【科研进展】实验室“面向6G的太赫兹光纤一体融合通信系统：架构、关键技术与验证”论文成果入选<<中国科学：信息科学>>封面论文
近日，东南大学移动通信全国重点实验室和网络通信与安全紫金山实验室
尤肖虎教授团队、朱敏副教授课题组的邀稿论文
“面向6G的太赫兹光纤一体融合通信系统：架构、关键技术与验证”（中文版）、Ultra-wideband fiber-THz-fiber seamless integration communication system toward 6G: architecture, key techniques, and testbed implementation（英文版）
在《中国科学：信息科学》中英文版双发报道，
论文同时成功被遴选为2023年开年首期的中英文版封面文章
其中，中文版对应第53卷第1期，英文版对应第66卷第1期
太赫兹通信被普遍认为是未来6G移动通信系统的核心组成部分。通过对国内外太赫兹无线通信系统中太赫兹上变频与下变频主要技术路线进行分析与对比，本文提出了一种超宽带太赫兹光纤一体融合实时系统新型架构，借助于商业成熟的数字相干光模块（Digital Coherent Optics，DCO），解决超高容量6G太赫兹实时无线通信难题。考虑到光电器件带宽受限，利用超宽带太赫兹信号多维调制技术，提升频谱效率和传输容量。针对复杂时变的太赫兹光纤混合信道，提出基于深度神经网络（Deep Neural Network，DNN）的智能非线性联合补偿技术，有效解决太赫兹光纤混合信道信噪比受限问题。基于上述架构和关键技术，完成了世界上首个360~430 GHz光子太赫兹100/200 GbE实时无线传输通信实验，创造出目前世界上太赫兹无线通信的最高实时传输记录，通信速率较5G提升10到20倍。本文提出的技术方案可实现与高速光纤网络的无缝融合，在太赫兹与光信号之间平滑转换，且能够充分复用商用化DCO，兼容IEEE 802.3和ITU-T G.798物理层传输协议，显著降低研发技术门槛和成本，大大加速6G太赫兹技术商用化进程。本文还从大容量、长距离和集成化等方面，对太赫兹光纤一体融合通信技术的未来发展方向及关键技术进行了展望。
图 | 360~430 GHz光子太赫兹100/200 GbE实时无线传输通信实验系统
本文提出了如下关键技术：
（1）超宽带太赫兹光纤一体融合实时传输架构。100 Gb/s以上的超高速太赫兹移动通信面临的一个关键问题和难题是超宽带无线信号的实时处理。高速无线信号实时收发模块研发周期长、成本昂贵、功耗高、体积庞大，大大限制了超宽带太赫兹实时通信系统的实用化和商业化进程。相反，得益于光纤通信的高速发展，超宽带光信号的实时发送和接收技术日趋成熟，且集成度高，实时通信速率可高达800 GbE。本文首创的太赫兹光纤一体融合的实时传输架构，能与目前快速发展的光纤通信在系统构架和IEEE 802.3、ITU-T G.798传输体制上实现完美融合，借助商业成熟的数字相干光模块DCO，有效解决6G超宽带太赫兹实时通信难题。
图 | “光纤-太赫兹-光纤”一体融合系统架构
（2）双偏振光子上变频太赫兹产生和光电混合下变频太赫兹接收技术。现有的绝大多数光子太赫兹通信系统，接收部分采用全电子下变频方式，且没有考虑到与高速光传输链路的融合问题，架构设计较为简单直接，并不能满足未来6G太赫兹通信室内室外连续覆盖的迫切要求。本文提出的双偏振光子上变频太赫兹产生技术，实现光纤双偏振传输与太赫兹MIMO空间传输的联合复用，有效提升光子太赫兹传输系统的频谱效率与系统容量；提出的光电混合下变频太赫兹接收技术，可以实现在太赫兹信号与光波信号之间的平滑切换，显著降低太赫兹无线通信系统技术研发的门槛，系统性解决“光纤-太赫兹-光纤”无缝融合的应用难题。
（3）逼近香农极限的超宽带太赫兹信号多维调制技术。超宽带太赫兹调制信号，尤其对于T比特级通信速率，通常具有较高的波特率和较大的带宽，商用光电器件带宽受限，往往导致传输信号质量恶化。已有的光子太赫兹传输系统仅仅简单而孤立地采用复用技术、星座整形技术或高阶调制技术等，没有考虑到调制格式对太赫兹光纤混合信道变化的自适应性，离香农极限也有一定差距。本文提出超宽带太赫兹信号多维调制技术，根据太赫兹光纤混合信道的实际情况，采用基于端对端自编码学习的混合星座整形技术，自适应调节星座点的位置和分布概率，最大化传输系统的容量。采用脉冲成形技术，压缩基带信号的频谱带宽，提升频谱效率，降低由光电器件带宽受限而带来的符号间串扰（Inter-Symbol Interference，ISI）。利用波分复用、偏振复用和MIMO空分复用等多维复用技术，提高融合系统的频谱效率和传输容量来进一步逼近香农传输极限，有助于实现6G太赫兹T比特级传输。
图 | 高频谱效率超宽带太赫兹信号调制的5个维度
（4）太赫兹光纤混合信道智能非线性补偿技术。本文提出的“光纤-太赫兹-光纤”一体融合系统，具有复杂时变的光纤和太赫兹混合信道。尤其对于百米和公里级传输距离，接收信号经历了各种光电器件和混合信道的多重损伤，每个线性和非线性损伤都会降低信号的信噪比SNR，而多种损伤的叠加会进一步限制传输系统的通信性能。采用传统常规的数字均衡器，很难高效补偿混合信道的非线性损伤。因此，提出基于深度神经网络DNN的智能非线性联合补偿技术，具有对复杂多变的混合信道感知能力和自适应能力，可以提取时变的高维非线性失真分量，实现复杂信道环境下超宽带太赫兹信号高灵敏度解调，有效解决太赫兹光纤混合信道SNR受限问题，为实现百米和公里级传输提供解决方案。
图 | 太赫兹光纤混合信道智能非线性损伤补偿技术
该项工作完成人包括：东南大学移动通信全国重点实验室和网络通信与安全紫金山实验室朱敏副教授、张教博士、华炳昌博士、雷明政博士、蔡沅成博士、田亮博士、王东明教授、许巍教授、张川教授、黄永明教授和尤肖虎教授；以及复旦大学的余建军教授。本文的通讯作者是尤肖虎教授。该项目成果已成功入选2021年中国通信学会十大科技进展且荣获2022年日内瓦国家发明展金奖。
《中国科学：信息科学》(中文版)创刊于2009年，是由中国科学院主管，中国科学院、国家自然科学基金委员会主办的期刊。《中国科学：信息科学》力求刊载信息科学领域最高学术水平的中文文章，及时报道计算机科学与技术、控制科学与控制工程、通信与信息系统、电子科学与技术等领域基础与应用研究方面的原创性成果。推动信息科学技术发展，搭建理论与技术应用的桥梁，促进与各学科、各行业的交叉融合。
《SCIENCE CHINA Information Sciences》(英文版)和《中国科学：信息科学》（中文版）两者相互独立，只有少部分高质量创新性论文才被编辑接受中英文双发。该英文版2023年最新影响因子为7.275，属于JCR1区、中科院2区高水平SCI期刊。
Reference:
朱敏, 张教, 华炳昌, 雷明政，蔡沅成，田亮，王东明，许威，张川，黄永明，余建军，尤肖虎等, "面向6G的太赫兹光纤一体融合通信系统：架构、关键技术与验证"， 中国科学：信息科学，vol. 53, no. 1, 2023. （中文版）
M. Zhu et al., "Ultra-wideband fiber-THz-fiber seamless integration communication system toward 6G: architecture, key techniques, and testbed implementation," Science China Information Sciences, vol. 66, no. 1, 2022. （英文版）
排版| 编辑| 蔡沅成
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