2017 年4月JLT光通信论文评析

光纤在线特邀编辑：邵宇丰 周越  周俊毅 马文哲
    2017年4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
    来自意大利国家工业技术中心的科研人员指出，可以采用路径计算元素（PCE）的架构来完成网络协议（TE）的解决方案。 他们将路径计算元素（PCE）间通信与网络协议（TE）的信息导出机制结合起来，如链路状态扩展的BGP协议（BGP-LS），可在具有不同层、域和技术的异构网络场景中实现网络协议（TE）。例如基于IP/MPLS 的弹性光网络（EON）等多层网络是这种场景的典型例子。然而，为了保持可扩展性，特别是在考虑了集中式实体（如路径计算元素和控制器）的情况下，这些目前采用的出口机制被设计用于有限的交换信息。此外，一些信息（例如，路由器接口和收发器卡关联）在控制平面级别并不总是可用。因此，迄今为止，科研人员已经遍历有限部署的层间网络协议（TE）程序。在这项研究中，他们提出了一种新的网络元素，称为开放网络数据库。利用这种数据库平台的最新技术，可以同时确保高可扩展性和可靠性的性能，通过一系列特殊查询运行的重新优化了专用控制和管理应用程序，而不依赖于复杂的控制基础架构，或者不会使编排器过载，从而简化了网络应用程序的实现并实现了高级的网络协议（TE）。科研人员还提出和实施了一种基于互连网络协议（TE）的网络数据库，使专用的应用程序能够执行复杂的多域/层操作。该数据库成功地用于多层网络中，并能有效地、可扩展性地进行网络应用的维护。

图1. 基于多层次NetAPP管理架构的网络数据库系统图
    来自日本三菱电机株式会社信息技术研发中心通信系统组的科研人员，首次提出了一种基于100 Gb / s /λ的相干波分复用无源光网络（WDM-PON）的系统原型，并研究了一种实时100 Gb / s相干收发器。由于采用了简化的数字信号处理（DSP ）技术和一种新型具有自动增益控制铒掺杂光纤放大器（AGC-EDFA）的前置放大器，且具有用于上行的自发发射补偿功能（ACF），能在接收信号功率非常低的时候能提高相干检测的最小接收灵敏度。由于采用了科研人员提出的技术，首次实现了支持8个光网络单元（ONU）分段传输80 km的通信过程，其上行信号接收灵敏度同时提高到-38.1dBm。此外，科研人员还研究了对于即将到来的5G移动前距离（MFH）网络应用，100 Gb/s /λ的相干波分复用无源光网络（WDM-PON）系统将具有很大的应用前景，他们还进一步探讨了在100 Gb / s /λ基于相干波分复用无源光网络（WDM-PON）系统中，将一个128 kb / s的辅助管理和控制信道（AMCC）叠加在100 Gb / s的偏振正交相移键控（DP-QPSK）信号上。通过将辅助管理和控制信道（AMCC）信号的调制指数设置在5％到40％之间并引入了AMCC信号，他们还成功地实现了100 Gb / s 的偏振正交相移键控（DP-QPSK）信号传输，其功率损耗只有0.2 dB。

图2. 100Gb/s/λ相干WDM-PON系统的实验设置图
    来自意大利布鲁诺凯斯勒基金会研究中心网的科研人员指出，随着空分复用（SDM）技术的不断发展，应用该技术的光网络部署也得到发展，能够在预期容量增益和由此导致的成本增长之间的取得良好的平衡。为了保持空分复用（SDM）的低成本优势，他们已经提出了几种集成设备来实现传输与接收、放大与切换的功能。然而，在之前其他科研人员研究中很少有研究成果来描述这种网络模型，并在实际应用中进行管理和控制，特别是对于那些能够共同切换多个空间尺寸的设备。为此，科研人员设计出了YAMATO，这是首个用于处理任何类型的空分复用（SDM）光纤和切换范例的控制平台。他们还提出了一种能够描述任何空分复用（SDM）链路和节点的网络模型，并演示了基于OpenDaylight框架的网络控制器的设计和功能。此外，科研人员通过将空分复用（SDM）与标准光网络比较后，发现的其光学恢复方案会具有的额外复杂度。最后，他们测试了所提出的系统，并统计了实验实现过程的一些性能指标。
来自日本NTT接入网络服务系统实验室的科研人员，研究了一种实时突发模式的相干接收机（BMCR），能够实现将来的无源光纤网络（PON）应用的宽动态范围接收，其实现关键在于两个突发模式分量：用于光功率均衡的自动增益控制半导体光放大器（AGC-SOA）和具有帧检测（FD）功能的实时数字信号处理器（DSP）。AGC-SOA可以减少用于基于DSP的信号解调的模数转换（ADC）中的量化误差的影响，大大提高了接收机动态范围，同时FD的功能可以逐帧优化并检测突发帧到达 DSP中的自适应滤波器的抽头权重。实验证明了具有22dB宽动态范围的20Gb / s单极化正交相移键控（QPSK）突发信号的成功实时收发过程。科研人员还提出了基于数字信号处理器（DSP）的相干无源光纤网络（PON）系统的新配置，使用分配给新系统的实时突发模式的相干接收机（BMCR）和波长方案，以实现现有无源光纤网络（PON）的平滑迁移。
    来自布里斯托大学电子工程学院、布里斯托大学工学部的科研人员指出，量子密钥分配（QKD）是通过交换单个光子来产生加密密钥的新方法。由于光子的测量过程受到量子力学定律的限制，且测量过程的关键在于它们的安全性。常规公钥加密技术依赖于数学计算的过程，且使用当今技术无法有效解决，并容易受到计算机网络黑客的攻击。相比之下，量子密钥分配（QKD）会生成真正的随机密钥，能防止计算网络黑客的侵入。另一方面，网络演进正向软件化过程迈进，其主要目的是降低部署和网络维护中的成本。这个过程取代了传统的网络功能（甚至全网络实例），在网络设备中进行定位的软件分布在商品数据中心。在这种情况下，网络功能虚拟化（NFV）作为一种新概念，目前在专有的硬件设备的操作和运行软件实例中进行解耦。然而，网络功能虚拟化（NFV）的安全性仍然需要在现实世界的部署之前解决。特别是，虚拟网络功能（VNF）跨数据中心的分布成为了网络运营商的风险，因为窃听者不仅可能危及虚拟化服务，还可能危及整个基础架构。科研人员首次提出了虚拟网络功能（VNF）分发的安全架构解决方案，该方案通过使用软件定义网络（SDN）调度的光网络，结合虚拟网络功能（VNF）业务流程和量子密钥分配（QKD）技术实现。

图3. 点对点的分布式NFV-MANO整合结构和量子密钥分配系统图

无源和有源光子器件
    来自澳大利亚莫纳什大学电气与计算机系统工程系的科研人员指出，对于基于多输入多输出（MIMO）强度调制直接检测（IM / DD）的可见光通信（VLC）而言，采用孔径接收机是一种新颖的接收方式。这种接收器采用了紧凑的平面结构，提供了广阔的视场和优异的角度分集，因此可以适用于诸如智能电话等手持设备的集成。结果表明，在典型的情况下，在传统的接收机空间分集的基础上以实现类似的性能的光电二极管，分开的传输距离必须大于30厘米。科研人员对于孔径接收机的性能进行深入分析，根据发射机的传输模式、接收元件（RE）的设计、发射机和接收机的相对位置，导出了用于光发射机和每个接收元件（RE）之间信道增益的表达式。研究结果证明，一个由多个接收元件（RE）组成的接收器可以分离从不同的方向传来的信号，这些信号同时还具有低的多流干扰和相关的多输入多输出（MIMO）信道的矩阵特性。科研人员对于典型的室内可见光通信（VLC）场景进行了模拟，其中发光二极管（LED）采用非对称限幅光学正交频分复用（ACO-OFDM）的调制方式来传输信号。他们在视距（LOS）和视距（LOS）漫反射条件下，对于使用线性和非线性均衡器的接收机都测试了结果，表明漫反射分量会出略微提高误码率（BER），同时他们发现误码率（BER）也取决于接收机的位置。 当使用零强制（ZF）线性接收机时，误码率（BER）会受到最大衰减信号的影响，因此在房间角落处会造成传输性能的下降。

图4. 一种典型室内多输入多输出VLC通信系统的结构图

光传输
    来自北京富士通研发中心、日本川崎富士通实验室的科研人员指出，为了将具有更高频谱效率的密集波分复用（DWDM）信道进行分组，进而能精确监测和控制相邻信道之间的信道间隔是十分必要的。因此在研究中，科研人员提出了一种基于设计的周期性训练序列，准确可靠的信道间隔监控方案。在相干接收机中，他们采用了数字信号处理（DSP）技术来估计两个相邻信道的载波频率，然后计算信道间隔。由于训练序列特殊的周期性结构，使得科研人员可以进行多周期自相关的处理，从而减少噪声的影响。他们在4×32GBaud的奈奎斯特双极化（DP）16QAM系统中证明了提出的方案，同时验证了通过执行多周期自相关可以提高信道间隔的估计精度。
    来自香港中文大学信息工程系和苏州大学电子信息学院的科研人员，提出并研究了弹性光网络（EON）中全光多播路由、调制级和频谱分配（AOM-RMSA）的子树方案。他们假设所有节点都具有多播能力，并且在静态和动态流量场景下，针对全光多播路由、调制级和频谱分配（AOM-RMSA）问题，通过单光模式研究子树方案。在静态情况下，科研人员制定了一个整数线性规划（ILP）模型来获得最优解。然后，他们提出了基于两种时间效率的启发式算法，根据从源到两个不同目的地的路径之间的链路共享比来构造子树。所提出的新方案与传统方案相比，有效地降低了光网络的阻塞概率。
    来自阿布杜拉国王科技大学电气与数学科学与工程系的科研人员，研究了在多用户（MU）混合射频/自由空间光（RF/FSO）中继网络中射频（RF）导致的同频干扰（CCI）对用户调度性能的影响。所考虑的系统包括多个用户、一个解码和转发（DF）中继、一个目的地和窃听者。在分析中，混合射频/自由空间光（RF/FSO）频道分别遵循Nakagami-m / Gamma-Gamma衰落模型，分别与自由空间光（FSO）链路上的指向误差对应，然后他们导出了系统中断概率的精确闭合表达式。然后，在高信噪比加噪声比（SINR）方面获得了中断概率的渐近表达式，以获得系统性能的更多指标。此外，得到的结果用于计算不同湍流条件下的最佳发射功率。科研人员在授权中继和窃听者的同频干扰（CCI）存在下研究了保密性能，使用协作干扰（CJ）模型来增强物理层（PHY）安全性能，其中为拦截概率导出了封闭形式的表达式。他们还研究了另一个功率分配优化问题，以找到最佳的传输性能和干扰功率，最后得到的数值结果也验证了派生分析公式。

光调制与光信号处理
    来自日本NTT网络创新实验室、神奈川电话公司的科研人员，提出了的一种8维（8D）正交幅度调制（QAM）格式，并实验证明了高波特率下的传输性能。高波特率和多电平调制技术对于大容量长距离传输是必需的，却不需要增加转发器的数量。然而由于欧几里德距离较短，高阶调制的光信噪比（OSNR）容差较低。因此，通过扩大最小欧几里德距离来放宽光信噪比（OSNR）的容差，科研人员提出了8维-正交幅度调制（8D-QAM）调制格式。他们提出的各类8维-正交幅度调制（8D-16QAM，8D-32QAM和8D-64QAM）的频谱效率分别等价于各类偏振分复用-正交幅度调制（PDM-8QAM，PDM-16QAM和PDM-32QAM）。为了确认所提出的8D调制对高波特率传输的适用性，科研人员通过迭代软输出解码的实验实现了96-GBaud 8D-16QAM的波分复用（WDM）系统传输5252 km的距离，线路数据速率为576-Gbps，净速率为478-Gbps。在相同的频谱效率下，与传统的PDM-8QAM相比，使用迭代软输出解码的8D-16QAM可以将传输距离增加1212km。
    来自清华大学电子工程系信息科学与技术国家重点实验室的科研人员，提出了一种自适应三维（3-D）优化，包括比特加载、功率加载和网格编码调制，用于在衰落信道中的光学直接检测正交频分复用（OFDM）。这种方法可以有效地改善电光元件，例如数模转换器（DAC）和模数转换器（ADC）等各种器件的带宽。他们进行实验了以验证这种3-D优化，并将其性能与2-D优化的性能进行比较，即仅对位加载和功率加载进行比较。 最终实验结果表明，与衰落信道中的2-D优化相比，3-D优化的接收机灵敏度可以在误码率（BER）为10-3的条件下提高2dB。通过采用简单的方案，科研人员提出了自适应实现最佳3-D优化，与在衰落信道中使用自适应2-D优化相比，数据速率提高了32％。通过自适应三维优化，还实现了在20公里标准单模光纤链路上成功发送了采用10 GHz马赫-曾德尔（MZ）强度调制器的16 GHz光正交频分复用（OOFDM）信号，马赫-曾德尔（MZ）的调制带宽调制器提高了60％，数据速率提高了40％。
    来自丹麦技术大学光子工程系、慕尼黑技术大学通信工程研究所的科研人员，在采用256QAM调制的波分复用（WDM）系统中，对非线性相位噪声（NLPN）展开了研究。在发射机的极窄线宽激光器（<1 kHz）和接收机中，他们提取了拉曼放大链路中非线性噪声的相位部分。在实验数据的基础上，科研人员测试了非线性相位噪声（NLPN）的自相关函数，发现结果与理论预测相符，他们还设计了几种候选算法来跟踪和补偿非线性相位噪声（NLPN）。实验结果表明，相较于仅使用相关属性的标准方法，使用基于非线性相位噪声（NLPN）的分布算法可以得到更高的增益。对于基准距离为1600公里的5x10 GBaud的波分复用（WDM）系统，使用该算法能使系统距离增长300公里。这些增益与单通道数字反向传播的增益相当，科研人员将在未来把这两种技术结合使用，并进一步提出更优的改进方法。

图5. 波分复用系统的实验装置图

光纤技术
    来自德国慕尼黑工业大学通信工程、诺基亚-贝尔实验室的科研人员，在德国电信测试网络中成功地测试了对于德国光纤通信环网，并研究了概率形状星座映射调制的适用性。在该环网中，他们通过无源光分插复用器实现了八个德国城市的添加/关闭节点，在扩展的C波段提供了12频带的400 GHz的宽带。采用多个级联的分插复用器来减少可用带宽，科研人员使用16QAM、36QAM和64QAM等调制格式以及可变的带宽，传输了速率为1Tbit / s的四载波超频道，其中扩展了一系列概率形星座的映射调制。他们在现场环境中通过两个示例验证了概率整形优于标准的64QAM和16QAM格式。同时实验还测试了两种典型的1Tbit / s工作频道，传输距离分别为419 km和951 km，频谱效率分别为6.75bit / s / Hz和5 bit / s / Hz。对于在200 GHz带宽中传输速率为1Tbit / s的概率形超级信道，传输的最大距离大约为1500公里；对于距离超过1500公里的保护路径，其频率效率必须降低，传输比特率为100 Gbit / s；对于测试网络中最长的双向路径（即2159 km的保护路径），最大传输比特率为800 Gbit / s。