最新刊期
      2024 年 第 卷 1 期

        专题：下一代超100 G光接入关键技术

      • 张佳玮,苏琛,纪越峰
        2024(1): 23016801-23016813. DOI: 10.13756/j.gtxyj.2024.230168
        摘要：无源光网络（PON）凭借其大带宽、低成本和抗电磁干扰等优势，被认为是下一代工业互联网的重要组网技术之一。然而，以“带宽提升”为主要技术发展思路的常规PON，其传输控制机制难以满足以“时间敏感”为特征的高品质工业业务传输需求，对常规PON的网络传输能力提出了重要挑战，迫使其融入新的特性，即确定性。文章以时分复用（TDM）-PON为主要研究对象，首先阐述了工业互联网的业务特征及传输需求，分析了工业互联场景下常规TDM-PON面临的两大技术挑战：一是传统带宽分配方案引起的时延不确定性；二是队列调度机制僵化引起的时延不确定性。围绕上述挑战，文章介绍了提升TDM-PON确定性网络传输能力的关键技术，如协作传输接口、单帧多突发和确定性带宽分配（DetBA）等。其次，文章介绍了一种基于网络演算的时延边界建模思路作为确定性工业PON系统设计与性能评估的理论模型。最后，文章从业务层、媒质接入控制（MAC）层、物理层及控制管理平面等多个角度探讨了确定性工业PON的潜在技术及发展方向。  
        关键词：工业无源光网络;确定性网络传输技术;确定性带宽分配;网络演算   
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        发布时间：2024-02-19
      • 殷明珠,王玮,潘竞顺,李凡,李朝晖
        2024(1): 23016201-23016211. DOI: 10.13756/j.gtxyj.2024.230162
        摘要：相比于传统的强度调制/直接检测（IM/DD）系统，相干系统具有更高的容量和功率预算，能更好地满足高容量无源光网络（PON）的需求。近年来，如何将相干应用于PON场景以更好地支撑未来高带宽业务已成为研究热点。文章从系统架构、相干简化、上行突发模式检测以及灵活PON 4个方面对相干PON关键技术研究现状进行了总结，并展望提出了激光共享上下行滤波器组多载波（FBMC）-PON和半导体光放大器（SOA）电流调控灵活PON方案。  
        关键词：相干无源光网络;系统架构;相干简化;上行突发模式;灵活无源光网络   
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        发布时间：2024-02-19
      • 周骥,郭栋,张俊文
        2024(1): 23014301-23014305. DOI: 10.13756/j.gtxyj.2024.230143
        摘要：2021年国际电联电信标准化部门（ITU-T）完成50 Gbit/s无源光网络（PON）的标准制定，当前设备商和运营商已经完成样机验证，ITU-T成立Beyond 50 Gbit/s PON讨论组开始研讨未来PON相关技术方案，因此Beyond 50 Gbit/s PON成为当前光通信领域的研究热点。根据前几代PON标准的速率演进规律推测，Beyond 50 Gbit/s PON的速率预计将超过100 Gbit/s。文章将分析超100 Gbit/s PON面临的问题和挑战，重点介绍灵活速率PON和相干PON架构这两个潜在技术路径及其关键技术方案，为未来超100 Gbit/s PON的研究和标准制定提供参考。  
        关键词：无源光网络;超100 Gbit/s;灵活速率;相干架构;灵活多址接入   
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        发布时间：2024-02-19
      • 高爽,张教,朱敏
        2024(1): 23016001-23016012. DOI: 10.13756/j.gtxyj.2024.230160
        摘要：光纤通信与大容量高频无线通信深度融合是未来第六代移动通信（6G）的核心技术底座，对于构建“沉浸式通信、泛在连接、通信人工智能（AI）一体化”等6G典型场景具有重要意义。文章梳理了优化光纤无线融合传输系统架构和提升频谱效率的主流技术及其实现方案，对研发团队在这些方面取得的部分进展进行了总结。首先，面向新一代沉浸式通信的大容量需求，借助商用数字相干光模块（DCO），提出了一种“光纤－无线－光纤”一体融合传输系统新型架构，率先完成了光子太赫兹100/200/400 GbE实时无线传输通信实验，最高实现了2×240.558 Gbit/s的线路速率；其次，面向覆盖范围广和灵活部署的应用场景，将数字副载波复用（DSCM）技术引入光纤无线融合接入系统，文章设计并搭建出同时支持最多32路固定宽带接入和32路W波段毫米波无线接入的点对多点（P2MP）100 Gbit/s相干无源光网络（PON），能够灵活调整速率且便于后续迭代升级；最后，面向通信AI一体化需求，提出了一种基于似然感知的矢量量化（VQ）变分自编码器（VAE），基于AI技术对光纤无线融合通信系统进行端到端优化，在无需太赫兹功率放大器的情况下，成功演示了净速率为366.4 Gbit/s的双偏振（DP）2×2多输入多输出（MIMO）太赫兹信号6.5 m无线传输和20 km标准单模光纤（SSMF）传输。上述技术在未来6G典型场景中具有巨大的应用潜力，此外，文章还从大容量、长距离、集成化和智能化等方向对超100 Gbit/s光纤无线融合传输技术进行了展望。  
        关键词：光纤无线融合传输;数字副载波复用;无源光网络;端到端智能星座整形   
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        发布时间：2024-02-19
      • 葛坚,黄雍涛,余建国
        2024(1): 23015301-23015306. DOI: 10.13756/j.gtxyj.2024.230153
        摘要：为了满足当前日益增长的通信容量需求，新型多载波光纤通信技术成为科研人员关注的焦点。文章回顾了近20年来传统正交频分复用（OFDM）在光纤通信领域的发展历程，梳理了近年来滤波器组多载波（FBMC）和通用滤波多载波（UFMC）在光纤通信领域的相关研究。自2016年以来，针对光通信中OFDM存在的问题，如：带外泄漏高、依赖循环前缀（CP），峰均功率比（PAPR）值过高和系统同步要求高等，国内外众多学者以新型多载波为突破口展开了研究。FBMC光通信具有旁瓣功率最低和频谱利用率高等特点，但是由于使用了偏移正交幅度调制（OQAM），对应的数字信号处理（DSP）算法需要针对虚部干扰重新设计。UFMC光通信具备强大的时间同步偏差容忍性，对频率偏移不敏感，可以复用OFDM的DSP算法，但也存在如何进一步抑制带外功率和降低计算复杂度等问题。最后，文章结合当前的研究现状，对下一代光纤通信系统的诉求提出了研究方向和建议。  
        关键词：多载波;光通信;正交频分复用;滤波器组多载波;通用滤波多载波   
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        发布时间：2024-02-19
      • 何婷,李响,李婕,罗鸣
        2024(1): 23013601-23013607. DOI: 10.13756/j.gtxyj.2024.230136
        摘要：【目的】高速无源光接入网络中存在光纤色散、非线性损伤和带宽限制等问题，导致传统强度调制和直接检测技术的功率预算损失较高，难以满足高速无源光接入网络的要求。【方法】为了更好地提升强度调制和直接检测光接入系统的速率和性能，文章在Volterra判决反馈均衡器（VDFE）的基础上，研究了基于递推最小二乘估计（RLS）算法的VDFE-RLS信道均衡方法。该均衡器采用RLS算法对其中的抽头系数进行更新。该均衡器包含了一、二、三阶Volterra级数，其中一阶Volterra级数对线性损伤进行补偿，二阶和三阶Volterra级数能够对非线性损伤进行补偿。文章将该均衡器应用于经过20 km传输后的单波长为200 Gbit/s的O波段强度调制和直接检测技术的下行光接入系统中。【结果】实验结果表明，RLS算法相比传统的最小均方（LMS）算法在均衡器中表现出来的性能更好。此外，VDFE-RLS可以实现>29 dB的功率预算。VDFE-RLS相比于传统的基于Volterra的前馈均衡器（VFFE），当VDFE-RLS和VFFE-RLS均衡器长度相同时，可以实现2.2 dB功率预算的提升。当VDFE-RLS的均衡器长度为VFFE-RLS的一半时，前者相比后者仍可以提升0.5 dB的功率预算。【结论】文章所述系统相比其他传统系统在能够缩短均衡器长度的同时，能提高系统的功率预算，还能最终恢复出准确度较高的信号。  
        关键词：Volterra判决反馈均衡器;递推最小二乘估计;Volterra级数;自适应滤波算法   
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      • 曹亮,范奇,刘婷
        2024(1): 22004101-22004105. DOI: 10.13756/j.gtxyj.2024.220041
        摘要：【目的】由于数据中心网络的高速发展，对高速率、大容量数据中心光传输系统的性能研究也极为迫切，单载波400或600 Gbit/s传输将逐渐成为下一代通信网络主流的传输速率，当前人们对400 Gbit/s传输系统在数据中心网络中应用的研究较为广泛，而对600 Gbit/s传输系统的详细研究较少。【方法】为了满足数据中心通信容量日益增长的需求，文章基于单载波600 Gbit/s速率下一代数据中心弹性光网络（EON）传输系统，对影响传输系统的传输距离和频谱利用效率问题进行了详细的理论分析和实验研究。【结果】分析表明，单载波最大入纤光功率决定传输系统的最大传输距离，而传输系统的频谱利用效率与传输通道带宽有关，同时对单载波600 Gbit/s EON传输系统进行实验研究，实验通过对比不同入纤光功率与系统Q因子和纠前误码率的关系，以及不同通道数3 dB通道滤波带宽与系统Q因子的关系，证实系统传输距离和频谱利用效率分别与最佳入纤光功率和滤波带宽有关，并且实验表明，600 Gbit/s传输系统最佳单波入纤光功率和最佳滤波带宽分别为＋4 dBm和77 GHz，此时系统传输距离最远，频谱利用效率最高。并且在此实验数据下实现了600 Gbit/s传输系统48 h无误码长期稳定运行，这说明该入纤光功率和带宽可有效延长和提高600 Gbit/s通信系统的传输距离和频谱利用率。【结论】对于600 Gbit/s速率EON传输系统存在一个最佳入纤功率和滤波带宽，使得系统在不引起明显光纤非线性代价和通道串扰情况下传输距离最远，带宽利用率最大，文章提出的600 Gbit/s传输系统最佳入纤光功率和滤波带宽对600 Gbit/s传输系统的工程建设具有非常有意义的参考作用。  
        关键词：高速通信;入纤功率;弹性光网络;频谱效率   
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        发布时间：2024-02-19
      • 陈赟昌,梅亮,贺鸣文,高继韬
        2024(1): 23013701-23013707. DOI: 10.13756/j.gtxyj.2024.230137
        摘要：【目的】近年来，数据通信量呈爆炸性增长，为了应对高速、高容量数据传输及网络应用场景多样化的需求，超100 Gbit/s密集波分复用（DWDM）混合组网作为一种高效的解决方案逐渐受到关注。文章通过对超100 Gbit/s DWDM混合组网的需求、关键技术及实际案例进行分析，为构建高容量、高效率的通信网络提供了技术支持和指导。【方法】文章首先阐述了网络发展在容量扩展和支持复杂网络设计方面的需求，其次重点介绍了超100 Gbit/s混合组网的关键技术，包括星座图整形、频谱整形和灵活栅格技术等。其中，为支撑混合组网的业务速率设计，提供了一种用于级联掺铒光纤放大器（EDFA）通信系统的光信噪比（OSNR）计算方法，仅利用信道配置信息、发端信号光功率、EDFA的增益及噪声等相关参数，即可计算出整个链路中各个波长的输出OSNR。最后，结合海外某网络案例，根据实际链路OSNR评估情况，合理进行混合速率网络设计，论证了超100 Gbit/s DWDM混合组网在实际工程中的应用效果。【结果】通过应用超100 Gbit/s DWDM混合组网，根据OSNR评估情况灵活配置传输速率和传输带宽，实现了200、600和800 Gbit/s混合速率网络部署，既满足了核心站点的大容量需求，也兼顾了边缘站点的长途大跨度需求，并在3年期间实现了网络的平滑升级和扩容。【结论】实践证明，超100 Gbit/s DWDM组网能够有效提升网络容量、灵活性及频谱资源利用率，同时也为网络的持续演进提供了空间，是推进大容量光传输网络发展的重要手段。  
        关键词：超100 Gbit/s密集波分复用;混合组网;光信噪比;星座图整形;频谱整形   
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        发布时间：2024-02-19
      • 黄健,朱齐雄,陈登超
        2024(1): 23010301-23010308. DOI: 10.13756/j.gtxyj.2024.230103
        摘要：【目的】常用的max-log-map与log-map算法相比降低了软信息计算复杂度，但对高阶正交幅度调制（QAM）资源消耗仍较大，如8QAM、16QAM概率整形（PS）和64QAM PS。【方法】8QAM采用星座区域划分的方式，文章中，软信息采用接收符号到最近比特0与比特1中垂线的距离信息表示，利用角度旋转和区域对称性简化计算距离信息；非麦克斯韦玻尔兹曼（MB）分布的16QAM PS和64QAM PS，比特1所在区域两侧边缘之间的中心界线与区域两侧比特0之间的中心界线不再重合，对区域进行合并近似，处理两界线间区域归属，展开max-log-map算法因式简化距离差计算软信息；基于MB分布的16QAM PS和64QAM PS的软信息可由非MB分布的软信息表达式化简得到。【结果】经上述简化后，与max-log-map算法相比，8QAM软信息计算乘法次数48次和加减法次数75次分别缩减为12和16次，解调性能仅退化约0.05 dB；MB分布的16QAM PS乘法次数192次和加减法次数260次分别缩减为2和4次，解调性能仅退化约0.05 dB；更高阶的64QAM PS资源消耗缩减程度更大，乘法次数1 152次和加减法次数1 542次分别缩减为3和6次。【结论】文章提出了适用于8QAM、MB分布的16QAM PS、MB分布的64QAM PS、非MB分布的16QAM PS和非MB分布的64QAM PS 软信息计算方法。当概率满足MB分布时，非MB分布的软信息计算方法可转化为MB分布计算方法；当PS因子为0时，基于MB分布的表达式可转化为均匀分布软信息计算式，非MB分布、MB分布和均匀分布的软信息计算可使用同一电路统一设计，提高电路复用率，降低硬件资源消耗。  
        关键词：光通信;数字信号处理;正交幅度调制;对数似然比;概率整形   
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        发布时间：2024-02-19
      • 张蕾,高建河,黄莎,张玉安,罗勇,徐红春
        2024(1): 23015001-23015006. DOI: 10.13756/j.gtxyj.2024.230150
        摘要：【目的】为了应对不断增长的超千兆需求，从千兆走向万兆，从第五代固定网络（F5G）走向高级第五代固定网络（F5.5G），50 Gbit/s无源光网络（PON）被认为是F5.5G的重要组成部分。故文章针对当前接入网络发展状况，对50 Gbit/s PON技术进行了深入研究。【方法】文章首先介绍了实现50 Gbit/s PON高灵敏度面临的困难，并提出了解决方案。方案中，50 Gbit/s的非归零（NRZ）信号通过雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，APD）探测器，在强电场的作用下形成可被检测到的宏观电流，该电流通过跨阻放大器（TIA）放大并转换成电压输出。对其进行均衡处理，采用光数字信号处理（oDSP）芯片的前馈均衡器（FFE）和判决反馈均衡器（DFE）对脉冲信号的拖尾现象进行补偿后，再通过DFE将码间干扰的影响降到最低。接着重点分析了APD、TIA和oDSP等关键技术，并采用25与50 Gbit/s APD对接收性能进行比较。【结果】两组实验测试结果显示，第1组实验25 Gbit/s APD在测试时间4 min内接收信号无误码，接收光功率为－8.48 dBm，当误码率（BER）为2.78e－2时，接收光功率达－26.61 dBm；在使用50 Gbit/s APD的情况下，4 min内接收信号无误码时，接收光功率为－8.97 dBm。当BER为2.78e－2时，接收光功率达到－27.05 dBm，第2组数据50 Gbit/s APD-2也达到了同样的实验效果。【结论】50 Gbit/s APD接收灵敏度更高，性能更好，更适合使用在50 Gbit/s PON光模块中实现高性能接收。最后文章针对未来降成本方案在均衡技术与APD上的应用提出了可行性分析。  
        关键词：50 Gbit/s无源光网络;雪崩光电二极管;光数字信号处理;跨阻放大器;高性能接收   
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      • 李明,胡荣
        2024(1): 23016701-23016704. DOI: 10.13756/j.gtxyj.2024.230167
        摘要：50 Gbit/s无源光网络（PON）标准已趋于完善，后50 Gbit/s PON时代的技术标准尚属空白，亟待开展相关研究以推动整个产业链从系统、模块和芯片等方面提前进行布局。文章判断单波长200 Gbit/s速率和相干技术将会是继50 Gbit/s PON之后下一代PON系统的两大关键特征。单波长200 Gbit/s速率对运营商具备更大的吸引力，而强度调制/直接检测（IM/DD）技术难以持续满足200 Gbit/s速率下系统对Class C＋等级功率预算的要求，需要采用灵敏度更高的相干技术。然而PON系统是一种典型的点对多点（P2MP）拓扑架构，将相干技术下沉到PON还有许多关键技术需要攻克，其中，涉及PON系统设备和媒体访问控制（MAC）芯片的架构重构、相干PON光模块的单纤双向（Bi-Di）技术改造、突发模式的相干发送与接收技术以及相干PON系统的波长管控技术。时分复用（TDM）仍然是实现P2MP传输的推荐方式，在TDM基础之上可以叠加新的复用维度，例如子载波复用（SCM）。新复用维度的引入给PON系统带来了灵活性，但同时也增加了设计的复杂度，将会颠覆当前的PON系统架构。叠加了SCM的相干PON系统将不再采用数字化接口方式与光模块进行连接，光模块本身需要具备高度线性驱动和调制能力。此外，用户侧光模块需要具备瞬时开关能力，以避免对其他用户造成干扰，因此需要开发新型的支持突发控制功能的相干光芯片。考虑到上行P2MP的突发相干接收环境，需要从系统层面实现对多个用户激光器的波长管控，避免上行方向因多用户波长快速切换造成的局端频偏估算偏差问题。综上，将相干技术应用于PON将会是一个全新的复杂系统工程，难以直接继承现有相干系统架构，需要匹配P2MP的应用需求，从芯片、模块和设备多个方面实现技术创新。  
        关键词：相干技术;50 Gbit/s无源光网络;时分复用;突发模式   
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        发布时间：2024-02-19
      • 刘启芳,张宇,周泉
        2024(1): 22006501-22006505. DOI: 10.13756/j.gtxyj.2024.220065
        摘要：【目的】随着各种互联网新兴业务的崛起以及无源光网络（PON）在行业应用场景的延伸，作为第五代固定网络（F5G）代表技术的PON，需要不断演进升级才能满足未来网络的需求。其中，PON的时延是迫切要改善的关键网络性能指标，故文章对PON的低时延技术进行了深入研究。【方法】文章首先总结了当下PON在低时延方面所面临的挑战，分析了导致PON时延较高的主要原因有两个，分别是因光网络单元（ONU）带宽分配机制引入的上行固有时延和因ONU注册/测距机制引入的上行随机时延。因此，文章提出了基于单帧多突发技术和独立注册通道技术的两种超低时延技术方案，并进行实验验证分析。【结果】通过验证分析，对于单帧多突发技术的低时延技术方案，结合时延和带宽利用率两个性能指标综合来看，1/4调度周期表现最优，但会牺牲小部分带宽，比较适合传输对时延敏感而带宽不敏感的业务；对于独立注册通道技术的低时延技术方案，由于引入了额外的波长用于ONU注册/测距通道，可以完全消除正常业务通道因注册/测距的静默窗口引入的额外时延和抖动。【结论】综合而言，文章所探讨的基于PON的超低时延技术方案，可以有效降低PON的时延，有助于促进虚拟现实（VR）类等新兴业务的规模商用和工业互联网的快速发展。  
        关键词：无源光网络;超低时延技术;虚拟现实;工业互联网   
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