2016 年5月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 周俊毅 李长祥 周越 
2016年5月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光网络及其子系统、无源和有源光子器件、光传输、光调制与光信号处理、光纤技术，笔者将逐一评析。

光网络及其子系统
布拉德利大学计算机科学与信息系统系的科研人员指出，网络功能虚拟化是提高网络资源利用率的一种新方法，采用该方法不但具有在专有硬件上解耦网络的特性，也能自适应地服务终端用户需求，还能为了满足网络功能的实际需求，在系统运行时自动创建和部署网络功能的实例。基于相同的物理底层网络，科研人员提出了分配网络功能和共享终端到终端需求的综合设计方案，并证明了网络设计的部分缺陷应归咎于网络供应商。因此科研人员设计了一种双用户策略的网络模型，该模型在一定程度上反应了网络功能实例分配与网络中路由争夺物理资源的竞争关系；科研人员还依据此模型得出了一个混合整数规划的最优解，另外根据博弈论设计了一种基于迭代支配的消除算法。

图1. 网络功能虚拟化的模型图
苏州大学电子信息工程学院、北京邮电大学光电子信息与光通信国家重点实验室的科研人员，讨论了网络成本的最小化问题——在灵活的带宽光网络中，如何保留虚拟光网络（VONs）映射。对于每个虚拟链路，科研人员提供专用的保护路径，即主路径和备份路径，以此在物理网络上保证链路的高生存能力。为了简化虚拟链接映射，科研人员通过协调虚拟光网络和物理网络，构建了一个扩展的辅助系统。科研人员设计了一个整数线性规划（ILP）模型，通过LBSD（最大带宽需求（LB）的虚拟链路vs最短距离（SD））映射法和LCSD（最大计算资源需求（LC）vs最短距离（SD））映射法，来最小化一个特定的虚拟光网络（VONs）的网络成本。作为对比，科研人员还提出了一种基线映射方法，命名为LCLC（最大计算资源（LC）需求vs最大计算资源（LC）配置）映射法。仿真结果表明，相对于LCLC映射法，ILP模型的LBSD和LCSD映射法不仅解决了网络总费用的最小化问题，还能保证频谱使用量和再生器的数量也是最少的。在6节点和14节点网络网络中，LBSD映射法可以有效地降低网络成本，频谱使用量和再生器的数量都接近ILP模型的最优解。

牛津大学工程科学系和伦敦大学电子与电气工程系的科研人员建立了一个新型无线光通信系统，该系统利用无线光由光纤接入点向移动终端建立透明和双向的光链路，如图2所示。通过定位和跟踪，该系统可在室内环境（气温由-30度变化至+30度）中建立一条传输速率达到50Gb/s的光链路。整个系统视野覆盖半径可达3米，定位精度为0.05度，指向精度为2.5毫米。该实验表明，科研人员利用自动化系统来实现有效通信所需的校准过程，可实现超高速率的无线光链路传输。

图2. 通信试验装置的结构框图

在多用户场景中，弹性光网络（EONs）可以提高网络的可扩展性，扩大服务范围，并处理多载波情况。然而,恶意客户端可以从物理层发动跨域攻击，所以安全问题在多域弹性光网络（EONs）中不容忽视。来自中国科学技术大学信息科学与技术学院的科研人员，讨论了如何提高多域弹性光网络物理层的安全水平。出于安全考虑，科研人员检查了物理层的漏洞，并根据域内和域间请求来选择不同的路由和频谱分配（RSA）方案。由于不同的客户（尤其是可信的和不可信的）在弹性光网络中共享光学元件，科研人员分析了潜在的攻击可能性，并用攻击因子量化了相应的安全威胁。根据攻击因子的大小，来执行不同的路由和频谱分配（RSA）方案。然后，科研人员提出了基于多域攻击感知的路由和频谱分配（RSA）问题，并制定一个整数线性规划（ILP）模型来精确地解决它。为了降低时间复杂度，科研人员还提出了一种启发式算法，通过使用大量离线或在线的模拟配置方案对此算法进行了评估，仿真结果验证了其有效性。

无源和有源光子器件
无源光网络（PON）技术因其具有高效、可靠、成本低廉等优点，在接入网络中已成为一种叫较有前景的方案。然而，无源光网络的管理尚未实现自动化，需要网络操作员的干预。近年来，软件定义网络（SDN）已经成为一个新兴的技术。在软件定义网络（SDN）交换机中，通过分离控制平面和数据平面，以及提供动态细粒度的软件定义网络流量管理，能增强整个网络的可控性和可管理性。台湾国立中兴大学通信工程系的科研人员提出，把底层物理的GPON转换为基于OpenFlow协议的虚拟SDN交换机。虚拟交换机可以用来连接广阔地理位置上的多个站点。类似于一个真正的OpenFlow交换机，科研人员使用一个标准的OpenFlow控制器来控制GPON虚拟开关。OpenFlow代理嵌入在位于GPON底层的光线路终端（OLT）中，该代理与外部OpenFlow控制器进行通信，通过OLT内部的光网络单元和控制接口对ONU进行管理。科研人员创建了一个可商业化的GPON网络系统原型，它在虚拟交换机中可实现所有的OpenFlow功能，包括数据包转发、带宽计量、统计数据收集和状态报告。实验结果表明，GPON虚拟交换机可以正确地执行OpenFlow1.3定义的所有功能。其流表条目修改、动态带宽控制、开关状态监控的性能可媲美真正的OpenFlow交换机性能。

图3. 基于OFDMA-PON的时分复用系统结构框图
伊朗塔比阿特莫达勒斯大学电气与计算机工程学院的科研人员，通过推导伴随离子体效应的光谱二元函数，提出了能一种快速解决周期性等离子纳米天线(PPNAs)散射问题的方案。科研人员将光谱二元函数应用到积分方程，以计算周期性等离子纳米天线(PPNAs)的感应面电流密度。其中，积分方程是利用矩伽辽金方法通过整个域的基础和测试功能建立的。科研人员借助此计算方案，分析了几种案例的散射特性，并利用有限元法对计算结果进行了验证。为了量化这种方法的效率，科研人员根据空间谐波次数计算了收敛速度和运算时间。计算结果表明该方法可以高效、快速地分析这种周期性电浆结构。此外，科研人员研究了一组周期性等离子纳米天线(PPNAs)在单轴各向异性基板上的散射特性，并利用光轴方向函数将其量化。科研人员发现，在使用各向异性材料情况下，周期性等离子纳米天线(PPNAs)的基底允许额外的自由度来控制散射信息。

台湾国立中山大学光子系、台湾交通大学光子系统研究所的科研人员，介绍了一种基于正交频分多址接入（OFDMA）无源光网络（PON）的延时分复用（DDM）方案。在该方案中，检测正交频分复用（OFDM）信号所需的模数转换器（ADC），其操作不同于传统的OFDMA-PON检测，每个光网络单元（ONU）的采样率低于奈奎斯特速率。基于光网络单元之间预分配的相对时间延迟，终端可以检测到从光链路发送的预处理信号，其原因是模数转换器（ADC）在次奈奎斯特采样率下运行所引起的下行信号的频谱混叠。值得注意的是，该方案减少了模数转换器（ADC）对采样率而不是对模拟带宽的要求，因此所有发送载波可以保留之前频谱混叠。所以，该方案可以降低延时分复用（DDM）的计算复杂度以及解调过程中的功率消耗，使成本降低同时效率得到提高。

光传输

伯明翰阿斯顿大学光子技术研究所的科研人员指出，采用非线性傅立叶变换（NFT）与非线性信号频谱（包括离散和连续）特征值通信的方法，在克服光纤非线性损失方面具有广阔的前景。在本文中，科研人员首次展示了越洋距离达到10 GBD的非线性逆合成信号（4 Gb/s线速度）的产生、检测和传输过程，其中传输信息直接编码到非线性信号光谱的连续部分。科研人员运用有效的数字信号处理（DSP）技术，使得信号传输距离达到7344公里，误比特率降至2.1×10−2，这低于前向纠错（FEC）阈值的20%。与先前证明的基于非线性傅立叶变换系统相比，本方法在数据容量和传输距离方面进行了改进。在基于非线性傅立叶变换的通信系统领域内，科研人员取得了重大的进步。

澳大利亚埃迪斯科文大学的科研人员指出，在网络流量呈现指数级的增长趋势下，无线光纤宽带接入网络（WOBAN）被认为是颇具前景的宽带接入网络技术。无线光纤宽带接入网络结合了无源光网络（PON）的可靠性强和容量大的优点，以牺牲无线网络的普遍性和移动性为代价，向终端用户提供有效的服务。与其它的下一代通信网络一样，无线光纤宽带接入网络面临着以牺牲服务质量（QoS）和能量效率来换取高传输速率的问题。在本文中，科研人员提出了一种新的资源管理技术，来提升无线光纤宽带接入网络中集成光无线单元的能量效率。该技术增加了无线和光学部件的空闲时间（而不是以牺牲终端应用的服务质量为代价），在空闲时间内使其休眠从而达到节能的目的。结果表明，在无线光纤宽带接入网络中，延长空闲时间和使用资源管理能适应日常流量波动情况，从而在节约能量的同时，满足不同业务的服务质量要求。

图4. 无线光纤宽带接入网络结构图

美国宾夕法尼亚州立大学的科研人员提出，基于发光二极管（LED）的可见光通信（VLC）已成为当前热门的研究领域。可见光通信为室内定位提供了一种切实可行的解决方案。在有墙壁、地板和天花板的复杂室内环境下，科研人员研究了多径效应对二维室内可见光通信（VLC）定位的影响。对于所提出的定位系统，科研人员提出了采用LED灯作为发射器，采用光电二极管作为检测接收信号强度信息接收器的新方案。科研人员利用改进的蒙特卡洛方法来计算光信道的脉冲响应。科研人员分析了各反射顺序的接收功率，使用功率衰减来计算发射器和接收器间的距离。科研人员进一步估计房间里所有位置的定位误差，并与此前没有考虑的反射工作进行了比较。最后，科研人员提出了使用校准的方法来减少多径反射的影响。

图5. 使用信息转换系统的收发装置框图

光调制与光信号处理

葡萄牙里斯本大学电气与计算机工程系研究所的科研人员指出，虚拟载波辅助直接检测的单边带（SSB）多频带（MB）正交频分复用（OFDM）的城域网性能，会受到环间OFDM频带转移和激光波长漂移的影响。42.8Gbit/s的三波段和57.07Gbit/s的四波段SSB-MB-OFDM信号，都具有6.25 GHz的频段间隔。为了评估环间带传输和激光波长漂移对系统的影响，科研人员使用了十六进制和三十二进制正交幅度调制（16QAM,32QAM）进行实验，如图6所示。实验结果表明，在仅考虑环带间转移的损耗（即忽略相关的激光波长漂移）、使用类似的−3dB带宽频段选择器实现跨环传输的情况下，能实现最大4波段和最大12波段传输，使光信噪比衰减不超过1dB。科研人员将环间带传输和激光波长漂移的影响结合在一起考虑，在−400和200兆赫之间和-500和500兆赫之间，分别采用16-QAM和32-QAM调制的带转移，采用频率漂移会使光信噪比衰减不超过1dB。

图6. 采用虚拟载波辅助直接检测SSB-MB-OFDM信号的系统图
考克大学廷德尔国家研究所的科研人员设计并制造了一种在频分复用（FDMA）无源光网络（PON）中的反射式瞄准发射机。它是由一个硅光子集成电路（Si-PIC）包括反射式马赫曾德调制器（MZM）及其倒装晶片互补金属氧化物半导体（CMOS）驱动器组成的，其中两个芯片通过高密度和低镀铜微柱的方式互连。科研人员成功实现了在一种频分复用（FDMA）无源光网络（PON），其传输方式是正交相移键控（QPSK）和十六进制正交振幅调制（16QAM），其子载波的符号率为500兆波特，误码率低于2.10e-3。正交相移键控（QPSK）调制的子载波有效接入带宽是1GHz至7GHz，损耗为9 dB；十六进制正交振幅调制（16QAM）调制的子载波有效接入带宽是2GHz至4GHz，损耗为5 dB。

爱丁堡大学工程学院数字通信与LiFi研发中心的科研人员，研究了数据调制方式对白光LED发光质量的影响。结果表明，若保持LED平均驱动电流不变，LED发射光的质量也将保持不变。对于一个直流平衡的调制信号，其平均值保持不变，即使瞬时驱动电流产生波动，数据调制不会对测量光的质量指标产生重大影响。因此，在可见光通信的应用中，使用直流平衡的信号、对LED进行热管理是保证LED发射光预期质量的前提。

加拿大英属哥伦比亚大学的科研人员，提出了一种基于开关键控（OOK）和源信息转换的自由空间光通信（FSO）技术。研究结果表明，在不需要获取瞬时信道状态信息和湍流模型的概率密度函数（pdf）的情况下，源信息转换能使系统检测到开关键控（OOK）信号。科研人员推导出检测阈值的概率密度函数，并测得了平均误码率（BER）的上限。研究数据表明，对于理想化的自适应检测系统，该系统可以实现良好的性能，复杂度明显降低，对于σ = 0.25的正态分布湍流信道，在误码率为1 × 10−9 时，信噪比性能损失仅为1.8dB。

光纤技术
上海工程技术大学电子与电气工程学院的科研人员，设计了一种带有圆形气孔的六角形光子晶体光纤，它可在较宽的波段中保持单偏振单模（SPSM）特性。基于W型轮廓和三重晶格缺陷的设计，此光纤可以在保证损耗低于0.01dB/Km的情况下，提供1600 纳米宽的单偏振单模（SPSM）谱（从0.406到2.304微米）。对目前所有带有圆形气孔的六角形晶体光纤而言，以上的数据跨度最为宽泛，科研人员用简单的“栈和画”的方法来将此实现。为了让光纤能在宽谱中使用，科研人员调整结构参数，在一定单偏振单模（SPSM）窗口内，允许平坦色散操作。该实验结果在通信系统中非常理想，色散和偏振模色散可以被彻底消除。 

中国香港中文大学电子工程系的科研人员提出：采用光栅耦合器的光纤，常规的硅光波导能有效耦合，而对于从光纤到金属槽光波导的直接耦合结构，国内外尚未有结构能与其相媲美，特别是在耦合效率、光纤带宽和小尺寸方面。此前提出模式转换的方法采用锥形漏斗结构逐渐挤压条带进入金属插槽，因其有效指标有很大的区别且各种模型间很不匹配，从而限制了它们的耦合效率。科研人员指出，在硅锥形结构前加入另一个硅带槽模型转换器能提高耦合效率。此外，反向锥形漏斗结构能降低金属吸收损耗，从而进一步提高耦合效率。研究人员实验测得，在波长1640为纳米时，耦合到200纳米宽的金属-绝缘体-金属插槽耦合损失为3 dB，耦合到80纳米宽的金属-绝缘体-金属插槽耦合损失为4 dB.

来自中国东北大学计算机科学与工程学院的科研人员提出，由于电网络设备的大规模部署，光纤无线（FiWi）接入网络面临着高能耗的挑战。以前研究工作提出，绿色光纤无线接入网络覆盖三个方面，包括网络设备的优化配置，如光网络单元（ONU）；具有服务质量保证的光网络单元的高能效带宽分配；根据流量配置的光网络单元动态调用电源状态（主动/休眠）。然而，这些研究并没有将无线子网的节能设计考虑在内。事实上，当光学子网的某些光网络单元切换到睡眠状态时，相应的无线接口将处于空闲或低负载状态。通过关闭空闲或低负荷的无线电通讯设备，为无线子网节能提供了潜在机会。通过对集成光学和节省无线子网能源的研究，本文在此基础上设计了绿色多模无线接入光纤无线系统，如图7所示。为了使其具有高效节能的优势，科研人员对无线前端和光网络单元接入网的光纤后端节省的能源进行集成，并提出了启发式算法。首先，通过对带有负荷阈值的流量配置进行判断，科研人员提出了具有光网络单元休眠机制的节能算法（EAS），用来动态调度光网络单元的功率状态。其次，科研人员提出基于关闭无线电设备的节能算法，通过动态控制射频的电源状态，来重新配置无线子网的拓扑。此外，EAS 和 ERO采用无线重路由，以保证网络的服务质量。通过EAS和ERO算法的结合，科研人员提出了一种EE全面节能方案。数值仿真结果表明，通过合理配置参数，与宽范围的流量负载的节能方案相比，EE方案节省了33.14%至64.35%的能量；与无节能且服务质量敏感的节能方案相比，EE方案节省了8.56％至36.42％的能量。

图7.光纤无线接入网络示意图