基于大口径三级透镜接收机和快速转向镜的Fiber-FSO-5G NR毫米波集成系统

《Journal of Lightwave Technology》：Fiber-FSO-5G NR MMW Integrated Systems Using a Large-Aperture Triplet-Lens Receiver and Fast Steering Mirrors

　　

摘要：

数据密集型应用的快速增长要求通信系统能够支持高接入速率、广泛覆盖和灵活部署。本研究实际实现了一种光纤 - 自由空间光（FSO）-5G 新空口（NR）毫米波（MMW）集成系统，该系统采用 10 厘米大口径三片式镜头接收机和快速反射镜（FSM）。所提出的集成系统运行在异构介质中，包括 25 千米单模光纤、1.4 千米 FSO 链路、对应偏转角高达 60°的 70–100 米波束转向距离以及 10 米射频无线链路。同时传输两个位于 24 和 48 GHz 的毫米波载波，每个载波承载 10 Gb/s 16 正交幅度调制 - 正交频分复用信号，实现每激光束 20 Gb/s 的聚合数据速率。结果表明，即使在强大气湍流下，当偏转角 ≤ 60°时，误码率仍保持在或低于 3.8 × 10^?3 前向纠错极限。大口径三片式镜头接收机通过孔径平均有效减轻了湍流引起的损伤，而 FSM 在 60°大偏转角下保持 75% 的高偏转效率。结果验证了光纤 -FSO-5G NR MMW 集成系统在支持大容量和灵活接入通信方面的可行性和鲁棒性。

I. 引言

开发自动驾驶、高速互联网、4K/8K 超高清视频流和交互式 3D 浮空图像等应用需要极高的数据速率 [1], [2], [3], [4], [5]。满足这些日益增长的需求需要跨光纤骨干网、馈线网络和最后英里连接进行大容量传输。光纤与第五代（5G）新空口（NR）毫米波（MMW）的集成在支持高数据速率方面显示出巨大潜力 [6], [7]。然而，尽管毫米波频段支持高速传输，但其传输范围受大气吸收严重的限制，更适合短距离而非长距离无线链路。自由空间光（FSO）通信作为一种克服毫米波无线通信短距离限制的前景方案脱颖而出 [8], [9], [10], [11]。FSO 通信通过激光束传输数据，提供高带宽、高数据速率和强电磁干扰免疫力，使其成为频谱拥挤的射频（RF）无线通信的一种有吸引力的替代方案。此外，FSO 通信功耗更低，因为它们依赖光学发射机和接收机，而不是耗电的功率放大器（PA）。随着 FSO 通信的进步，它们在支持大容量和长距离通信方面发挥着至关重要的作用 [12], [13], [14], [15]。为了实现长距离高速传输，已开发出光纤 -FSO-5G NR MMW 集成系统，通过混合有线和无线链路传输毫米波信号 [16], [17], [18]。通过结合光纤、FSO 和 5G NR MMW 技术，该系统同时提供高数据速率和长传输距离。FSO 通信中的一个关键要求是在发射机和接收机之间建立高质量的无线光链路，这受大气湍流损伤和激光束在不同偏转角下的偏转效率强烈影响。为了克服这些挑战，引入了大口径三片式镜头接收机和快速反射镜（FSM）以减轻湍流影响并提供灵活的激光束偏转。小口径直径的三片式镜头接收机极易受大气湍流影响，导致接收功率显著波动，特别是在强湍流条件下 [19], [20]。相比之下，大口径三片式镜头接收机增强了孔径平均效应 [21], [22], [23], [24]，允许收集更高的光学功率并有效减轻湍流引起的功率波动。孔径平均抑制了大气湍流引起的强度变化。通过扩大接收机的口径，光学信号在波束轮廓上被平均，从而改善信号稳定性并提高系统性能可靠性。此外，在大偏转角下实现高偏转效率对于维持高质量 FSO 链路和增强传输灵活性至关重要。在这方面，FSM 实现了高效的大角度波束偏转，使自适应对准成为可能并提高通信鲁棒性。如图 1 所示，采用大口径三片式镜头接收机和基于 FSM 的波束转向的光纤 -FSO-5G NR 集成系统传输毫米波信号，展示了支持长传输距离和宽范围偏转角下高接入速率的能力。图 1.

采用大口径三片式镜头接收机和基于 FSM 的波束转向的光纤 -FSO-5G NR 集成系统传输毫米波信号，展示了支持长传输距离和宽范围偏转角下高接入速率的能力。