2019年6月JLT光通信论文评析
发布时间：2019-07-17 09:58:33 热度：2212
光纤在线特邀编辑：邵宇丰，龙颖，胡钦政
2019年6月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纤传感技术，光测量技术，光载无线通信技术和无源光网络等。笔者将逐一评析。
1. 光纤传感技术
武汉理工大学的Ciming Zhou等科研人员设计了一种基于超弱光纤布拉格光栅（FBG）的光纤水声传感器阵列算法，该算法采用了改进型自参考信号相位生成载波（PGC）的解调方式。自参考信号可从隔离声信号和其它感测环境干扰的传感器中获得。相比较传统PGC方法，该解调方法使得非敏化裸光纤与水保持分离，最小可监测的水声压力位值为2239μPa/√Hz。科研人员还对该解调方法和传统PGC算法的特性进行了分析和比较，研究结果表明，该解调方法不受调制深度和载波频率漂移的影响。在相同载波频率下，该解调方法可检测的频率范围是PGC算法的5倍。由于高稳定性和更宽的可检测频率范围，该方法适用于宽带信号的长期监测[1]。
图1 基于斐索干涉仪的水声传感器阵列
2. 光测量技术
上海交通大学的Zhaopeng Zhang等科研人员针对相位噪声补偿型光频域反射仪（PNC-OFDR）设计了一种新型硬件自适应算法，并设计了一个可进行实时处理的硬件系统。该系统不仅保持了传统PNC-OFDR的空间分辨率以及测量范围，而且还提高了系统处理效率。在仿真实验中，该算法在100km光纤链路上实现了7cm的空间分辨率，远远超出了激光相干长度；理论分析证明在“最差补偿点”上的信噪比大约为40 dB；而在硬件系统中，在37.5km光纤链路上可实现7km的空间分辨率，其范围主要受到系统中寄存器容量的影响。科研人员设计的硬件系统具有实时处理能力，有望得到广泛应用[2]。
图2 相关实验装置
3. 光载无线通信技术
模拟光载无线通信系统可通过减少前端信号的数字化处理过程来减低系统开销；但在经过强度调制/直接检测（IM/DD）过程之后，系统的光谱效率和灵敏度扩展性会受到限制。因此，奥地利技术研究所的Bernhard Schrenk等科研人员设计了一种用于相干零差光载无线通信系统应用的新方案，该方案通过使用电信数据中心网络中的关键组件—外激光调制器（EML）降低了系统工作的复杂性。利用单片集成激光器全光学注入锁定方案，EML的电吸收特性对零差接收方式的建立有帮助。利用现有的商用EML设备，可在27.5km范围内1:128前端网络中实现100MHz 64QAM-OFDM光载无线信号的传输，误差矢量幅度值为4.6%。此外，科研人员还利用单个EML实现了全双工模拟光载无线信号的传输。由于在具有相同EML的对称上行链路中发送光载无线信号时，下行链路接收的误差矢量幅度损失仅仅为0.7%，因此可以通过频分双工工作方式保留信号的有效传输[3]。
图3 移动前传工作模式尾端的信号链，（a）IM / DD工作模式的模拟RFoF，（b）相干检测工作模式的数字IFoF，（c）基于EML的相干零差检测工作模式的模拟RFoF
希腊雅典国立科技大学的Nikos Argyris等科研人员设计了一种符合5G网络要求的光纤/无线模拟移动前传链路。利用中频光纤（IFoF）、功能强大的基带单元以及具有商用60 GHz无线电设备的数字信号处理（DSP）单元提高了前传容量。科研人员还使用6波段子载波复用方案，在7km光纤链路和5m V波段链路上实现了24 Gbit/s信号传输（采用单载波16-QAM格式）。在上、下行链路数据传输实验中，成功在整个免许可V频段内实现7.2 GHz全谱信号传输。此外，该系统还具有灵活的资源分配能力，可实现每个子载波上的多码型调制，上下行链路传输容量可达到18Gbit/s（采用M-PSK和16-QAM调制）。科研人员还利用外部调制激光器（EML）芯片替换独立光调制器设计了一个IFoF发射器，可在7km光纤链路和5m无线信道上实现16Gbit/s信号的传输[5]。
图4 使用V波段组件的IFoF / mmWave链路的实验方案 （a）下行方向 （b）上行方向 （c）MZM的电光响应 （d）发射器（左）和接收器（右）中的DSP流程
4. 无源光网络
为了支持5G移动通信服务，并满足下一代住宅及商业用户对通信服务带宽和延迟的要求，韩国电子与电信研究所的KwangOk Kim等科研人员设计了一种时间控制-触觉光学接入（TIC-TOC）的新技术来实现高速低延迟的无源光网络配置。TIC-TOC技术通过使用信道指定和低延迟的动态带宽分配（DBA）方案来支持带宽密集型和低延迟性5G业务。实验结果表明，采用四通道最高可实现100Gbit/s的传输速率；使用信道绑定技术可实现单个光分配网络（ODN）中多光网络单元（ONU）共存。科研人员还利用可编程逻辑阵列（FPGA）的光线路终端（OLT）和ONU原型使实时数据包传输速率提升至50Gbit/s，传输距离可达到20km（单模光纤）；采用信道指定技术后，传输容量最高可达到100Gbit/s。无论交通状况如何，通过采用低延迟的分组调度（LOPS）方式，并采用基于时分复用PON（TDM-PON）的低延迟动态带宽分配（DBA）方式，可使得信号接收延迟时间低于400μs[4]。
图5 TDM / WDM混合PON的结构
参考文献：
[1]. Ciming Zhou, Yandong Pang. “Demodulation of a Hydroacoustic Sensor Array of Fiber Interferometers Based on Ultra-weak Fiber Bragg Grating Reflectors Using a Self-referencing Signal”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 11, pp. 2568–2576, June 1,2019.
[2]. Zhaopeng Zhang, Xinyu Fan, “Phase-Noise-Compensated OFDR Realized Using Hardware-Adaptive Algorithm for Real-Time Processing”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 11, pp. 2641–2647, June 1,2019.
[3]. Bernhard Schrenk, “The EML as Analogue Radio Radio-overover-Fiber Transceiver – a Coherent Homodyne Approach”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 12, pp. 2866–2872, June 15,2019.
[4]. KwangOk, Kyeong-Hwan Doo, “High Speed and Low Latency Passive Optical Network for 5G Wireless Systems”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 12, pp. 2873–2882, June 15,2019.
[5]. Nikos Argyris, Giannis Giannoulis, “A 5G mmWave Fiber Fiber-Wireless IFoF Analog Mobile Fronthaul link with up to 24 Gb/s Multi-band Wireless Capacity”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 12, pp. 2883–2891, June 15,2019.
2019年6月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纤传感技术，光测量技术，光载无线通信技术和无源光网络等。笔者将逐一评析。
1. 光纤传感技术
武汉理工大学的Ciming Zhou等科研人员设计了一种基于超弱光纤布拉格光栅（FBG）的光纤水声传感器阵列算法，该算法采用了改进型自参考信号相位生成载波（PGC）的解调方式。自参考信号可从隔离声信号和其它感测环境干扰的传感器中获得。相比较传统PGC方法，该解调方法使得非敏化裸光纤与水保持分离，最小可监测的水声压力位值为2239μPa/√Hz。科研人员还对该解调方法和传统PGC算法的特性进行了分析和比较，研究结果表明，该解调方法不受调制深度和载波频率漂移的影响。在相同载波频率下，该解调方法可检测的频率范围是PGC算法的5倍。由于高稳定性和更宽的可检测频率范围，该方法适用于宽带信号的长期监测[1]。
图1 基于斐索干涉仪的水声传感器阵列
2. 光测量技术
上海交通大学的Zhaopeng Zhang等科研人员针对相位噪声补偿型光频域反射仪（PNC-OFDR）设计了一种新型硬件自适应算法，并设计了一个可进行实时处理的硬件系统。该系统不仅保持了传统PNC-OFDR的空间分辨率以及测量范围，而且还提高了系统处理效率。在仿真实验中，该算法在100km光纤链路上实现了7cm的空间分辨率，远远超出了激光相干长度；理论分析证明在“最差补偿点”上的信噪比大约为40 dB；而在硬件系统中，在37.5km光纤链路上可实现7km的空间分辨率，其范围主要受到系统中寄存器容量的影响。科研人员设计的硬件系统具有实时处理能力，有望得到广泛应用[2]。
图2 相关实验装置
3. 光载无线通信技术
模拟光载无线通信系统可通过减少前端信号的数字化处理过程来减低系统开销；但在经过强度调制/直接检测（IM/DD）过程之后，系统的光谱效率和灵敏度扩展性会受到限制。因此，奥地利技术研究所的Bernhard Schrenk等科研人员设计了一种用于相干零差光载无线通信系统应用的新方案，该方案通过使用电信数据中心网络中的关键组件—外激光调制器（EML）降低了系统工作的复杂性。利用单片集成激光器全光学注入锁定方案，EML的电吸收特性对零差接收方式的建立有帮助。利用现有的商用EML设备，可在27.5km范围内1:128前端网络中实现100MHz 64QAM-OFDM光载无线信号的传输，误差矢量幅度值为4.6%。此外，科研人员还利用单个EML实现了全双工模拟光载无线信号的传输。由于在具有相同EML的对称上行链路中发送光载无线信号时，下行链路接收的误差矢量幅度损失仅仅为0.7%，因此可以通过频分双工工作方式保留信号的有效传输[3]。
图3 移动前传工作模式尾端的信号链，（a）IM / DD工作模式的模拟RFoF，（b）相干检测工作模式的数字IFoF，（c）基于EML的相干零差检测工作模式的模拟RFoF
希腊雅典国立科技大学的Nikos Argyris等科研人员设计了一种符合5G网络要求的光纤/无线模拟移动前传链路。利用中频光纤（IFoF）、功能强大的基带单元以及具有商用60 GHz无线电设备的数字信号处理（DSP）单元提高了前传容量。科研人员还使用6波段子载波复用方案，在7km光纤链路和5m V波段链路上实现了24 Gbit/s信号传输（采用单载波16-QAM格式）。在上、下行链路数据传输实验中，成功在整个免许可V频段内实现7.2 GHz全谱信号传输。此外，该系统还具有灵活的资源分配能力，可实现每个子载波上的多码型调制，上下行链路传输容量可达到18Gbit/s（采用M-PSK和16-QAM调制）。科研人员还利用外部调制激光器（EML）芯片替换独立光调制器设计了一个IFoF发射器，可在7km光纤链路和5m无线信道上实现16Gbit/s信号的传输[5]。
图4 使用V波段组件的IFoF / mmWave链路的实验方案 （a）下行方向 （b）上行方向 （c）MZM的电光响应 （d）发射器（左）和接收器（右）中的DSP流程
4. 无源光网络
为了支持5G移动通信服务，并满足下一代住宅及商业用户对通信服务带宽和延迟的要求，韩国电子与电信研究所的KwangOk Kim等科研人员设计了一种时间控制-触觉光学接入（TIC-TOC）的新技术来实现高速低延迟的无源光网络配置。TIC-TOC技术通过使用信道指定和低延迟的动态带宽分配（DBA）方案来支持带宽密集型和低延迟性5G业务。实验结果表明，采用四通道最高可实现100Gbit/s的传输速率；使用信道绑定技术可实现单个光分配网络（ODN）中多光网络单元（ONU）共存。科研人员还利用可编程逻辑阵列（FPGA）的光线路终端（OLT）和ONU原型使实时数据包传输速率提升至50Gbit/s，传输距离可达到20km（单模光纤）；采用信道指定技术后，传输容量最高可达到100Gbit/s。无论交通状况如何，通过采用低延迟的分组调度（LOPS）方式，并采用基于时分复用PON（TDM-PON）的低延迟动态带宽分配（DBA）方式，可使得信号接收延迟时间低于400μs[4]。
图5 TDM / WDM混合PON的结构
参考文献：
[1]. Ciming Zhou, Yandong Pang. “Demodulation of a Hydroacoustic Sensor Array of Fiber Interferometers Based on Ultra-weak Fiber Bragg Grating Reflectors Using a Self-referencing Signal”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 11, pp. 2568–2576, June 1,2019.
[2]. Zhaopeng Zhang, Xinyu Fan, “Phase-Noise-Compensated OFDR Realized Using Hardware-Adaptive Algorithm for Real-Time Processing”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 11, pp. 2641–2647, June 1,2019.
[3]. Bernhard Schrenk, “The EML as Analogue Radio Radio-overover-Fiber Transceiver – a Coherent Homodyne Approach”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 12, pp. 2866–2872, June 15,2019.
[4]. KwangOk, Kyeong-Hwan Doo, “High Speed and Low Latency Passive Optical Network for 5G Wireless Systems”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 12, pp. 2873–2882, June 15,2019.
[5]. Nikos Argyris, Giannis Giannoulis, “A 5G mmWave Fiber Fiber-Wireless IFoF Analog Mobile Fronthaul link with up to 24 Gb/s Multi-band Wireless Capacity”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 12, pp. 2883–2891, June 15,2019.
