DE102018121353A1

DE102018121353A1 - Funkzugangseinrichtung und Netzwerk mit faseroptischer Datenübertragung und Funkzugangseinrichtung

Info

Publication number: DE102018121353A1
Application number: DE102018121353.0A
Authority: DE
Inventors: Matthias Steeg; Andreas Stöhr
Original assignee: Universitaet Duisburg Essen
Current assignee: Universitaet Duisburg Essen
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2020-03-05
Also published as: WO2020043830A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Funkzugangseinrichtung (14) zur Funkübertragung von in Form eines optischen Signals vorliegenden Daten, mit einer Sendevorrichtung (36), die eine Wandlereinheit (40) zur Faser-zu-Funk-Wandlung und eine der Wandlereinheit (40) nachgeschaltete Antenneneinheit (42) umfasst, die ihrerseits zumindest eine mit mindestens einem Wellenleiter und mit am Wellenleiter ausgebildeten Antennenelementen (46) ausgestaltete Leckwellenantenne (44) aufweist. Es ist vorgesehen, dass die Antenneneinheit (42) mehrere solcher Leckwellenantennen (44) aufweist, die derart angeordnet sind, dass deren Antennenelemente (46) in einer Matrixanordnung angeordnet sind.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Netzwerk (10) mit faseroptischer Datenübertragung, mindestens einem Server (12) und mindestens einer Funkzugangseinrichtung (14) sowie die Verwendung der Funkzugangseinrichtung (14) zur Datenübertragung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Funkzugangseinrichtung zur Funkübertragung von in Form eines optischen Signals vorliegenden Daten, mit einer Sendevorrichtung, die eine Wandlereinheit zur Faser-zu-Funk-Wandlung und eine der Wandlereinheit nachgeschaltete Antenneneinheit umfasst, die ihrerseits zumindest eine mit mindestens einem Wellenleiter und mit am Wellenleiter ausgebildeten Antennenelementen ausgestaltete Leckwellenantenne aufweist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Netzwerk mit faseroptischer Datenübertragung, einem Server und mit mindestens einer derartigen Funkzugangseinrichtung sowie die Verwendung einer derartigen Funkzugangseinrichtung.
Vom kommenden 5G Mobilfunkstandard wird die Abdeckung vieler aktuell nicht durch Mobilfunk zu lösenden Aufgaben erwartet, wodurch international ein hohes Marktpotential gesehen wird. Der mit der Funkkommunikation betraute Sektor der Internationalen Fernmeldeunion (ITU-R) definiert dabei drei zentrale Anwendungsszenarien für den kommenden 5G Mobilfunkstandard, die neue Funktionalitäten der physikalischen Schnittstelle erfordern. Diese Szenarien sind: (i) Zugang zu multimedialen Inhalten, Diensten und Daten, z.B. HotSpot Szenario mit hoher Kapazität, (ii) Höchst zuverlässige Mobilfunkkommunikation mit geringer Latenz und (iii) Kommunikation für und zwischen Maschinen und Sensoren.
Für das Hot-Spot-Szenario wird eine enorm hohe Zellkapazität bei geringer Latenz, hoher Nutzerdichte und gleichzeitig moderater Mobilität erwartet. Mögliche Anwendungen sind z.B. wartende Nutzer an Flughäfen, in Bahnhöfen, in Flugzeugen oder in Zügen, die schnell mit multimedialen Inhalten und Diensten versorgt werden sollen. Anwendungsmöglichkeiten erstrecken sich aber auch auf Maschinen z.B. in Produktionsgebäuden oder in Krankenhäusern.
Technisch gesehen erfordert der Zugang vieler Nutzer und/oder vieler Maschinen zu multimedialen Inhalten und Diensten die Anbindung dieser Nutzer/Maschinen an einen zentralen Server. Dies wiederum erfolgt bei mittleren bis langen Distanzen zwischen den Nutzern/Maschinen idealerweise durch den Einsatz von Lichtwellenleitern/Glasfasern. Damit aber auch eine gewisse Mobilität der Nutzen Maschinen möglich wird, muss der Zugang auf den letzten Metern idealerweise per Funk erfolgen (Hot-Spot-Use-Case).
Um ein zügiges Übertragen der Inhalte ohne zusätzliche Verzögerung (Latenz) an den Nutzer zu gewährleisten, sollte in den entsprechenden Funkzugangseinrichtungen (engl. Radio Access Device) auf zeitaufwändige Signalverarbeitung verzichtet werden.
Die Antenneneinheiten derartiger Funkzugangseinrichtungen weisen beispielsweise steuerbare direktive Antennen basierend auf phasengesteuerten Gruppenantennen auf. Die populärsten Techniken zur Realisierung von steuerbaren direktiven Antennen basieren auf phasengesteuerten Gruppenantennen (englisch: phased array) Dabei werden viele diskrete Antennenelemente von einem zentralen Signal gespeist, wobei die Leistung und Phase des Signals an jedem Antennenelement unabhängig eingestellt werden kann Die Eigenschaften einer solchen Gruppenantenne werden daher maßgeblich von dem Strahlformungsnetzwerk bestimmt, welches das Einstellen der Signalamplitude und Signalphase an den Antennenelementen ermöglicht. Je nach Implementierung werden unterschiedlich große Teile des Strahlformungsnetzwerkes durch aktive oder passive Komponenten realisiert, wobei sich ein trade-off zwischen Kosten und Komplexität auf der einen Seite und Performance und Einstellmöglichkeiten auf der anderen Seite ergibt. Typische Implementierungen sind Antennenmatrizen mit Strahlformungsnetzwerken in Form einer Blass- oder Butler-Matrix.
Eine alternative Möglichkeit zur Realisierung von Antennen mit Mehrfachkeulen ist der Einsatz von Linsen zur Strahlformung. Dabei strahlt jedes diskrete Antennenelement zusammen mit der Linse eine eigene Antennenkeule ab, deren Richtung dann von der relativen Position der Antenne zur Linse abhängig ist. Durch Umschalten zwischen verschiedenen Antennenelementen mit unterschiedlichen relativen Positionen zur Linse kann so die Antennenkeule „geschaltet“, d.h. in ihrer Richtung verändert werden (engl.: Beam switching).
Die Implementierung aktiv gesteuerter Gruppenantennen im Millimeterwellenbereich erfordert den Einsatz elektrischer Phasenschieber In der Hochfrequenzlage. Dies bringt zahlreiche Performanceprobleme mit sich und verursacht i.d.R. sehr hohe Kosten. Daher werden meistens passive Strahlformungsnetzwerke mit mehreren Eingängen verwendet, wobei die Einspeisung zu den Eingängen durch Leistungsschalter oder -teiler gesteuert wird. Hier wird der Formfaktor der Antenne schnell unakzeptabel groß, da i.d.R. pro individuell steuerbarer Antennenkeule ein eigener physikalischer Signaleingang erforderlich ist. In der Hochfrequenzlage sind dies i.d.R. Hohlleiter oder Koaxialleiter mit sehr kleinen Durchmessern. Die Ansteuerung einer Gruppenantenne mit Linse funktioniert äquivalent über die gesteuerte Einspeisung zu den diskreten Antennenelementen.
Für die Anbindung einer solchen Gruppenantenne mit mehreren physikalischen Eingängen ergibt sich aus der Anforderung die Antenne direkt mit einer Glasfaser zu verbinden eine Vielzahl weiterer Nachteile. Entweder müssen die RF Eingänge (RF: Radiofrequenz) einzeln mit einem Glasfaseranschluss versorgt werden, was einen nicht zu rechtfertigenden Aufwand bedeutet, oder der Multibeam Gruppenantenne muss ein zusätzliches Demultiplex-Netzwerk vorgeschaltet werden. Dieses Demultiplex-Netzwerk müsste dann die ankommenden Datensignale zunächst trennen und dann gezielt zur Gruppenantenne einspeisen. Dies widerspricht dem Verzicht auf Signalverarbeitung zwischen Glasfaser und Antenne. Zudem müssten zusätzliche Steuersignal mit übertragen werden.
Die Veröffentlichung » Steeg, M.; Stöhr, A.: „High Data Rate 6 Gbit/s Steerable Multibeam 60 GHz Antennas for 5G Hot-Spot Use Cases“ in Proceedings of the 2017 IEEE Photonics Society Summer Topical Meeting Series (SUM), San Juan, Puerto Rico, 10-12 July 2017.« beschreibt eine Funkzugangseinheit zur Funkübertragung von in Form eines optischen Signals vorliegenden Daten. Diese Funkzugangseinheit ist eine Sendevorrichtung mit einer Wandlereinheit zur Faser-zu-Funk-Wandlung und mit einer der Wandlereinheit nachgeschaltete Antenneneinheit, die eine mit einem Wellenleiter und mit am Wellenleiter ausgebildeten Antennenelementen ausgestaltete Leckwellenantenne aufweist. Die Funkzugangseinheit ist in ein Datenübertragungssystem mit faseroptischer Datenübertragung eingebunden, welches neben der Funkzugangseinrichtung auch eine Zentraleinheit umfasst, die der Funkzugangseinheit die Daten über eine Glasfaserleitung zur Verfügung stellt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Funkzugangseinrichtung sowie ein entsprechendes Netzwerk mit Funkzugangseinrichtung anzugeben, die eine zügige Funkübertragung von Daten an entsprechende Endgeräte im Funkübertragungsbereich der Funkzugangseinrichtung ohne zusätzliche Verzögerung (Latenz) auf einfache Weise gewährleisten.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei der erfindungsgemäßen Funkzugangseinrichtung zur Funkübertragung von in Form eines optischen Signals vorliegenden Daten, die eine Sendevorrichtung mit einer Wandlereinheit zur Faser-zu-Funk-Wandlung und einer der Wandlereinheit nachgeschalteten Antenneneinheit aufweist, wobei diese Antenneneinheit ihrerseits zumindest eine Leckwellenantenne aufweist, die mit mindestens einem Wellenleiter und mit am Wellenleiter ausgebildeten Antennenelementen ausgestaltet ist, ist vorgesehen, dass die Antenneneinheit mehrere solcher Leckwellenantennen aufweist, wobei diese Leckwellenantennen derart angeordnet sind, dass deren Antennenelemente in einer Matrixanordnung angeordnet sind. Durch die zweidimensionale Matrixanordnung der Antennenelemente kann die Ausrichtung der entsprechenden Antennenkeulen (Abstrahlkeulen) nun in zwei Dimensionen gezielt eingestellt werden. Dies ermöglicht es, unterschiedlichen Nutzern der Funkzugangseinrichtung die jeweils gewünschten Daten präzise zuzusenden.
Um den hinzugewonnenen Freiheitsgrad bei der Ausrichtung der Antennenkeule nun aber voll ausnutzen zu können, muss das entsprechende RF-Signal für die einzelnen Leckwellenantennen (LWA) auf die entsprechende Anzahl von Signalpfaden zu den einzelnen Leckwellenantennen verteilt werden. Dazu muss die Wandlereinheit eine entsprechende Signalverteilungs-Funktion übernehmen.
Zu diesem Zweck ist insbesondere vorgesehen, dass die Wandlereinheit (i) mindestens eine Schnittstelle zum Einspeisen des die Daten aufweisenden optischen Signals, (ii) mindestens eine als optischer Lokaloszillator dienenden durchstimmbare Lichtquelle zum Erzeugen eines weiteren optischen Signals, (iii) mindestens eine Mischer- und Verteilereinrichtung zum optisch heterodynen Mischen der beiden optischen Signale und zum Verteilen des aus der Mischung der optischen Signale resultierenden Signals auf Signalstränge für die Leckwellenantennen und (iv) mindestens ein optoelektronisches Bauelement zum Erzeugen eines RF-Signals aus der Mischung der optischen Signale oder des jeweiligen aus der Mischung der optischen Signale resultierenden Signals aufweist. Durch einen solchen Aufbau werden die Funktionen Faser-zu-Funk-Wandlung und Signalverteilung sicher gewährleistet.
Die Lichtquelle ist bevorzugt eine Laserdiode oder eine andere Laserlichtquelle. Mittels der Funkzugangseinrichtung (Radio Access Device) können Nutzer von Mobilfunkgeräten Zugang zu Servern erhalten, die per Glasfaserkabel vernetzt sind.
Die Komponenten der Funkzugangseinrichtung haben folgende Eigenschaften und Funktionen: Die Leckwellenantennen über das mindestens eine optoelektronische Bauelement mit RF-Signalen gespeist. Das optoelektronische Bauelement ist beispielsweise eine Photodiode, also eine RF-Photodiode. Diese RF-Signale ergeben sich durch optische Mischung von mehreren optischen Signalen in der Mischer- und Verteilereinrichtung. Zumindest eines dieser optischen Signale hat seinen Ursprung im optischen LO und ist nicht mit Nutzdaten moduliert und zumindest ein anders dieser optischen Signale ist ein mit Daten moduliertes optisches Signal. Die Leckwellenantennen sind Gruppenantenne mit je einem dielektrischen Wellenleiter und Antennenelementen, die bezüglich des Wellenleiters Störstellen bilden, an denen jeweils ein Teil des RF-Signals abgestrahlt oder empfangen werden kann/wird. Die Funkzugangseinrichtung umfasst bevorzugt auch eine Steuereinrichtung (ein Steuergerät) zum Ansteuern der Wandlereinheit und insbesondere zum Ansteuern der durchstimmbaren Lichtquelle, die den optischen Lokaloszillator bildet. Diese Steuereinrichtung gibt insbesondere die Frequenz bzw. Wellenlänge des das weitere optische Signal bildenden Lichts der Lichtquelle vor.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sendevorrichtung eingerichtet ist, die Radiofrequenz und/oder die Amplitude und/oder die Phase des RF-Signals mittels der Mischer- und Verteilereinrichtung derart einzustellen, dass sich eine gewünschte Ausrichtung der räumlichen Antennenabstrahlcharakteristik ergibt. Über die Einstellung der Frequenz wird auf die Ausrichtung der räumlichen Antennenabstrahlcharakteristik parallel zur Ausrichtung der einzelnen Leckwellenantenne und über die Einstellung der Amplitude und/oder Phase wird auf die Ausrichtung der räumlichen Antennenabstrahlcharakteristik senkrecht zur Ausrichtung der einzelnen Leckwellenantenne Einfluss genommen. Die Funkzugangseinrichtung nutzt die Leckwellenantenne in Verbindung mit optisch-heterodynem Mischen für die direkte, d.h. latenzfreie, Punkt-zu-Multipunkt (PtMP) Faser-zu-Funk Konversion mit steuerbaren Antennenkeulen als Antennenabstrahlcharakteristik.
Der hier vorgeschlagene neuartige Ansatz ermöglicht die zentrale Steuerung der Antennenkeulen über die optische Wellenlänge. Der optische Mischprozess gestattet zudem in Verbindung mit dem inkohärenten Funkempfänger gleichzeitig die Steuerung einer individuellen Struktur der Antennenabstrahlcharakteristik über die optische Wellenlänge bzw. die durch die Schwebung beim Mischen erzeugte Trägerfrequenz.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sendevorrichtung eingerichtet ist, bei Anwendung von Multiplexverfahren mittels der Mischer- und Verteilereinrichtung eine Mehrzahl von individuell ausrichtbaren räumlichen Strukturen der Antennenabstrahlcharakteristik zu erzeugen. Durch Einsatz von in der Optik bekannten Multiplexverfahren wie OFDM (OFDM: Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, deutsch: Orthogonales Frequenzmultiplexverfahren) oder WDM (WDM: Wavelength Division Multiplexing) können so mehrere unabhängig voneinander modulierte Antennenkeulen erzeugt werden, sodass eine Vielzahl von räumlich voneinander getrennten Nutzern/Maschinen mit individuellen Antennenkeulen versorgt werden können.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mischer- und Verteilereinrichtung das mindestens eine optoelektronische Bauelement zum Erzeugen eines RF-Signals aus der Mischung der optischen Signale aufweist, wobei dem optoelektronischen Bauelement eine elektronische Einheit zum Verteilen des aus der Mischung der optischen Signale resultierenden RF-Signals auf Signalstränge für die Leckwellenantennen nachgeschaltet ist. Es erfolgt bei dieser Ausgestaltung also erst die Wandlung vom optischen ins (elektrische) RF-Signal und anschließend das Verteilen auf die Signalpfade zu den Leckwellenantennen.
Alternativ ist vorgesehen, dass in jedem der Signalstränge eines der optoelektronischen Bauelemente verschaltet ist, wobei die Mischer- und Verteilereinrichtung eine optische Einheit zum Verteilen des aus der Mischung der optischen Signale resultierenden optischen Signals auf die Signalstränge aufweist. Es erfolgt bei dieser Ausgestaltung also erst das Verteilen des optischen Signals auf die Signalpfade und dann erst die Wandlung vom optischen ins RF-Signal.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Sendevorrichtung weiterhin Verstärkereinheiten auf, die signalübertragungstechnisch zwischen die Wandlereinheit und die Antenneneinheiten zwischengeschaltet sind. Auch diese sind als RF Komponenten ausgebildet.
Bevorzugt ist die Funkzugangseinrichtung als Funkzugangseinrichtung für RF-Frequenzen f im Bereich 50 GHz < f ≤ 75 GHz eingerichtet.
Mit Vorteil ist weiterhin vorgesehen, dass die Leckwellenantennen als substratbasierte Leckwellenantennen ausgebildet sind, wobei das Substrat insbesondere eine Leiterplatte bildet. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der jeweilige Wellenleiter als substratintegrierter Wellenleiter ausgebildet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Antennenelemente als Mikrostreifenleitungen und/oder gedruckte Dipolstrukturen und/oder Bowtie-Antennenstukturen ausgebildet. Derlei Ausgestaltung der Antennenelemente hat sich insbesondere bei substratbasierten Leckwellenantennen bewährt.
In der Regel weisen die Leckwellenantennen je eine RF-Ein-/Ausgangsschnittstelle auf. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Leckwellenantennen jedoch jeweils zwei RF-Ein-/Ausgangsschnittstellen auf.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Funkzugangseinrichtung weiterhin eine Empfangsvorrichtung zum Empfang eines an einem Objekt reflektierten RF-Signals der Sendevorrichtung auf, wobei die Empfangsvorrichtung ihrerseits eine Antenneneinheit für den Empfang eines solchen reflektierten RF-Signals und eine der Antenneneinheit nachgeschaltete Wandlereinheit zur Funk-zu-Faser-Wandlung umfasst. Bei dieser Ausgestaltung bildet die Funkzugangseinrichtung die Sende-/Empfangseinheit eines Radars, insbesondere eines Dauerstrich-Radars.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist auch die Antenneneinheit der Empfangsvorrichtung mehrere Leckwellenantennen auf, von denen jede mit mindestens einem Wellenleiter und mit am Wellenleiter ausgebildeten Antennenelementen ausgestaltet ist und diese Leckwellenantennen derart angeordnet sind, dass deren Antennenelemente in einer Matrixanordnung angeordnet sind.
Schließlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Wandlereinheit zur Faser-zu-Funk-Wandlung eingerichtet ist, ein frequenzmoduliertes Funksignal für den Betrieb eines Dauerstrichradars zu erzeugen. Dieses frequenzmodulierte Funksignal wird von der Wandlereinheit durch optisch heterodynes Mischen eines optischen LO Signals mit einem optischen modulierten Signal generiert. Dabei wird das optisch modulierte Signal durch direkte Modulation der Laserdiode, durch externe Modulation oder direkt mittels einer abstimmbaren Laserdiode erzeugt.
Bei dem faseroptische Datenübertragung umfassenden/nutzenden Netzwerk ist mindestens ein Server und mindestens eine vorstehend genannte Funkzugangseinrichtung vorgesehen. Der Server kann beispielsweise als zentraler Server zur Bereitstellung multimedialer Inhalte, Dienste und Daten ausgebildet sein. Über das die faseroptische Datenübertragung nutzende Netzwerk mit der mindestens einen Funkzugangseinrichtung wird dann Funk-Zugang zu multimedialen Inhalten, Diensten und Daten gewährt.
Dementsprechend betrifft die Erfindung schließlich noch die Verwendung einer vorstehend genannten Funkzugangseinrichtung zur Datenübertragung von einem Server eines Netzwerkes zu einem mobilen Endgerät eines Nutzers und/oder zur Erkennung und/oder Ortung mindestens eines Objekts per Radar. Bei der Verknüpfung dieser beiden Funktionen ist insbesondere vorgesehen, dass die Radarfunktion genutzt wird, um den Nutzer und sein mobiles Endgerät zu orten und die Ausrichtung der Abstrahlkeule bei Ortsänderung des Nutzers und dessen mobilen Endgeräts entsprechend nachzuführen.
Bevorzugt ist eine Verwendung zur Bestimmung einer Position des Objektes vorgesehen, dass die Position des Objektes durch seinen Abstand und Winkel zur Empfangseinrichtung und durch das bekannte Abstrahl- und Empfangsverhalten der Antenneneinheiten der Funkzugangseinrichtung aus einer Momentanfrequenzen des vom Objekt reflektierten RF-Signals und Signalen bestimmt wird, die sich aus Ausgangssignalen von Mischereinrichtungen der Wandlereinheit zur Funk-zu-Faser-Wandlung ergeben.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:

1 einzelne Komponenten eines auf faseroptischer Datenübertragung basierenden Netzwerkes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und
2 das auf faseroptischer Datenübertragung basierende Netzwerk.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung von Komponenten eines faseroptische Datenübertragung nutzenden Netzwerkes 10. Die dargestellten Komponenten sind: eine als Server 12 ausgebildete Zentralstation, eine Funkzugangseinrichtung 14 sowie den Server 12 mit der Funkzugangseinrichtung 14 datenübertragungstechnisch verbindende Glasfaserleitungen 16, die hier exemplarisch für ein einige Kilometer langes Glasfaserverteilnetz des Netzwerkes 10 stehen soll.
Der hier gezeigte Server 12 stellt drei voneinander unabhängige Datenströme parallel bereit. Dies ist in 1 über drei Zweige 18, 20, 22 mit je einer Laserdiode als Lichtquelle 24 und je einem Modulator 26 dargestellt. Jeder der drei Zweige 18, 20, 22 mündet in einen Multiplexer 28 des Servers 12, wo die Daten per Multiplexverfahren gebündelt („multiplext“) werden. Das optische Signal mit den gebündelten Daten D (symbolisiert durch die Darstellung in einem Diagramm, bei dem die Amplitude über der Frequenz aufgetragen ist) durchläuft anschließend einen Verstärker 30 des Servers 12, der dem Multiplexer 28 nachgeschaltet ist. Am Ausgang 32 des Verstärkers 30 bzw. des Servers 12 ist eine der Glasfaserleitungen 16 angeschlossen, die zu der Funkzugangseinrichtung 14, genauer gesagt zu einer Schnittstelle 34 zum Einspeisen des vom Server 12 kommenden optischen Signals D mit den Daten führt.
Die Funkzugangseinrichtung 14 weist grob zwei Vorrichtungen 36, 38 auf, nämlich eine Sendevorrichtung 36 und eine Empfangsvorrichtung 38. Die Sendevorrichtung 36 umfasst ihrerseits zwei Einheiten 40, 42 auf, nämlich eine Wandlereinheit 40 zur Faser-zu-Funk-Wandlung, die unter anderem auch die besagte Schnittstelle 34 umfasst und eine Antenneneinheit 42 mit mehreren (im gezeigten Beispiel zwei) Leckwellenantennen (LWA) 44. Jede der Leckwellenantennen 44 weist einen (hier nicht explizit gezeigten) Wellenleiter sowie mehrere am Wellenleiter ausgebildete Antennenelemente 46 auf. Die Leckwellenantennen 44 können zum Beispiel als substratbasierte Leckwellenantennen 44 ausgebildet sein. Die Wandlereinheit 40 weist neben der Schnittstelle 34 zum Einspeisen des optischen Signals D eine als optischer Lokaloszillator dienende durchstimmbare Lichtquelle 48 zum Erzeugen eines weiteren optischen Signals und eine Mischer- und Verteilereinrichtung 50 zum optisch heterodynen Mischen der optischen Signale und zum Verteilen des aus der Mischung der optischen Signale resultierenden Signals auf Signalstränge für die einzelnen Leckwellenantennen 44 auf. Der Mischer- und Verteilereinrichtung 50 ist in jedem der in die einzelnen Leckwellenantennen 44 mündenden Signalstränge ein als Photodiode ausgebildetes optoelektronisches Bauelement 52 zum Erzeugen eines RF-Signals aus der Mischung der optischen Signale nachgeschaltet. Jedem der optoelektronischen Bauelemente 52 ist im entsprechenden Signalstrang ein Verstärker 54 nachgeschaltet, der das RF Signal des jeweiligen optoelektronischen Bauelements 52 verstärkt und einer RF Ein-/Ausgangsschnittstelle 56 der entsprechenden Leckwellenantenne 44 zuführt. Die Leckwellenantennen 44 senden das entsprechende RF-Signal, wobei die räumliche Antennenabstrahlcharakteristik 58 im gezeigten Beispiel drei Abstrahlkeulen aufweist.
Die Empfangsvorrichtung 38 weist zwei Hauptbaugruppen auf: eine Antenneneinheit 60 für den Empfang von an einem Objekt 62 reflektierten RF-Signals der Sendevorrichtung 36 und eine der Antenneneinheit 60 nachgeschaltete Wandlereinheit 64 zur Funk-zu-Faser-Wandlung, die das jeweilige RF-Signal der Leckwellenantennen 68 in ein optisches Ausgangssignal der Empfangseinheit 38 wandelt, welches über eine weitere Schnittstelle 66 der Funkzugangseinrichtung 14 als optisches (Ausgangs-)Signal ausgegeben werden kann. Auch die Antenneneinheit 60 der Empfangsvorrichtung 38 weist mehrere Leckwellenantennen 68 auf, von denen jede mit mindestens einem Wellenleiter und mit am Wellenleiter ausgebildeten Antennenelementen 70 ausgestaltet ist und auch diese Leckwellenantennen 68 sind derart angeordnet, dass deren Antennenelemente 70 in einer Matrixanordnung angeordnet sind. Die Leckwellenantennen 68 weisen RF Ein-/Ausgangsschnittstellen 72 auf, von denen je ein Signalpfad ausgeht, der jeweils über einen jeweiligen Verstärker 74 und eine jeweilige Mischereinrichtung 76 zu einem zentralen Zwischenfrequenzkoppler 78 führt. Als zweites Eingangssignal erhält jede der Mischereinrichtungen 76 ein abgezweigtes Signal aus dem entsprechenden Signalpfad der Sendevorrichtung 36. Der zentrale Zwischenfrequenzkoppler 78 koppelt einen modulierbaren Laser 80 an, der das resultierende optische Ausgangssignal generiert, welches über die weitere Schnittstelle 66 ausgegeben werden kann/ausgegeben wird. Dieses optische Ausgangssignal der Empfangsvorrichtung 38 wird über eine Glasfaserleitung 16 an einen Eingang 82 des Servers 12 übermittelt. Der Server 12 weist einen Signalstrang mit einem optoelektronischen Bauelement 84 einem nachgeschalteten Analog-Digitalwandlers(AD-Wandler) 86 und einer Auswerteeinrichtung 88 am Ende des Signalstrangs auf. Dabei wird das Signal zunächst mittels des optoelektronischen Bauelements 84 in ein analoges elektrisches Signal überführt, anschließend mittels des Analog-Digitalwandlers 86 in ein digitales Signal gewandelt und schließlich der Auswerteeinrichtung 88 zugeführt. Die Auswerteeinrichtung 88 berechnet den Ort des Objekts 62 relativ zu der Funkzugangseinrichtung 14. Im Netzwerk 10 wird also aus den über Glasfaser miteinander verbundenen Komponenten Server 12 und Funkzugangseinrichtung 14 ein Radar, insbesondere Dauerstrich-Radar, gebildet. Die Funkzugangseinrichtung 14 bildet dabei die Sende-/Empfangseinrichtung dieses vom Netzwerk 10 gebildeten Radars.
Das Objekt 62 ist insbesondere ein mit einem mobilen Endgerät verbundenes Objekt 62, beispielsweise ein entsprechender Nutzer 90 oder das Endgerät selber. In diesem Fall werden die Berechnungen der Auswerteeinrichtung 88 genutzt, um das mit dem mobilen Endgerät verbundene Objekt 62 zu orten und die Ausrichtung der Abstrahlkeule bei Ortsänderung des Objekts 62 und des mobilen Endgeräts entsprechend nachzuführen.
Die 2 zeigt das resultierende Netzwerk 10 mit dem Server 12, faseroptischer Datenübertragung per Glasfaserverteilnetz und mehreren (gezeigt sind drei) Funkzugangseinrichtung 16. Im Umgebungsbereich einer dieser Funkzugangseinrichtungen 16 befinden sich drei Nutzer 90, die individuell Daten von dem Server 12 abrufen. Dazu sendet die entsprechende Funkzugangseinrichtung 16 mit einer räumlichen Antennenabstrahlcharakteristik 58 die entsprechenden Funksignale in drei auf je einen Nutzer gerichtete Abstrahlkeulen. Über jede dieser Abstrahlkeulen wird je einer der Nutzer 90 mit individuellen Datensätzen versorgt. Im Prinzip kann man die Funkzugangseinrichtung 14 als Demultiplexer auffassen.
Die Funktion und wesentliche Vorteile des so aufgebauten Netzwerkes 10 werden im Folgenden beschrieben:

Das Netzwerk 10 mit den Funkzugangseinrichtungen 14 erlaubt den Zugang vieler Nutzer 90 und/oder vieler Maschinen zu multimedialen Inhalten und Diensten, die im zentralen Server 12 vorgehalten werden. Die Datenübertragung erfolgt bei einem solchen Netzwerk 10 bei mittleren bis langen Distanzen zwischen den Nutzern/Maschinen idealerweise durch den Einsatz von Lichtwellenleitern/Glasfasern 16. Damit aber auch eine gewisse Mobilität der Nutzer 90 möglich wird, erfolgt der Zugang auf den letzten Metern per Funk über die Funkzugangseinrichtungen 14 (Hot-Spot-Use-Case).
Das System umfasst dazu eine glasfaserangebundene direktive Millimeterwellen-Antenne 44 mit individuell steuerbaren Antennenkeulen, sowie die Implementierung dieser Antenne 44 zum Aufbau von Faser-Funkverbindungen mit hoher Datenrate pro mobilem Nutzer/Maschine bei gleichzeitig hoher Anzahl von aktiven Nutzern 90 in der Funkzelle. Auf diesem Wege, ermöglicht das Netzwerk 10 vielen mobilen Nutzern 90 den direkten Zugang zu multimedialen Inhalten und Diensten von dem zentralen Server 12.

Genutzt wird dabei eine neuartige Implementierung von Leckwellenantennen (LWA) 44 basierend auf Substrat-integrierten Wellenleitern (SIW) in Verbindung mit dem optisch-heterodynem Mischen für die direkte, d.h. latenzfreie, Punkt-zu-Multipunkt (PtMP) Faser-zu-Funk Konversion mit steuerbaren Antennenkeulen. Der hier vorgeschlagene neuartige Ansatz ermöglicht die zentrale Steuerung der Antennenkeulen der Antennenabstrahlcharakteristik 58 über die optische Wellenlänge.
Durch diesen Ansatz wird der direkte, d.h. latenzfreie Zugang zu dem zentralen Server 12 per Faser und per Funk (Hot-Spot) geschaffen. Der optische Mischprozess gestattet zudem in Verbindung mit dem inkohärenten Funkempfänger gleichzeitig die Steuerung der individuellen Antennenkeule über die optische Wellenlänge bzw. die Trägerfrequenz. Durch Einsatz von in der Optik bekannten Multiplexverfahren wie OFDM oder WDM können so mehrere unabhängig voneinander modulierte Antennenkeulen erzeugt werden, sodass auch viele und räumlich voneinander getrennte Nutzer 90/Maschinen mit individuellen Antennenkeulen versorgt werden können.
Die Leckwellenantennen (LWA) 44 sind passive planare Antennen, die keine aktiven Steuerungselemente und keine Intelligenz vor Ort benötigt und daher kostengünstig sind und einen geringen Energiebedarf haben. Zusätzlich ist die Steuerung zahlreicher individueller Antennenkeulen bei nur einem physikalischen Eingang möglich. Dies ist einer der wesentlichen Unterschiede zu den existierenden technischen Alternativen, der er erlaubt die Antennen 44 in sehr kompakter Form und kostengünstig herzustellen. Das Design als planare Antennen 44 ermöglicht zudem den Einsatz kostengünstiger Leiterplattentechnologie, die zudem auch noch die Integration weiterer Funktionen und Baugruppen zulässt.
Das Netzwerk 10 erlaubt die zentralisierte Steuerung der vielen individuellen Antennenkeulen von dem entfernt liegenden Multimedia-Server 12 aus, ein zusätzlicher Steuerungskanal ist nicht notwendig.
Physikalisch erfolgt die Steuerung der Antennenkeulen über etablierte und standardisierte optische Modulationstechniken, wie z.B. OFDM oder WDM, die beide mit modernen Glasfasernetzen kompatibel sind. Dies erlaubt die transparente Integration der LIW-SIW-Antennen in existierenden standardisierten optischen Netzen; ein entscheidender Vorteil hinsichtlich des Anwendungspotentials.
Die direkte Umsetzung der Daten von der Glasfaser zu Funk über heterodynes optisches Mischen ist breitbandig, erfolgt latenzfrei unterstützt enorm hohe Datenraten. Die entsprechende Nutzung erlaubt weiterhin die Erzeugung vieler individuell modulierter Antennenkeulen.
Die Leckwellenantennen 44 umfassen dabei eine periodische Wellenleiterstruktur, die abhängig von der Frequenz in eine bestimmte Richtung abstrahlt, Bei einem substrat-integrierten Wellenleiter wird der Wellenleiter durch die obere und untere Metallisierung eines Dielektrikums und eine Reihe von dicht platzierten Durchkontaktierungen an der Seite des Wellenleiters geschaffen.
Die substratbasierten Leckwellenantennen 44 zeichnen sich durch den Einsatz von gedruckten Dipolantennen für die Abstrahlung aus dem Wellenleiter aus. Durch diese einfache Struktur wird eine Erleichterung von Fertigungstoleranzen erreicht, die auch einen Betrieb bei höheren mm-Wellen-Frequenzen im 60 GHz Band ermöglichen.
Wird ein optischer Datenkanal über Glasfaser 16 zu den Antennen 44 übertragen, kann durch einen abstimmbaren Lokaloszillator-Laser (LO-Laser) 48 der mit dem Datenkanal von einer Photodiode 52 detektiert wird, durch heterodyne Mischung ein Radiosignal (RF Signal) erzeugt werden. Dieses Radiosignal enthält die Daten und hat eine Radiofrequenz, die der Differenzfrequenz der Laserfrequenzen entspricht. Bei Verwendung dieses Ansatzes zusammen mit den vorgestellten SIW-LWA-Antennen 44 kann durch Einstellen der LO-Laserfrequenz die RF und damit die Abstrahlrichtung gesteuert werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit zum quasi-optischen Steuern der Antenne 44 ohne aktive elektrische Komponenten.
Dieser Ansatz bietet weitere Möglichkeiten für den Einsatz in optischen Wellenlängenmultiplex-Netzwerken. Hier können mehrere Datenkanäle mit geringen Frequenzabständen genutzt werden, um durch die unterschiedlichen Laserfrequenzen unterschiedlichen RF-Frequenzen zu erzielen, sodass die einzelnen Datenkanäle von der Antenneneinheit 42 mit ihren SIW-LWA-Antennen 44 in unterschiedliche Raumrichtungen abgestrahlt werden. Dabei werden die Datenkanäle gleichzeitig übertragen, d.h. WDM wird in einen Raummultiplex umgesetzt.
Das für den Betrieb eines frequenzmodulierten Dauerstrichradars benötigte Signal kann durch optisch heterodynes Mischen eines optischen, frequenzmodulierten Signals mit einem optischen Lokaloszillatorsignal generiert werden. Das optische frequenzmodulierte Signal kann dabei durch direkte Modulation einer Laserdiode 24, externe Modulation 26 oder direkt von einer abstimmbaren Laserdiode 48 erzeugt werden. Trainings- oder Präambelsequenzen von Kommunikationssignalen, die z.B. OFDM moduliert sind, enthalten bereits Sequenzen, die für den Betrieb eines frequenzmodulierten Dauerstrichradars tauglich sind, sodass gleichzeitig Kommunikation/Datenübertragung und Radarortung betrieben werden kann.
Bei einem frequenzmodulierten Dauerstrichradar ist der Abstand zum Objekt 62 proportional zur Momentanfrequenz des von der Mischereinheit mit dem Referenzsignal heruntergemischten reflektierten Signals. Aufgrund der frequenzabhängigen Abstrahlcharakteristik der Leckwellenantennen wird zudem die Bestimmung der Richtung, aus der das reflektierte Signal kommt, und damit die Lokalisierung des Objektes 62 relativ zur Empfangseinrichtung 38 ermöglicht. Die Richtung ergibt sich dabei aus der Momentanfrequenz des empfangenen reflektierten Signals 68 und der bekannten Abstrahlcharakteristik der Leckwellenantenne.
Die Momentanfrequenz des empfangenen reflektierten Signals kann aus dem/den heruntergemischten Signal(en) bestimmt werden, indem die Position des periodisch auftretenden Echosignals mit dem Modulationssignal, das zur Erzeugung des optischen frequenzmodulierten Signals genutzt wird, verglichen wird. Dabei ergibt sich ein direkter Zusammenhang zwischen dem Zeitwert des Echosignals und der Momentanfrequenz des frequenzmodulierten Radarsignals.
Die Erfindung ist im Rahmen eines von der Europäischen Kommission (Horizon 2020) unter dem Projektnamen RAPID mit der Nr. 643297 geförderten Projekts entstanden.
Bezugszeichenliste

10: Netzwerk
12: Server
14: Funkzugangseinrichtung
16: Glasfaserleitung
18: erster Datenstrom
20: zweiter Datenstrom
22: dritter Datenstrom
24: Lichtquelle
26: Modulator
28: Multiplexer
30: Verstärker
32: Ausgang
34: Schnittstelle
36: Sendevorrichtung
38: Empfangsvorrichtung
40: Wandlereinheit (Faser-zu-Funk)
42: Antenneneinheit
44: Leckwellenantenne (Sende-)
46: Antennenelement
48: Lichtquelle
50: Mischer- und Verteilereinrichtung
52: optoelektronisches Bauelement
54: Verstärker
56: Ein-/Ausgangsschnittstelle
58: Antennenabstrahlcharakteristik
60: Antenneneinheit
62: Objekt
63: reflektiertes Signal
64: Wandlereinheit (Funk-zu-Faser)
66: Schnittstelle
68: Leckwellenantenne (Empfangs-)
70: Antennenelement
72: RF-Ein-/Ausgangsschnittstelle
74: Verstärker
76: Mischereinrichtung
78: Zwischenfrequenzkoppler
80: modulierbarer Laser
82: Eingang
84: optoelektronisches Bauelement
86: AD-Wandler
88: Auswerteeinrichtung
90: Nutzer
D: optisches Signal

Claims

Funkzugangseinrichtung (14) zur Funkübertragung von in Form eines optischen Signals vorliegenden Daten, mit einer Sendevorrichtung (36), die eine Wandlereinheit (40) zur Faser-zu-Funk-Wandlung und eine der Wandlereinheit (40) nachgeschaltete Antenneneinheit (42) umfasst, die ihrerseits zumindest eine mit mindestens einem Wellenleiter und mit am Wellenleiter ausgebildeten Antennenelementen (46) ausgestaltete Leckwellenantenne (44) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenneneinheit (42) mehrere solcher Leckwellenantennen (44) aufweist, die derart angeordnet sind, dass deren Antennenelemente (46) in einer Matrixanordnung angeordnet sind.
Funkzugangseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinheit (36) zur Faser-zu-Funk-Wandlung - mindestens eine Schnittstelle (34) zum Einspeisen des die Daten aufweisenden optischen Signals, - mindestens eine als optischer Lokaloszillator dienenden durchstimmbare Lichtquelle (48) zum Erzeugen eines weiteren optischen Signals, - mindestens eine Mischer- und Verteilereinrichtung (50) zum optisch heterodynen Mischen der beiden optischen Signale und zum Verteilen des aus der Mischung der optischen Signale resultierenden Signals auf Signalstränge für die Leckwellenantennen (44) und mindestens ein optoelektronisches Bauelement (52) zum Erzeugen eines RF-Signals aus der Mischung der optischen Signale oder des jeweiligen aus der Mischung der optischen Signale resultierenden Signals aufweist.
Funkzugangseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendevorrichtung (36) eingerichtet ist, die Radiofrequenz und/oder die Amplitude und/oder die Phase des RF-Signals mittels der Mischer- und Verteilereinrichtung (50) derart einzustellen, dass sich eine gewünschte Ausrichtung der räumlichen Antennenabstrahlcharakteristik (58) ergibt.
Funkzugangseinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendevorrichtung (36) eingerichtet ist, bei Anwendung von Multiplexverfahren mittels der Mischer- und Verteilereinrichtung (50) eine Mehrzahl von individuell ausrichtbaren räumlichen Strukturen der Antennenabstrahlcharakteristik (58) zu erzeugen.
Funkzugangseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischer- und Verteilereinrichtung (50) das mindestens eine optoelektronische Bauelement (52) zum Erzeugen eines RF-Signals aus der Mischung der optischen Signale aufweist, wobei dem optoelektronischen Bauelement (52) eine elektronische Einheit zum Verteilen des aus der Mischung der optischen Signale resultierenden RF-Signals auf Signalstränge für die Leckwellenantennen (44) nachgeschaltet ist.
Funkzugangseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der Signalstränge eines der optoelektronischen Bauelemente (52) verschaltet ist, wobei die Mischer- und Verteilereinrichtung (50) eine optische Einheit zum Verteilen des aus der Mischung der optischen Signale resultierenden optischen Signals auf die Signalstränge aufweist.
Funkzugangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Empfangsvorrichtung (38) zum Empfang eines an einem Objekt (62) reflektierten RF-Signals (63) der Sendevorrichtung (36) mit einer Antenneneinheit (60) für den Empfang eines solchen reflektierten RF-Signals (63) und einer der Antenneneinheit (60) nachgeschalteten Wandlereinheit (64) zur Funk-zu-Faser-Wandlung, die das RF-Signal in ein optisches Signal wandelt.
Funkzugangseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenneneinheit (60) der Empfangsvorrichtung (38) mehrere Leckwellenantennen (68) aufweist, von denen jede mit mindestens einem Wellenleiter und mit am Wellenleiter ausgebildeten Antennenelementen (70) ausgestaltet ist und diese Leckwellenantennen (68) derart angeordnet sind, dass deren Antennenelemente (70) in einer Matrixanordnung angeordnet sind.
Funkzugangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinheit (40) zur Faser-zu-Funk-Wandlung eingerichtet ist, ein frequenzmoduliertes Funksignal für einen Dauerstrichradar-Betrieb zu erzeugen.
Netzwerk (10) mit faseroptischer Datenübertragung, mindestens einem Server (12) und mindestens einer Funkzugangseinrichtung (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Netzwerk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Server (12) eine Einheit (18 - 32) zum Erstellen der Daten in Form eines optischen Signals und/oder eine Einheit (82 - 88) zur Auswertung des auf dem reflektierten RF-Signal (63) basierenden optischen Signals aufweist.
Verwendung einer Funkzugangseinrichtung (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Datenübertragung von einem Server (12) eines Netzwerkes (10) zu einem mobilen Endgerät eines Nutzers (90) und/oder zur Erkennung und/oder Ortung mindestens eines Objekts (62) per Radar.
Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Objektes (62) über dessen Abstand und Winkel zur Funkzugangseinrichtung (14) und das bekannte Abstrahl- und Empfangsverhalten der Antenneneinheiten (42, 60) der Funkzugangseinrichtung (14) aus einer Momentanfrequenzen des vom Objekt (62) reflektierten RF-Signals (63) und Signalen bestimmt wird, die sich aus Ausgangssignalen von Mischereinrichtungen (76) der Wandlereinheit (64) zur Funk-zu-Faser-Wandlung ergeben.