2021年4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
8/09/2021，光纤在线讯，2021年4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、无线光通信、光纤传输、激光器件、编码技术等，笔者将逐一评析。

1.可见光通信技术
 
    深圳鹏城实验室(PCL)的Rui Jiang等研究人员设计了一种新型水下可见光通信（UVLC）系统，他们在上行链路中应用了非对称限幅光正交频分复用和非正交多址（ACO-OFDM-NOMA）技术（如图1所示），以实现节能并支持大规模设备连接过程。研究人员设计了一种用户子载波配对和功率联合优化的分配方案，该方案可视为在解决一个NP-hard混合型整数非线性规划（MINLP）问题。研究人员采用一种低复杂度的迭代算法来得到最优解。在迭代第一阶段，用交换匹配算法解决用户子载波配对问题；在第二阶段，用逐次凸近似算法解决功率分配问题，重复上述过程直到算法收敛。结果表明，与采用贪婪算法的上行链路ACO-OFDM-NOMA系统和传统的上行链路ACO-OFDMA系统相比，采用该迭代算法的上行链路ACO-OFDM-NOMA系统可以获得更高传输性能。与上行链路ACO-OFDMA系统相比，上行链路ACO-OFDM-NOMA系统的传输效率提升了近70%。此外，利用大接收孔径可以进一步提高系统性能；例如接收孔径为5cm时，频谱效率可从10b/s/Hz提高到20cm时的15.3b/s/Hz[1]。



图1 ACO-OFDM-NOMA方案 

2.无线光通信技术

韩国仁川国立大学Hyunchae Chun等研究人员提出了一种全局新型(即考虑信道、调制方案和器件约束)的光无线通信系统设计方法。过去人们对光无线信道进行了广泛建模，对于特定信道的最佳调制方案已有许多研究；但是，大部分建模过程未综合权衡考虑发射机和接收机的应用利弊；对于特定类型的收发系统，调制带宽、可用功率、接收机带宽、有源区面积和灵敏度密切相关，如图2所示。研究人员引入了“技术曲线”这一参数显示了信噪比（SNR）和带宽（BW）之间的关系。通过使用这种方法可以同时优化调制方案和设备约束，能将氮化镓微型LED（micro-LED）和商用光电接收器构成的收发端20 dB的信噪比（SNR）裕度提升（或约3倍的数据速率提升）[2]。



图2 信噪比和带宽关系曲线

3.光纤传输

电子科技大学的Anke Zhao等研究人员设计了一种物理层加密的波分复用（WDM）光通信系统，如图3所示。研究人员采用私有混沌相扰的光学层加密技术可以实现低延迟、高速率保障全网络信息传输安全；与传统光混沌加密方案相反，在该方案中混沌信号成为了驱动信号而不是作为光载波，因此传输容量不再受限于混沌信号的带宽。 研究人员完成了数值模拟和实验验证，研究结果表明，在标准的50公里标准单模光纤（SMF）上，加密信号能够以4×12.5 Gbps的速度进行安全传输；该加密方案与现有的WDM光网络完全兼容，可直接融入到现有WDM光网络中[3]。



图3加密型WDM传输系统

4.激光器件

中国科学院上海光学精密机械研究所的Yang You等研究人员设计了一种新型模式可控的光纤激光系统，如图4所示。该系统由一个千瓦级主振荡器功率放大器和基于随机并行梯度下降算法的主动反馈控制系统组成。研究人员利用窄线宽光纤激光器（横模不稳定（TMI）阈值远低于宽光谱光纤激光器的同类阈值）作为实验设备，通过较低功率水平的横模模式控制来提升TMI阈值；通过对输出光束的相关功率进行极值搜索来转换LP01和LP11模式。在相同的泵浦功率下，LP11到LP01的模式转换效率高达99.5％；LP11、LP01模式的最大输出功率分别为1396 W和1389 W，相应的斜率效率分别为85.8%和84.1%[4]。


图4 新型模式可控的光纤激光系统

5.编码技术

加拿大多伦多大学的Masoud Barakatain等研究人员设计了一种低复杂度和信道可配置的前向纠错（FEC）方案（如图5所示）；其中，内部低密度奇偶校验码与外部拉链码联合得以应用。研究人员进一步优化了多层代码体系结构，使其可以在不同传输速率，信道特性和调制阶数下得以应用；并在解码过程中保持了最低传输数据流；采用了兼容硬件配置的准循环代码结构，研究人员还获得了不同条件下FEC的配置性能和计算复杂度。结果表明，与常用的FEC方案相比，该方案提供了相近的性能，但解码复杂度降低了63％；如果保持相近解码复杂度下，该方案能提供0.6 dB的编码增益[5]。



图5低复杂度编解码器配置

参考文献

[1]      R. Jiang, C. Sun, X. Tang, L. Zhang, H. Wang, and A. Zhang, “Joint User-Subcarrier Pairing and Power Allocation for Uplink 
ACO-OFDM-NOMA Underwater Visible Light Communication Systems,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 7, pp. 1997–2007, 2021.

[2]      H. Chun et al., “Optimum Device and Modulation Scheme Selection for Optical Wireless Communications,” J. Light. Technol., 
vol. 39, no. 8, pp. 2281–2287, 2021.

[3]      A. Zhao, N. Jiang, S. Liu, Y. Zhang, and K. Qiu, “Physical Layer Encryption for WDM Optical,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 8, 
pp. 2288–2295, 2021.

[4]      A. M. F. L. System, “A 1.4-kW Mode-Controllable Fiber Laser System,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 8, pp. 2536–2541, 2021.

[5]      F. R. Kschischang and A. Abstract, “Low-Complexity Rate- and Channel-Configurable,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 7, pp. 
1976–1983, 2021.