[00129250]光子辅助毫米波通信技术

21 世纪是信息爆炸性增长的世纪。人们获取信息的需求是无止境的,从而带动了信息技术迅猛增长。在多种要素强力叠加驱动的大背景下,战略层面的新的宏观应用层出不穷,从物联网、云计算、大数据、移动社交网络到互联网+、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）再到人工智能等等。这一切都需要信息通信技术保驾护航甚至发挥中流砥柱的作用,打通信息高速公路在所难免! 现今通信行业甚至整个信息行业的发展趋势是无线化和宽带化。不论是在发达国家,还是如非洲等发展中国家,峰值速率达到 10 Gbps 的 5 G 移动通信正在如火如荼地布局开展,乃至2020前变成现实。 在当前我国“互联 网+”的大背景下,无线传输容量将会爆炸式增长,超高速无线信号需求迫在眉睫。至 2016 年底我国的手机网民规模达到 6.95 亿,使用手机上网人群比重由 2015 年的 90.1%上升至 95.1%。在已有的统计数据中,2016 年上半年中国国内的移动互联网络接入流量共计 37.5 亿 GB,同比增长 124%。当下发展火热的虚拟现实和增强现实产品中,设备和云平台之间的 1080P 和 4K 等高速 数据传输需要靠线缆直接连接,而这制约了产品的可用性和普适性。使用高速率的无线传输能摆脱数据线的束缚,极大提高用户的体验舒适度。基于以上所述背景,超高速无线信号需求迫在眉睫。在如今频谱资源严重紧缺的情况下,如何产生超高速无线信号成为一个难题。毫米波（30GHz-300GHz）因为有较高的频率,意味着更大的带宽,能传输更高的无线速率。但是目前传统的以电子方式产生毫米波信号的系统包括有源设备和无源频率谐振元件等,受限于电子器件的带宽,纯电器件的方式很难产生高频率且低相位噪声的毫米波。光子辅助毫米波通信技术能克服电子器件的带宽瓶颈,并且基于目前已成熟的大容量光纤传输技术,结合光纤通信大容量和无线通信移动性的优势,实现光纤通信和无线通信无缝融合,该技术正在成为研究热点。光子辅助毫米波通信技术不仅可以解决大容量移动数据接入互联网和智能设备间高速率无线传输的问题,还能用于深空通信和应急通信等方面。毫米波相比微波通信而言有更好的方向性,能降低信号功率损耗和提高传输保密性能;相比自由空间光通信而言,毫米波信号有更好的云层穿透性和绕射能力。在应急通信方面,例如地震和海啸等灾害导致光通信网络中光纤断裂时,可以利用光子辅助毫米波通信在光纤被破坏的区域进行临时无线传输通信。 本项目在光子辅助毫米波通信系统取得了一系列创新性成果,包括采用结构简单的毫米波产生技术,基于先进数字信号处理技术的外差相干探测技术,超长和超高速毫米波信号传输,和光纤和无线无缝融合先进的网络架构。在光子辅助高速宽带毫米波产生和传输技术方面,申请人采用光子辅助技术、多种多维复用技术、先进的高阶调制技术以及先进的数字信号处理技术,无论是在无线传输容量还是在无线传输距离上均取得了一系列突破性进展,创造了多项世界纪录。申请人实现了基于光子辅助的多波段双向大容量超长距离（＞2km）无线毫米波信号传输,证实了K波段和W波段均具有为未来的Gb/s数量级宽带移动数据通信提供千米数量级无线传输的巨大潜能。申请人实现了基于光子辅助的D波段超大容量（＞1Tb/s）无线矢量毫米波信号传输,证实了光子辅助毫米波通信技术用于满足增强型移动宽带（eMBB,下一代5G移动通信网络三大典型应用场景之一）超高数据率需求的可行性。申请人还先后提出并证实了一系列基于预编码和单个电光调制器的结构简单成本高效的光生矢量毫米波技术,可以实现Q、V、W波段上采用QPSK/8QAM/16QAM调制的高稳定度高纯度矢量毫米波信号的产生。这些简单和低成本的光生毫米波技术是确保未来光子辅助毫米波通信系统和网络实用化的关键之一。在宽带光纤无线融合系统与网络方面,申请人首次采用天线MIMO与光偏振复用/光多载波调制相结合的技术,实现了W波段/太赫兹波段上的100Gb/s大容量光纤无线融合系统。申请人创新性地实现了多种多维复用技术在毫米波波段的协调融合,从而成功搭建了一个超高速400Gb/s光纤无线融合系统。在基于外差相干检测和先进数字信号处理技术的先进网络架构方面,申请人采用天线极化分集技术实现了低串扰易安装的大容量光纤无线融合系统。申请人还首次采用针对偏振复用信号的光子调制和光子解调技术,实现了W波段上的100Gb/s大容量光纤-无线-光纤融合系统。申请人提出的上述新型大容量光纤无线融合系统与网络架构可应用在下一代5G移动通信、空间通信、大容量应急通信和宽带家庭等各种不同的应用场景中。