2021年11月JLT光通信论文评析
发布时间：2021-12-21 10:24:20 热度：1516
12/21/2021，光纤在线讯，光纤在线特邀编辑：邵宇丰，王安蓉，杨骐铭，伊林芳，田青，于妮，李彦霖，陈鹏，李冲，刘栓凡，袁杰，左仁杰。
2021年11月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：水下传感器，发光器件，可见光通信，自由空间光通信，带通滤波器以及云无线电接入网络等。笔者将逐一评析。
1.水下传感器
伊朗德黑兰理工大学的Pouya Agheli等研究人员设计了一种采用三跳水下传感器网络（UWSN），将自主水下航行器（AUV）和无人机（UAV）作为中继装置以实现水下传感器节点（SNs）和地面接入点（AP）之间的端到端通信，如图1所示。研究人员分析了两种在AUV与UAV之间实现上行和下行传输信号的方案：直接投射方案（DTS）和回归反射方案（RRS）。他们通过建立信道模型计算出了UWSN的中断概率和平均误码率，并提出了一种跟踪算法用于改善AUV与UAV之间的通信质量[1]。实验结果表明，RSS方案相较于DTS方案，上行链路和下行链路的中断概率（平均误码率）分别降低了200%（32%）和80%（17%）；当发射端和接收端未实现精确校对时，使用跟踪算法后网络中断概率和平均误码率性能分别提高升了480%和170%。
2.发光器件
加拿大麦克马斯特大学的Wei Jiang等研究人员设计了适用单光子雪崩二极管( SPAD )的差分猝灭复位( QR )方案，如图2所示。传统的单QR结构只有一个QR电路连接SPAD的阴极或阳极，而差分QR结构中阴极和阳极各有一个QR电路，通过控制阳极和阴极电压，在两端均实现SPAD的淬灭复位。研究人员采用65 nm CMOS工艺制备的SPAD，将传统单被动猝灭复位( SPQR )电路和差分被动猝灭复位( DPQR )电路进行对比实验[2]，结果表明：采用DPQR电路的SPAD不但具有复位时间短、时序性能好、计数率高和后脉冲数量少等优点，而且其差分输出对抑制共模噪声和干扰的能力强，能有效提高检测系统的信噪比。
3.可见光通信
克拉莫-克若尼（KK）接收机常被作为可降低系统复杂度的备选方案应用于相干光通信（FOC）系统中，加拿大麦克马斯特大学的Ruowen Bai等研究人员将这一构想引入带宽受限的强度调制/直接检测（IM/DD）可见光通信（VLC）系统中，并提出了一种KK光正交频分复用（KKO-OFDM）方案，如图3所示。在发射端，利用最小相位单边带（SSB）信号直接调制光信号，生成一个适合在VLC信道中传输的非负实值带限信号；在接收端，通过KK函数重构SSB信号的相位。研究人员通过仿真实验测量了直流偏置、平均信噪比( SNR )、误码率( BER )和系统容量[3]。结果表明，KKO-OFDM与现有的直流偏置光OFDM（DCO-OFDM）相比具有相同的频谱效率，但在BER =10-4时可获得约1dB的信噪比增益，同时传输的信号具有较小的峰均功率比。
4. 自由空间光通信
纽芬兰纪念大学的 Alain R等研究人员采用单元式可重构智能表面（RIS）方案以解决陆地自由空间光系统（T-FSO）中的区跳跃问题，对大气湍流（服从Gamma-Gamma信道分布）和指向误差信道下的RIS辅助T-FSO链路进行了分析，如图4所示。研究人员依据Meijer-G函数推导出系统端到端信噪比的概率密度函数、累积分布函数和矩量母函数的精确解析表达式，计算了系统中断概率、遍历信道容量和平均误码率，并推导了T-FSO链路的分集阶数和编码增益的表达式[4]。研究结果表明，当RIS模块位于发射机附近时，RIS辅助T-FSO系统性能较好。
5. 带通滤波器
印度科学教育与研究学院的Varun M K等研究人员设计了一种高分辨率微波光子带通滤波器（MPBF）（该设计利用了受激布里渊散射（SBS）增益的偏振相关性和由正交偏振探测元件产生的射频干扰），如图5所示。研究结果表明，采用22dB的SBS增益可使该滤波器在40GHz频段内提供大于50dB带外抑制能力；在4.5GHz～40 GHz宽调谐范围内射频链路增益大于-10dB；在10GHz频段内可实现0.147dB的射频链路增益[5]。研究人员通过改变布里渊泵浦光波长，实现了平顶响应，并将MPBF 3dB带宽从14MHz扩展至59MHz，同时实现了5dB最大射频链路增益。
6.云无线电接入网络
西班牙瓦伦西亚理工大学的Luis Vallejo等研究人员实现了本地和远程光子毫米波（mmW）信号在云无线电接入网络（C-RAN）中的光纤传输，如图6所示。他们采用外部载波抑制调制和光学倍频技术产生了载波40GHz以上的数据信号，并使用直接调制激光器（DML）发射数据，并描述了完整解析公式来反映基带和毫米波频段的系统频率响应。其中，系统受光纤色散和激光器啁啾的负面影响，在毫米波频段应用时其远程设置比本地设置的输出功率高15dB（通过25km光纤链路传输信号）。为进一步研究两种设置下的系统性能，在10km和25km光纤链路上对传输带宽为250MHz（中心频率为0.5GHz）的正交相移键控（QPSK）信号进行了仿真研究[6]。结果表明，远程设置方案中经光纤链路传输后信号的误差矢量幅度（EVM）结果比背对背情况更优，而本地设置方案中经光纤链路传输后信号的接收性能与背对背情况相似。
参考文献：
[1] P. Agheli, H. Beyranvand, and M. J. Emadi, “UAV-Assisted Underwater Sensor Networks Using RF and Optical Wireless Links,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 22, pp. 7070–7082, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3114163.
[2] W. Jiang, R. Scott, and M. J. Deen, “DiFFERENTIAL QUENCH and RESET CIRCUIT for SINGLE-PHOTON AVALANCHE DIODES,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 22, pp. 7334–7342, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3111119.
[3] R. Bai and S. Hranilovic, “Kramers-kronig optical ofdm for bandlimited intensity modulated visible light communications,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 22, pp. 7135–7145, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3110661.
[4] A. R. Ndjiongue, T. M. N. Ngatched, O. A. Dobre, A. G. Armada, and H. Haas, “Analysis of RIS-Based Terrestrial-FSO Link over G-G Turbulence with Distance and Jitter Ratios,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 21, pp. 6746–6758, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3108532.
[5] K. Varun M and R. Pant, “Efficient Microwave Photonic Bandpass Filter with Large Out-of-Band Rejection, High-Resolution and Low Loss up to 40 GHz,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 21, pp. 6724–6732, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3108769.
[6] L. Vallejo et al., “On the 40 GHz Remote Versus Local Photonic Generation for DML-Based C-RAN Optical Fronthaul,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 21, pp. 6712–6723, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3102818.
2021年11月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：水下传感器，发光器件，可见光通信，自由空间光通信，带通滤波器以及云无线电接入网络等。笔者将逐一评析。
1.水下传感器
伊朗德黑兰理工大学的Pouya Agheli等研究人员设计了一种采用三跳水下传感器网络（UWSN），将自主水下航行器（AUV）和无人机（UAV）作为中继装置以实现水下传感器节点（SNs）和地面接入点（AP）之间的端到端通信，如图1所示。研究人员分析了两种在AUV与UAV之间实现上行和下行传输信号的方案：直接投射方案（DTS）和回归反射方案（RRS）。他们通过建立信道模型计算出了UWSN的中断概率和平均误码率，并提出了一种跟踪算法用于改善AUV与UAV之间的通信质量[1]。实验结果表明，RSS方案相较于DTS方案，上行链路和下行链路的中断概率（平均误码率）分别降低了200%（32%）和80%（17%）；当发射端和接收端未实现精确校对时，使用跟踪算法后网络中断概率和平均误码率性能分别提高升了480%和170%。
2.发光器件
加拿大麦克马斯特大学的Wei Jiang等研究人员设计了适用单光子雪崩二极管( SPAD )的差分猝灭复位( QR )方案，如图2所示。传统的单QR结构只有一个QR电路连接SPAD的阴极或阳极，而差分QR结构中阴极和阳极各有一个QR电路，通过控制阳极和阴极电压，在两端均实现SPAD的淬灭复位。研究人员采用65 nm CMOS工艺制备的SPAD，将传统单被动猝灭复位( SPQR )电路和差分被动猝灭复位( DPQR )电路进行对比实验[2]，结果表明：采用DPQR电路的SPAD不但具有复位时间短、时序性能好、计数率高和后脉冲数量少等优点，而且其差分输出对抑制共模噪声和干扰的能力强，能有效提高检测系统的信噪比。
3.可见光通信
克拉莫-克若尼（KK）接收机常被作为可降低系统复杂度的备选方案应用于相干光通信（FOC）系统中，加拿大麦克马斯特大学的Ruowen Bai等研究人员将这一构想引入带宽受限的强度调制/直接检测（IM/DD）可见光通信（VLC）系统中，并提出了一种KK光正交频分复用（KKO-OFDM）方案，如图3所示。在发射端，利用最小相位单边带（SSB）信号直接调制光信号，生成一个适合在VLC信道中传输的非负实值带限信号；在接收端，通过KK函数重构SSB信号的相位。研究人员通过仿真实验测量了直流偏置、平均信噪比( SNR )、误码率( BER )和系统容量[3]。结果表明，KKO-OFDM与现有的直流偏置光OFDM（DCO-OFDM）相比具有相同的频谱效率，但在BER =10-4时可获得约1dB的信噪比增益，同时传输的信号具有较小的峰均功率比。
4. 自由空间光通信
纽芬兰纪念大学的 Alain R等研究人员采用单元式可重构智能表面（RIS）方案以解决陆地自由空间光系统（T-FSO）中的区跳跃问题，对大气湍流（服从Gamma-Gamma信道分布）和指向误差信道下的RIS辅助T-FSO链路进行了分析，如图4所示。研究人员依据Meijer-G函数推导出系统端到端信噪比的概率密度函数、累积分布函数和矩量母函数的精确解析表达式，计算了系统中断概率、遍历信道容量和平均误码率，并推导了T-FSO链路的分集阶数和编码增益的表达式[4]。研究结果表明，当RIS模块位于发射机附近时，RIS辅助T-FSO系统性能较好。
5. 带通滤波器
印度科学教育与研究学院的Varun M K等研究人员设计了一种高分辨率微波光子带通滤波器（MPBF）（该设计利用了受激布里渊散射（SBS）增益的偏振相关性和由正交偏振探测元件产生的射频干扰），如图5所示。研究结果表明，采用22dB的SBS增益可使该滤波器在40GHz频段内提供大于50dB带外抑制能力；在4.5GHz～40 GHz宽调谐范围内射频链路增益大于-10dB；在10GHz频段内可实现0.147dB的射频链路增益[5]。研究人员通过改变布里渊泵浦光波长，实现了平顶响应，并将MPBF 3dB带宽从14MHz扩展至59MHz，同时实现了5dB最大射频链路增益。
6.云无线电接入网络
西班牙瓦伦西亚理工大学的Luis Vallejo等研究人员实现了本地和远程光子毫米波（mmW）信号在云无线电接入网络（C-RAN）中的光纤传输，如图6所示。他们采用外部载波抑制调制和光学倍频技术产生了载波40GHz以上的数据信号，并使用直接调制激光器（DML）发射数据，并描述了完整解析公式来反映基带和毫米波频段的系统频率响应。其中，系统受光纤色散和激光器啁啾的负面影响，在毫米波频段应用时其远程设置比本地设置的输出功率高15dB（通过25km光纤链路传输信号）。为进一步研究两种设置下的系统性能，在10km和25km光纤链路上对传输带宽为250MHz（中心频率为0.5GHz）的正交相移键控（QPSK）信号进行了仿真研究[6]。结果表明，远程设置方案中经光纤链路传输后信号的误差矢量幅度（EVM）结果比背对背情况更优，而本地设置方案中经光纤链路传输后信号的接收性能与背对背情况相似。
参考文献：
[1] P. Agheli, H. Beyranvand, and M. J. Emadi, “UAV-Assisted Underwater Sensor Networks Using RF and Optical Wireless Links,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 22, pp. 7070–7082, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3114163.
[2] W. Jiang, R. Scott, and M. J. Deen, “DiFFERENTIAL QUENCH and RESET CIRCUIT for SINGLE-PHOTON AVALANCHE DIODES,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 22, pp. 7334–7342, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3111119.
[3] R. Bai and S. Hranilovic, “Kramers-kronig optical ofdm for bandlimited intensity modulated visible light communications,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 22, pp. 7135–7145, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3110661.
[4] A. R. Ndjiongue, T. M. N. Ngatched, O. A. Dobre, A. G. Armada, and H. Haas, “Analysis of RIS-Based Terrestrial-FSO Link over G-G Turbulence with Distance and Jitter Ratios,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 21, pp. 6746–6758, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3108532.
[5] K. Varun M and R. Pant, “Efficient Microwave Photonic Bandpass Filter with Large Out-of-Band Rejection, High-Resolution and Low Loss up to 40 GHz,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 21, pp. 6724–6732, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3108769.
[6] L. Vallejo et al., “On the 40 GHz Remote Versus Local Photonic Generation for DML-Based C-RAN Optical Fronthaul,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 21, pp. 6712–6723, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3102818.
