2020年12月JLT光通信论文评析

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
1/27/2021，光纤在线讯，2020年12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、自由空间光通信、光载无线通信、数字信号处理、光纤传输等。笔者将逐一评析。
可见光通信
中山大学的Guixun Huang等研究人员设计了一种新型海域可见光通信系统（VLC），如图1所示；该系统采用通用正交变换（OT）辅助多输入多输出（MIMO）的传输方案。研究人员将用户生成的比特流映射到脉冲幅度调制（PAM）信号上，通过正交变换模块对PAM信号进行调制，结合奇异值分解（SVD）过程进行预编码，减轻了多用户间信号干扰。该设计方案增强了信号之间的最小欧几里德距离，提升了信号对上述大气和海上信道的适应能力；研究人员在此基础上还推导了系统理论误码率（SER）解析表达式。研究结果表明，在实际海域系统应用中，与采用空分复用（SMP），空间调制（SM）和重复编码（RC）技术的VLC系统的相比较，OT-VLC系统具有更好的收发性能[1]。

图1海域空间和水下场景中的VLC通信过程

自由空间光通信
葡萄牙阿威罗大学的Fernando P. Guiomar等研究人员设计了一种自适应概率整形的自由空间光通信系统（FSO），如图2所示。研究人员通过长期实验分析，发现室外FSO系统瞬时信噪比（SNR）具有明显时间相关性（时域记忆效应），该记忆效应在很大程度上取决于时变气象学中涉及的参数变化。在多雨天气条件下，为研究FSO信道的时间相关性，可采用低频跟踪技术来追踪信道中平均SNR的演化过程；而在使用低复杂度未加权移动平均值算法的情况下，可对FSO链路进行精确信道估计。研究结果表明，将该类信道估计方法与时间自适应概率星座整形（PCS）调制技术相结合，在非稳定天气条件下，能在55m自由空间链路上实现400G +传输系统的应用[2]。

图2FSO通信系统
光载无线通信
荷兰埃因霍芬理工大学的Xuebing Zhang等研究人员设计了一种面向工业4.0应用的光载无线通信系统(OWC)，如图3所示。研究人员通过漫反射聚焦以及传输矩阵控制算法，来降低非视距链路（NLOS）传输中散射造成的光信号功率衰减以及多径效应对系统接收带宽的限制。研究结果表明，采用漫反射聚焦技术，可在25cm非视距光载无线链路上实现40 Gbit/s的传输速率；在引入快速聚焦传输矩阵（TM）算法时，可迅速完成迭代（513次）并进行聚焦，从而使DRF技术面向实际应用。该系统选择低成本耗费的强度调制/直接检测（IM-DD）系统建设方案和收发开关键控（OOK）信号来降低应用成本[3]。

图3系统框图

数字信号处理技术
德国基尔大学的Tom Wettlin等研究人员设计了基于脉冲幅度调制（PAM）的强度调制和直接检测（IM / DD）系统，如图4所示。研究人员分析了不同的数字信号处理（DSP）方案， 包括（1）Volterra非线性均衡（VNLE）+决策反馈均衡、（2）Tomlinson-Harashima预编码+ VNLE、（3）双二进制（DB）预编码+ DB VNLE +维特比均衡、（4）VNLE + 2抽头后置滤波器 +维特比均衡。在对比分析时，研究人员选用了商业器件，传输速率介于180- 300Gb/s之间。研究结果表明，对于相对较低的符号速率和传输距离，（1）、（4）方案较优；方案（2）、（3）在更高传输速率条件下应用更优。在对比各类调制格式和DSP方案后，方案（4）设计的系统中收发PAM4信号具有最佳性能，经过1km标准单模光纤（SSMF）的传输速率值为224Gb/s；方案（2）设计的系统中传输PAM8信号可获得最佳收发性能[4]。

图4 支持PAM信号传输的强度调制直接检测系统

光纤传输
华为巴黎研究中心的Hartmut Hafermann等研究人员设计了一种基于精确逆周期非线性傅里叶变换（PNFT）的光纤通信系统，如图5所示。研究人员基于逆PNFT理论设计了完整算法来执行逆PNFT处理（即从主谱开始，依据黎曼曲面积分获取评估解所需的所有参数。研究人员通过数值仿真证明了该传输方案在实验中的应用可行性，并在2000km传输距离上能保证10^(-3)级误码率（BER）性能指标。研究结果表明，与加入循环前缀支持线性色散补偿的传输信号相比，该信号传输中体现的孤子特性显著延长了通信距离[5][6]。

图5基于精确逆周期非线性傅里叶变换（PNFT）的光纤通信系统
参考文献
[1] G. Huang, L. Zhang, Y. Jiang, and Z. Wu, “A General Orthogonal Transform 
Aided MIMO Design for Reliable Maritime Visible Light Communications,” J. Light. 
Technol., vol. 38, no. 23, pp. 6549–6560, 2020.
[2] F. P. Guiomar et al., “Adaptive probabilistic shaped modulation for high-
capacity free-space optical links,” J. Light. Technol., vol. 38, no. 23, pp. 6529–6541, 2020.
[3] X. Zhang et al., “Wide-Coverage Beam-Steered 40-Gbit/s Non-Line-of-Sight 
Optical Wireless Connectivity for Industry 4.0,” vol. 38, no. 24, pp. 6801–6806, 2020.
[4] T. Wettlin et al., “DSP for High-Speed Short-Reach IM/DD Systems Using 
PAM,” vol. 38, no. 24, pp. 6771–6778, 2020.
[5] J. W. Goossens, H. Hafermann, and Y. Jaouen, “Data Transmission Based on 
Exact Inverse Periodic Nonlinear Fourier Transform, Part I: Theory,” J. Light. 
Technol., vol. 38, no. 23, pp. 6520–6528, 2020.
[6] J. W. Goossens, H. Hafermann, and Y. Jaouen, “Data Transmission Based on 
Exact Inverse Periodic Nonlinear Fourier Transform, Part II: Waveform Design and 
Experiment,” J. Light. Technol., vol. 38, no. 23, pp. 6520–6528, 2020.