2020年10月JLT光通信論文評析
發(fā)布時間：2020-11-17 12:48:45 熱度：2331
光纖在線特邀編輯：邵宇豐，王安蓉，胡欽政，王壯，楊杰，伊林芳，田青，楊琪銘，于妮
2020年10月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括可見光通信、無線水空光通信、光載毫米波通信、濾波器件、前傳系統(tǒng)等。筆者將逐一評析。
可見光通信
中山大學的Lei Zhao等研究人員設計了一種室內(nèi)多用戶（MU）多輸入多輸出（MIMO）可見光通信（VLC）系統(tǒng)，如圖1所示。研究人員利用發(fā)光二極管（LED-DR）的工作特性和塊對角化預編碼（BDP）技術，設計了一種加權調(diào)整（WA）的BDP方案，以提升數(shù)據(jù)傳輸性能。在LED陣列中，采用空間調(diào)光（SD）過程來滿足室內(nèi)場景均勻照明要求。研究表明，采用SD-WA-BDP方案的 MU-MIMO-VLC系統(tǒng)，可同時兼顧照明和通信過程。與傳統(tǒng)的直接調(diào)制 (DD) 光傳輸系統(tǒng)相比，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)均勻照明，且具有優(yōu)異的接收信號性能[1]。
圖1室內(nèi)MU-MIMO-VLC系統(tǒng)示意圖
無線水空光通信
香港大學的Yingjie Shao等研究人員設計了一種新型正交頻分復用（OFDM）無線光通信（OWC）系統(tǒng), 如圖2所示。研究人員對低復雜度接收機中數(shù)字信號處理（DSP）過程進行了研究，該方案采用幾何整形（GS）算法、時域預留子載波(TR)算法、限幅算法，實現(xiàn)高速實時水空（Water-Air）OWC鏈路。研究人員對時域TR降峰均比性能和其實現(xiàn)復雜度進行了研究，并設計了實時傳輸2.2 Gb / s信號的Water-Air-OWC系統(tǒng)方案。該方案對整形比和限幅比進行了優(yōu)化，通過高效DSP處理，在3.8×10^(-3)的誤碼率閾值下，實現(xiàn)了接收光功率的大幅增強。在3.6m水下和8m自由空間OWC信道上，研究人員成功實現(xiàn)了4路4K視頻時分復用信號的實時傳輸，結果驗證了該方案的可行性和有效性[2]。
圖2實時DSP處理過程和實驗配置方案
光載毫米波通信
意大利博洛尼亞大學的Eugenio Ruggeri等研究人員設計了一種多用戶光載毫米波（IFoF / mmWave）上行鏈路，如圖3所示。該上行鏈路由便攜式發(fā)射機，32單元相控陣天線（PPA）接收機（Rx）和10 km的單模光纖（SMF）組成。研究人員使用PAA Rx天線成功實現(xiàn)了0.6 Gb / s無線數(shù)據(jù)的單用戶上行鏈路傳輸；該天線具備2 GHz的3dB帶寬，并支持120°扇區(qū)內(nèi)對任意角度的波束控制能力，在使用頻分復用（FDM）或空分復用（SDM）的情況下還可提供相同聚合數(shù)據(jù)速率的3用戶上行鏈路通信。研究表明，相比正交相移鍵控（QPSK）調(diào)制方案，F(xiàn)DM和SDM方案能在3GPP KPI限值內(nèi)優(yōu)化矢量幅度誤差(EVM)性能[3]。
圖3系統(tǒng)框圖與實驗裝置
濾波器件
國立臺北科技大學的Run-Kai Shiu等研究人員設計了一種新型光梳器件，用于集中式可重構微波光子濾波器（MPF）的制備，如圖4所示。該光梳器件可提供多達103個具有可調(diào)波長間距和載流子數(shù)目的光載波，使得MPF能夠提供較大調(diào)諧范圍。該濾波器的頻率響應是波長間隔、光載波數(shù)和光纖長度的函數(shù)；調(diào)整上述三個參數(shù)，可以靈活地配置MPF的中心頻率和3dB帶寬。研究人員通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）模型進行訓練，訓練后的CNN能夠以較小誤差預測出波長間隔和光纖長度，證明了該模型應用的有效性[4]。
圖4（a）集中式可重構濾波器 (b)光學系統(tǒng)框圖
前傳系統(tǒng)
荷蘭埃因霍芬理工大學的Simon Rommel等研究人員設計了適用于5G通信的可擴展前傳系統(tǒng), 如圖5所示。該方案體現(xiàn)了模擬光纖無線電（ARoF）技術與空分復用技術以及收發(fā)光子集成電路技術的有效結合。研究人員在光子集成電路中分別使用InP和SiN來產(chǎn)生ARoF信號和形成光波束，并支持單個天線陣列進行多波束傳輸。研究人員測得了抑制載波Mach-Zehnder調(diào)制器和光學鎖相環(huán)產(chǎn)生ARoF相位噪聲的數(shù)值結果，并通過相位噪聲模擬評估了發(fā)射機適用性。研究結果表明，ARoF基帶單元鏈路支持實時處理帶寬為800 MHz的5G信號；在25.5GHz的10km 7芯單模光纖（MCF）和9m毫米波（mmWave）無線聯(lián)絡上進行傳輸后，接收信號誤碼率低于7%前向糾錯閾值，證明了上述方案用于傳輸寬帶毫米波信號的可行性[5]。
圖5前傳系統(tǒng)實驗裝置
參考文獻
[1] L. Zhao, K. Cai, and M. Jiang, “Multiuser Precoded MIMO Visible Light Communication Systems Enabling Spatial Dimming,”
J. Light. Technol., vol. 38, no. 20, pp. 5624–5634, 2020, doi: 10.1109/jlt.2020.3003857.
[2] R. W. O. System and W. L. T. Dsp, “Real-Time 2.2-Gb/s Water-Air OFDM-OWC System With Low-Complexity Transmitter-Side DSP,”
vol. 38, no. 20, pp. 5668–5675, 2020.
[3] E. Ruggeri et al., “Multi-User V-Band Uplink Using a Massive MIMO Antenna and a Fiber-Wireless IFoF Fronthaul for 5G mmWave
Small-Cells,” J. Light. Technol., vol. 38, no. 19, pp. 5368–5374, 2020, doi: 10.1109/JLT.2020.2984374.
[4] R. K. Shiu et al., “Performance Enhancement of Optical Comb Based Microwave Photonic Filter by Machine Learning Technique,”
J. Light. Technol., vol. 38, no. 19, pp. 5302–5310, 2020, doi: 10.1109/JLT.2020.2989210.
[5] S. Rommel et al., “Towards a Scaleable 5G Fronthaul: Analog Radio-over-Fiber and Space Division Multiplexing,” J. Light. Technol.,
vol. 38, no. 19, pp. 5412–5422, 2020, doi: 10.1109/JLT.2020.3004416.
2020年10月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括可見光通信、無線水空光通信、光載毫米波通信、濾波器件、前傳系統(tǒng)等。筆者將逐一評析。
可見光通信
中山大學的Lei Zhao等研究人員設計了一種室內(nèi)多用戶（MU）多輸入多輸出（MIMO）可見光通信（VLC）系統(tǒng)，如圖1所示。研究人員利用發(fā)光二極管（LED-DR）的工作特性和塊對角化預編碼（BDP）技術，設計了一種加權調(diào)整（WA）的BDP方案，以提升數(shù)據(jù)傳輸性能。在LED陣列中，采用空間調(diào)光（SD）過程來滿足室內(nèi)場景均勻照明要求。研究表明，采用SD-WA-BDP方案的 MU-MIMO-VLC系統(tǒng)，可同時兼顧照明和通信過程。與傳統(tǒng)的直接調(diào)制 (DD) 光傳輸系統(tǒng)相比，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)均勻照明，且具有優(yōu)異的接收信號性能[1]。
圖1室內(nèi)MU-MIMO-VLC系統(tǒng)示意圖
無線水空光通信
香港大學的Yingjie Shao等研究人員設計了一種新型正交頻分復用（OFDM）無線光通信（OWC）系統(tǒng), 如圖2所示。研究人員對低復雜度接收機中數(shù)字信號處理（DSP）過程進行了研究，該方案采用幾何整形（GS）算法、時域預留子載波(TR)算法、限幅算法，實現(xiàn)高速實時水空（Water-Air）OWC鏈路。研究人員對時域TR降峰均比性能和其實現(xiàn)復雜度進行了研究，并設計了實時傳輸2.2 Gb / s信號的Water-Air-OWC系統(tǒng)方案。該方案對整形比和限幅比進行了優(yōu)化，通過高效DSP處理，在3.8×10^(-3)的誤碼率閾值下，實現(xiàn)了接收光功率的大幅增強。在3.6m水下和8m自由空間OWC信道上，研究人員成功實現(xiàn)了4路4K視頻時分復用信號的實時傳輸，結果驗證了該方案的可行性和有效性[2]。
圖2實時DSP處理過程和實驗配置方案
光載毫米波通信
意大利博洛尼亞大學的Eugenio Ruggeri等研究人員設計了一種多用戶光載毫米波（IFoF / mmWave）上行鏈路，如圖3所示。該上行鏈路由便攜式發(fā)射機，32單元相控陣天線（PPA）接收機（Rx）和10 km的單模光纖（SMF）組成。研究人員使用PAA Rx天線成功實現(xiàn)了0.6 Gb / s無線數(shù)據(jù)的單用戶上行鏈路傳輸；該天線具備2 GHz的3dB帶寬，并支持120°扇區(qū)內(nèi)對任意角度的波束控制能力，在使用頻分復用（FDM）或空分復用（SDM）的情況下還可提供相同聚合數(shù)據(jù)速率的3用戶上行鏈路通信。研究表明，相比正交相移鍵控（QPSK）調(diào)制方案，F(xiàn)DM和SDM方案能在3GPP KPI限值內(nèi)優(yōu)化矢量幅度誤差(EVM)性能[3]。
圖3系統(tǒng)框圖與實驗裝置
濾波器件
國立臺北科技大學的Run-Kai Shiu等研究人員設計了一種新型光梳器件，用于集中式可重構微波光子濾波器（MPF）的制備，如圖4所示。該光梳器件可提供多達103個具有可調(diào)波長間距和載流子數(shù)目的光載波，使得MPF能夠提供較大調(diào)諧范圍。該濾波器的頻率響應是波長間隔、光載波數(shù)和光纖長度的函數(shù)；調(diào)整上述三個參數(shù)，可以靈活地配置MPF的中心頻率和3dB帶寬。研究人員通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）模型進行訓練，訓練后的CNN能夠以較小誤差預測出波長間隔和光纖長度，證明了該模型應用的有效性[4]。
圖4（a）集中式可重構濾波器 (b)光學系統(tǒng)框圖
前傳系統(tǒng)
荷蘭埃因霍芬理工大學的Simon Rommel等研究人員設計了適用于5G通信的可擴展前傳系統(tǒng), 如圖5所示。該方案體現(xiàn)了模擬光纖無線電（ARoF）技術與空分復用技術以及收發(fā)光子集成電路技術的有效結合。研究人員在光子集成電路中分別使用InP和SiN來產(chǎn)生ARoF信號和形成光波束，并支持單個天線陣列進行多波束傳輸。研究人員測得了抑制載波Mach-Zehnder調(diào)制器和光學鎖相環(huán)產(chǎn)生ARoF相位噪聲的數(shù)值結果，并通過相位噪聲模擬評估了發(fā)射機適用性。研究結果表明，ARoF基帶單元鏈路支持實時處理帶寬為800 MHz的5G信號；在25.5GHz的10km 7芯單模光纖（MCF）和9m毫米波（mmWave）無線聯(lián)絡上進行傳輸后，接收信號誤碼率低于7%前向糾錯閾值，證明了上述方案用于傳輸寬帶毫米波信號的可行性[5]。
圖5前傳系統(tǒng)實驗裝置
參考文獻
[1] L. Zhao, K. Cai, and M. Jiang, “Multiuser Precoded MIMO Visible Light Communication Systems Enabling Spatial Dimming,”
J. Light. Technol., vol. 38, no. 20, pp. 5624–5634, 2020, doi: 10.1109/jlt.2020.3003857.
[2] R. W. O. System and W. L. T. Dsp, “Real-Time 2.2-Gb/s Water-Air OFDM-OWC System With Low-Complexity Transmitter-Side DSP,”
vol. 38, no. 20, pp. 5668–5675, 2020.
[3] E. Ruggeri et al., “Multi-User V-Band Uplink Using a Massive MIMO Antenna and a Fiber-Wireless IFoF Fronthaul for 5G mmWave
Small-Cells,” J. Light. Technol., vol. 38, no. 19, pp. 5368–5374, 2020, doi: 10.1109/JLT.2020.2984374.
[4] R. K. Shiu et al., “Performance Enhancement of Optical Comb Based Microwave Photonic Filter by Machine Learning Technique,”
J. Light. Technol., vol. 38, no. 19, pp. 5302–5310, 2020, doi: 10.1109/JLT.2020.2989210.
[5] S. Rommel et al., “Towards a Scaleable 5G Fronthaul: Analog Radio-over-Fiber and Space Division Multiplexing,” J. Light. Technol.,
vol. 38, no. 19, pp. 5412–5422, 2020, doi: 10.1109/JLT.2020.3004416.
