2015年1月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 王炼栋

    2015年1月出版的JTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光网络及子系统、无源和有源光器件、光传输、调制与信号处理、光纤技术，笔者将逐一评析。

光网络及子系统
    无源光网络（PON）和第四代移动通信系统（4G）是目前通信市场主要的两大候选技术，它们除了有众所周知的容量高的特点以外，还具有可用于多媒体业务的服务质量（QoS）。无源光网络（PON）是有线接入技术，以很高的成本效益和高容量而闻名；而第四代移动通信系统（4G）是无线宽带接入技术，该技术已经取得了市场的广泛认可，因为它易于部署、具有提供移动服务的能力、并且成本效益较高。无源光网络（PON）和第四代移动通信系统（4G）进行技术融合，就可以形成一种无线光宽带接入网络，这种网络形式具有许多方面的优势，例如可以在广大农村地区扩展网络覆盖、支持移动宽带服务、并能够根据需要在某一地区进行宽带网络的快速部署。不过在对宽带服务的服务质量需求处理方面，这两种技术有着不同的设计理念。例如，第四代移动通信系统（4G）采用流量分类方式来支持不同的服务质量（QoS）需求，而无源光网络（PON）结构中没有这样的机制来区分不同类型的流量。同样这两种技术在节能方面也具有不同的方式。在这篇文章中，来自澳大利亚埃迪斯科文大学工程学院的研究人员提出了一种服务分类映射，将在无源光网络（PON）与第四代移动通信系统（4G）技术融合的网络中应用，这种映射是基于M/G/1排队模型的。他们同时还提出了一种依据类别的省电机制，可以显著改善无线光学集成设备的休眠周期，而不会影响所要求达到的服务质量。实际使用结果表明，研究人员所提出的依据类别的省电方案，可以使功耗降低多达80％，并且能够保证用户获得相应服务级别所要求的服务质量。


无源和有源器件

    对于下一代光收发机来说，是否成功的关键是发射机中使用的数字信号预处理技术。目前科研人员所面对的主要挑战之一是数模转换器（DAC）有限的分辨率和-3分贝的带宽，这严重限制了发射机的传输性能。另一方面，当前频谱效率很高的传输网络对非线性信道损伤极为敏感，这又从本质上限制了系统所能达到的最佳性能。在这篇文章中，来自德国科锐安有限公司研发部、荷兰埃因霍芬理工大学COBRA研究所的科研人员采用了一种简单的数字预加重（DPE）算法，用以减轻数模转换器（DAC）引起的信号失真，并进一步说明了这种数字预加重（DPE）算法对非线性传输性能的影响。科研人员通过数字计算和实验验证发现，这种数字预加重（DPE）算法不仅可以抵消数模转换器（DAC）的低通响应，使之能以更高的波特率进行传输，还可以容忍更大的非线性信道误差。在实验中，科研人员采用背靠背配置的4进制、8进制、16进制极化复用正交幅度调制（PM-QAM）方式，能使系统的传输波特率分别达到50、46和44 Gbaud，此时数模转换器（DAC）典型参数规格为16千兆赫-3分贝带宽和5.5位有效比特数。此外，研究还表明，系统的性能改善程度随着数字预加重（DPE）算法调制阶数的增加而增加，最大改善幅度达到约2.2分贝。在传统采用集总式放大的标准单模光纤传输链路上，使用数字预加重（DPE）算法后，在4进制极化复用正交幅度调制（PM-QAM）方式下最大传输距离可达到约10000公里；在8进制极化复用正交幅度调制（PM-QAM）方式下最大传输距离可达到约5000公里；在16进制极化复用正交幅度调制（PM-QAM）方式下最大传输距离可达到约3000公里。最后，科研人员还发现，与采用保持信道间隔（4进制、8进制和16进制极化复用正交幅度调制要求的最小信道间隔分别为1.1倍波特率、1.15倍波特率和1.2倍波特率）来减小非线性损伤相比，使用数字预加重（DPE）算法更有优势。

光传输
    来自澳大利亚墨尔本大学电气与电子工程系的研究人员介绍并验证了一种激光相位噪声补偿技术的有效性，这种补偿技术是用于采用长符号的相干光正交频分复用（OFDM）系统。实现相位噪声补偿是通过混合调制的多频带光正交频分复用（OFDM），并由数字滤波器组技术辅助完成。而对于多个子带中某一个子带，是采用离散傅立叶变换扩展正交频分复用（OFDM）技术进行调制的。研究人员的实验结果表明，当16进制正交幅度调制信号以114.8吉比特/秒的速率在480公里长的标准单模光纤上传输时，本文所推荐的技术可以对高达1兆赫兹的激光相位噪声进行补偿。
    近期以来，双向中继逐渐被认为是一种频谱效率较高的通信技术。在双向中继技术中，两个用户处于两个不同的时隙，他们在一个中继节点的帮助下交换信息，从而实现信息的全速率传输。在本文中，来自印度ITM大学电气电子与通信工程系和Netaji苏巴斯技术学院电子与通信工程部的研究人员考虑在受到大气湍流衰落和错位误差的影响下，如何采用中继节点方式来改善双向自由空间光通信系统的通信质量。湍流产生的多个衰落信道，相互之间是独立的、但不一定完全相同，可按M-分布建模。错位衰落的特点在于存在指向误差，因此可以推导出适用于中断概率和差错率的新型封闭表达式。研究人员还考虑了系统的误码性能，对以采用子载波强度调制为基础的M进制相移键控调制系统和M进制正交幅度调制系统进行了分析。分析结果通过蒙特卡洛模拟方法进行了验证。
    来自日本日立公司中央研究实验室的科研人员开发了一种新型故障恢复系统，它包括基于现场可编程门阵列（FPGA）的光开关（SW）单元，在多芯光纤（MCF）链路上应用。这个用于管理多芯光纤（MCF）链路的故障恢复系统是通过监测信号（FRS-MS）来判断链路是否有故障，其中链路路径的使用是在光开关单元动作之前就已经进行了验证。系统采用激光信号来监测多芯光纤（MCF）的保护路径，一般选择使用最可靠的路径作为保护路径。在使用故障恢复系统的多芯光纤（MCF）点对点链路中，进行了信号传输实验，结果显示，在链路多次发生故障的情况下都进行了切换，故障路径可以在很短的时间内得到恢复（大约8毫秒）。在第一次切换后经检测到多芯光纤（MCF）链路中仍然没有信号，系统马上进行第二次（连续）切换，故障路径仍可以在很短的时间段内恢复（大约25毫秒）。这些恢复时间已经少于国际电信联盟远程通信标准化组织（ITU-T）的要求。实验结果表明，在多芯光纤（MCF）链路上使用这种包含基于现场可编程门阵列（FPGA）光开关（SW）单元的故障恢复系统，对于增加光网络的可靠性是有用的。


光调制与信号处理
    傅立叶变换光谱仪（FTS）的光谱分辨率，传统上的表达式为Δν=0.5/δmax，其中ν是波数，δmax是最大光程差（OPD）。这个方程对于移动镜系的傅立叶变换光谱仪（FTS）是有效的，因为其光程差（OPD）与波长无关；但不适用于光程差（OPD）与波长相关的傅立叶变换光谱仪（FTS）。在这篇文章中，来自中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室的研究人员考虑到光程差（OPD）的波长相关性，将光谱分辨率方程修改为Δν=0.5/[δmax+（dδmax/dν）ν]，使方程表达式无论在光程差（OPD）-色散还是光程差（OPD）-非色散傅立叶变换光谱仪（FTS）设备上都能适用。固定式原型傅立叶变换光谱仪（FTS）使用了一种带有推挽电极的铌酸锂波导马赫–曾德尔干涉仪，通过实验和理论分析对光谱仪在不同波长下的光谱分辨率一一做了研究，结果理论计算值和实验数据极其一致，这表明了修改后的方程完全可以对傅立叶变换光谱仪（FTS）的分辨率进行准确估计。

    由于在现有的可见光通信（VLC）系统中，所使用的发光二极管调制带宽有限，因此这就成为目前系统中的主要限制因素。采用自适应调制技术来提高无线通信的频谱效率，是当前被广泛研究的重要课题。虽然目前有各种物理层方面的可见光通信（VLC）方案，然而人们对自适应调制技术工作原理的了解还不是十分透彻。在这篇文章中，针对如何在高速可见光通信（VLC）中采用自适应调制技术实现高频谱效率，来自中国东南大学移动通信国家重点实验室、美国俄勒冈州立大学电气工程与计算机科学学院的研究人员提供了较为深入的分析内容。分析所涉及的三种不同方案分别为：直流偏置光正交频分复用（DCO-OFDM）、非对称限幅光正交频分复用（ACO-OFDM）、以及单载波频域均衡（SC-FDE）。研究分析结果表明：在低信噪比区域中，基于非对称限幅光正交频分复用（ACO-OFDM）技术的自适应调制方案优于其他两种方案。与基于直流偏置光正交频分复用（DCO-OFDM）技术的方案相比，基于单载波频域均衡（SC-FDE）技术的自适应调制方案具有更好的性能，并且这个方案的实现比另外两个方案简单得多。

    来自加拿大不列颠哥伦比亚大学工程学院、沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学计算机&电子&数学科学研究院的研究人员分析了在伽玛伽玛信道和对数正态分布湍流信道中进行无线光通信时，子载波M进制相移键控（MPSK）和M进制差分相移键控（MDPSK）调制的误码率（BER）性能。他们研究了精确误码率（BER）和近似误码率（BER）之间的关系，这主要用于子载波M进制相移键控（MPSK）和M进制差分相移键控（MDPSK）调制，其中近似误码率（BER）是通过将误符号率除以每符号的比特数而获得的。研究人员还通过渐近分析解析量化了精确误码率（BER）和近似误码率（BER）之间的差距。M进制相移键控（MPSK）和M进制差分相移键控（MDPSK）的近似误码率（BER）精度都取决于信道的情况。如果信道处于弱湍流情况下，近似误码率（BER）的表达式可以以很高的精度来预测系统性能；而如果信道处于强湍流情况下，近似误码率（BER）就变得不很准确，只能作为精确误码率（BER）一个模糊的下限。

    目前，一方面是不断增长的室内宽带服务需求，而另一方面是要求减少越来越多的电磁污染，这就使得相关科研人员必须寻找更有效的频谱使用方法。由此，促成了一种可见光通信新模式的产生。在IEEE 802.15.7标准中，已经提出了一种新的调制方式——色移键控（CSK），在支持室内通信的同时，不会对室内环境照明产生影响。在这篇文章中，来自意大利罗马第一大学信息、电气与电信工程系的研究人员提出了一个基于色移键控（CSK）调制的发送/接收方案，利用了源于脉冲位置调制的调制格式。本文的发表有两个目的：一个目的是提出了用于这种可见光通信的接收机架构，另一个目的是通过运行来评估所提方案的性能，并与文献中其他同类来稿相比较。研究人员所提出的方案抗光干扰能力很强，呈现出高传输速率和低误码率的特点，相对于其他方法仅仅是稍微增加了一些接收机的复杂度。


    来自中国湖南大学信息科学与工程学院和中兴通讯等机构的研究人员通过一系列实验，对离散傅里叶变换扩频（DFT-扩频）技术和预均衡技术的性能进行了比较；在本文中，这两项技术都是在244.2-Gb / s的极化复用-16进制正交幅度调制-正交频分复用（PDM-16QAM-OFDM）传输系统中使用的。预均衡技术用以克服信道中高频功率衰减是有效的。然而，对于预均衡技术来说，获取静态信道响应是非常复杂的，并且经预均衡技术处理后，信号的峰均比（PAPR）甚至有一定的升高。而离散傅里叶变换扩频（DFT-扩频）技术也能够用于克服信道中高频功率衰减，同时还可以降低正交频分复用（OFDM）信号的峰均比（PAPR）。研究人员通过实验还发现，单波段离散傅里叶变换扩频（DFT-扩频）技术展现出极为狭窄的光滤波能力。对于8×244.2-Gb / s的波分复用（WDM）极化复用-16进制正交幅度调制-正交频分复用（PDM-16QAM-OFDM）传输系统，在软判定前向纠错门限值设定为2.4×10-2时，如果采用预均衡技术，其传输距离可以达到2×420公里；而如果采用单波段离散傅里叶变换扩频（DFT-扩频）技术，则传输距离可以延长到3×420公里。上述实验结果很好的说明了在高带宽相干波分复用正交频分复用（WDM-OFDM）系统中，相对于预均衡技术，使用单波段离散傅里叶变换扩频（DFT-扩频）技术会更为有效。


光纤技术
    光纤传感器的远期目标是发展成为一种微型的、多用途的光纤装置，这种装置包含了多种传感功能，并能够被看作一种结构简单但十分有效的系统。在这里，来自中国浙江大学现代光学仪器国家重点实验室、香港理工大学工程学院电机工程系、香港理工大学深圳研究院、中国计量学院光学与电子科技学院、湖北理工学院电气与电子信息工程学院、华中科技大学武汉光电国家实验室的科研人员通过研究证明可以运用简单方便的方法来实现这样的装置，主要涉及到了微锥形光纤里的内空气腔原理。由于微锥形光纤的内空气腔结构尺寸很小，只有几十微米，因此外部微小的变化也能在腔内空间中得到精确的反映，所以运用这种原理的传感器有灵敏度高、鲁棒性好、容易实现的优点。采用这种原理设计的光纤传感器折射率敏感度、应变敏感度、温度敏感度分别可达到1060 nm / RIU（折射率单位）、22.5 pm /με、80 pm /℃。这种基于微锥形光纤内空气腔的装置具有灵活、超小型、多功能、高效的特点，为光纤传感技术的广泛应用提供了一种很有前途的新途径。