2020年10月JLT光通信论文评析
发布时间：2020-11-17 12:48:45 热度：2061
光纤在线特邀编辑：邵宇丰，王安蓉，胡钦政，王壮，杨杰，伊林芳，田青，杨琪铭，于妮
2020年10月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括可见光通信、无线水空光通信、光载毫米波通信、滤波器件、前传系统等。笔者将逐一评析。
可见光通信
中山大学的Lei Zhao等研究人员设计了一种室内多用户（MU）多输入多输出（MIMO）可见光通信（VLC）系统，如图1所示。研究人员利用发光二极管（LED-DR）的工作特性和块对角化预编码（BDP）技术，设计了一种加权调整（WA）的BDP方案，以提升数据传输性能。在LED阵列中，采用空间调光（SD）过程来满足室内场景均匀照明要求。研究表明，采用SD-WA-BDP方案的 MU-MIMO-VLC系统，可同时兼顾照明和通信过程。与传统的直接调制 (DD) 光传输系统相比，该方案能够实现均匀照明，且具有优异的接收信号性能[1]。
图1室内MU-MIMO-VLC系统示意图
无线水空光通信
香港大学的Yingjie Shao等研究人员设计了一种新型正交频分复用（OFDM）无线光通信（OWC）系统, 如图2所示。研究人员对低复杂度接收机中数字信号处理（DSP）过程进行了研究，该方案采用几何整形（GS）算法、时域预留子载波(TR)算法、限幅算法，实现高速实时水空（Water-Air）OWC链路。研究人员对时域TR降峰均比性能和其实现复杂度进行了研究，并设计了实时传输2.2 Gb / s信号的Water-Air-OWC系统方案。该方案对整形比和限幅比进行了优化，通过高效DSP处理，在3.8×10^(-3)的误码率阈值下，实现了接收光功率的大幅增强。在3.6m水下和8m自由空间OWC信道上，研究人员成功实现了4路4K视频时分复用信号的实时传输，结果验证了该方案的可行性和有效性[2]。
图2实时DSP处理过程和实验配置方案
光载毫米波通信
意大利博洛尼亚大学的Eugenio Ruggeri等研究人员设计了一种多用户光载毫米波（IFoF / mmWave）上行链路，如图3所示。该上行链路由便携式发射机，32单元相控阵天线（PPA）接收机（Rx）和10 km的单模光纤（SMF）组成。研究人员使用PAA Rx天线成功实现了0.6 Gb / s无线数据的单用户上行链路传输；该天线具备2 GHz的3dB带宽，并支持120°扇区内对任意角度的波束控制能力，在使用频分复用（FDM）或空分复用（SDM）的情况下还可提供相同聚合数据速率的3用户上行链路通信。研究表明，相比正交相移键控（QPSK）调制方案，FDM和SDM方案能在3GPP KPI限值内优化矢量幅度误差(EVM)性能[3]。
图3系统框图与实验装置
滤波器件
国立台北科技大学的Run-Kai Shiu等研究人员设计了一种新型光梳器件，用于集中式可重构微波光子滤波器（MPF）的制备，如图4所示。该光梳器件可提供多达103个具有可调波长间距和载流子数目的光载波，使得MPF能够提供较大调谐范围。该滤波器的频率响应是波长间隔、光载波数和光纤长度的函数；调整上述三个参数，可以灵活地配置MPF的中心频率和3dB带宽。研究人员通过卷积神经网络（CNN）模型进行训练，训练后的CNN能够以较小误差预测出波长间隔和光纤长度，证明了该模型应用的有效性[4]。
图4（a）集中式可重构滤波器 (b)光学系统框图
前传系统
荷兰埃因霍芬理工大学的Simon Rommel等研究人员设计了适用于5G通信的可扩展前传系统, 如图5所示。该方案体现了模拟光纤无线电（ARoF）技术与空分复用技术以及收发光子集成电路技术的有效结合。研究人员在光子集成电路中分别使用InP和SiN来产生ARoF信号和形成光波束，并支持单个天线阵列进行多波束传输。研究人员测得了抑制载波Mach-Zehnder调制器和光学锁相环产生ARoF相位噪声的数值结果，并通过相位噪声模拟评估了发射机适用性。研究结果表明，ARoF基带单元链路支持实时处理带宽为800 MHz的5G信号；在25.5GHz的10km 7芯单模光纤（MCF）和9m毫米波（mmWave）无线联络上进行传输后，接收信号误码率低于7%前向纠错阈值，证明了上述方案用于传输宽带毫米波信号的可行性[5]。
图5前传系统实验装置
参考文献
[1] L. Zhao, K. Cai, and M. Jiang, “Multiuser Precoded MIMO Visible Light Communication Systems Enabling Spatial Dimming,”
J. Light. Technol., vol. 38, no. 20, pp. 5624–5634, 2020, doi: 10.1109/jlt.2020.3003857.
[2] R. W. O. System and W. L. T. Dsp, “Real-Time 2.2-Gb/s Water-Air OFDM-OWC System With Low-Complexity Transmitter-Side DSP,”
vol. 38, no. 20, pp. 5668–5675, 2020.
[3] E. Ruggeri et al., “Multi-User V-Band Uplink Using a Massive MIMO Antenna and a Fiber-Wireless IFoF Fronthaul for 5G mmWave
Small-Cells,” J. Light. Technol., vol. 38, no. 19, pp. 5368–5374, 2020, doi: 10.1109/JLT.2020.2984374.
[4] R. K. Shiu et al., “Performance Enhancement of Optical Comb Based Microwave Photonic Filter by Machine Learning Technique,”
J. Light. Technol., vol. 38, no. 19, pp. 5302–5310, 2020, doi: 10.1109/JLT.2020.2989210.
[5] S. Rommel et al., “Towards a Scaleable 5G Fronthaul: Analog Radio-over-Fiber and Space Division Multiplexing,” J. Light. Technol.,
vol. 38, no. 19, pp. 5412–5422, 2020, doi: 10.1109/JLT.2020.3004416.
2020年10月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括可见光通信、无线水空光通信、光载毫米波通信、滤波器件、前传系统等。笔者将逐一评析。
可见光通信
中山大学的Lei Zhao等研究人员设计了一种室内多用户（MU）多输入多输出（MIMO）可见光通信（VLC）系统，如图1所示。研究人员利用发光二极管（LED-DR）的工作特性和块对角化预编码（BDP）技术，设计了一种加权调整（WA）的BDP方案，以提升数据传输性能。在LED阵列中，采用空间调光（SD）过程来满足室内场景均匀照明要求。研究表明，采用SD-WA-BDP方案的 MU-MIMO-VLC系统，可同时兼顾照明和通信过程。与传统的直接调制 (DD) 光传输系统相比，该方案能够实现均匀照明，且具有优异的接收信号性能[1]。
图1室内MU-MIMO-VLC系统示意图
无线水空光通信
香港大学的Yingjie Shao等研究人员设计了一种新型正交频分复用（OFDM）无线光通信（OWC）系统, 如图2所示。研究人员对低复杂度接收机中数字信号处理（DSP）过程进行了研究，该方案采用几何整形（GS）算法、时域预留子载波(TR)算法、限幅算法，实现高速实时水空（Water-Air）OWC链路。研究人员对时域TR降峰均比性能和其实现复杂度进行了研究，并设计了实时传输2.2 Gb / s信号的Water-Air-OWC系统方案。该方案对整形比和限幅比进行了优化，通过高效DSP处理，在3.8×10^(-3)的误码率阈值下，实现了接收光功率的大幅增强。在3.6m水下和8m自由空间OWC信道上，研究人员成功实现了4路4K视频时分复用信号的实时传输，结果验证了该方案的可行性和有效性[2]。
图2实时DSP处理过程和实验配置方案
光载毫米波通信
意大利博洛尼亚大学的Eugenio Ruggeri等研究人员设计了一种多用户光载毫米波（IFoF / mmWave）上行链路，如图3所示。该上行链路由便携式发射机，32单元相控阵天线（PPA）接收机（Rx）和10 km的单模光纤（SMF）组成。研究人员使用PAA Rx天线成功实现了0.6 Gb / s无线数据的单用户上行链路传输；该天线具备2 GHz的3dB带宽，并支持120°扇区内对任意角度的波束控制能力，在使用频分复用（FDM）或空分复用（SDM）的情况下还可提供相同聚合数据速率的3用户上行链路通信。研究表明，相比正交相移键控（QPSK）调制方案，FDM和SDM方案能在3GPP KPI限值内优化矢量幅度误差(EVM)性能[3]。
图3系统框图与实验装置
滤波器件
国立台北科技大学的Run-Kai Shiu等研究人员设计了一种新型光梳器件，用于集中式可重构微波光子滤波器（MPF）的制备，如图4所示。该光梳器件可提供多达103个具有可调波长间距和载流子数目的光载波，使得MPF能够提供较大调谐范围。该滤波器的频率响应是波长间隔、光载波数和光纤长度的函数；调整上述三个参数，可以灵活地配置MPF的中心频率和3dB带宽。研究人员通过卷积神经网络（CNN）模型进行训练，训练后的CNN能够以较小误差预测出波长间隔和光纤长度，证明了该模型应用的有效性[4]。
图4（a）集中式可重构滤波器 (b)光学系统框图
前传系统
荷兰埃因霍芬理工大学的Simon Rommel等研究人员设计了适用于5G通信的可扩展前传系统, 如图5所示。该方案体现了模拟光纤无线电（ARoF）技术与空分复用技术以及收发光子集成电路技术的有效结合。研究人员在光子集成电路中分别使用InP和SiN来产生ARoF信号和形成光波束，并支持单个天线阵列进行多波束传输。研究人员测得了抑制载波Mach-Zehnder调制器和光学锁相环产生ARoF相位噪声的数值结果，并通过相位噪声模拟评估了发射机适用性。研究结果表明，ARoF基带单元链路支持实时处理带宽为800 MHz的5G信号；在25.5GHz的10km 7芯单模光纤（MCF）和9m毫米波（mmWave）无线联络上进行传输后，接收信号误码率低于7%前向纠错阈值，证明了上述方案用于传输宽带毫米波信号的可行性[5]。
图5前传系统实验装置
参考文献
[1] L. Zhao, K. Cai, and M. Jiang, “Multiuser Precoded MIMO Visible Light Communication Systems Enabling Spatial Dimming,”
J. Light. Technol., vol. 38, no. 20, pp. 5624–5634, 2020, doi: 10.1109/jlt.2020.3003857.
[2] R. W. O. System and W. L. T. Dsp, “Real-Time 2.2-Gb/s Water-Air OFDM-OWC System With Low-Complexity Transmitter-Side DSP,”
vol. 38, no. 20, pp. 5668–5675, 2020.
[3] E. Ruggeri et al., “Multi-User V-Band Uplink Using a Massive MIMO Antenna and a Fiber-Wireless IFoF Fronthaul for 5G mmWave
Small-Cells,” J. Light. Technol., vol. 38, no. 19, pp. 5368–5374, 2020, doi: 10.1109/JLT.2020.2984374.
[4] R. K. Shiu et al., “Performance Enhancement of Optical Comb Based Microwave Photonic Filter by Machine Learning Technique,”
J. Light. Technol., vol. 38, no. 19, pp. 5302–5310, 2020, doi: 10.1109/JLT.2020.2989210.
[5] S. Rommel et al., “Towards a Scaleable 5G Fronthaul: Analog Radio-over-Fiber and Space Division Multiplexing,” J. Light. Technol.,
vol. 38, no. 19, pp. 5412–5422, 2020, doi: 10.1109/JLT.2020.3004416.
