2019年6月JLT光通信論文評析
發(fā)布時間：2019-07-17 09:58:33 熱度：2502
光纖在線特邀編輯：邵宇豐，龍穎，胡欽政
2019年6月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纖傳感技術，光測量技術，光載無線通信技術和無源光網(wǎng)絡等。筆者將逐一評析。
1. 光纖傳感技術
武漢理工大學的Ciming Zhou等科研人員設計了一種基于超弱光纖布拉格光柵（FBG）的光纖水聲傳感器陣列算法，該算法采用了改進型自參考信號相位生成載波（PGC）的解調方式。自參考信號可從隔離聲信號和其它感測環(huán)境干擾的傳感器中獲得。相比較傳統(tǒng)PGC方法，該解調方法使得非敏化裸光纖與水保持分離，最小可監(jiān)測的水聲壓力位值為2239μPa/√Hz?？蒲腥藛T還對該解調方法和傳統(tǒng)PGC算法的特性進行了分析和比較，研究結果表明，該解調方法不受調制深度和載波頻率漂移的影響。在相同載波頻率下，該解調方法可檢測的頻率范圍是PGC算法的5倍。由于高穩(wěn)定性和更寬的可檢測頻率范圍，該方法適用于寬帶信號的長期監(jiān)測[1]。
圖1 基于斐索干涉儀的水聲傳感器陣列
2. 光測量技術
上海交通大學的Zhaopeng Zhang等科研人員針對相位噪聲補償型光頻域反射儀（PNC-OFDR）設計了一種新型硬件自適應算法，并設計了一個可進行實時處理的硬件系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅保持了傳統(tǒng)PNC-OFDR的空間分辨率以及測量范圍，而且還提高了系統(tǒng)處理效率。在仿真實驗中，該算法在100km光纖鏈路上實現(xiàn)了7cm的空間分辨率，遠遠超出了激光相干長度；理論分析證明在“最差補償點”上的信噪比大約為40 dB；而在硬件系統(tǒng)中，在37.5km光纖鏈路上可實現(xiàn)7km的空間分辨率，其范圍主要受到系統(tǒng)中寄存器容量的影響?？蒲腥藛T設計的硬件系統(tǒng)具有實時處理能力，有望得到廣泛應用[2]。
圖2 相關實驗裝置
3. 光載無線通信技術
模擬光載無線通信系統(tǒng)可通過減少前端信號的數(shù)字化處理過程來減低系統(tǒng)開銷；但在經過強度調制/直接檢測（IM/DD）過程之后，系統(tǒng)的光譜效率和靈敏度擴展性會受到限制。因此，奧地利技術研究所的Bernhard Schrenk等科研人員設計了一種用于相干零差光載無線通信系統(tǒng)應用的新方案，該方案通過使用電信數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中的關鍵組件—外激光調制器（EML）降低了系統(tǒng)工作的復雜性。利用單片集成激光器全光學注入鎖定方案，EML的電吸收特性對零差接收方式的建立有幫助。利用現(xiàn)有的商用EML設備，可在27.5km范圍內1:128前端網(wǎng)絡中實現(xiàn)100MHz 64QAM-OFDM光載無線信號的傳輸，誤差矢量幅度值為4.6%。此外，科研人員還利用單個EML實現(xiàn)了全雙工模擬光載無線信號的傳輸。由于在具有相同EML的對稱上行鏈路中發(fā)送光載無線信號時，下行鏈路接收的誤差矢量幅度損失僅僅為0.7%，因此可以通過頻分雙工工作方式保留信號的有效傳輸[3]。
圖3 移動前傳工作模式尾端的信號鏈，（a）IM / DD工作模式的模擬RFoF，（b）相干檢測工作模式的數(shù)字IFoF，（c）基于EML的相干零差檢測工作模式的模擬RFoF
希臘雅典國立科技大學的Nikos Argyris等科研人員設計了一種符合5G網(wǎng)絡要求的光纖/無線模擬移動前傳鏈路。利用中頻光纖（IFoF）、功能強大的基帶單元以及具有商用60 GHz無線電設備的數(shù)字信號處理（DSP）單元提高了前傳容量?？蒲腥藛T還使用6波段子載波復用方案，在7km光纖鏈路和5m V波段鏈路上實現(xiàn)了24 Gbit/s信號傳輸（采用單載波16-QAM格式）。在上、下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸實驗中，成功在整個免許可V頻段內實現(xiàn)7.2 GHz全譜信號傳輸。此外，該系統(tǒng)還具有靈活的資源分配能力，可實現(xiàn)每個子載波上的多碼型調制，上下行鏈路傳輸容量可達到18Gbit/s（采用M-PSK和16-QAM調制）?？蒲腥藛T還利用外部調制激光器（EML）芯片替換獨立光調制器設計了一個IFoF發(fā)射器，可在7km光纖鏈路和5m無線信道上實現(xiàn)16Gbit/s信號的傳輸[5]。
圖4 使用V波段組件的IFoF / mmWave鏈路的實驗方案 （a）下行方向 （b）上行方向 （c）MZM的電光響應 （d）發(fā)射器（左）和接收器（右）中的DSP流程
4. 無源光網(wǎng)絡
為了支持5G移動通信服務，并滿足下一代住宅及商業(yè)用戶對通信服務帶寬和延遲的要求，韓國電子與電信研究所的KwangOk Kim等科研人員設計了一種時間控制-觸覺光學接入（TIC-TOC）的新技術來實現(xiàn)高速低延遲的無源光網(wǎng)絡配置。TIC-TOC技術通過使用信道指定和低延遲的動態(tài)帶寬分配（DBA）方案來支持帶寬密集型和低延遲性5G業(yè)務。實驗結果表明，采用四通道最高可實現(xiàn)100Gbit/s的傳輸速率；使用信道綁定技術可實現(xiàn)單個光分配網(wǎng)絡（ODN）中多光網(wǎng)絡單元（ONU）共存。科研人員還利用可編程邏輯陣列（FPGA）的光線路終端（OLT）和ONU原型使實時數(shù)據(jù)包傳輸速率提升至50Gbit/s，傳輸距離可達到20km（單模光纖）；采用信道指定技術后，傳輸容量最高可達到100Gbit/s。無論交通狀況如何，通過采用低延遲的分組調度（LOPS）方式，并采用基于時分復用PON（TDM-PON）的低延遲動態(tài)帶寬分配（DBA）方式，可使得信號接收延遲時間低于400μs[4]。
圖5 TDM / WDM混合PON的結構
參考文獻：
[1]. Ciming Zhou, Yandong Pang. “Demodulation of a Hydroacoustic Sensor Array of Fiber Interferometers Based on Ultra-weak Fiber Bragg Grating Reflectors Using a Self-referencing Signal”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 11, pp. 2568–2576, June 1,2019.
[2]. Zhaopeng Zhang, Xinyu Fan, “Phase-Noise-Compensated OFDR Realized Using Hardware-Adaptive Algorithm for Real-Time Processing”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 11, pp. 2641–2647, June 1,2019.
[3]. Bernhard Schrenk, “The EML as Analogue Radio Radio-overover-Fiber Transceiver – a Coherent Homodyne Approach”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 12, pp. 2866–2872, June 15,2019.
[4]. KwangOk, Kyeong-Hwan Doo, “High Speed and Low Latency Passive Optical Network for 5G Wireless Systems”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 12, pp. 2873–2882, June 15,2019.
[5]. Nikos Argyris, Giannis Giannoulis, “A 5G mmWave Fiber Fiber-Wireless IFoF Analog Mobile Fronthaul link with up to 24 Gb/s Multi-band Wireless Capacity”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 12, pp. 2883–2891, June 15,2019.
2019年6月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纖傳感技術，光測量技術，光載無線通信技術和無源光網(wǎng)絡等。筆者將逐一評析。
1. 光纖傳感技術
武漢理工大學的Ciming Zhou等科研人員設計了一種基于超弱光纖布拉格光柵（FBG）的光纖水聲傳感器陣列算法，該算法采用了改進型自參考信號相位生成載波（PGC）的解調方式。自參考信號可從隔離聲信號和其它感測環(huán)境干擾的傳感器中獲得。相比較傳統(tǒng)PGC方法，該解調方法使得非敏化裸光纖與水保持分離，最小可監(jiān)測的水聲壓力位值為2239μPa/√Hz?？蒲腥藛T還對該解調方法和傳統(tǒng)PGC算法的特性進行了分析和比較，研究結果表明，該解調方法不受調制深度和載波頻率漂移的影響。在相同載波頻率下，該解調方法可檢測的頻率范圍是PGC算法的5倍。由于高穩(wěn)定性和更寬的可檢測頻率范圍，該方法適用于寬帶信號的長期監(jiān)測[1]。
圖1 基于斐索干涉儀的水聲傳感器陣列
2. 光測量技術
上海交通大學的Zhaopeng Zhang等科研人員針對相位噪聲補償型光頻域反射儀（PNC-OFDR）設計了一種新型硬件自適應算法，并設計了一個可進行實時處理的硬件系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅保持了傳統(tǒng)PNC-OFDR的空間分辨率以及測量范圍，而且還提高了系統(tǒng)處理效率。在仿真實驗中，該算法在100km光纖鏈路上實現(xiàn)了7cm的空間分辨率，遠遠超出了激光相干長度；理論分析證明在“最差補償點”上的信噪比大約為40 dB；而在硬件系統(tǒng)中，在37.5km光纖鏈路上可實現(xiàn)7km的空間分辨率，其范圍主要受到系統(tǒng)中寄存器容量的影響?？蒲腥藛T設計的硬件系統(tǒng)具有實時處理能力，有望得到廣泛應用[2]。
圖2 相關實驗裝置
3. 光載無線通信技術
模擬光載無線通信系統(tǒng)可通過減少前端信號的數(shù)字化處理過程來減低系統(tǒng)開銷；但在經過強度調制/直接檢測（IM/DD）過程之后，系統(tǒng)的光譜效率和靈敏度擴展性會受到限制。因此，奧地利技術研究所的Bernhard Schrenk等科研人員設計了一種用于相干零差光載無線通信系統(tǒng)應用的新方案，該方案通過使用電信數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中的關鍵組件—外激光調制器（EML）降低了系統(tǒng)工作的復雜性。利用單片集成激光器全光學注入鎖定方案，EML的電吸收特性對零差接收方式的建立有幫助。利用現(xiàn)有的商用EML設備，可在27.5km范圍內1:128前端網(wǎng)絡中實現(xiàn)100MHz 64QAM-OFDM光載無線信號的傳輸，誤差矢量幅度值為4.6%。此外，科研人員還利用單個EML實現(xiàn)了全雙工模擬光載無線信號的傳輸。由于在具有相同EML的對稱上行鏈路中發(fā)送光載無線信號時，下行鏈路接收的誤差矢量幅度損失僅僅為0.7%，因此可以通過頻分雙工工作方式保留信號的有效傳輸[3]。
圖3 移動前傳工作模式尾端的信號鏈，（a）IM / DD工作模式的模擬RFoF，（b）相干檢測工作模式的數(shù)字IFoF，（c）基于EML的相干零差檢測工作模式的模擬RFoF
希臘雅典國立科技大學的Nikos Argyris等科研人員設計了一種符合5G網(wǎng)絡要求的光纖/無線模擬移動前傳鏈路。利用中頻光纖（IFoF）、功能強大的基帶單元以及具有商用60 GHz無線電設備的數(shù)字信號處理（DSP）單元提高了前傳容量?？蒲腥藛T還使用6波段子載波復用方案，在7km光纖鏈路和5m V波段鏈路上實現(xiàn)了24 Gbit/s信號傳輸（采用單載波16-QAM格式）。在上、下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸實驗中，成功在整個免許可V頻段內實現(xiàn)7.2 GHz全譜信號傳輸。此外，該系統(tǒng)還具有靈活的資源分配能力，可實現(xiàn)每個子載波上的多碼型調制，上下行鏈路傳輸容量可達到18Gbit/s（采用M-PSK和16-QAM調制）?？蒲腥藛T還利用外部調制激光器（EML）芯片替換獨立光調制器設計了一個IFoF發(fā)射器，可在7km光纖鏈路和5m無線信道上實現(xiàn)16Gbit/s信號的傳輸[5]。
圖4 使用V波段組件的IFoF / mmWave鏈路的實驗方案 （a）下行方向 （b）上行方向 （c）MZM的電光響應 （d）發(fā)射器（左）和接收器（右）中的DSP流程
4. 無源光網(wǎng)絡
為了支持5G移動通信服務，并滿足下一代住宅及商業(yè)用戶對通信服務帶寬和延遲的要求，韓國電子與電信研究所的KwangOk Kim等科研人員設計了一種時間控制-觸覺光學接入（TIC-TOC）的新技術來實現(xiàn)高速低延遲的無源光網(wǎng)絡配置。TIC-TOC技術通過使用信道指定和低延遲的動態(tài)帶寬分配（DBA）方案來支持帶寬密集型和低延遲性5G業(yè)務。實驗結果表明，采用四通道最高可實現(xiàn)100Gbit/s的傳輸速率；使用信道綁定技術可實現(xiàn)單個光分配網(wǎng)絡（ODN）中多光網(wǎng)絡單元（ONU）共存。科研人員還利用可編程邏輯陣列（FPGA）的光線路終端（OLT）和ONU原型使實時數(shù)據(jù)包傳輸速率提升至50Gbit/s，傳輸距離可達到20km（單模光纖）；采用信道指定技術后，傳輸容量最高可達到100Gbit/s。無論交通狀況如何，通過采用低延遲的分組調度（LOPS）方式，并采用基于時分復用PON（TDM-PON）的低延遲動態(tài)帶寬分配（DBA）方式，可使得信號接收延遲時間低于400μs[4]。
圖5 TDM / WDM混合PON的結構
參考文獻：
[1]. Ciming Zhou, Yandong Pang. “Demodulation of a Hydroacoustic Sensor Array of Fiber Interferometers Based on Ultra-weak Fiber Bragg Grating Reflectors Using a Self-referencing Signal”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 11, pp. 2568–2576, June 1,2019.
[2]. Zhaopeng Zhang, Xinyu Fan, “Phase-Noise-Compensated OFDR Realized Using Hardware-Adaptive Algorithm for Real-Time Processing”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 11, pp. 2641–2647, June 1,2019.
[3]. Bernhard Schrenk, “The EML as Analogue Radio Radio-overover-Fiber Transceiver – a Coherent Homodyne Approach”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 12, pp. 2866–2872, June 15,2019.
[4]. KwangOk, Kyeong-Hwan Doo, “High Speed and Low Latency Passive Optical Network for 5G Wireless Systems”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 12, pp. 2873–2882, June 15,2019.
[5]. Nikos Argyris, Giannis Giannoulis, “A 5G mmWave Fiber Fiber-Wireless IFoF Analog Mobile Fronthaul link with up to 24 Gb/s Multi-band Wireless Capacity”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 12, pp. 2883–2891, June 15,2019.
