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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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光ofdm应用天线的实用和设计考虑

Pavan Kumar Shukla1， Arnab Chakraborty2R.K.辛格3.
  1. 印度加济阿巴德Raj Kumar Goel理工学院欧洲经委会系
  2. 印度加济阿巴德Raj Kumar Goel理工学院欧洲经委会系
  3. 印度北阿坎德邦技术大学欧洲经委会系
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

本文讨论并介绍了光OFDM的各种有利信道特性。当我们使用室内或室外无线光信道传输光OFDM信号时，需要一个频率范围为60 GHz的天线系统。因此，针对光学OFDM系统的这些特殊应用，本文提出了一种偶极子天线，并给出了其设计思路和仿真结果。从反射损耗和辐射图两方面分析了该天线的性能。本文介绍了一种超宽带60ghz光子光学OFDM无线系统。本文还采用了一种级联的光学射频和数据调制方法，该方法采用了先进的光子元件和高频谱效率的QAM-OFDM调制格式。最后，我们实现了一个紧凑的60 GHz光子无线系统，具有更好的频谱效率。我们也可以通过利用60 GHz频段中的7 GHz频谱带宽来实现非常高的数据吞吐量。

关键字
无线红外通信，60ghz偶极子天线设计，光OFDM系统，强度调制

介绍
在数字和光通信的新时代，工作和生活环境中便携式信息终端的出现加速了无线数字链路和局域网的引入。便携式终端应该能够访问高速有线网络上提供的所有服务。与有线设备不同，便携式设备在功耗、尺寸和重量方面受到严重限制。对满足这些要求的廉价、高速链路的渴望激发了最近对红外无线通信[1]的兴趣。如果我们使用红外线作为室内短距离通信的媒介，它比无线电有几个显著的优势。红外发射器和探测器能够以低成本高速运行。红外光谱区域提供了几乎无限的带宽，在世界范围内是不受管制的。红外线和可见光在波长上很接近，它们在性质上表现出相似的行为。两者都被深色物体吸收，被浅色物体漫反射，并从有光泽的表面定向反射。这两种类型的光都能穿透玻璃，但不能穿透墙壁或其他不透明的屏障，因此红外传输被限制在它们发出的房间内。 This signal confinement makes it easy to secure transmissions against casual eavesdropping, and it prevents interference between links operating in different rooms. Thus, infrared wireless LAN’s can potentially achieve a very high aggregate capacity, and their design may be simplified, since transmissions in different rooms need not be coordinated.
当红外链路采用直接检测强度调制(IM/DD)时，短的载波波长和大面积的平方律探测器可以有效地实现空间分集，防止多径衰落。相比之下，无线电链路通常会受到接收信号幅度和相位的较大波动的影响。无线电和红外线是互补的传输媒介，不同的应用倾向于使用一种或另一种媒介。无线电适用于必须最大限度地提高用户移动性或需要穿墙或远距离传输的应用，也适用于必须最小化发射机功耗的应用。红外适用于短距离应用，其中每链路比特率和总系统容量必须最大化，成本必须最小化，要求国际兼容性，或接收机信号处理的复杂性必须最小化。红外链路可以采用各种设计，根据两个标准对它们进行分类是方便的。有向连杆采用定向发射机和接收机，它们必须瞄准才能建立连杆，而无向连杆采用广角发射机和接收机，减轻了这种指向的需要。定向链路设计最大限度地提高了电源效率，因为它最大限度地减少了路径损耗和环境光噪声的接收。另一方面，无向链路可能更方便使用，特别是对于移动终端，因为它们不需要瞄准发射机或接收机。也可以建立混合链路，将具有不同方向性的发射机和接收机结合起来。 The second classification criterion relates to whether the link relies upon the existence of an uninterrupted line-of sight (LOS) path between the transmitter and receiver. LOS links rely upon such a path, while non-LOS links generally rely upon reflection of the light from the ceiling or some other diffusely reflecting surface. LOS link design maximizes power efficiency and minimizes multi path distortion. Non-LOS link design increases link robustness and ease of use, allowing the link to operate even when barriers, such as people or cubicle partitions, stand between the transmitter and receiver. The greatest robustness and ease of use are achieved by the non directed-non-LOS link design, which is often referred to as a diffuse link.

2光分频复用系统结构
室外或室内无线光通信的主要问题属于符号间干扰。这种干扰极大地降低了传输质量，在链路扩散的情况下，其影响会更加严重。这是一个严重的问题，特别是在1gbps或更高的超高速光无线局域网的情况下。为了克服ISI效应，并行传输技术是可能的解决方案之一。并行传输降低了每个信道的数据速率，从而减少了ISI效应。提出了光正交频分复用技术，以减少ISI对光通信的影响，从而提高传输质量。在OFDM系统中，一个串行的高数据速率数据流被分割成一组低数据速率的子流。信道总带宽被划分为若干正交频率子信道，并且每个这些低数据速率子流在单独的子信道上进行调制。正交性是通过选择一组特殊的等距离散载波频率来实现的。结果表明，快速傅里叶反变换(IFFT)可以很方便地实现这一运算。 At the receiver, the Fast Fourier Transform (FFT) is used to de-multiplex the parallel data streams [2]. In current research, optical orthogonal frequency division multiplexing is proposed to combat dispersion in optical fiber media [4]. The authors in [4, 5] presented the theoretical basis for coherent optical OFDM systems in direct up/down conversion architecture. In [6], the authors showed that Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing outperformed RZ-OOK transmission in high-speed optical communication systems in terms of transmission distance and spectral efficiency.
在上述研究中，光OFDM是先用DSP套件进行OFDM的电子运算，然后再转换为光信号。在本文中，我们提出了漫反射无线光信道中的全光OFDM系统。拟议的系统将在接下来的章节中解释设计考虑因素和分析评估。光OFDM系统从串行高数据速率输入开始，然后传递到类似于传统OFDM系统的串行到并行(S/P)块。全光OFDM系统与传统OFDM系统的不同之处在于将低数据速率的并行子流转换为光信号，并以光而非电的方式进行IFFT技术，近年来数字信号处理电路的发展使得在无线通信系统中实现IFFT成为可能。但是，该方案不能应用于光通信，因为数据速率超出了数字信号处理速度的能力。低速率并行子流使用电光转换转换为光信号。接下来是使用[7]中讨论的任何类型的光调制技术调制每个光子流。图2中的所有光调制器都具有相同的光波长，并使用相同的DFB激光器作为光源。这种光学转换和调制被称为基带光调制器。 The base band optical modulator is followed by an optical IFFT [8], which consists of fiber delay lines and phase shifters. The number of fiber delay lines is equal to the parallel sub streams which also correspond to number of sub-carriers in the conventional OFDM. The delay lines realize orthogonality by having different lengths. The phase shifters implement the different sub-carriers that are orthogonal to each other and thus will be similar to IFFT done by DSP kits.
事实上，这是一个光学信号转换困难的系统，因为很难进行光学复制和粘贴。这可以通过使用光门和我们所说的光循环前缀来克服。采用光耦合器将光循环前缀分为两个分支;所述第一支路为光纤延迟线，所述第二支路为光开关。光开关用于复制主动射线周期的最后一部分，并在被延迟一个符号周期后，由光耦合器粘贴到光射线的前面。延迟是使用耦合器之后的第一个分支完成的。光发射机用于调制OOFDM信号，使其适合在无线光通道中传输。在接收端，光OFDM信号由光接收机检测，然后去除光循环前缀。通过IFFT和光解调得到相应的传输比特流。

3Ofdm室内无线光信道

A.光通道模型
基本上，光通道模型应该是一个可以用来估计红外无线室内通道脉冲响应的模型。这里给出了一种独特的算法[3]，其中每条射线都产生在发射极位置，其概率分布等于其辐射图。每个产生的射线的功率最初是源功率(1w)除以用于离散源的射线数。当射线撞击到一个表面时，反射点转换为一个新的光源，从而产生一个新的射线，其概率分布由该表面的反射模式提供。该过程在模拟期间继续进行。每次反射后，光线的功率减去表面的反射系数(r)，计算到达接收机的反射功率(选取第i条光线，第k个时间间隔)。Phong的模型被用来描述表面[14]的反射模式。这个模型能够近似那些表现出强烈的长期分量的表面的行为:它将反射模式作为漫反射和镜面分量的总和考虑在内。因此，表面特征由两个新参数定义:被扩散反射的入射信号的百分比rd和反射的镜面分量的方向性m。第k个时间间隔(宽度Dt)的总接收功率计算为在该时间间隔内贡献的Nk射线的功率之和。
图像

B.无线光OFDM系统
这里我们可以给出光OFDM发射机和接收机各自的特点。它们的主要构建模块如图1和图2所示。无线光OFDM系统发射机如图1所示，每个持续时间为Tb的数据位由P 2M-QAM调制器(P载波)产生和调制。然后，在调制器生成的P个符号中填充N-P个零(前面有一个零，对应DC值)，并将N个符号的字的镜像复共轭加到后者，然后计算IFFT。输出的IFFT符号是一个由2N个点组成的实序列，它可以在添加适当的直流偏置后直接驱动光源以避免下剪切。此外，还插入一个循环前缀(L - 2N Samples扩展)来对抗ISI。符号持续时间为Ts = MPTb秒，其中传输L个样本。这种传输的信号被信道响应(信道加上发射机低通和接收机抗混叠滤波器)扭曲，并被噪声(信道噪声、前置放大器热噪声和光电二极管发射噪声)破坏。整个噪声过程被建模为双向功率谱密度为N0/2的零均值加性高斯白噪声(AWGN):我们假设接收机与LOS信号同步。一旦损坏的循环前缀被移除，接收器计算2N点的FFT。 Only the first P points (after DC value) are considered and channel equalization is performed over them. It is a very simple operation. A known training sequence (Xp; p = 1,2, . . . ,P) is transmitted owing to the slowly time-varying nature of wireless optical channels, and the channel response of each sub-band (Hp) can be estimated from the P received symbols (Yp) as follows
图像
在符号解调之前，这个值可以用来抵消失真信道的影响。请注意，Hp的值会被噪声扭曲，因此可以传输多个训练序列，然后我们可以使用估计的平均值来进行更好的信道表征。
图像

3使用im / dd的远距离光学无线系统
一般来说，室外远距离光无线系统可分为三部分:发射机、传播路径和接收机。为了适应高速工作，发射机通常采用宽带宽、高发射功率的半导体激光器。接收机采用反式阻抗设计，在带宽和噪声之间做出了很好的妥协，结合自举降低了光电二极管的有效电容。
典型的(自举)接收器使用不同尺寸的(光学预放大)PIN或雪崩光电二极管(APD)。使用OOK的IM/DD被广泛应用于信号调制。图3示出了远距离点对点光学无线系统[4]的典型设置。LOS光无线链路的功率预算和原始数据性能受传播路径上大气损失的影响，包括自由空间损失、透明空气吸收、散射、折射和大气湍流(或闪烁)。自由空间损耗定义了到达接收机的光功率在接收机孔径内被有效捕获的比例(见图3)，并且存在于所有室内和室外系统中。其他形式的通道损伤仅在室外系统中出现。空气的吸收、散射和折射与天气(如雾、薄雾和雪)密切相关。然而，在世界各地主要城市进行的实地试验表明，这些因素造成的大气衰减一直很低。
对远距离室外系统(500米到几公里)的主要损害是大气湍流，这是由于温度和压力波动的均匀性造成折射率变化的结果。大气湍流可以用Kolmogorov理论[1]，[2]进行物理描述。它导致光信号在传播方向上以非常浅的角度优先散射，这在多个信号(多个激光束)上，导致它们在同时到达接收器时经历不同的相移。这反过来导致被检测信号的随机振幅波动。
图像

提出了用于光OFDM应用的60 GHz天线
针对光OFDM系统的具体应用，我们提出了一种能够发射和接收光OFDM信号的60 GHz天线。这里我们使用的是一种系统配置的60 GHz光子无线传输系统。一般来说，该系统由一个带有后续宽带数据调制的光学毫米波载波产生单元、一个光子无线发射器和一个相干无线接收器组成。传统上，全电子无线回送系统在微波域中运行，但由于微波波段的拥塞和监管限制，其容量被限制在大约200-600 Mbit/s的最大值。千兆位无线系统的解决方案是将载波频率转移到毫米波频段，这样全球监管机构就可以为宽带无线服务提供足够的带宽。60 GHz频段(57-64 GHz)中的7 GHz频谱在全球范围内被规定用于未经许可的无线服务，是未来多千兆无线系统的一个有前途的候选者。然而，实现这样的宽带无线通信系统面临着许多技术挑战，因为高载波频率，使用的带宽和较高的氧气吸收损失。与全电子无线系统相比，光子解决方案通常在涉及高聚合比特率和/或长传输距离时具有优势，因此迄今为止大多数宽带无线演示都采用了光子方法[5]。我们之前报道了一个使用ASK调制[7]在60 GHz工作的光子宽带12.5 Gbit/s无线系统。然而，在这种情况下，频谱效率低于0.5 bit/s/Hz，这意味着在57 GHz到64 GHz的规定带宽内，只能传输约3.5 Gbit/s的最大吞吐量。 In this paper, we report on a compact and high spectral efficient super-broadband photonic wireless system operating within the 7 GHz spectral bandwidth in the 60 GHz band. For the first time, we successfully demonstrate photonic wireless transmission of record data throughputs up to 27.04 Gbit/s using a 16-QAM OFDM modulation format resulting in a spectral efficiency as high as 3.86 bit/s/Hz.

五、设计与仿真结果
60 GHz的偶极天线，由高度为0.5 mm的砷化镓(GaAs)衬底组成。这是可用于工业应用的材料基材，尺寸为工业标准尺寸。对于偶极子天线的设计，我们已经计算出基板的尺寸为长x= 4毫米，宽y=7毫米。设计中使用了一种金属层，由铜金属组成。传输线尺寸可设为宽w =0.07 mm，长l = 0.05 mm。对于偶极子的尺寸，我们计算了偶极子的长度为l=1.06 mm，槽宽为0.0075 mm。槽位间距保持0.01 mm。本设计的偶极子天线为60ghz。如下图所示:
图像
模拟结果以其辐射图和回波损失的形式得到。这些结果如下图所示:
图像
图像
正如我们在辐射图中看到的，这个偶极天线的增益为2.3 dB。回波损耗为S11 = -15 dB。这些结果是在5 GHz带宽下计算得出的。最后我们发现它适合于光OFDM的应用。我们已经描述了光OFDM系统的系统结构，其中天线适用于60 GHz频率范围。这种天线可能有多种设计，但在这里提出了具有更好的辐射模式和回波损失的适当设计

六。结论
在本文中，我们研究了FSO通信作为光OFDM应用中基于rf的通信技术的替代方案。为了实现移动FSO通信，我们提出并开发了一种新颖而合适的偶极子天线，采用共面波导配置中的贴片天线设计。这些结果在60 GHz的频率范围内是合理的。辐射图主瓣锐度可以以其指向性的形式增加。在本文中，我们提出了一种基于级联射频和数据调制方法的紧凑的60 GHz宽带光子无线传输系统。通过8-QAM和16-QAM OFDM格式的调制技术，我们实现了高达3.86 t/s/Hz的频谱效率，这一结果可以通过使用12米和5米无线传输的光纤来实现。通过增加发射功率和天线增益，我们预计能够将无线跨度延长到100米，考虑到测量的无线接收机灵敏度。

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