由空间光传输移动通信直放站。
背景技术
在中国的移动通信网络建设中，移动通信中继系统(在下文使用直放站来描述)扮演了越来越重要的角色。在网络中的移动通信直放站主要包括以下几种：同频无线直放站、光纤传输直放站、干线放大器、移频直放站、基站延伸覆盖放大器。分别说明如下：
无线同频直放站。这是最常见的一种直放站，设备成本低易于安装，尤其是方便搬迁，是补盲、扩大覆盖区域最简便的方法，但同频无线直放站如果调测不当极易造成对基站的干扰，尤其是在码分多址CDMA系统中，这种现象更加明显。因此在接入网络时，要特别注意。对于采用PHS(Personal Handy-phone system)方式的通信网络，由于采用了时分多址双工方式TDD(Time Division Duplex)，同频直放站的上下行方向信号频率是完全相同的，此时的直放信号需要有时间开关来控制放大的信号，否则就容易产生自激。这种类型的直放站主要应用在郊区、农村、丘陵等地区，工程开通中受到收发天线之间隔离度的限制，导致在某些场合不能正常使用，而且不能向覆盖区全向覆盖。
光纤直放站。这是目前使用中认为比较稳定的直放站，它需要使用光纤将基站信号连入直放站系统内，信号源比较纯净，一般不容易对大网形成干扰，光纤直放站使用中要控制接入基站的底部噪声电平。对于室内覆盖使用时，出现高大建筑物采用光纤接入时，有时为了平衡各扇区间的话务量，还会采用多扇区接入的光纤直放站。这种类型的直放站主要应用在有光纤资源的地区，在没有光纤或光纤资源非常紧缺的地区，以及铺设光纤比较困难的地区，光纤直放站的应用受到限制。
干线放大器。这种直放站在移动通信信号室内分布中有用武之地，它接收从信号源分配的网络信号直接放大后覆盖相应地区。和其他型号直放站相比，对信号源的信号的纯净度的要求较严格，若信号源的信号不够纯净，直接影响覆盖效果。
移频直放站。由于CDMA网络在使用时，带内尚有空闲的频率，当没有光纤资源时，就有了用移频方式构成的无线直放站。这种方法在移频传输的过程中，使用的频率与整个网络使用的频率无关，因此，不会增加对大网的干扰信号。对于移频直放站，有一种解决方案就是利用移频方式来作为解决城市内部室内分布的信号源。移频从基站引入的信号经变频后发射，其频率避开了移动通信网当前的使用频率，空间不会增加相同的频率成分，对保证网络的通信质量显然是有益的，这种方法，成本增加也不多，应是市区内室内无线信号源推荐采用的信号引入方法。但由于移动通信的无线频谱资源非常昂贵，并且网络经常优化和扩容，可用的频点资源非常非常有限。如果移频频段不在移动通信分配频段内，则获得该无线频谱资源必须得到审批，并长期交付频谱使用费。这样一来，移频直放站的使用也受到限制。
基站放大器。基站放大器也是一种射频信号直放设备，它一般同基站配接在一起，主要是用来直接扩大基站的覆盖范围(放大下行信号)，应用时多配接塔顶放大器放大上行信号。这种设备多应用在郊区、偏远农村，用于话务容量富裕但覆盖范围不足的基站。值得注意的是单纯的塔项放大往往效果不太理想。
发明内容
本发明的目的为了克服现有技术存在的上述缺陷，特别是避免传统的光纤连接以及无线连接的近、远端体系结构的缺点，提供一种自由空间光传输移动通信直放站，本发明具有快速链路部署、无需频谱许可证、带宽高、安全保密性强、成本低、便携性等特点。
自由空间光传输移动通信直放站，整个系统包括近端设备和远端设备，其特征在于：在下行方向，该系统近端从空中或直接通过电耦合器获得移动通信通信网络信号，通过射频单元的处理，调整到合适的电平，输入激光收发单元，转换为光信号输出；远端的激光收发单元对准近端，将光信号解调成电信号，由远端射频单元处理后放大到合适电平覆盖相应区域；在上行方向，信号的处理过程与下行方向完全相同，远端的天馈系统接收上行网络信号，经过射频单元处理后将电信号送到激光收发单元，转换成光信号输出，并发射出去，近端的激光接收单元接收该光波，并转换为射频RF信号，经过射频单元处理后传送给移动通信基站。
近端设备的主要功能是与移动通信基站进行上下行信号的转接，接收下行信号通过光电转换器件转变为红外激光信号，并发射出去；同时接收远端设备发射的光波信号，解调成电信号，处理后送往移动通信基站；远端设备的主要功能是通过红外光波与近端进行发射和接收的连接，同时将下行信号转变为电信号覆盖目标地区，把上行信号接收进来，转变为光信号送往近端设备。近、远端设备之间使用无线光进行连接。
调制发射器采用红外激光管作为发光源，发射功率满足国际电工委员会IEC60825-1的要求，并小于500Mw。
系统信号波长采用785nm、850nm、980nm或1550nm。
工作在中国移动通信主要频段，这些移动通信系统包括Tetra(Terrestrial Trunked Radio)数字集群通信系统、码分多址CDMA(CodeDivision Multiple Access)800M公用移动通信系统、GSM(Globe Systemfor Mobile)900M公用移动通信系统、数字通信DCS(DigitalCommunication System)1800M公用移动通信系统，以及将来的WCDMA(Wide-Band CDMA)第三代公用移动通信系统、CDMA2000第三代公用移动通信系统、TD-SCDMA(Time Division-Synchronous CDMA)第三代公用移动通信系统，具体工作频段如下表：
| 系统种类 | 频段 | 备注 | |
| 上行 | 下行 | ||
| Tetra网络 | 806-821MHz | 851-866MHz | 数字集群通信网络 |
| CDMA800M网络 | 825-835MHz | 870-880MHz | |
| GSM900M网络 | 890-915MHz | 935-960MHz | |
| DCS1800M网络 | 1710-1755MHz | 1805-1850MHz | |
| WCDMA/CDMA2000网络 | 1920-1980MHz | 2110-2170MHz | 主要工作频段 |
| 1755-1785MHz | 1850-1880MHz | 补充工作频段 | |
| TD-SCDMA网络 | 1880-1920MHz，2010-2025MHz | 主要工作频段 | |
| 2300-2400MHz | 补充工作频段 | ||
本发明的优点在于避免以上各种直放站技术的缺陷，具体有以下几个优点：(1)快速链路部署。因为不需要埋设光纤和等待各种手续上的问题，FSO连接可以在短至几天内完成连接。FSO的无线接收器大小如同一部保安摄像机，可以轻而易举地安装在屋顶、屋内甚至窗外。(2)无需频谱许可证。无线光通讯因设备间没有信号的相互干扰，故无需像无线电通讯(如微波、线性匹配滤波器LMDS)那样申请频率许可证。(3)带宽高。如果采取点到点的组网方式，FSO能支持155Mb/s-10Gb/s的传输速率，传输距离在2-4公里之间。在点到多点的组网方式中，FSO同样能支持155Mb/s-10Gb/s的传输速率，但传输距离为1-2公里。如果采用格形的组网方式则可支持622Mb/s的传输速率，传输距离为200-400米。(4)安全保密性强。FSO的波束很窄，定向性非常好，非可视光，夜间也无法发现，因此无法探测到链路的位置，更不存在窃听的可能性。并且用户到集线器之间的链路通常是加密的，安全保密性较强。(5)成本低。FSO的成本是光纤到楼的1/10～1/3。(6)便携性。当公司搬迁或临时驻军时，无需重新安装光纤从而节约成本。
附图说明
图1为自由空间光传输移动通信系统原理图。
图2为FDD系统的自由空间光传输移动通信系统的近端实现框图。
图3为FDD系统的自由空间光传输移动通信系统的远端实现框图。
图4为TDD系统的自由空间光传输移动通信系统的近端实现框图。
图5为TDD系统的自由空间光传输移动通信系统的远端实现框图。
具体实施方式
结合附图1对本发明作进一步的描述。
整个系统包括近端设备和远端设备，在下行方向，该系统的近端设备从空中接收或直接从基站耦合一部分射频RF信号，进行滤波、低噪声放大，再将RF信号送入红外激光调制发射器，由红外激光调制发射器把移动通信RF信号转换成激光信号，放大到所需的激励功率，并将调制后的信号调变到波长为1550nm，同时将波束控制在所需的窄带上，将光波发射出去；远端设备的光接收单元与近端的光发射单元视通，远端设备接收到光波后由光电转换单元转换为电信号，再经过滤波、功率放大单元的处理将网络信号恢复，由天馈系统发射出去，覆盖移动通信网络盲区；在上行方向，信号的处理过程与下行方向完全相同，远端的天馈系统接收上行网络信号，经过射频处理后将电信号送到激光调制发射器，转换成光信号，将光信号的波长转换到850nm，该波长与下行方向使用的波长不相同，并发射出去，近端的光接收单元接收该光波，并转换为RF信号，经过射频系统放大处理后传送给移动通信基站。
该系统可以工作在中国移动通信主要频段，这些移动通信系统包括Tetra数字集群通信系统、CDMA800M公用移动通信系统、GSM900M公用移动通信系统、DCS1800M公用移动通信系统，以及将来的WCDMA第三代公用移动通信系统、CDMA2000第三代公用移动通信系统、TD-SCDMA第三代公用移动通信系统，具体工作频段如下表：
| 系统种类 | 频段 | 备注 | |
| 上行 | 下行 | ||
| Tetra网络 | 806-821MHz | 851-866MHz | 数字集群通信网络 |
| CDMA800M网络 | 825-835MHz | 870-880MHz | |
| GSM900M网络 | 890-915MHz | 935-960MHz | |
| DCS1800M网络 | 1710-1755MHz | 1805-1850MHz | |
| WCDMA/CDMA2000网络 | 1920-1980MHz | 2110-2170MHz | 主要工作频段 |
| 1755-1785MHz | 1850-1880MHz | 补充工作频段 | |
| TD-SCDMA网络 | 1880-1920MHz，2010-2025MHz | 主要工作频段 | |
| 2300-2400MHz | 补充工作频段 | ||
结合附图2和附图3对FDD系统中自由空间光传输移动通信系统做进一步的说明。
在FDD系统中，上下行使用不同的频段进行通信。对于这样的系统，为了实现上下行信号对天馈系统的共用，都会使用双工器。近端下行信号从天馈系统接收进来，经双工器到滤波器滤波，将干扰信号和其他运营商相近频段的信号滤掉，由下行低噪放放大后再次通过滤波器滤波，滤除由低噪放产生的无用信号，再送到激光收发单元，将电信号调制成红外激光信号，对准远端发射出去。远端的激光收发单元则接收该信号，解调成电信号，经滤波器滤除激光器产生的无用信号，由下行功率放大器放大到需要的大小，经滤波器滤除由功率放大器产生的无用信号，经由双工器发射到天馈系统发射出去。上行信号由远端天馈系统接收进来先经滤波器滤除干扰信号和其他运营商的信号，再送到上行低噪放放大，同样由滤波器滤除无用信号后送到激光收发单元，调制成红外激光信号，对准近端发送上去。在近端，激光收发单元将光信号解调成电信号，由滤波器处理后送到上行功率放大器，放大到合适大小，然后由滤波器滤除无用信号，由双工器送到近端天馈系统发送到基站端，从而完成对FDD移动通信网络信号的中继和放大。
结合附图4和附图5对TDD系统中自由空间光传输移动通信系统做进一步的说明。
在TDD系统中，上下行使用相同的频段进行通信。对于这样的系统，为了实现上下行信号对天馈系统的共用，我们使用射频开关来切换上下行信号。射频开关由与基站同步的时隙控制电路控制，当基站工作在下行时隙时，近端下行信号从天馈系统接收进来，经射频开关到滤波器滤波，将干扰信号和其他运营商相近频段的信号滤掉，由下行低噪放放大后再次通过滤波器滤波，滤除由低噪放产生的无用信号，再送到激光收发单元，将电信号调制成红外激光信号，对准远端发射出去。远端的激光收发单元则接收该信号，解调成电信号，经滤波器滤除激光器产生的无用信号，由下行功率放大器放大到需要的大小，经滤波器滤除由功率放大器产生的无用信号，经由射频开关发射到天馈系统发射出去。当基站工作在上行时隙时，上行信号由远端天馈系统接收进来先经射频开关再由滤波器滤除干扰信号和其他运营商的信号，再送到上行低噪放放大，同样由滤波器滤除无用信号后送到激光收发单元，调制成红外激光信号，对准近端发送上去。在近端，激光收发单元将光信号解调成电信号，由滤波器处理后送到上行功率放大器，放大到合适大小，然后由滤波器滤除无用信号，由射频开关送到近端天馈系统发送到基站端，从而完成对TDD移动通信网络信号的中继和放大。
Claims (8)
1、自由空间光传输移动通信中继系统，即自由空间光传输移动通信直放站，整个系统包括近端设备和远端设备，其特征在于：在下行方向，该系统近端从空中或直接通过电耦合器获得移动通信通信网络信号，通过射频单元的处理，调整到合适的电平，输入激光收发单元，转换为光信号输出；远端的激光收发单元对准近端，将光信号解调成电信号，由远端射频单元处理后放大到合适电平覆盖相应区域；在上行方向，信号的处理过程与下行方向完全相同，远端的天馈系统接收上行网络信号，经过射频单元处理后将电信号送到激光收发单元，转换成光信号输出，并发射出去，近端的激光接收单元接收该光波，并转换为射频RF信号，经过射频单元处理后传送给移动通信基站。
2、按照权利要求1所述的移动通信中继系统，其特征在于：在下行方向，该系统的近端设备从空中接收或直接从基站耦合一部分射频RF信号，进行滤波、低噪声放大，再将RF信号送入红外激光调制发射器，由红外激光调制发射器把移动通信RF信号转换成激光信号，放大到所需的激励功率，并将调制后的信号调变到波长为780nm至1550nm之间的几个特定波长的光波，同时将波束控制在所需的窄带上，将光波发射出去；远端设备的光接收单元与近端的光发射单元视通，远端设备接收到光波后由光电转换单元转换为电信号，再经过滤波、功率放大单元的处理将网络信号恢复，由天馈系统发射出去，覆盖移动通信网络盲区；在上行方向，信号的处理过程与下行方向完全相同，远端的天馈系统接收上行网络信号，经过射频处理后将电信号送到激光调制发射器，转换成光信号，将光信号的波长转换到介入780nm至1550nm之间，并发射出去，近端的光接收单元接收该光波，并转换为RF信号，经过射频系统放大处理后传送给移动通信基站。
3、按照权利要求1或2所述的移动通信中继系统，其特征在于：近端设备的主要功能是与移动通信基站进行上下行信号的转接，接收下行信号通过光电转换器件转变为红外激光信号，并发射出去；同时接收远端设备发射的光波信号，解调成电信号，处理后送往移动通信基站；远端设备的主要功能是通过红外光波与近端进行发射和接收的连接，同时将下行信号转变为电信号覆盖目标地区，把上行信号接收进来，转变为光信号送往近端设备。
4、按照权利要求1或2所述的移动通信中继系统，其特征在于：近、远端设备之间使用无线光进行连接。
5、按照权利要求1中所述的移动通信中继系统，其特征在于：调制发射器采用红外激光管作为发光源，发射功率满足国际电工委员会IEC60825-1的要求，并小于500Mw。
6、按照权利要求1或2中所述的移动通信中继系统，其特征在于：系统信号波长采用785nm、850nm、980nm或1550nm。
7、按照权利要求1或2中所述的移动通信中继系统，其特征在于：工作在中国移动通信系统包括Tetra数字集群通信系统、码分多址CDMA800M公用移动通信系统、GSM900M公用移动通信系统、数字通信系统DCS1800M公用移动通信系统，以及将来的WCDMA第三代公用移动通信系统、CDMA2000第三代公用移动通信系统、TD-SCDMA第三代公用移动通信系统，具体工作频段如下表： 系统种类
频段 备注
上行
下行
Tetra网络 806-821MHz 851-866MHz
数字集群通信网络
CDMA800M网络
825-835MHz
870-880MHz
GSM900M网络
890-915MHz
935-960MHz
DCS1800M网络
1710-1755MHz 1805-1850MHz
WCDMA/CDMA2000网络
1920-1980MHz
2110-2170MHz
主要工作频段
1755-1785MHz
1850-1880MHz
补充工作频段
TD-SCDMA网络
1880-1920MHz，2010-2025MHz
主要工作频段
2300-2400MHz
补充工作频段
8、按照权利要求1或2所述的移动通信中继系统，在FDD(FrequencyDivision Duplex)系统中上下行通道使用不同无线光波长，在TDD系统中上下行通道可使用相同无线光波长。
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| CNA2003101113615A CN1545225A (zh) | 2003-11-11 | 2003-11-11 | 自由空间光传输移动通信直放站 |
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| CN1545225A true CN1545225A (zh) | 2004-11-10 |
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