━━━━
當今社會，光纖通信憑借傳輸頻帶寬、抗干擾性強以及信號衰減小等諸多優勢，已然成為通信網絡的重要支柱。簡而言之，光纖通信就是將已轉換為電信號的信息調制到激光器發出的激光束上成為光信號，再發送到光導纖維并以光的全反射原理進行傳輸。在接收端，相干檢測光纖通信系統可以利用本地激光器發出的本振光源與接收信號進行相干探測。與之前得到廣泛應用的直接檢測光纖通信系統相比，其在提取信號振幅信息的同時還能提取到信號的相位信息，有利于增加通信速率和通信容量以及進行更有效的信號均衡。所以近些年來，相干檢測光纖通信系統發展迅猛，正在從單波長信道100千兆比特每秒（Gbit/s）系統（以下簡稱100G系統）向著200Gbit/s~800Gbit/s的超100G系統演進。
在高速光纖通信系統快速發展的過程中，雷電天氣下的通信中斷問題使得Coriant、New Ridge Technology、中興及華為等眾多通信設備制造商倍感頭疼。為此，Coriant公司還發表過一篇白皮書《雷電與100G光纖通信傳送系統》，試圖探析其背后的機理。New Ridge Technology公司總裁亨利?亞夫（Henry Yaffe）博士更是生動地指出：“一部分用戶打電話或者發電子郵件給我，報告他們（曾在雷雨天）由于光纖鏈路中偏振態的瞬間變化致使相干接收機失鎖而導致通信中斷。偏振態會在雷電發起的初期（幾十微秒內）迅速變化，其變化速率可達上百千弧度每秒（krad/s），有時甚至達到1兆弧度每秒（Mrad/s），隨后系統經歷幾毫秒的恢復時間才回到穩定狀態。”這里提到的偏振態是光纖中光信號的屬性，即光在介質中會以不同的偏振態進行傳播，正因如此，光纖通信系統經常利用兩個相互正交的偏振態來傳輸不同的信號，即偏分復用，以求得通信容量的加倍。實際的光纖往往存在某種程度的不完善，例如纖芯的橢圓形變、光纖內部的殘余應力等，或者光纖受到外界的干擾，這些都會使得光纖內部的本征偏振模式產生不同的傳播速度，從而形成雙折射。雙折射的存在，勢必會引起光信號在光纖中傳輸時發生偏振態變化（RSOP）；同時，雙折射還會使得光信號在傳輸過程中分解出兩個不同的本征偏振模式，兩者傳輸的不同步使得最終到達接收端的信號在合成時發生畸變，即由偏振模色散（PMD）造成的光信號損傷，這對高速光纖通信系統的影響尤為顯著。為了盡可能地恢復在光纖傳輸過程中遭受到RSOP和PMD等損傷的信號，在接收端往往會采用相應的均衡算法加以補償。雷電在本質上是一種自然的放電現象，其產生的強電場與強磁場會在架空光纜的光纖中引發克爾效應與法拉第效應，其中前者是一種電光效應，即外部電場會使介質產生雙折射，從而使光纖中的偏振態發生改變，而后者是一種磁光效應，即外部磁場可以造成光纖中偏振態的整體旋轉。正是由于這兩種效應的疊加，在雷電發生地點周圍幾百公里的光纖中會產生快速變化的雙折射，進而引發光纖中產生高達兆弧度每秒的超快RSOP以及產生數倍于符號周期的大PMD，而這遠遠超過了接收機中預設的傳統偏振損傷均衡算法的跟蹤能力，使得接收機無法處理接收到的信號，即接收機處于失鎖狀態，最終造成通信發生中斷。這就是由雷電引發高速光纖通信之困的成因所在。雖知其因，但國內外的電信運營商和設備制造商卻長期苦于尋求破解之法，于是在雷電等極端場景下如何對光纖通信系統中產生的超快RSOP和大PMD進行跟蹤和均衡成了一個世界性難題。北京郵電大學張曉光教授研究團隊立足于對光纖通信系統的深入研究以及對雷電造成光纖通信系統中斷機理的深刻理解，提出了完備的RSOP建模理論，并以此為基礎創新性地提出了一種基于新架構的卡爾曼（Kalman）濾波器算法，其最主要的優勢在于能夠一并均衡相干接收機中由RSOP和PMD造成的偏振損傷，且在收斂速度上比傳統的均衡算法有了顯著的提升。該算法為解決這一世界性難題提供了一個行之有效的解決方案。要想解決極端場景下超快RSOP的均衡問題，首先就要對光纖中的RSOP模型進行剖析，深入理解其產生信道損傷的物理機制，才能對癥下藥，設計出均衡效果更好的算法。目前，對于RSOP的建模，雖有多種不同的表征形式，但幾乎所有的文獻采用的都是基于兩參量（即兩自由度）的描述。如果接受兩參量的RSOP模型是完備的這一假設，那么采用某一種表征形式所對應的損傷模型應可以由另一種表征形式所對應的恢復模型進行補償，然而研究團隊發現這是無法做到的，這也就是說表征形式不同的模型之間并不等價。此外，對偏振控制器的描述是三參量的，其核心也是在表征完備的偏振態變化情況，這也為RSOP的正確建模提供了一個可供思考的角度。研究團隊還通過嚴謹的理論分析，最終給出結論：目前普遍采用的兩參量RSOP模型是不完備的，而完備的描述則需要3個獨立參量。對于眾多文獻長期采用兩參量來建模RSOP，研究團隊認為其原因可能是業界對偏振態和RSOP的概念有所混淆：正如前文所述，偏振態是光纖中光信號的屬性，描述任意的偏振態只需要2個參量即可；而RSOP是光信號在光纖信道的傳輸過程中產生的偏振態改變，若想完備描述則需要3個參量。研究團隊提出的這種三參量的RSOP模型，糾正了對以往RSOP建模及理解的錯誤，為研究團隊實現對RSOP的有效均衡以及繼續破解雷電引發的高速光纖通信之困奠定了堅實的理論基礎。目前，光纖通信系統的相干接收機采用的偏振均衡算法大多是以恒模算法（CMA）為代表的多輸入多輸出（MIMO）算法，其采用多抽頭的有限沖激響應（FIR）濾波器結構，一次需要處理多個符號的運算（符號數即為抽頭數），這需要耗費接收機中大量的存儲資源，也會大大延緩算法的收斂速度，進而容易導致在雷電天氣下喪失對RSOP和PMD的跟蹤能力，使得在接收機側無法予以相應地均衡，最終接收到的光信號仍然損傷嚴重。這正是前文亨利?亞夫所描述情形的癥結所在，因此，破解雷電引發的高速光纖通信之困的關鍵是尋找到一種合適的偏振均衡算法。1960年，卡爾曼濾波器一經提出便被用于解決美國“阿波羅”登月計劃的軌道預測問題，隨后經過不斷地完善和發展成為重要的估計理論，在雷達目標跟蹤、衛星定位、組合導航、圖像信息融合、工業故障診斷和智能機器人等諸多領域有著廣泛的應用和良好的表現。簡而言之，卡爾曼濾波器是一種在噪聲背景下恢復數據的信息處理算法，其采用狀態空間對所研究的系統進行描述，用在測量空間中得到的測量量來構造判據，并采用遞推計算實現系統狀態的實時估計與更新。對于跟蹤極端場景下的超快RSOP，卡爾曼濾波器或許是一個不錯的選擇。然而需要特別注意的是，這種傳統的卡爾曼濾波器是以時域遞歸方式進行構造的，若將之用于偏分解復用，其對PMD的容忍度不會超過符號周期的0.4倍，而一個28G波特率的100G偏分復用系統的一個符號周期約為36皮秒（ps），這也就是說傳統的時域卡爾曼濾波器對PMD的容忍度只有14.4ps。而在極端場景下，相干接收機需要一種能夠兼顧補償超快RSOP和大PMD的算法，但這一難題的核心矛盾就在于RSOP是在時域造成的損傷，而PMD是在頻域造成的損傷。顯然，無往而不利的傳統時域卡爾曼濾波器，當面對這種復雜情形時，似乎也只能望洋興嘆。于是研究團隊產生了一個大膽的構想：是否有可能通過建立一種架構，使卡爾曼濾波器在時-頻域都能夠運行，并實現對時域超快RSOP和頻域大PMD均衡的兼顧呢？繼往開來：新架構卡爾曼濾波器
研究團隊經過深入的研究，通過構造一種特殊的滑窗式結構，如圖1所示，將傳統的時域卡爾曼濾波器架構擴展為一種新的時-頻兩域的卡爾曼濾波器架構，如圖2所示。在對卡爾曼濾波器進行恰當的初始化之后，該架構以滑窗式結構截取的固定數量的輸入符號作為信號隊列，通過快速傅里葉變換（FFT）將時域信號變換到頻域，利用卡爾曼濾波器提供的部分參量（即PMD三個分量）經PMD補償模塊實現其均衡，再通過快速傅里葉反變換（IFFT）把頻域信號變回到時域，利用卡爾曼濾波器提供的部分參量（即RSOP三個參量）經RSOP補償模塊實現其均衡，之后將完成此次均衡的信號反饋給卡爾曼濾波器，由其校正模塊執行基于相應測量量的狀態更新，再以其預測模塊給出的新的狀態估計作為下一次信號補償的參量，并通過多次迭代實現對參量的跟蹤，直至卡爾曼濾波器收斂，此時刻的輸出即滿足由相應測量量構造的判據，也即消除了PMD和RSOP造成的信號損傷。下一時刻，窗口向前滑動得到新的信號隊列，重復上述步驟，以此實現對輸入信號的有效均衡。
圖3較為全面和直觀地展現了這種基于新架構的時-頻域卡爾曼濾波器的損傷均衡算法（以下簡稱新架構卡爾曼算法）的偏振均衡性能，并以傳統的CMA作為比較對象。當差分群時延（DGD）為100ps時，圖3（a）展現了新架構卡爾曼算法和傳統的CMA在不同RSOP速度下得到的誤碼率（BER）隨光信噪比（OSNR）的變化情況，從中可以看到，若以BER在前向糾錯（FEC）閾值之下作為判定算法性能較優的標準，CMA只能勉強跟蹤200krad/s的RSOP損傷，而新架構卡爾曼算法則可以從200krad/s的低速一直跟蹤RSOP到2Mrad/s的高速；當OSNR為14dB時，圖3（b）展現了新架構卡爾曼算法與傳統的CMA在不同DGD下跟蹤RSOP損傷的情況，從中可以看到，當DGD小于200ps時，CMA都只能跟蹤200krad/s的RSOP，而新架構卡爾曼算法則可以在20ps~190ps的不同DGD損傷下跟蹤超過2Mrad/s的RSOP，其BER曲線也均在FEC閾值之下且跟蹤趨勢穩定；當OSNR為14dB且DGD為190ps時，圖3（c）展現了新架構卡爾曼算法在RSOP為2Mrad/s情況下對PMD向量的3個分量的跟蹤能力，從中可以看到，其動態跟蹤能力非常之強，大約歷經500個符號周期（約18納秒）就能收斂于真實的PMD分量值。具體而言，對于一個28G波特率的100G偏分復用系統，新架構卡爾曼算法可以補償超過8個符號周期的PMD和高達幾兆弧度每秒的RSOP，這為破解極端場景下的高速光纖通信之困奠定了堅實的算法基礎。
━━━━
北京郵電大學張曉光教授研究團隊基于完備的三參量RSOP模型，提出了一種能夠聯合補償超快RSOP和大PMD的滑窗式結構時-頻域卡爾曼濾波器均衡算法，為解決由雷電等極端場景引發的光纖通信中斷提供了一種可行的方案。這雖是研究團隊眾多研究工作中的冰山一角，卻也是“二十年來磨一劍”的結晶。然而，研究團隊初步破解的極端場景下的高速光纖通信之困，也只是光通信萬里征途中翻越過的一座山丘，暫立山巔向前看，仍是重巒疊嶂、溝壑縱橫，仍會有康莊大道，也不免荊棘叢生。從2001年至今，張曉光教授研究團隊以“板凳甘做十年冷”的精神潛心研究相對冷門的光纖偏振效應對光纖通信信號損傷的機理與均衡技術。20年來，研究團隊先后承擔并完成了多項國家863計劃、國家自然科學基金、省部級科研項目及企業委托項目，2010年成功研制了中國第一臺偏振模色散補償樣機，2017年受國家出版基金資助出版了國內第一部關于偏振模色散的專著《光纖偏振模色散原理、測量與自適應補償技術》。社會需求的快速發展推動著信息技術的快速更迭，而下一代光纖通信系統必將有著更高的傳輸速率和更大的通信容量，光纖偏振效應對光通信系統的制約也會更為顯著，研究團隊也將繼續致力于相關領域的研究，仰望星空，緊跟時代，砥礪前行，為光通信事業做出新的貢獻。致謝：感謝國家自然科學基金項目“雷雨天氣光纖偏振態瞬變導致通信中斷的機理分析與光信號損傷均衡研究”（項目編號：62071065）、國家863面上項目“高速光纖通信傳輸系統中信號損傷動態結合的光電均衡技術”（項目編號：2009AA01Z224）、國家863計劃重點項目“光纖偏振模色散自適應補償技術”（項目編號：2001AA122041）。本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技縱覽》2021年2月刊。
張曉光：北京郵電大學電子工程學院教授、博士生導師、信息光子學與光通信國家重點實驗室信息光子學基礎研究中心主任。
席麗霞：北京郵電大學教授。
張文博：北京郵電大學副教授。
唐先鋒：北京郵電大學副教授。
張虎：北京郵電大學副教授。
肖曉晟：北京郵電大學副教授。
來源：悅智網
免責聲明：本公眾號目前所載內容為本公眾號原創、網絡轉載或根據非密公開性信息資料編輯整理，相關內容僅供參考及學習交流使用。由于部分文字、圖片等來源于互聯網，無法核實真實出處，如涉及相關爭議，請跟我們聯系。我們致力于保護作者知識產權或作品版權，本公眾號所載內容的知識產權或作品版權歸原作者所有。本公眾號擁有對此聲明的最終解釋權。
