2017年1月PTL光通信论文评析

邵宇丰，陈烙，赵云杰，陈福平
2017年1月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：调制技术，光信号处理，光网络及其子系统，无源光子器件等，笔者将逐一评析。

1. 调制技术
近年来，为了提升无线传输容量并满足新兴移动数据通信的大容量需求，在光纤无线（RoF）系统中采用了大带宽毫米波和高效多级矢量信号调制。目前已经报道的多种类型数据速率超过100Gb/s的RoF系统，使用到了W波段（75-110GHz）或甚至更高波段以及QPSK/16QAM矢量信号调制。然而，由于可用的模数转换器（ADC）带宽的限制，这些系统通常需要在接收器中进行模拟信号下变频，以将高频毫米波转换为较低频率的基带，这显著增加了系统复杂性和不稳定性。虽然采用较低频率的毫米波段，如Q波段（33-50GHz），可以避免模拟信号下变频处理，但是需要以降低可用带宽为代价。一些已经报道过的如Q波段48Gb/s偏振复用（PDM）QPSK矢量调制单载波RoF系统、112Gb/s PDM-QPSK矢量调制双载波RoF系统、112Gb/s PDM-16QAM矢量调制双载波RoF系统，这些使用Q波段的系统都不需要进行模拟信号下变频操作。与QPSK和16QAM矢量调制相比，64QAM矢量调制具有更高的频谱效率，并且可以更好地在限定信号带宽内提高传输容量。因此，将64QAM矢量调制与更低的毫米波段（如Q波段）结合一起，有望实现具有更高频谱效率和传输速率超过100Gb/s的RoF系统，且无需模拟信号下变频处理。最近，来自复旦大学电磁波信息科学重点实验室的研究人员，提出了一种采用PDM-64QAM 矢量调制单载波RoF方案，该方案中使用的毫米波段为Q波段，系统方案结构图如图1所示，在接收机上不需要进行模拟信号下变频处理，经过数字信号处理（DSP）之后采用最小均方（DD-LMS）均衡技术，可以大幅度提高系统性能，并且，这是首次提出采用单载波PDM-64QAM调制的毫米波无线传输方案。实验结果表明，在1m无线距离上产生并传送高达10 Gbaud（120 Gb/s）37.5 GHz的PDM-64QAM矢量毫米波信号，误码率低于硬判决-前向纠错（HD-FEC）阈值（3.8x10-3）；传送高达16 Gbaud（194 Gb/s）37.5 GHz的PDM-64QAM矢量毫米波信号，误码率低于软判决-前向纠错（HD-FEC）阈值（1x10-2）。
图1  系统方案结构图

    预计到2020年，互联网中接入的设备数量将达到500亿，这使得物联网（IoT）的部署必不可少。物联网能够将每个对象设备链接到互联网，以实现可用的数据交换。由于电缆部署繁琐，为小型IoT设备增加了复杂性并降低了设备的可移动性，因此将所有这些设备通过线缆连接到互联网是不切实际的，所以采用无线链接则是个不错的选择。不过，随着大量无线接入设备的增加，它们将在分配频谱资源时与用户设备形成竞争，如果没有创新的提高频谱效率方案，则“频谱紧缩”问题将继续加剧。此外，通过电池或电缆给这些设备供电则成本效率非常低，利用从外部收集的能源来维持自身运行具有可行性，这些能量足以用于物联网设备的信号生成，但是设备能够收集的能源（大约100μW）限制了信号的传播距离。射频（RF）反向散射为物联网设备的因特网接入提供了选择，小型IoT设备从电视塔广播的RF信号或无线路由器生成的WiFi信号收集能源，并且通过改变天线的阻抗来调制反射的RF信号，但会影响RF反向散射反射的信号的质量。由于RF反向散射信号的全向传播，特别是当loT数量很大时，RF反向散射和来自用户设备的上行链路数据业务之间的干扰将是不可避免的并且具有破坏性，且在距离有限的无线传输（2-5米）中至少需要一个接入点，从而增加了基础设施的建设成本。解决该问题的其中一个方案是在最大的无线通信范围中放置诸如移动电话的读取器，其在接入点和IoT设备之间实现信号中继功能。然而，读取器的额外流量与移动流量相竞争进一步加剧“频谱紧缩”问题，使用手机作为读取器也会导致隐私泄露问题。RF反向散射的另一个限制是，我们可能无法在有限的RF环境中使用它。VLC反向散射是从现有的室内照明基础设施中获取能量，对反射光束进行调制。图2为VLC反向散射系统结构图，利用太阳能电池来收集能源，通过打开或关闭液晶显示器（LCD）快门对来自反射器的反射光信号进行调制，因为每当需要通信同时大多数时间也需要照明。最近，来自新泽西理工学院电气与计算机工程系的研究人员，提出了一种新的像素化VLC反向散射系统方案。如图3所示，在该方案中采用多个较小的反射器和LCD快门来形成多个像素点，每个像素可以独立地打开或关闭以产生多电平信号，对于相同尺寸的单个像素，像素化反向散射通过减小每个像素的尺寸来可以形成更多的像素点。这是首次在IoT中使用多电平（PAM）和多载波（OFDM）光学反向散射调制方案。实验结果表明，在受到现有LCD响应时间高度限制的情况下，像素化VLC反向散射能够实现600 bps的吞吐量，其无线传输距离为2米。

 图2 VLC反向散射系统结构图

[b]图3 像素化VLC反向散射系统方案图

    频谱效率和功率效率是光通信系统中两个重要的性能指标,采用光多路复用技术和多阶调制格式可以获得高频谱效率和较高的比特率。多进制脉冲位置调制（mPPM）是一种高功率效率调制格式，它能够提供很高的灵敏度，但频谱效率比正交频移键控（QPSK）要低，有研究提出将mPPM和偏分复用QPSK(PDM-QPSK)、偏振转化QPSK（PS-QPSK）联合使用，其频谱效率仍然低于QPSK。来自北京邮电大学重点实验室的研究人员，提出了一种基于奈奎斯特整形mPPM-QPSK的有效调制方案。奈奎斯特整形mPPM-LQAM调制格式的生成与传统的mPPM-LQAM相类似，图4为系统方案图。在发射端，外腔激光器产生的连续波激光输入至调制器，驱动调制器的数据速率为10Gbit/s；在接收端，数字相干接收器由本地光振荡器 (OLO）、光混合器、两对平衡检测器和实时采样滤波器组成。受掺饵光纤（EDFA）带来的噪声和硬件影响，在误码率为10-3时，4PPM-QPSK，2PPM-QPSK和QPSK的接收灵敏度分别为3.7 dB, 4.1 dB 和4.0 dB，均偏离于理论值，但奈奎斯特整形-4PPM-QPSK和奈奎斯特整形-2PPM-QPSK的灵敏度都比4PPM-QPSK和2PPM-QPSK大了1.0dB。实验结果表明，奈奎斯特-mPPM-QPSK具有传统mPPM-QPSK两倍的频谱效率，比QPSK具有更好的功率效率，奈奎斯特-4PPM-QPSK在误码率为10-3时的接收功率为 -49.8 dBm，功率效率较QPSK提高了1.6 dB。

 图4 系统方案图(a发射端，b接收端) 
采用直接调制激光器（DML）来实现 100Gb/s 四进制脉幅调制（PAM-4）、离散多音（DMT）,正交四进制脉幅调制离散多音（PAM-4DMT）和多阶无载波幅度相位调制信号研究已经被报道过，由于DML激光器的调制动态特性，在高速短距离传输系统中容易出现非线性失真。最近，来自加拿大皇后大学的研究人员，提出了一种使用十六进制正交幅度调制（16QAM）半占空比奈奎斯特副载波调制（SCM）格式的系统方案，该系统采用了波长为1310nm的分布式反馈激光器，并实现了速率为112 Gb/s的短距离传输方案。由于在信号处理过程中不需要进行傅里叶变换操作，所以该方案能在相对较低复杂度的情况下获得良好的功率效率。图5为实验方案图，在发射端，基带信号采样后经过平方根升余弦脉冲成型滤波器，为了使频谱效率最大化，该滤波器滚降系数设置为0，然后基带信号再经上转化到14GHz的载波上，以16/7的采样率再采样来生成112Gb/s 16QAM半占空比奈奎斯特副载波调制驱动信号；在接收端，对16QAM奈奎斯特副载波调制信号归一化后送入匹配滤波器，再使用沃尔泰拉非线性均衡器（VNLE）进行均衡，在训练相位中使用递归最小二乘法获得关键系数，由于激光器引入的非线性失真是确定的，所以系数也需要被确定下来。实验结果表明，采用VNLE后，在接收光功率为-5.25 dBm时，背靠背和经20km标准单模光纤（SSMF）传输系统可以达到预前向纠错码误码率（4.6x10-3）。

 图5 112Gb/s 半占空比奈奎斯特副载波调制（SCM）信号的传输实验方案图
2. 光信号处理
    随着扩展网络容量需求的日益增长，光通信系统中的前向纠错编码（FEC）技术的性能已经得到大大改善。自从20世纪90年代初开始采用FEC技术以来，已经开发了多种不同类型的纠错码。例如1993年报道的Reed-Solomon（RS）码，它可以实现5.8dB的净编码增益（NCG），利用交织和迭代解码技术,将级联RS码和BCH码联合在一起,可以实现10.1dB的NCG;2000年初报道的分块turbo码,采用软判决解码技术,可以实现7-9dB或甚至更高的NCG。当前近十年中，具有高性能的低密度奇偶校验码可以实现12dB的NCG，几乎接近香农极限。在另一方面，全光FEC技术已经被认为是对时变噪声进行有效补偿的很有希望的方法之一。由于光链路特性的瞬态变化会恶化光节点中的信噪比，从而降低了光放大器的工作性能或自适应频谱分配引起瞬时串扰问题。最近，来自东京工业大学未来科学技术跨学科研究实验室的研究人员，提出了一种采用单信号源的卷积码的全光FEC技术对时变噪声进行补偿的方案，该方案中使用了可以产生高NCG的最大似然序列估计方法，方案图如图6所示，在噪声区域之前的光节点中实施FEC编码可以提高传输信号的噪声容限，而且与电FEC编码相反，它还可以避免光-电-光的转换或解调/编码调制处理。实验结果表明，对可调波长进行优化编码之后，在误码率不小于10¬-8和等于10-9的情况下可以分别实现4dB和3.5dB的NCG。
 
 图6 全光FEC编码补偿时变噪声的方案图
3. 光网络及其子系统
    高数据速率服务（如物联网和移动互联网）的快速增长可能需要具有高数据速率和高蜂窝密度的新技术和网络架构才能满足未来终端用户和手机网络的高带宽需求 。光纤无线通信（RoF）是一种非常有前途的技术，可以满足上述要求以及扩展网络的覆盖范围。 此外，具有高频谱效率（SE）和抗符号间干扰（ISI）的正交频分复用（OFDM）技术已被广泛应用于有线和无线通信系统中。近年来，在高速光纤传输系统中引入OFDM和对离线和实时数字信号处（DSP）受到了广泛的研究。基于OFDM的RoF系统具有显著的优点，如单端连接模式，对光纤色散的鲁棒性和简单的单抽头信道均衡，可以应用于未来千兆宽带接入网络。不过，有关OFDM信号在RoF链路上实时传输的报道比较少，所以使用现场可编程门阵列（FPGAs）或专用集成芯片（ASICs）进一步验证DSP算法在实时环境中实现的可行性是非常有意义的。最近，已有研究报道了基于FPGA的零中频（零）实时X波段（8-12 GHz）的OFDM信号传输超过1.5米的无线和2.26 km单模光纤（SMF）ROF有线链路，在快速傅立叶反变换（IFFT）过程中，利用厄密对称输入矢量生成实值基带OFDM信号，其通过使用RF混频器直接上变频到射频（RF）信号。与非零中频接收机相比，这种零中频OFDM-RoF系统具有数字基带收发机的功能。然而，它对接收机接收到RF-OFDM信号的RF载波和本地振荡器之间的残余载波频率偏移、相移非常敏感。因此，对于发射机和接收机物理分离的异步OFDM-RoF系统，应该实现精确的载波恢复和相位对准。否则，将导致下变频信号的幅度波动。在实际应用中，对这种OFDM-RoF系统挑战的是能否进行载波恢复。除了包络检测法外，外差检测是处理上述问题的替代方法。在外差接收机中，载波频率偏移引起的公共相位误差（CPE）和相移都可以被认为是信道相位响应的一部分，可以通过先进的DSP技术进行精确估计和补偿。最近，来自湖南师范大学的研究人员提出了采用基于FPGA的实时RS编码IF-OFDM收发器的RoF系统方案，并成功实现了2.26公里光纤和10米无线链路的实时传输，且误码率低于10-9。在该方案中，应用与多符号交织/去交织（IL / De-IL）技术相组合的RS码，可以增强实时OFDM-RoF的比特错误率，同时降低了定时同步实现的复杂性，图7为基于FPGA的实时IF-OFDM系统结构图。
 
 图7 基于FPGA的实时IF-OFDM结构图（a）发射机（b）接收机的架构
    由交互式服务产生导致数据业务的迅速增加要求下一代5G移动数据网络必须具备大带宽和高数据速率。对于未来的无线接入网已经提出的多种技术中包括多入多出技术（MIMO）和载波聚合（CA）技术，这些技术对于单个小区站点需要多个无线载波。 因此，如果我们继续使用公共无线电接口（CPRI，40-Gbps用于32个LTE载波），则在移动前传（MFH）中需要高数据速率链路，这大大增加了部署成本。 相反，如果使用多中频（IF）光纤结构，如图8所示，多个无线载波在不同的IF中复用并且被传送到远程无线电头端（RRH），所有无线载波在集中式基带单元（BBU）中被处理和完全调制。在RRH中，不需要更复杂的CPRI前端和高速光学器件，只需要使用模拟或数字元件的简单频率转换功能。 通过这种有效的MFH可以降低带宽需求，提高系统的兼容性能。使用简化的RRH，功耗和成本也得到进一步降低，有利于创建更环保的网络。在LTE-A下行链路中使用OFDM调制虽然具有更高的频谱效率，但对光学信道质量的要求也更高，特别是非常高的线性要求。 高峰均比（PAPR）是OFDM的一个缺点，如果在MFH中的IF处聚合多个OFDM流，它不仅会降低数模转化器的信号量化噪声比（SQNR），同时降低了发射机的功率效率。在已经报道过的几种降低PAPR的方案中，包括具有或不具有边信息的限幅，编码，失真方案，不过这些方案引入了难以恢复的附加噪声或失真，并且需要对接收机进行一些修改，并不能完全实现性能的提升。最近，来自美国佐治亚理工学院的研究人员，提出了一种新型的在无线子带中应用预失真降低PAPR的方案。通过在无线帧上进行相位预失真，对不同子带的峰值样本进行移位，并减少多IF-OFDM流的整体PAPR，并使用二叉搜索树产生小的额外延迟，可以使用现有的信道估计和均衡技术在无线设备中完全恢复那些预失真流。实验结果表明，在1％互补累积分布函数（CCDF）峰值处将5G MFH信号的PAPR降低了2.2dB。

 图8 光谱高效移动前端和回程体系结构图
    目前光接入网主要采用速率为10Gb/s单波长时分复用无源光网络（TDM-PON）技术,国际电信联盟通信标准化组（ITU-T）已经采用时分波分复用(TWDM)-PON作为下一代无源光网络2(NG-PON2)中重要技术，该PON系统中每个波长速率均为10Gb/s，提高了信道的总容量。有研究表明，利用外调制器如马赫增德尔和电吸收调制器来实现速率为25Gb/s数据的传输，由于这些外调制器引起的波形失真较轻微，电/光带宽比直接调制激光器(DML)的更宽，但在光接入网的运营中DML具有更好的经济效益。一般商业可用的DML电/光带宽被限制在15GHz,因此，多阶调制格式如双二进制和四进制脉冲幅度调制（PAM-4）能够适应于DML的电/光带宽。最近，来自韩国大田市韩科院的研究人员提出了一种在光接入网络中使用波长为1.55μm DML方案，在该方案中每波长速率为25Gb/s，图9为该实验方案图。在PON系统中需要有较大的功率储备以支撑多个光网络单元（ONU）正常运转，研究人员在没有使用光放大器和光设备进行色散补偿的情况下，为了最大化提高速率为28Gb/s的双二进制和PAM-4信号传输系统功率预算，DML偏置电流设置远远超过门限电流，以获得最优消光比（ER）。PAM-4信号在功率预算方面性能略微优于双二进制信号，但是利用双二进制方案的光发射器在成本上要低于PAM-4方案，因为PAM-4编码器一般需要一个数模转化器，而双二进制编码器则只利用了一个无源低通滤波器。实验结果表明，在经过40km远距离传输后，研究人员提出的系统可以提高10dB的功率预算。

 图9  基于DML的实验方案图
4. 无源光子器件
    低成本的光纤链路通常依赖于多模光纤，由于它简单和可靠的光耦合过程，是应用最多且最常用的传输信道。然而，多模光纤的色散特性较严重。粗波分复用（CWDM）传输多波长信号可以在不影响传输距离的情况下，通过增加单根光纤来提高通信带宽，波长间隔一般大于20nm。用于多波长信号复用/解复用的光学的子组件（OSA）是CWDM发射器和接收器的核心器件，它将离散发射机输出的光信号输入单根光纤，并将多路复用光信号分频到单独的光探测器中。这些通过级联光波长滤波器来实现，其CWDM收发器模块是滤波器中最昂贵的部件，另外，级联滤波器需要精确控制光对准操作，从而难以降低CWDM的成本。最近，来自韩国光州全南大学的研究人员，为短距离光学互连与CWDM的新颖设计复用/解复用提出了一个具有低成本的解决方案。在该方案中，使用简单的透镜光学器件来有效地耦合到发射器OSA的光纤中，并且用于从接收器OSA中的光纤分离多色光，构造CWDM发射机模块封装结构较小，从而降低了整体成本，图10为方案结构图。实验结果表明，6Gbps数据经过100m多模光纤传输后，观察到眼图没有发生明显劣化，且误码率低于10-12。
 
 图10 方案结构图：（a）四通道CWDM发射机的示意图，（b）四通道CWDM接收机的示意图