2018年6月PTL光通信论文评析

8/6/2018，光纤在线特邀编辑：邵宇丰，赵云杰，龙颖

2018年6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，光网络及其子系统，激光器，光纤技术，光传输等，笔者将逐一评析。

1.调制技术

由于基于白光发光二极管（LED）可见光通信（VLC）是一种具有很多独特的优势（如低成本，带宽丰富，无电磁干扰）的新兴技术，因此成为下一代室内无线接入通信的候选技术。然而，VLC系统的一个关键缺陷是LED的调制带宽较小，从而导致VLC的数据传输速率受到限制。迄今为止，研究人员已提出各种技术来提高VLC系统的通信容量（如多输入多输（MIMO），正交幅度调制（QAM）的正交频率分频复用（OFDM），非正交多址（NOMA）等）。在实际的VLC系统中，通常是引入多个光单元（其中每个LED创建一个光学单元）并向多个用户提供服务，这种蜂窝VLC系统被称为多单元VLC系统。然而，相邻单元的照明区域不可避免地相互重叠，因此位于重叠区域内的用户将受到小区间干扰（ICI）的影响，导致多单元VLC系统的总体频谱效率的降低。我们知道，正交频分多址（OFDMA）技术已经被应用于多单元VLC系统中以提高频谱效率；不仅如此，研究人员将电域中的NOMA方案引入到多单元VLC系统，与OFDMA技术相比，上述方案可以大大提高频谱效率。虽然上述方案可以对典型VLC系统进行相当大的容量改进，且若干频谱也不会占用或仅部分占用，但其他一些用户需要更多的频谱资源来满足其对服务质量（QoS）的要求。由于频谱访问机制效率低下，在上述情况下，有效频谱利用率和VLC系统的整体频谱效率受到限制。为了提高频谱利用率，认知无线电（CR）技术已作为高速无线通讯的候选技术，其工作原理是通过应用两种传输模式即覆盖模式和底层模式，二级用户（SU）被允许与主用户（PU）共享频谱资源。在覆盖模式下，如果当时PU没有频段，SU可以访问PU的频段。而在底层模式中，在一定的干扰限制下，SU被允许与PU在相同频段内共存。

最近，研究人员对自由空间光通信（FSO）双跳CR的网络性能进行了测试；而且，他们基于认知VLC系统的用户位置来定义PUs和SUs，但上述技术仅仅使用了简单的等功率分配重叠模式，且ICI未被考虑在内。受CR概念的启发，研究人员为了改善整体频谱效率提出采用一种新的多单元认知VLC（C-VLC）下行链路系统，并基于不同用户的服务需求重新定义PU和SU；考虑满足到VLC系统的独特光学约束和最低速率要求的同时要保持PUs的性能低于给定阈值。在此基础上研究人员设计了一种基于多单元C-VLC系统的灵活混合底层/覆盖子信道和功率分配的方案。仿真研究结果表明，与非C-VLC系统、仅具有底层模式C-VLC系统和只有重叠模式的C-VLC系统相比，C-VLC混合系统实现了信号传输速率分别提高了29.2％，20.6％和9％。具有混合覆盖/底层模式的双单元C-VLC系统的配置框图如图1所示。
 

图1.具有混合覆盖/底层模式的双单元C-VLC系统的配置框图

2.光网络及其子系统

极坐标码作为一种新型纠错码其通信容量接近二进制输入离散无记忆信道（B-DMC）的香农极限。极坐标码生成设计不是基于最小汉明距离而是基于信息承载偏振信道的最小误码率进行的，因此极坐标码的构造不同于传统的线性分组码，B-DMC被分成无差错信道和竞争噪声信道以传递信息位和冻结比特位。相关参数与信道可靠性的测量误差概率上限有关，因此需基于参数进行信道选择。通过将二进制信号输入加性高斯白噪声信道( AWGN )对下述信道选择方法进行分析（如蒙特卡洛估计方法，密度演化（DE）方法，塔尔法和瓦迪法以及高斯近似（GA）法）后证明：蒙特卡罗和DE方法具有很高的计算复杂度，难以和计算精度实现权衡；塔尔法和瓦迪法是一种相对简化的量化方法，该方案复杂度较低但误码率较高；高斯法计算极坐标（与巴特夏里亚参数成比例）的对数似然概率（LLR）的平均值（类似基于低密度奇偶校验( LDPC )码的GA算法），与其他方法相比，在精度相同的条件下它具有最低的计算复杂度；逐次取消（SC）方法由于递归函数具有极低的复杂性被用作极性码的解码算法，但是其对信道偏振后的短至中等码长的解码效果并不理想；逐次取消列表（SCL）解码法从SC码的基础上发展而来，其解码性能得以提高；当循环冗余校验( CRC )与SCL组合时，可以得到比期望更好的性能，仿真结果显示SCL-CRC极坐标代码具有比LDPC码更好的解码性能。

可见光通信（VLC）是一种将照明设备与光无线通信技术结合在一起的新型技术。目前在世界各地广泛使用的发光二极管（LED）使得VLC在无线通信领域中的应用更为广泛。VLC中有许多常用的调制格式，如开关键控（OOK），可变脉冲位置调制（VPPM）和正交频分复用（OFDM）。其中，OOK是一种简单易用的调制方式，因为它可以很容易地通过开/关脉冲发送0、1码型。而且，为了保证DC平衡，在VLC中定义了三种运行长度限制( RLL )码，包括曼彻斯特代码，4B6B代码和8B10B代码。VLC系统中有一些应用难点，例如调光和干扰。研究人员提出了使用改进的里德-穆勒( RM )代码来实现调光控制的前向纠错码（FEC）编码方法，它可以为多个调光目标值提供的最小补偿符号（CS）；此外，改进的RM代码设计由弯曲函数构成且可提供调光控制。基于LDPC码设计的自适应FEC代码和极坐标码也用来调光，但RLL码可用于保持DC平衡和50％的调光。研究人员设计了比特级RLL解码的解码过程，该方案显示出比符号RLL解码和硬判决RLL解码更好的性能。但是关于消除干扰方法相关研究工作还是略显不足。研究人员讨论了高斯干扰和非高斯分布干扰，并且模拟了在不同干扰信道中的调制过程，尤其是针对不同类型OFDM信号的调制过程。同时研究人员也分析了视场（FOV）对干扰的影响主要来源于LED的位置，反射壁参数，位间隔等因素，符号间干扰（ISI）等。当相同的信号通过VLC系统中多径传输时将引起ISI。一般来说，缓解ISI的方法包括均衡技术和纠错码，而研究重点在于纠错码应用方面。研究人员采用极化代码模型并基于无记忆信道进行分析。极化是极性码中的主要步骤，它提出了带记忆的极化处理，并考虑了有限状态马尔可夫链下具有记忆的极性编码过程，因此在记忆信道中使用极坐标编码是可行的。研究人员设计了一种应用于VLC系统中新型极坐标码解码算法（用GA方法构造极坐标代码而不考虑ISI过程）。但是，考虑记忆信道更符合实际情况，因此研究人员分析了ISI的详细效应并导出其不同于OOK调制的特性，在考虑记忆信道时列表解码被用作解码极坐标代码。如果专注于纠错码方面而未考虑应用均衡技术以减少ISI的影响，则必须在VLC系统中采用极化码。VLC系统中不同ISI路径下分析模型如图2所示。
 

图2. VLC系统中的两类ISI模型：（a）来自两个LED的多路径，（b）来自信号反射的多路径。

3.激光器

目前，纳秒级光纤激光器在材料处理、生物医学诊断和激光雷达系统等领域的广泛应用引起了人们的关注。随着工业需求的迅速增长，简单、高稳定、高能量的激光器受到人们的青睐。纳秒激光器在大多数情况下是通过主动调Q、被动调Q或增益转换技术来实现的。由于电光调制器（EOM）或声光调制器（AOM）的诱导，主动电光调Q光纤激光器的结构设计过程相对复杂。采用增益转换技术制备的脉冲激光器由于其输出功率低，通常需要放大器进一步的放大，从而导致了系统结构复杂和所需成本较高。采用被动调Q的饱和吸收体（SAS）被认为是一种有前途的方法，其具有集成简单和紧凑的优势。然而，实验中常用的SAS（如SESAM、石墨烯和碳纳米管）具有相对较低的损伤阈值，且其应用性能有随使用时间增加而减弱的倾向，使其在工业领域的应用受到限制。除上述方法外，类噪声脉冲（NLPS）也可以实现纳米级应用。NLPS不是固定的，而是一个混沌脉冲形成的一个稳定时间包络的内部结构波动。NLPS的一种典型特征是光学自相关，且其可以通过引入反向饱和吸收效应产生。值得注意的是，在双包层光纤激光器中，NLP是一种高能量的特殊高能脉冲，其能量能高达400nJ，它能在不进一步放大的情况下显著降低成本和运行复杂度。NLPS主要在基于非线性偏振旋转（NPR）或非线性光学环路镜（NOLM）的光纤激光器中实现。在应用中，控制光的偏振态非常重要，因为其受到机械诱导的双折射影响。NOLM因其结构简单、紧凑、全光纤结构的优势而受到广泛关注。虽然全光纤结构简单紧凑，但在各种环境条件下的稳定性和可靠性没有得到很好的解决，因此所有PM光纤技术由于其对偏振扰动的强抵抗力而被优先选用以解决环境敏感性问题。然而，基于NPR的激光器需要对偏振进行调控，这也限制了其在所有PM光纤激光器配置中的应用。近年来，NOLM因其可实现配置在所有PM光纤激光器中再次引起了人们的兴趣，因此NOLM的全光纤激光器由于其抗环境干扰能力而被认为是一种商用应用候选技术，并期望能同时实现工业级的稳定性和可靠性。最近，研究人员设计了一种自启动双包层E_r/Y_b共掺杂全光纤激光器，并在985KHz和402KHz的重复频率下分别获得了稳定的纳秒NLPS操作（分别对应于210m和510m的腔长，所产生NLPS的最大脉冲能量能够达到1.54nJ）。他们还在1616nm和1612.3nm处获得了两个不同腔的中心波长，几乎可以覆盖乙烷（C_2 H_6）气体的吸收线谱范围，因此该激光器可以应用于乙烷气体检测过程。研究人员同时还进行了仿真研究工作，数值模拟结果与实验结果吻合较好。激光腔体的实验方案框图如图3所示。
 

图3激光器腔体的实验方案框图

4.光纤技术

近年来，基于少模光纤（FMFS）开展的光通信、传感和成像的应用已被广泛研究。然而，在FMFS中模态耦合的存在会显著增加数据处理的复杂度。因此，对于基于FMF的应用来说，减少模态耦合的影响并控制沿FMF的光信号的模态组成是至关重要的。为了实现上述目标，研究人员已经提出了几种模式控制技术。一般而言，相关技术在三个可能的位置执行：光纤输入端口，光纤内部以及基于FMF应用的光纤输出端口。例如，输入端口模式控制主要用于光通信，其中选择性模式激励可以使用相位板、光子灯和空间光调制器（SLM）。相比之下，FMF中的模式控制可以在光学传感中找到相关应用，例如可以使用光纤布拉格光栅（FBG）来实现。此外，在光学显微镜和成像应用中，在FMF输出端口控制光线是必需的。已有报道指出，通过光纤传输矩阵（TM）反演或数字相位共轭可以控制输出端口的模式配置过程。然而，光纤传输矩阵（TM）计算不容许环境干扰，数字相位共轭也需要仔细的光学对准过程。研究人员已经证明了基于自适应光学（AO）的模式控制方法能兼顾扰动容限和实现复杂度的影响。最近，研究人员扩展了AO框架以在4模和17模光纤的输出端口选择性地激发LP模式。研究人员进一步证明了激发高阶OAM模式混合的能力，他们还提出了一种非线性优化算法，可以通过使用基于图像提取不同LP模式的复振幅，并将其应用于分析四模光纤获得的实验结果中。基于AO的方法与传统方法不同，后者依靠傅里叶变换将SLM生成的全息图与光学远场中所需的模式相关联；而前者是将整个光学系统视为一个黑盒子，它可以自适应地激发所需的光场分布并且受系统不稳定性的影响较小，相关实验装置图如图4所示。
 

图4 实验装置图（λ⁄2：半波片；P：偏振器；M：镜子；SLM：只有相位的空间光调制器；L1：10倍物镜，NA=0.25；L2:40倍物镜，NA=0.65；光纤：1m；CCD：CCD照相机；PC：电脑）

5.光传输

众所周知，室外光无线通信（OWC）系统的吞吐量可以通过传输多个并行光束来提高。由于受天气条件将导致信道损伤，因此接收的光束信号的接收信噪比（SNR）随时间变化。自适应传输（AT）是一种有效的改善方案，对于单通道室外光无线通信（OWC）系统，已有研究人员提出恒功率可变速率（CPVR）自适应传输（AT）、联合功率以及调制适应等有效结合方案。研究人员针对在湍流衰落信道上采用波分复用的OWC系统，设计了一种基于阈值的光信号选择方案。他们指出在容量达到编码和平均/峰值强度极限约束的情况下，可以采用具有多个平行光束的自适应强度分配方案；然而，上述方案没有考虑传输链路层延迟服务质量（QoS）的约束。对于实时业务，链路层延迟限制是一个关键的QoS度量。由于湍流场的随机行为，在OWC的应用中保持确定性链路层延迟限制变得具有挑战性。在保证链路层延迟边界具有一定的违规概率的情况下，统计延迟QoS适用于湍流衰落信道上的实时业务的分析。统计延迟QoS约束过程可以通过保持与无线通信系统的有效速率（ER）相等的最大业务到达速率来实现。为了改善衰落信道上的ER，自适应传输（AT）方案需要考虑传输业务的统计延迟QoS约束。已有研究提出了一种双信道相干OWC系统的统计延迟QoS分析方案。与之相比，最近研究人员设计了一种自适应传输（AT）方案，用以改善具有多个平行光束的相干OWC系统的ER。研究人员比较了独立信道优化（ICO）、联合信道优化（JCO）以及独立信道优化与波束选择（ICO/BS）技术。通过实验分析获得了AT方案在高SNR和低SNR情况下的QoS约束性能。