5G波束“遥控器”诞生！一根光纤编织电波罗网

自第5代移动通信技术（5G）时代以来，毫米波频段已逐渐应用于移动网络。然而，由于毫米波在空间传播中的严重衰减和功率损耗，需要依靠天线阵发射高指向性、大增益的波束，从而克服其传播限制。迄今为止，大量天线阵已在光载无线接入网的远端无线单元部署。然而，如何实现天线阵的多波束产生和操控成为一大技术挑战。

近年来，许多光真时延波束赋形方案被提出，包括基于N比特可调时延线阵列、色散器件（如啁啾光栅），以及慢光效应器件（如光环形谐振器）的波束赋形系统等。然而，在上述的大多数研究中，射频波束主要在本地生成，难以和光载无线链路有效结合，从而限制了天线阵列的远端部署及波束指向的远程操控能力。

针对上述问题，我们提出一种基于多芯光纤的远端光真时延多波束赋形方案，适用于5G/6G光载无线接入网的多波束远端控制。通过这一设计，有效实现了多波束的远端精准操控，且弥补了现有系统在远端波束指向稳定性方面的不足，具有重要的应用价值。

图1展示了我们提出远端多波束赋形系统的原理图。该系统可在远端无线单元同时产生M个射频波束。每个波束由N元天线阵产生，并由中心单元操控波束指向。

图1 远端多波束赋形系统原理

为了实现这一目的，M台可调谐激光器被部署在中心单元，产生波长为λ₁~λ_M的光载波，分别与波束1~M对应。这M个光载波分别被调制上需传远发射的射频信号。这N组信号由N元啁啾光栅阵列的各光栅（CFBG₁~CFBG_N）分别反射。这里，CFBG₁~CFBG_N以相等的色散间隔排列，使得N组信号之间引入相等的时延差。其中，CFBG_k的色散值D_k（ps/nm）可以写成

传输时，同一波长λ_i的N路不同时延信号（对应同一波束i）应由同一根多芯光纤传输至远端，以确保各复制信号经历一致的热学和力学环境。需要说明的是，目前架构中N个解波分复用器被部署在中心单元，如图1所示。若远端无线单元的成本预算充足，N个解波分复用器也可在远端部署，从而将传输所需纤芯数量降低至N个。

针对远端射频波束的操控问题，波束i的指向可以通过调谐对应激光器的波长λ_i实现控制。首先，选择基准波长λ₀，通过预设中心单元或远端无线单元的尾纤长度，使λ₀处对应的各路光真时延信号经历相等光程，时延差为0。当波长调节为λ_i后，相邻天线单元之间的时延间隔Δτ_i可表示为

2.1 验证实验装置

受限于实验设备和器件数量，开展了2波束×2元天线阵的验证实验，实验装置和系统实物如图2所示。

图2 2波束×2元天线阵实验装置和实物系统

实验中，采用2 km的7芯单模光纤作为光载无线传输链路。7芯光纤包层直径为150 μm，芯间间距为42 μm，如图2所示。这4路光真时延信号经4个纤芯，分别被传输至远端无线单元。其中，纤芯1和纤芯2用于波束1，纤芯3和纤芯4用于波束2，它们的串扰矩阵如表1所示。

表1 实验所使用4个纤芯的芯间串扰矩阵

2.2 通道间时延差的测量和评估

首先，开展不同波长下波束1和波束2的通道间时延差测量实验。图3（a）以波束1的2个光真时延通道为例，给出了中心单元处（本地背靠背）不同波长对应的时延差作为参考基线。图3（b）展示了远端无线单元处波束1对应2个通道的时延差−波长关系。图3（c）展示了远端无线单元处波束2对应2个通道的时延差−波长关系。除此之外，图3（a）、（b）和（c）还给出了不同波长下，时延差在1 min之内的短期稳定性（红色散点）。这一结果表明，由于多芯光纤具有低芯间串扰，串扰导致的多径效应对时延的短期稳定性可忽略不计。因此，本实验证实了采用多芯光纤链路传远后，可在中心单元改变光载波的波长实现远端天线阵的时延控制，且时延差可准确维持中心单元的预设值。

图3 时延差−波长关系

2.3 多芯光纤传远后通道间时延差的长期稳定性

为进一步验证采用多芯光纤链路实现远程波束控制的有效性和长期稳定性，开展对比实验：分别将光真时延信号经多芯光纤或多条标准单模光纤传远，在远端无线单元测量通道间时延差的长期抖动性能。实验装置图如图2所示。实验时，多芯光纤和4根单模光纤均放置于相同温度和力学环境中，环境温度在20~23℃呈周期性波动。图4展示了4 h长期稳定性实验结果。因此，多芯光纤链路可将通道间时延差的长期稳定性提高1个量级，有益于天线阵的拉远应用。

图4 远端无线单元处，通道间时延差的长期稳定性

对于经多芯光纤拉远的2单元天线阵，波束指向的最大变化<3.5°，如图5（a）所示。然而，若经2根标准单模光纤拉远，波束指向的最大变化高达38.5°，如图5（b）所示。图5（c）展示了使用多芯光纤拉远产生单波束的仿真结果，波束可以精确地指向所需角度（以0°和30°为例）。图5（d）展示了使用多芯光纤拉远产生多波束的仿真结果（以0°和45°双波束为例），各波束指向角度准确、抖动小于1°，且主瓣幅度同样稳定。与此相反，图5（e）、（f）展示了使用标准单模光纤拉远产生单波束和多波束的仿真结果。因此，本实验证实经多芯光纤拉远后，波束指向稳定性得以保障，多波束赋形系统得以实现。

图5 远端波束指向的稳定性

2.4 远端波束的信号性能评估

最后，在18 GHz的射频载波上加载1 Gbaud的正交相移键控（QPSK）信号，研究多芯光纤传远对宽带无线信号性能的影响。图6展示了误差矢量幅度（EVM）和光电探测功率的关系曲线。可以发现，中心单元处（BTB），QPSK信号达到EVM阈值时对应的光功率约为−17.3 dBm，且啁啾光栅的引入不会影响信号质量。因此，多芯光纤可支持GBaud级宽带信号传远，满足5G/6G信号传输需求。

图6 传输无线信号的性能

我们提出并演示了一种基于多芯光纤的远端光真时延多波束赋形系统。系统可支持M个波束的远端产生和远程真时延操控。表2从多个能力维度对比了本方案和其他光真时延波束赋形方案的性能。

• 首先，本方案通过改变对应激光器的波长，可在中心单元连续且独立地操纵各波束，具备多波束、无间断指向控制能力。

• 其次，本方案所使用光学器件和光纤链路均具有宽响应带宽，适配5G/6G时代GBaud级宽带无线信号的应用。

• 最后，本方案采用多芯光纤将天线阵拉远，经实验证实，可支持通道一致性优、指向长期稳定的远端波束赋形。

表2 光真时延波束赋形方案性能对比

未来，本系统有望进一步优化。其一，可用波导上的啁啾光栅代替光纤布拉格光栅，减小真时延模块的尺寸。其二，产生多波束的光载波可替换为电光调制型光频梳，以简化光源的功耗。最后，可应用更多纤芯的多芯光纤，或考虑多芯少模光纤，从而支持远程接入更多单元的天线阵。