Digital signalbehandling til højkapacitets indendørs optiske trådløse kommunikationssystemer

Med vores øgede brug af smartphones og behov for video i realtid, forventes fremtidige indendørs netværk at give problemfri trådløs dækning, samtidig med at de understøtter højere forbindelsestæthed og højere kapacitet med høj strømeffektivitet. Som følge heraf vil traditionel radiobaseret trådløs kommunikation, med andre ord WiFi, kæmpe for at opfylde disse krav. En måde at løse dette på er at bruge optiske trådløse kommunikationsnetværk. For hendes ph.d. forskning fokuserede Liuyan Chen på avanceret signalbehandling ved hjælp af højeffektive digitale signalbehandlingsteknikker for at forbedre mulighederne i OWC-netværk.

Optisk trådløs kommunikation (OWC) er en lovende tilgang, der kan supplere traditionelle indendørs netværk. Et koncept med todimensionel (2D) infrarød (IR) strålestyret OWC, der bruger smalle infrarøde stråler til informationstransmission, er blevet foreslået til højkapacitets indendørs OWC-systemer af Ton Koonen.

De smalle stråler fra OWC kan styres i forskellige retninger, og hver stråle betjener kun en enkelt brugerenhed, såsom en bærbar computer eller smartphone. En person kan således nyde en dedikeret højhastighedsforbindelse til internettet uden problemer med overbelastning og privatliv.

I mellemtiden har lavkompleksitet, højeffektiv digital signalbehandling (DSP) teknikken været til gavn for OWC-systemer, da den forbedrer spektrumeffektiviteten og signalkvaliteten, samtidig med at systemets kapacitet øges på en omkostningseffektiv måde. I sin ph.d. forskning, fokuserede Liuyan Chen på avanceret signalbehandling ved hjælp af DSP-teknikker til at tage sig af behandling af de trådløse signaler og forberede dem til OWC-systemet ved høje forbindelsestætheder og med Gigabit-per-sekund kapacitet, langt ud over det nuværende radiobaserede (Wi- Fi) systemer kan opnå.

Digital Nyquist-filtrering

I et 2D IR-strålestyret OWC-system, der bruger optiske AWGR-moduler, kræves der en større rumlig opløsning for strålestyring (tættere AWGR-gitter) for at opnå større trådløs rumlig dækning og højere trådløse forbindelsestætheder. Dette kommer dog på bekostning af en kompromitteret OWC-kapacitet pr. stråle.

Chen foreslog at drage fordel af den digitale Nyquist-filtreringsteknik til at løse dette problem. Ved at forme det transmitterede signal til snæver spektral belægning med høj out-of-band undertrykkelse, kan den inter-kanal krydstale, der er et resultat af den ufuldkomne AWGR-filtrering, reduceres, hvilket gør det muligt at bruge et tættere AWGR-gitter. Også en større kanalkapacitet er opnåelig med det forbedrede spektrumeffektive signal. Den foreslåede metode er blevet eksperimentelt demonstreret over en 6-GHz båndbreddebegrænset AWGR-baseret 1,1-m IR OWC-forbindelse med 20-Gbit/s OWC-kapaciteten ved brug af PAM-4-format.

Ikke-heltal oversampling

Som omkostningerne ved at eliminere afvejningen mellem OWC-kapacitet pr. stråle og strålestyrings rumlige opløsning, fører den digitale Nyquist-filtrering til yderligere hardwareimplementeringskompleksitet. Den resulterende fordoblede samplerate kræver dyre datakonvertere med højere hastighed.

For at løse dette foreslog Chen brugen af ​​en ikke-heltals oversampling-tilgang for at reducere hardwareimplementeringens kompleksitet og strømforbruget af dette system. Chen verificerede metoden eksperimentelt og undersøgte virkningen af ​​ikke-heltals oversampling i den 12,5 GHz kanalafstand på 6 GHz båndbreddebegrænset AWGR-baseret 1,1 m IR OWC-link med en kapacitet på 20 Gbit/s. Samplingshastigheden er minimeret til en 1,1-fold symbolhastighed med en 11-GS/s DAC-samplinghastighed. Sammenlignet med 2-fold oversampling Nyquist PAM-4-systemet er DAC-samplingfrekvenskravet lempet med 55 %, med en omkostning på 2,3 dB effektstraf ved 7 % FEC-grænsen på 1×10 ^-3 .

Parallel arkitektur

DSP-teknikker med lav kompleksitet har vist sig at være effektive til OWC-systemer med høj kapacitet til lave omkostninger. I et forsøg på praktisk realisering implementerede Chen også realtids-DSP baseret på FPGA-platformen.

Men den klassiske semi-parallelle implementeringsarkitektur introducerer alvorlig latenstid på grund af den massive mellemliggende datacache, som hindrer de latenstidskritiske applikationer. Derfor foreslog Chen en dybt parallel arkitektur, der ikke kræver massiv mellemliggende datacache for at reducere den totale DSP-indførte latency. En FPGA-baseret real-time PAM-4-modtager med dybt parallel fuldt pipeline DSP-implementering er eksperimentelt demonstreret i en fiberlink.

De foreslåede løsninger fra Chens forskning har et stort løfte om fremtidige højkapacitets høj-trådløse-forbindelse-densitet indendørs netværk. + Udforsk yderligere

Demonstrerer en 1-Pbps orbital vinkelmomentum fiberoptisk transmission