基于滤波器组多载波的强度调制直接检测光通信理论与关键技术研究

Intensity modulation direct detection (IM/DD) is among the most important categories of optical communications. To obtain high spectral efficiency and configuration flexibility, optical orthogonal frequency division multiplexing based multicarrier modulation has been widely adopted in IM/DD communication, however, it suffers from several inherent drawbacks such as requiring heavy data overhead and stringent frequency/time synchronization. To remedy those flaws and meet the vision of future optical communications, filter bank multi-carrier (FBMC) is recently proposed as a new candidate transmission technology for IM/DD channel. Related studies confirmed its feasibility, potential academic and application values. Nevertheless, as a new technology, FBMC based IM/DD communication encounters many theoretical and technological issues. In view of this, this project is proposed to establish a preliminary theory and technology framework for FBMC based IM/DD communication by solving the key scientific problems. To this goal, the project would study with emphases on basic framework for transceiver design, achievable rate, signal detection and power/rate/direct current bias optimization. The research contents span from fundamental information theoretics, key transmission technologies to resource allocation strategies. Expected research output will help span the related research area and provide theoretical and technological supports on the development of future optical communications.

强度调制直接检测是一类重要的光通信方式。为获得较高的频谱效率和系统配置的灵活性，在这种光通信方式中，基于光正交频分复用的多载波传输技术目前被大量采用，但该技术存在额外开销大、同步要求高等内在缺点。为克服现有技术的缺陷，更好地适应未来光通信的发展愿景，近期，滤波器组多载波被提出作为强度调制直接检测光通信的新候选传输技术，相关研究初步证实了它的可行性、研究价值和应用前景。然而，作为一种新的技术方案，基于滤波器组多载波的强度调制直接检测光通信还存在诸多亟待解决的理论和技术问题。本项目拟围绕其中的关键科学问题展开研究，最终目标是初步建立该研究领域的理论和技术体系。基于此，本项目将重点研究收发端的基本信号处理、系统可达速率、高效信号检测和功率/速率/直流偏置优化等内容，涉及基础信息理论、关键传输技术和资源优化策略三个不同层面，预期成果将有利于拓宽相关研究领域，为光通信发展提供可行的理论和技术支持。

传统的多载波光无线通信技术大都采用正交频分复用波形，但是作为一种正交传输技术，正交频分复用波形对同步要求高，且易受载波频偏和窄带干扰，而且从信息论角度看，正交传输不能获取全部信道容量域。针对这些问题，本项目研究基于滤波器组多载波方案的光无线通信系统，它可看成是正交频分复用波形的扩展形式。项目主要研究了滤波器组多载波传输框架、信息基础理论、信号检测技术和资源分配与优化方法等。项目首先提出了非正交滤波器组多载波传输方案框架，该框架突破了传统的从信号处理领域沿袭下来的实数域正交滤波器组多载波系统设计思路，通过舍弃完全重构约束条件，释放了子带滤波器设计的自由度，相比于传统系统方案，该框架除具备一般滤波器组多载波所具有的优势外，还具有所需滤波器阶数低、信号检测复杂度低、传输性能优良等优点，而且本项目从信息论角度证明了该框架是容量可达的，这扩展了滤波器组多载波的优化空间和应用前景。其次，项目从信息论角度研究了影响系统可达速率的关键因素，结果表明子带分配方式，上采样因子和滤波器系数，以及它们合成的滤波器组发送矩阵的非零奇异值个数等因素对可达速率的影响较大。为逼近上述可达速率，本项目还研究了高性能低复杂度信号检测方法，提出了去除分析滤波器组的迭代线性信号检测方法，该方法不仅计算复杂度低进一步降低，而且检测性能优于现有文献的方法。最后，针对非正交设计对子带滤波器设计带来的新的自由度，本项目还研究了如何充分利用这些自由度来设计出最优的子带滤波器，使系统性能最大化，给出了和速率最优的子带滤波器系数设计方法，证实了可用低阶滤波器获取非正交设计的大部分性能增益。此外，本项目还研究了有关的信道估计、干扰消除等内容，并提出了光移动通信的概念，以能量在多用户间的精准传送为特征，将现有室内可见光通信、室外自由空间光通信的应用场景进一步扩展到了移动通信领域。