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专注光子辅助超宽带毫米波通信技术研发与探索——复旦大学余建军教授
2020-11-11
21世纪是信息爆炸性增长的时代。在当前“互联网+”的大背景下，中国无线传输容量将会爆炸式增长，超高速无线信号需求迫在眉睫。截至2016年底中国的手机网民规模达到 6.95 亿，使用手机上网人群比重由2015 年的90.1%上升至95.1%。在已有的统计数据中，2016 年上半年中国国内的移动互联网络接入流量共计 37.5 亿 GB，同比增长 124%。当下发展火热的虚拟现实和增强现实产品中，设备和云平台之间的 1 080 P 和 4 K 等高速数据传输需要靠线缆直接连接，制约了产品的可用性和普适性。使用高速率的无线传输能摆脱数据线的束缚，显著提高用户的体验舒适度。在如今频谱资源严重紧缺的情况下，如何产生超高速无线信号成为一个难题。
毫米波因为有较高的频率（30 GHz～300GHz）、更大的带宽，因此可以传输更高的无线速率。目前传统的以电子方式产生毫米波信号系统包括有源设备和无源频率谐振元件等，受限于电子器件的带宽，纯电器件的方式很难产生高频率且低相位噪声的毫米波。光子辅助毫米波通信技术能克服电子器件的带宽瓶颈，并且基于目前已成熟的大容量光纤传输技术，结合光纤通信大容量和无线通信移动性的优势，实现光纤通信和无线通信无缝融合。光子辅助毫米波通信技术不仅可以解决大容量移动数据接入互联网和智能设备间高速率无线传输的问题，还能用于深空通信和应急通信等方面。在应急通信方面，例如地震和海啸等灾害导致光通信网络中光纤断裂时，可利用光子辅助毫米波通信在光纤被破坏的区域进行临时无线传输通信。
在国家自然科学基金项目、上海市科技计划项目等多项课题资助下，复旦大学余建军教授自 2006 年开始着眼于光子辅助宽带毫米波通信的关键技术研究，在信号产生、传输、接收和网络架构方面展开系列研究，取得一系列重要成果。
1 构建光生矢量毫米波的成套技术
（1）基于预编码和单个电光调制器提出了一系列简单高效的光生矢量毫米波技术，使用预编码解决毫米波的相位重叠问题，可以实现 Q、V、W波段上采用 QPSK/8QAM/16QAM调制的高稳定度高纯度矢量毫米波信号的产生。提出了采用马赫增德尔调制器（MZM）强度调制器基于光子倍频技术产生恒定和多幅度单载波正交振幅调制（QAM）矢量信号。为了得到多幅度 QAM信号的电矢量射频信号，提出一种星座均衡分布的新型预编码方案，并将其用于射频波段的光子恒模和多模 QAM矢量信号的生成。基于正交频分复用技术（OFDM）的多载波调制是无线通信里普遍使用的调制技术，提出并证实了一系列新颖高效的光生多载波的 OFDM 矢量毫米波方案，以用于光载无线系统中简化系统结构并有效提升系统频谱利用率。
（2）波长重用技术实现毫米波信号在光纤中传输的光子重用。该项目提出并实验证明了当通过光载波抑制和光学滤波技术生成光学毫米波时，实现上行连接的波长重用新方案，该方案还可以通过共享相同的光学组件实现波分复用同时进行上变换。提出并实现了一种新型的生成毫米波的方式，可以使光毫米波的频率加倍，降低光学毫米波产生的成本。
（3）提出了一种克服毫米波光信号在光纤中传输色散效应的方法。系统性地研究了基于双边带、单边带和载波抑制调制产生的光学毫米波在光纤中的传输特性。
（4）创新性地提出天线极化分集技术的网络架构，实现了低串扰易安装的大容量光纤无线融合极化复用信号传输，采用 2x2 MIMO 实现了146 Gbps 毫米波信号产生和传输。在移除20% FEC开销后，156 Gbps的总比特率对应于130 Gbps的净比特率。
2 建立光子辅助的超宽带毫米波传输系统
（1）基于光偏振复用的2×2 MIMO的W波段大容量100Gbps光纤无线融合系统。该项目在国际上率先采用光偏振复用、无线MIMO和基于数字信号处理的外差相干探测技术实现了100GHz毫米波承载108Gbps信号的极化复用（PDM）QPSK信号依次在80km SMF-28和1m 2×2MIMO无线链路上的无缝融合传输。
（2）实现了W 波段超大容量（400 Gbps）无线矢量毫米波信号传输。使用天线极化复用，16QAM调制和 4x4 MIOM成果地实现了 432Gb/s PDM-16QAM W 波段信号传输，频谱效率达到 11.4b/s/Hz。采用了基于数字信号处理的接收端的电预均衡和接收端的均衡算法，传输了使用四对天线的 2ｍ的4x4 MIMO之后BER可以低于误码门限。这是首次实现W波段的400G的无线传输。建立包括基于MIMO的光学天线偏振复用以及多带复用等多维复用技术，有效增加无线传输容量。提出一个W波段高速长距离无线传输链路，实现 W 波段80Gbps信号传输300m无线距离的世界记录，该纪录得到了Optical Fiber Communication（OFC）2015程序委员会的认可并以Post Deadline Paper（PDP）方式接收。
（3）基于多种多维复用技术协调融合的超高速400Gbps和1Tbps光纤无线融合系统。结合光子辅助、天线2/4极化复用、多波段复用、高级调制码和MIMO技术，实现了400Gbps 和1Tbps超高速多维复用光纤无线融合系统。在400Gbps系统里能够实现200Gbps的W波段信号和200Gbps的Q波段信号同时的无线传输。实现了多种复用方式在毫米波波段的协调融合，从而有效提升了无线传输速率。在1Tbps系统里采用4x4 MIMO，先进数字信号处理算法和多波段复用这些先进技术实现了1Tbps的D波段毫米波信号传输，为毫米波传输的世界纪录，其论文以PDP方式发表在OFC 2018年会议上。
3 构建光纤-无线-光纤融合的网络架构
采用针对偏振复用信号的光子调制和光子解调技术，实现了 W 波段上的 100 Gbps 大容量光纤-无线-光纤融合系统。提出了基于MZM和相位调制器两种可对偏振复用的无线毫米波信号进行电光转换的射频透明的光子解调技术。通过实验证实了一个基于推挽 MZM的 Q波段（33～50GHz）光纤-无线-光纤融合系统和一个基于推挽 MZM的 W波段（75～110GHz）光纤-无线-光纤融合系统。这些新型大容量光纤无线融合系统与网络架构可应用在下一代 5G 移动通信、空间通信、大容量应急通信和宽带家庭等各种不同的应用场景中。
4 创新性地解决了光子辅助毫米波通信的数字信号关键技术问题
项目研究成功将预均衡技术、预失真技术等先进算法引进到光子辅助毫米波通信系统中，显著增加了传输容量（最高速率超过 400Gbps）或延长了传输距离（最远距离到达 1.7km）。以前实验表明毫米波传输速率较低，传输距离较近，该项目同时使用先进数字信号处理结合预失真、预均衡及最小均方误差均衡算法来提升系统性能，采用光子辅助技术、天线 MIMO技术和先进的数字信号处理技术，先后实现了 W波段的108、120、146和 432Gbps和D波段1Tbps信号传输，创造了多项毫米波容量传输的世界纪录。在长距离方面实现了 40Gbps W 波段传输160ｍ、20Gbps 传输 1.7km和54Gbps信号传输2.5km的世界纪录。
后记
于建军教授的研究成果系统解决了光子辅助毫米波通信系统的关键技术问题，使我国在该领域具有国际竞争力，并且在宽带光子辅助的毫米波技术方面具优势地位。通过项目的研究显著地提高了我国在该领域的国际地位。同时培养出一批优秀博士和硕士研究生，项目研究期间共培养博士 10名。出版了４部中文专著和1部英文专著，包括 《基于数字信号处理的相干光通信技术》（首部相干光通信的方面的中文专著）、《高速光纤通信中数字信号处理算法原理与应用（第一卷）：单载波调制技术》《高速光纤通信中数字信号处理算法原理与应用（第二卷）：多载波调制和人工智能新技术》《光子辅助的毫米波通信技术》。
余建军教授于1999年1月在北京邮电大学获得博士学位后，先后在丹麦技术大学、美国朗讯科技贝尔实验室、美国佐治亚理工学院、NEC实验室（美国）、中兴通讯北美光波所和复旦大学从事高速传输系统和网络技术的研究。他先后入选或获得“长江特聘”教授、国家特聘专家、美国光学学会会士、国家自然科学基金杰出青年基金和IEEE 会士。共发表论文600余篇。
