蔡沅成，李建康，羅煒，項(xiàng)施通，華炳昌，雷明政，張教，朱敏**

（1.網(wǎng)絡(luò)通信與安全紫金山實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211111；2.東南大學(xué)，江蘇 南京 210096；3.湘潭大學(xué)，湖南 湘潭 411105）

0 引言

隨著信息化社會(huì)的高速發(fā)展，無線通信容量需求爆炸式增長。與現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)相比，6G無線通信期望能提供10倍以上的通信速率，屆時(shí)用戶均值速率將逼近100 Gbps，峰值速率則將達(dá)到T比特量級[1]。在這種情況下，將必然需要毫米波乃至太赫茲與其他低頻段網(wǎng)絡(luò)（如sub 6 GHz）融合組網(wǎng)，廣泛應(yīng)用于多尺度多維度通信場景[2]，為6G大容量無線通信新征程保駕護(hù)航。

亞太赫茲、太赫茲頻段天然具有大帶寬、低延時(shí)和良好的方向性，在大容量無線通信場景下具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。針對傳統(tǒng)全固態(tài)純電子學(xué)方案生成太赫茲波過程中存在的帶寬受限、變頻損耗大等“電子瓶頸”難題，光子輔助技術(shù)可充分發(fā)揮光學(xué)器件大帶寬、高頻響等特性，能有效突破電子學(xué)方案存在的容量瓶頸[4]，是實(shí)現(xiàn)6G太赫茲通信的一條重要技術(shù)路線。它也可以有效促進(jìn)無線通信和光纖網(wǎng)絡(luò)的透明傳輸和無縫切換，將無線通信的靈活接入與光纖網(wǎng)絡(luò)的大容量通信、長距離拉遠(yuǎn)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)相融合，能很好地滿足未來6G網(wǎng)絡(luò)中大容量、超寬帶信號(hào)的便攜式接入需求。

然而，高頻亞太赫茲、太赫茲無線通信也面臨著一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)。一方面，高路徑損耗嚴(yán)重限制了亞太赫茲、太赫茲信號(hào)對區(qū)域的覆蓋能力[4-5]。另一方面，超寬帶無線信號(hào)的實(shí)時(shí)處理顯著受限于高速數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器的帶寬、采樣速率和精度。只有克服上述難題，才能加快亞太赫茲、太赫茲無線通信在6G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用進(jìn)程。

相比于太赫茲頻段，亞太赫茲波段不僅具有更小的傳輸路徑損耗，而且產(chǎn)業(yè)鏈更加完善，因此，在現(xiàn)階段它吸引了更多的關(guān)注。以頻譜覆蓋了部分亞太赫茲頻段的W波段（頻率范圍為75～110 GHz）為代表，不僅器件成熟度高，而且其頻譜資源也足夠豐富，可提供35 GHz的通信帶寬。因此，本文聚焦光子輔助W波段無線通信系統(tǒng)，研究適合大容量無線通信的一些關(guān)鍵技術(shù)，包括更適用、更具有魯棒性的光纖無線透明轉(zhuǎn)換方案，以及支持高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理的光纖-無線-光纖（FWF,Fiber-Wireless-Fiber）傳輸架構(gòu)。

1 光子輔助W波段無線通信系統(tǒng)研究進(jìn)展

表1 給出了具有代表性的光子輔助W 波段無線通信系統(tǒng)研究成果?？梢钥闯?，在離線系統(tǒng)方面，通過光偏振復(fù)用（OPDM,Optical Polarization Division Multiplexing）或電極化復(fù)用（EPDM,Electrical Polarization Division Multiplexing）結(jié)合2×2多輸入多輸出（MIMO,Multiple-Input Multiple-Output）無線鏈路，W波段的最高通信容量已實(shí)現(xiàn)156 Gbps[7]，最遠(yuǎn)無線傳輸距離達(dá)到2.5 km[10]。當(dāng)同時(shí)采用OPDM和APDM并結(jié)合4×4 MIMO時(shí)，其容量可達(dá)432 Gbps[9]。然而，當(dāng)考慮單通道的空口速率時(shí)，經(jīng)過折算發(fā)現(xiàn)最大容量不超過110 Gbps[11]。對于W波段高達(dá)35 GHz的寬譜資源，這一容量仍有巨大的提升空間。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)方面，最長無線傳輸距離不超過50 m[13]，最高實(shí)時(shí)通信速率低于25 Gbps[14]，系統(tǒng)容量和100 Gbps以及T比特量級水平相距甚遠(yuǎn)。

2 基于SISO鏈路的大容量光子輔助W波段無線通信系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)OPDM信號(hào)的透明轉(zhuǎn)換，傳統(tǒng)橋接方案通常采用2×2 MIMO無線鏈路[16-17]。然而，在該方案中，兩個(gè)獨(dú)立的無線分支鏈路不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且其收發(fā)天線必須精確對準(zhǔn)、鏈路增益需保持匹配，否則將會(huì)引起雙偏振信號(hào)解調(diào)性能的退化。此外，2×2 MIMO通道間干擾也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降和不穩(wěn)定。與2×2 MIMO無線鏈路不同，雙極化單輸入單輸出（SISO,Single-Input Single-Output）無線鏈路通過一對正交模轉(zhuǎn)換器（OMT,Orthomode Transducers）和兩個(gè)雙極化天線，可將OPDM信號(hào)巧妙耦合到單通道無線鏈路中[18]。這種無縫融合方案更具競爭力，不僅極大簡化了無線鏈路結(jié)構(gòu)，還能顯著提升單通道的空口容量。

基于上述雙極化SISO無線鏈路，本節(jié)在W波段（中心載頻為92.5 GHz）分別從離線和實(shí)時(shí)兩方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首次在W波段單通道空口速率上實(shí)現(xiàn)離線超400 Gbps和實(shí)時(shí)100 Gbps超100米的無線傳輸演示。其中，離線系統(tǒng)采用傳統(tǒng)電下混頻方式實(shí)現(xiàn)W波段無線信號(hào)的下變換，而實(shí)時(shí)系統(tǒng)則采用FWF架構(gòu)和成熟光模塊解決高速超寬帶無線信號(hào)的實(shí)時(shí)處理難題[4]。

2.1 離線超400 Gbps傳輸驗(yàn)證與演示

基于雙極化SISO鏈路的W波段離線通信系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1（a）所示，主要包含光發(fā)射機(jī)、光纖鏈路、光-無線轉(zhuǎn)換模塊、無線鏈路和W波段無線接收機(jī)五個(gè)部分。

在光發(fā)射機(jī)中，不同波特率的不同調(diào)制格式信號(hào)由發(fā)送端數(shù)字信號(hào)處理（DSP,Digital Signal Processing）模塊產(chǎn)生。長度為218的偽隨機(jī)序列依次通過符號(hào)映射、兩倍上采樣、根升余弦脈沖成型，隨后添加同步頭并進(jìn)行重采樣以匹配任意波形發(fā)生器的92 Gsa/s采樣率。輸出的復(fù)數(shù)基帶信號(hào)送入一個(gè)偏置在空點(diǎn)的同相/正交（IQ,In-phase/Quadrature）調(diào)制器實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換，其中，發(fā)送激光器采用一個(gè)線寬小于100 kHz的外腔激光器1。接著，利用自行搭建的偏振復(fù)用器模擬OPDM傳輸，其具體工作流程為：通過偏振合束器（PBC,Polarization Beam Combiner）將信號(hào)等分輸出到兩個(gè)偏振支路，其中一個(gè)支路中采用光纖延遲線（DL,Delay Line）以消除X偏振和Y偏振數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，然后使用保偏光耦合器（OC,Optical Coupler）組合兩個(gè)偏振態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)OPDM傳輸。該OPDM信號(hào)經(jīng)過20 km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸后，采用一個(gè)摻鉺光纖放大器來補(bǔ)償光纖傳輸帶來的損耗。

在光-無線轉(zhuǎn)換模塊中，傳輸?shù)腛PDM信號(hào)經(jīng)過偏振控制器調(diào)整適當(dāng)偏振方向后，與外腔激光器2產(chǎn)生的本振光一起通過保偏光耦合器耦合。為了使產(chǎn)生的毫米波信號(hào)位于W波段中心位置，設(shè)置兩個(gè)外腔激光器的中心頻率之差為92.5 GHz。不同波特率下耦合光波的光譜圖如圖1（b）所示。隨后，上述耦合光波經(jīng)過一個(gè)可調(diào)光衰減器后通過偏振分束器分成X和Y兩個(gè)偏振分支，在每一個(gè)偏振分支上都采用一個(gè)單端光電探測器（PD,Photodetector）產(chǎn)生中心載頻為92.5 GHz的毫米波信號(hào)。最后，經(jīng)過W波段低噪聲放大器放大后，兩路毫米波信號(hào)送入一個(gè)W波段正交模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)極化復(fù)用，產(chǎn)生的EPDM信號(hào)通過一對總增益為60 dBi的鏡頭校正天線實(shí)現(xiàn)雙極化毫米波信號(hào)的1.3 m無線傳輸。

在W波段無線接收端，采用傳統(tǒng)電下混頻方式實(shí)現(xiàn)毫米波信號(hào)的下變換。首先通過正交模轉(zhuǎn)換器將接收到的雙極化毫米波信號(hào)重新分成水平和垂直兩個(gè)極化支路，然后在各支路使用一個(gè)W波段集成諧波混頻器（由六倍倍頻器和W波段混頻器構(gòu)成）來實(shí)現(xiàn)毫米波頻率下變頻。射頻源頻率設(shè)置為18.85 GHz，下變頻后的信號(hào)經(jīng)過電放大器放大后由數(shù)字存儲(chǔ)示波器以128 GSa/s的采樣率進(jìn)行采樣，所捕獲的信號(hào)用于進(jìn)一步的離線DSP處理。接收端DSP包括重采樣、基于斯密特正交化算法的IQ不平衡補(bǔ)償和基于恒模算法的偏振解復(fù)用處理，以及時(shí)鐘恢復(fù)、載波相位恢復(fù)、匹配濾波等操作。為了補(bǔ)償光纖無線混合信道中的非線性損傷，本文采用沃爾泰拉均衡器完成信道均衡，隨后進(jìn)行誤碼率的計(jì)算。表2列出了本實(shí)驗(yàn)中部分關(guān)鍵器件及其參數(shù)。

表2 離線通信系統(tǒng)關(guān)鍵器件參數(shù)

離線傳輸性能測試結(jié)果如圖2所示，圖2（a）首先給出了40 GBd情況下三種不同調(diào)制格式信號(hào)傳輸20 km光纖和1.3 m無線后，誤碼率隨PD輸入光功率的變化情況。對于PDM-QPSK信號(hào)，隨著ROP的增大，誤碼率逐漸減小，當(dāng)PD輸入光功率超過3 dBm時(shí)甚至可以實(shí)現(xiàn)無誤碼傳輸。對于PDM-16QAM信號(hào)，最佳PD輸入光功率為5 dBm，對應(yīng)最低誤碼率約為6×10-4。若要滿足7%開銷硬判決前向糾錯(cuò)（HD-FEC,Hard-Decision Forward Error Correction）和20%開銷軟判決前向糾錯(cuò)（SD-FEC,Soft-Decision Forward Error Correction）誤碼率閾值門限，PD的輸入光功率需分別達(dá)到0.75 dBm和–2 dBm。對于容量最大的PDM-64QAM信號(hào)，其最佳PD輸入光功率降低到3 dBm，對應(yīng)最佳誤碼率約為1.4×10-2，該誤碼率無法滿足7% HD-FEC的誤碼率閾值門限。然而，當(dāng)輸入PD光功率在1 dBm到7 dBm范圍內(nèi)時(shí)，誤碼率可以滿足20% SDFEC的閾值門限。

圖2 離線傳輸性能測試（（a）40 GBd波特率下三種不同調(diào)制格式以及（b）PDM-64QAM信號(hào)在不同波特率下的誤碼率隨PD輸入光功率變化曲線）

圖2（b）進(jìn)一步給出了PDM-64QAM信號(hào)在三種不同波特率下的傳輸性能。首先，三種不同波特率其最佳的PD輸入光功率都為3 dBm。其次，在23 GBd波特率下，其最佳誤碼率能達(dá)到7% HD-FEC閾值條件。即使波特率提升到35 GBd甚至40 GBd，系統(tǒng)的最佳誤碼率仍能滿足20% SD-FEC閾值條件。在這個(gè)閾值條件下，35 GBd波特率條件下具有超過8 dB的接收動(dòng)態(tài)范圍，即使在40 GBd條件下也有6 dB的接收動(dòng)態(tài)范圍，可以充分表現(xiàn)出本系統(tǒng)的優(yōu)異性能。對于40 GBd PDM-64QAM調(diào)制信號(hào)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)總?cè)萘繛?80 Gbps（40 GBd×6 bit×2 pol），剔除20%開銷后，系統(tǒng)凈速率仍然可達(dá)到400 Gbps。

2.2 實(shí)時(shí)超100 Gbps傳輸驗(yàn)證與演示

基于光纖-無線-光纖傳輸架構(gòu)和雙極化SISO無線鏈路的實(shí)時(shí)100 GbE超100 m無線傳輸?shù)墓庾虞o助W波段無線通信系統(tǒng)如圖3（a）所示。該系統(tǒng)主要由光發(fā)射機(jī)、光-無線轉(zhuǎn)換模塊、無線-光轉(zhuǎn)換模塊、光接收機(jī)以及兩段光纖鏈路和一段無線鏈路等六個(gè)部分組成。其中，光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)的配置相同，都采用商業(yè)成熟的100 GbE數(shù)字相干光（DCO，Digital Coherent Optical）模塊，前者用于實(shí)時(shí)產(chǎn)生 125 Gbps 的PDM-QPSK 信號(hào)，而后者則利用相干光通信技術(shù)實(shí)現(xiàn) 125 Gbps PDM-QPSK信號(hào)的實(shí)時(shí)接收。

圖3 基于光纖-無線-光纖傳輸架構(gòu)和雙極化無線SISO鏈路的實(shí)時(shí)100 GbE超100 m無線傳輸?shù)墓庾虞o助W波段無線通信系統(tǒng)演示（（a）實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)架構(gòu)；（b）室外實(shí)驗(yàn)場地；（c）光-無線轉(zhuǎn)換模塊中耦合后的信號(hào)光譜）

在光發(fā)射機(jī)中，100 GbE DCO模塊實(shí)時(shí)產(chǎn)生31.379 GBd的PDM-QPSK光基帶信號(hào)，在滾降系數(shù)為0.2的情況下，該OPDM信號(hào)輸出總帶寬約為37.65 GHz（超過W波段35 GHz全帶寬）。經(jīng)過20 km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸后，用摻鉺光纖放大器補(bǔ)償光纖傳輸引起的功率損耗。

在光-無線轉(zhuǎn)換模塊中，通過光子輔助的方法產(chǎn)生所需的毫米波信號(hào)。首先，采用可調(diào)諧光濾波器抑制摻鉺光纖放大器引入的帶外放大自發(fā)輻射噪聲。其次，在通過偏振控制器調(diào)整合適的偏振狀態(tài)后，該OPDM信號(hào)光與由外腔激光器1產(chǎn)生的本振光在保偏光耦合器中耦合，耦合后的光譜圖如圖3（b）所示。同離線實(shí)驗(yàn)一樣，信號(hào)光和本振光中心頻率間隔為92.5 GHz。隨后，插入一個(gè)可調(diào)光衰減器以調(diào)節(jié)輸入光電探測器的光功率。接下來，采用與離線系統(tǒng)一致的光偏振分集探測和電正交模耦合方式，通過一個(gè)正交模轉(zhuǎn)換器把兩個(gè)偏振分支產(chǎn)生的92.5 GHz毫米波進(jìn)行極化復(fù)用，獲得一個(gè)125 Gb/s載波頻率為92.5 GHz的雙極化毫米波信號(hào)。

然后，同樣通過一對雙極化鏡頭校正天線來建立W波段電磁雙極化SISO無線鏈路，無線傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)100 m。為了應(yīng)對長距離無線傳輸時(shí)接收端易受多徑干擾的問題，選擇在紫金山實(shí)驗(yàn)室的兩棟樓之間進(jìn)行超100 m無線傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，照片如圖3（c）所示。其中，無線發(fā)射端放置在紫金山實(shí)驗(yàn)室中心樓的四層頂樓，而接收端則放置在紫金山實(shí)驗(yàn)室B1樓的第八層空曠窗口（共有十層）。為了提高毫米波接收功率，在接收天線前放置一個(gè)自制的聚四氟乙烯透鏡，其直徑為30 cm，焦距為50 cm，可以提供約50 dBi的增益[19]，以聚焦由長距離傳輸而引起發(fā)散的毫米波波束。

為了實(shí)現(xiàn)100 GbE信號(hào)的實(shí)時(shí)光相干接收，需要在無線-光轉(zhuǎn)換模塊中實(shí)現(xiàn)毫米波頻段到光基帶的透明轉(zhuǎn)換。這可以通過以下兩個(gè)步驟進(jìn)行：首先實(shí)現(xiàn)從毫米波頻段到中頻信號(hào)的電下變頻，其次是電光重調(diào)制和濾波，進(jìn)一步將獲得的電中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為所需的光基帶信號(hào)。如圖3（a）中所示，通過正交模轉(zhuǎn)換器將接收到的雙極化毫米波信號(hào)重新分成兩個(gè)正交電極化（H極化和V極化），然后使用同樣的六倍頻W波段集成諧波混頻器實(shí)現(xiàn)兩路毫米波信號(hào)的下變頻。其中，設(shè)置射頻源頻率為18.65 GHz，于是，92.5 GHz的毫米波信號(hào)被下變換為19.4 GHz的中頻信號(hào)。接著，通過級聯(lián)放大之后，將得到的兩路中頻信號(hào)分別饋入兩個(gè)相同的強(qiáng)度調(diào)制器（IM,Intensity Modulator）以實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。一個(gè)與發(fā)射端傳輸?shù)腛PDM信號(hào)存在23.8 GHz頻率間隔的外腔激光器2作為兩個(gè)IM的輸入光載波，其輸入功率通過保偏分束器均勻分配到兩個(gè)支路。通過將每個(gè)IM偏置在傳輸空點(diǎn)，可以在兩個(gè)支路中實(shí)現(xiàn)載波抑制雙邊帶調(diào)制。隨后，兩路載波抑制雙邊帶信號(hào)在適當(dāng)?shù)钠窨刂葡峦ㄟ^一個(gè)偏振合束器再次耦合，從而可以獲得一個(gè)偏振復(fù)用的載波抑制雙邊帶光信號(hào)。該載波抑制雙邊帶信號(hào)首先由第二個(gè)摻鉺光纖放大器進(jìn)行功率放大，然后饋送到第二個(gè)光可調(diào)濾波器，通過濾除其中一個(gè)邊帶和不需要的自發(fā)輻射噪聲，可以獲得中心波長為1 549.279 nm的PDM-QPSK光基帶信號(hào)。

在接收端，將經(jīng)過另一段20 km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸后的PDM-QPSK光基帶信號(hào)饋入到光接收機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)接收并計(jì)算誤碼率。本實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)中各關(guān)鍵器件參數(shù)如表3所示，其中部分W波段器件如低噪聲放大器、正交模轉(zhuǎn)換器和雙極化鏡頭校正天線等參數(shù)同離線系統(tǒng)一致，表3中不再重復(fù)展示。

表3 實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)關(guān)鍵器件參數(shù)

實(shí)時(shí)傳輸性能測試結(jié)果如圖4所示，圖4（a）首先給出了在兩段20 km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和3 m/100 m兩個(gè)不同無線傳輸距離下，誤碼率隨不同PD輸入光功率的變化曲線。其中，無線傳輸3 m在室內(nèi)完成驗(yàn)證，而無線傳輸100 m則通過圖3（c）所示的場景完成驗(yàn)證。從驗(yàn)證結(jié)果可以看出，在3 m無線鏈路傳輸條件下光毫米波轉(zhuǎn)換的最佳光功率為5 dBm，而100 m條件下的最佳光功率則為6 dB，相較于3 m無線鏈路增大了1 dB。當(dāng)PD輸入光功率超過最佳功率值時(shí)，由于PD的飽和效應(yīng)，誤碼率性能會(huì)降低。此外，若要滿足7% HD-FEC閾值條件，3 m無線鏈路和100 m無線鏈路需要的光功率分別為-0.5 dBm和4.5 dBm。其中，對于100 m無線傳輸，滿足要求的PD輸入光功率范圍為4.5～7 dBm，展現(xiàn)了一個(gè)2.5 dB的功率裕度。

圖4 實(shí)時(shí)傳輸性能測試（誤碼率隨（a）PD輸入光功率和（b）DCO接收光功率變化曲線）

在最佳PD輸入光功率條件下，進(jìn)一步研究了誤碼率隨不同DCO接收光功率的變化情況，結(jié)果如圖4（b）所示。在7% HD-FEC閾值門限下，3 m和100 m的接收靈敏度分別為-28.1 dBm和-22.8 dBm。因此，100 m無線傳輸引入的接收靈敏度代價(jià)超過5.3 dB。此外，當(dāng)接收光功率超過-20 dBm時(shí)，可以獲得一個(gè)穩(wěn)定的傳輸性能。綜上，本實(shí)時(shí)系統(tǒng)在100 m無線傳輸情況下支持的總傳輸容量為125 Gbps，剔除7%的FEC開銷后，可實(shí)現(xiàn)的凈速率為117.3 Gbps。

3 結(jié)束語

為了解決傳統(tǒng)2×2 MIMO無線鏈路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多天線對準(zhǔn)困難和通道間串?dāng)_大等問題，本文提出了面向OPDM信號(hào)的SISO無線鏈路透明轉(zhuǎn)換方案，通過采用正交模轉(zhuǎn)換器和雙極化鏡頭校正天線，在W波段基于雙極化SISO無線鏈路分別從離線和實(shí)時(shí)兩方面對大容量光子輔助亞太赫茲無線通信系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證與演示。無論是單通道空口速率超400 Gbps的大容量離線通信，還是實(shí)時(shí)125 Gbps超100 m的超長距離無線傳輸實(shí)驗(yàn)，均打破W波段無線通信的已有紀(jì)錄，對未來6G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展具有極大促進(jìn)意義。