科技导报

串扰值/dB	纤芯1	纤芯2	纤芯3	纤芯4
纤芯1	—	-43.4	-29.7	-39.4
纤芯2	-38.8	—	-33.6	-28.9
纤芯3	-31.4	-42.9	—	-39.3
纤芯4	-40.1	-31.1	-41.5	—

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纤芯1	—	-43.4	-29.7	-39.4
纤芯2	-38.8	—	-33.6	-28.9
纤芯3	-31.4	-42.9	—	-39.3
纤芯4	-40.1	-31.1	-41.5	—

光真时延方案	波束指向控制连续性	多波束赋形能力	支持带宽	是否支持远端天线阵	参考文献
N比特可调时延线阵列	不连续	具备	宽带	不支持	^[11-12]
多波长光源结合色散器件	连续	不具备	宽带	不支持	^[13]
微环谐振器阵列	连续	具备	窄带	支持	^[15]
本方案	连续	具备	宽带	支持	—

光真时延方案	波束指向控制连续性	多波束赋形能力	支持带宽	是否支持远端天线阵	参考文献
N比特可调时延线阵列	不连续	具备	宽带	不支持	^[11-12]
多波长光源结合色散器件	连续	不具备	宽带	不支持	^[13]
微环谐振器阵列	连续	具备	窄带	支持	^[15]
本方案	连续	具备	宽带	支持	—

基于多芯光纤远端光真时延多波束赋形系统的研究

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张宸博 ¹ , 朱逸萧 ²^,* , 胡卫生 ²

科技导报 | 研究论文 2025,43(12): 153-160

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科技导报 |研究论文 2025 , 43 (12) : 153 -160

基于多芯光纤远端光真时延多波束赋形系统的研究

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张宸博，助理研究员，研究方向为光载无线通信，电子信箱: zhangchenbo@pku.edu.cn

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张宸博¹, 朱逸萧²^,*, 胡卫生²

作者信息

1. 北京大学电子学院, 北京 100871

2. 上海交通大学电子工程系, 上海 200240

通讯作者:

朱逸萧（通信作者），副教授，研究方向为短距光互连，电子信箱: yixiaozhu@sjtu.edu.cn

Research on a remote true-time-delay multi-beamforming system based on multicore fibers

Chenbo ZHANG¹, Yixiao ZHU²^,*, Weisheng HU²

Affiliations

1. School of Electronics, Peking University, Beijing 100871, China

2. Department of Electronic Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

出版时间: 2025-06-28 doi: 10.3981/j.issn.1000-7857.2025.05.00016

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摘要

收起

在5G/6G光载无线接入网中，远端无线单元需具备多波束赋形功能，以支持泛在移动终端的可靠接入。针对这一需求，多芯光纤凭借其通道数量多、通道间时延一致性好的优势，成为具有潜力的链路方案。提出一种基于多芯光纤的远端光真时延多波束赋形架构，可用于5G光载无线接入网。该架构利用多芯光纤作为链路，并在中心单元部署具有等色散间隔的啁啾光栅用于提供等间距时延。通过分别调节多路光载波的波长，系统可连续调整远端对应波束的指向，实现中心化的多波束操控。为了验证架构可行性，采用2 km的7芯光纤作为光载无线链路开展实验，搭建了2×2远端波束赋形验证系统。实验结果表明：通过调谐各个光载波的波长，可实现各波束指向的独立控制；与传统单模光纤相比，多芯光纤将通道间时延抖动降低了1个量级以上，最大时延抖动仅为1.7 ps，从而确保波束指向的长期稳定性。此外，实验还表明，多芯光纤的芯间串扰对预设时延和宽带无线信号信噪比的影响可忽略不计。本架构为实现远端波束赋形功能提供了可行、稳定的解决方案，对于5G/6G移动接入网具有重要应用价值。

关键词

光载无线技术 / 远端波束赋形 / 光真时延 / 多芯光纤

Abstract

收起

In 5G/6G radio-over-fiber (RoF) networks, remote radio units (RUs) require multi-beamforming functionality to ensure reliable access for ubiquitous mobile terminals. To meet this requirement, multi-core fibers (MCFs) have emerged as a promising solution for RoF links due to their advantages of supporting multiple channels and maintaining excellent inter-channel delay consistency. Here, we proposes a remote optical true-time-delay multi-beamforming architecture based on MCFs, which is suitable for 5G RoF networks. The architecture utilizes MCFs as the link, while deploying chirped fiber Bragg gratings with equal dispersion spacing to provide equal-space time delays at the centralized unit. By independently tuning the wavelengths of each optical carriers, the corresponding beam direction can be continuously adjusted, enabling centralized multi-beam control. To validate the feasibility of this architecture, we use a 2-km 7-core fiber as the RoF link for experiment and build a 2×2 remote beamforming system. Experimental results demonstrate that by tuning the wavelength of each optical carrier, independent control of each beam direction can be achieved. Compared to single-mode fibers, MCF reduces inter-channel delay jitter by more than an order of magnitude, with a maximum delay jitter of 1.7 ps, ensuring long-term stability of the beam direction. Furthermore, the inter-core crosstalk of MCF has a negligible impact on both the preset delays and the signal-to-noise ratio of broadband wireless signals. This architecture provides a feasible and stable solution for realizing remote beamforming, offering significant application value for 5G/6G mobile access networks.

Key words

radio-over-fiber / remote beamforming / optical true time delay / multicore fiber

引用本文

张宸博, 朱逸萧, 胡卫生. 基于多芯光纤远端光真时延多波束赋形系统的研究. 科技导报, 2025 , 43 (12) : 153 -160 . DOI: 10.3981/j.issn.1000-7857.2025.05.00016

Chenbo ZHANG, Yixiao ZHU, Weisheng HU. Research on a remote true-time-delay multi-beamforming system based on multicore fibers[J]. Science & Technology Review, 2025 , 43 (12) : 153 -160 . DOI: 10.3981/j.issn.1000-7857.2025.05.00016

正文

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毫米波具有丰富的频谱资源，且支持大带宽和高传输容量。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^[1−4]。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^[5]。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^[5−6]。传统的天线阵通过移相器阵列控制波束指向。然而，随着无线信号带宽的不断增加，移相器阵列面临波束斜视问题：不同频率的波束在相同移相值作用下会出现指向偏差^[7−8]。相比之下，真时延天线阵不存在波束斜视问题成为当下研究重点^[8−10]。特别是光学方案产生的真时延系统，即光真时延系统^{[6, 8−9]}，因其能够与光载无线接入网紧密结合，受到广泛关注。

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^[11−12]、色散器件（如啁啾光栅）^[13−14]，以及慢光效应器件^[15]（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，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。该方案中，在中心单元部署一系列具有等色散间隔的啁啾光栅（CFBG），用于实现远端多波束方向的连续、精确调节；通过多芯光纤，不同波束所对应的光载无线信号被传输至远端无线单元。借助多芯光纤低串扰和高芯间一致性的优势，传输至远端天线阵的无线信号不仅信噪比不受影响，信号之间的时延差也能够稳定维持在预设值。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。

1 远端多波束赋形系统原理

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图 1展示了本文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。

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，并由掺铒光纤放大器放大。随后，分布在M个不同波长的光载射频信号耦合至一路，经再次放大后，被分成N组相同的波分复用信号，从而分别对应远端天线阵的N个天线单元。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

(1)

$D_k=D_0+(k-1) \cdot D$

式中，D为色散间隔，D₀为任意的基准色散偏置。经过N元啁啾光栅阵列后，使用N个相同的解波分复用器件分离M波信号，从而生成M×N路单波长信号。随后，使用总计含有M×N个纤芯的多芯光缆，将M×N路信号传输至远端无线单元。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。在远端无线单元中，每个波束对应的N路复制信号由N元光电探测器阵列检测，随后经N 元天线阵辐射至空间。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。这使得远端无线单元实现最大简化，仅需要光电探测和天线发射环节，但传输链路所需纤芯数量为M×N。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。此外，考虑到M个波束可能共用相同的射频频率，图 1中的远端无线单元处展示了M个天线阵列。若M个波束的工作频率不同，则仅需远端部署1个天线阵，从而提高阵面利用率。

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)

$\Delta \tau_i=D \cdot\left(\lambda_i-\lambda_0\right)$

因此，波束i的指向角度θ_i为

(3)

$\theta_i=\arcsin \left(\mathrm{c} \cdot \frac{\Delta \tau_i}{d}\right)$

式中，c为光速，d为天线单元之间的间距。当使用波长数为M时，啁啾光栅阵列可同时提供M个时延值Δτ₁ Δτ_M，从而实现远端无线单元M个波束方向θ₁ ~θ_M的中心控制。

2 实验和结果分析

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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。2台波长为λ₁和λ₂的激光器输出连续光被耦合，由MZM调制上射频信号，并被掺铒光纤放大器放大。这2波调制信号被功分为2路。第1路不经过任何啁啾光栅，即D₁ = 0ps/nm；第2路经过色散为4.83 ps/nm、带宽为30 nm的啁啾光栅反射，即D₂= 4.83 ps/nm；色散间隔D = D₂ −D₁ = 4.83 ps/nm。由于啁啾光栅对第2路信号带来额外损耗，一个可调衰减器被插入1路，以平衡2路功率。随后，采用2台商用波分/解波分复用器（Waveshaper 4000 s）进行波长分离，同时进行单边带滤波以避免色散造成的射频功率衰落。波长分离后，4个光真时延通道的信号（2个通道应用λ₁，远端产生波束1；另2个通道应用λ₂，远端产生波束2）被放大和功率控制后，分别通过对应的可调时延线，用于将各通道在基准波长λ₀的时延差归零，λ₀= 1550.92 nm（193.300 THz）。

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。经传输后，4路信号分别由4个相同的光电探测器探测，并分别被射频放大器放大，提供给2组2元天线阵。

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。通过调谐2台激光器的波长（λ₁和λ₂），可分别在中心单元（本地背靠背）以及远端无线单元（经2 km多芯光纤传输后）测试时延值，以评估通道间时延差和光载波波长之间的关系，同时验证多芯光纤链路对通道间时延差的影响。实验中，调制的射频信号为18 GHz的正弦波；2个光载波λ₁和λ₂均以50 GHz为步长，由192 THz扫描至195 THz；在本地或远端无线单元接收时，经光电探测后，由100 GS/s的示波器同时采集每波束对应的2个通道，并实时获取二者的相位差，从而计算出通道之间的时延差。示波器工作在16次平均模式，以降低时钟抖动和量化误差的影响，每个波长测试时间为1 min。

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。经实验，本地时延差−波长曲线的斜率为−4.83 ps/nm，与所使用的啁啾光栅参数一致。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，测得斜率为−4.94 ps/nm。它们由纤芯1和纤芯2传输至远端。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，测得斜率为−5.06 ps/nm。它们由纤芯3和纤芯4传输至远端。由此可见，远端波束1和波束2对应的时延差−波长曲线与本地背靠背基本一致。0.2 ps/nm左右的微小差异是由纤芯色散的细微不同导致，在实际应用中可忽略不计。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）^[16]。无论对于远端波束1和波束2还是本地波束，1 min内的时延差抖动均处于0.2~0.6 ps。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^[16]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。

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（进行对照实验时，多芯光纤替换为4根2 km的标准单模光纤），调制信号仍为18 GHz正弦波。接收信号时，用示波器同时采集同一波束对应的2个光真时延通道。每3 s记录一次通道间时延（相位）差，总计测量时间为4 h^[17]。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。采用多芯光纤传远时，由于各纤芯都处于相同的包层内，各传输通道均经历了一致的外界环境变化，通道间最大时延抖动仅为1.7 ps。然而，当链路替换为独立的4根单模光纤后，4个纤芯分别处于不同的光纤包层和套筒内，在空间上存在间隔，导致各通道所经历的外界环境（主要为温度分布）存在差异。而标准单模光纤的热稳定系数为40 ps/（km·℃），将造成严重的时延抖动。如图 4所示，最大时延抖动高达18.3 ps，与参考文献[17]的测量结果相当。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。

根据式（3）和图 4的测量结果，分析了远端波束的指向稳定性。这里信号频率为f_RF =18 GHz，阵元间距d = c/2f_RF。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。进一步，可仿真8单元天线阵的波束指向稳定性，取射频频率f_RF =25 GHz。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。不仅波束主瓣方向存在严重偏移，主瓣功率还会向多个方向分散，从而造成多波束之间的干扰。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。

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。经2 km多芯光纤传输至远端无线单元后，EVM阈值对应的光功率在−16.8~−16.5 dBm。各纤芯的传输代价＜0.8 dB，影响非常小。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。

3 结论

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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。上述3个优势保证了本方案的实用性和可行性。

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。

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2025年第43卷第12期

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doi: 10.3981/j.issn.1000-7857.2025.05.00016

接收时间：2025-05-06
首发时间：2025-12-16
出版时间：2025-06-28

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出版历史

收稿日期：2025-05-06
修回日期：2025-05-22

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国家自然科学基金面上项目(62271305)

作者信息

1. 北京大学电子学院, 北京 100871

2. 上海交通大学电子工程系, 上海 200240

通讯作者:

朱逸萧（通信作者），副教授，研究方向为短距光互连，电子信箱: yixiaozhu@sjtu.edu.cn

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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