2021年7月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰，王安蓉，王壮，杨杰，伊林芳，田青，杨琪铭，于妮
8/25/2021，光纤在线讯：2021年7月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：数字信号处理、水下无线光通信、调制和解调、光纤通信和故障检测等，笔者将逐一评析。

1.数字信号处理
浙江大学的Xiao Chen等研究人员设计了一种远距离水下无线光通信（UWOC）系统，如图1所示；该系统采用了部分响应成形和网格编码调制（TCM）技术的数字信号处理（DSP）方案。研究人员利用部分响应滤波器和系统频谱响应的相似性来抑制全响应前馈均衡器引起的噪声及失真；并应用随机交织器和预编码器来消除噪声及失真。研究结果表明，在150 m的水下信道中（标准游泳池50m*3），实现了500 Mbps的数据传输速率（最小接收光功率-29.8 dBm（BER为3.80 × 10−3）；系统总衰减值为53.47 dB）。该系统方案支持的数据传输速率比单独使用部分响应整形方案、TCM方案和最小二乘均衡方案的数据速率分别提升了 8.0%、9.2%和14.2%[1]。



2.水下无线光通信
福建工业大学的Xu-Hong Huang等研究人员设计了一种波分复用可见光水下无线光通信（WDM-VLC-UWOC）系统，如图2所示。研究人员利用海水对可见光部分波长的低衰减，使用两级光注入和光电反馈方案的RGB-LD 实现了白光照明以及双向高速通信。研究人员将四阶脉冲幅度调制（PAM-4）与RGB三色波分复用技术相结合获得了下行/上行150 Gbit/s传输速率，在使用两组级联传输光栅和一对双凸透镜时，分别在5m水下信道和10m自由空间信道的下行/上行链路分别获得了10−9 的低误码率和清晰的信号眼图。研究人员在发射/接收机侧使用两个级联传输光栅来控制RGB光来生成白光，并采用塑料光纤（POF）支持完成传输照明。当白光传输超过3 m后，仍能提供质量较高照明亮度 (>500 lux)[2]。



3.调制和解调
南京信息工程大学的Jiajia Shen等研究人员设计了改进洛伦兹（Lorenz）混沌系统的正交频分复用无源光网络（OFDM-PON），如图3所示。混沌处理过程采用改进的三维Lorenz映射，在传统Lorenz映射基础上加入了反馈因子生成3个掩蔽因子，对OFDM信号的星座图、副载波频率、符号从三个维度（3D）进行了统一加密，进一步提升了系统安全性（得到的空间密钥级别为1090）。 由于OFDM系统中（逆）快速傅里叶变换（FFT/IFFT）的运算线性度以及子载波数与傅里叶点数不匹配，在FFT/IFFT中使用空闲子载波运算降低了峰均功率比（PAPR）。 研究结果表明，该系统中的QAM-OFDM 信号在25公里单模光纤（SMF）上，实现了14.7 Gbit/s的数据传输速率。与普通OFDM-PON相比，该系统以较低的计算复杂度获得了1.6dB PAPR的性能提升[3]。 



4.光纤通信
暨南大学的Ji Zhou等研究人员设计了色散（CD）无补偿的海底光缆开关键控（OOK）系统，如图4所示。18.8 km海底光缆的CD在72Gbit/s OOK信号的36 GHz频谱上形成四个零点值，引起了误码性能的下降。判定反馈均衡器 （DFE）可有效补偿频谱零点，但当海底环境不稳定导致突变时，DFE很容易传播突发差错。因此，研究人员提出了加权DFE（WDFE）与最大似然序列估计（MLSE）相结合的方法。与DFE相比，WDFE缩短了突发差错的长度，有利于进行MLSE序列检测。当WDFE不能完全补偿光谱零点时，MLSE可补偿残余频谱失真。研究结果表明，与联合DFE和MLSE算法相比，联合WDFE和MLSE算法可以有效抑制突发差错传播，获得最大2.9 dB 的Q值提升；在BER低于7% 硬判决前向纠错（HD-FEC）阈值时，联合WDFE和MLSE算法所需的接收光功率（ROP）相对于联合DFE和MLSE算法更低（小于3dB）[4]。



5.故障检测
北京邮电大学的Zhuotong Li等研究人员设计了基于知识图谱的故障定位方法，如图5所示。在大型光网络内部，会出现多类型的告警以表明网络异常；通常告警之间关系复杂，难以准确定位故障源。研究人员设计了知识引导型故障定位方法，利用网络告警知识来分析异常状况。他们将知识图（KGs）引入到告警分析过程中（分析网络中现存的告警知识/数据形式），并设计了采用图神经网络（GNN）的推理模型，该模型连接告警KG等图形数据，利用数据进行机器学习，实现告警相关性分析和故障定位。他们开发了一个基于开放式网络操作系统（ONOS）的软件定义光网络（SDON）平台进行实验验证，其中包括报警KG的构建和应用流程。实验结果证明，该方案具有较高的准确性，并为工业级规模使用KG 进行警报分析和故障定位提供了便利[5]。



参考文献
[1] X. Chen et al., “150 m/500 Mbps Underwater Wireless Optical Communication Enabled by Sensitive Detection and the Combination of Receiver-Side Partial Response Shaping and TCM Technology,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 14, pp. 4614–4621, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3077086.
[2] X. H. Huang et al., “Bidirectional White-Lighting WDM VLC-UWOC Converged Systems,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 13, pp. 4351–4359, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3073395.
[3] J. Shen et al., “Enhancing the reliability and security of OFDM-PON using modified Lorenz chaos based on the linear properties of FFT,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 13, pp. 4294–4299, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3071186.
[4] J. Zhou et al., “Burst-Error-Propagation Suppression for Decision-Feedback Equalizer in Field-Trial Submarine Fiber-Optic Communications,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 14, pp. 4601–4606, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3076822.
[5] Z. Li et al., “Fault Localization based on Knowledge Graph in Software-Defined Optical Networks,” J. Light. Technol., vol. 39, no. 13, pp. 4236–4246, 2021, doi: 10.1109/JLT.2021.3071868.