0　引言

随着网络用户的持续攀升，新型网络业务不断涌现，全球对于网络通信量的需求正急剧增长。一系列高新技术的涌现，让21世纪迈入信息爆炸的时代。如元宇宙、人工智能、大数据、云计算、虚拟现实、区块链和数据湖等技术，以指数级的速度扩大通信的容量需求^[1]。全球信息化转型的推进，将给网络通信需求带来深远的影响。

近年来，我国政府极力扶持超高速超大容量通信技术的发展^[2]。2021年，中国信通院发布《6G总体愿景与潜在关键技术白皮书》^[3]，提到：“6G将构建人机物智慧互联，智能体高效互通的新型网络。”诸如智慧家居、智慧校园、智慧建筑、无人机和空天卫星互联等新业务，将对通信容量和通信速率都造成巨大的考验。

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)^[4]多载波调制技术的使用，完成了传输速率从第三代移动通信(The 3th Generation Networks, 3G)的14.7 Mbit/s到第四代移动通信(The 4th Generation Networks, 4G)的1 Gbit/s这一飞跃，且再次成为第五代移动通信(The 5th Generation Networks, 5G)的核心技术。未来第六代移动通信(The 6th Generation Networks, 6G)的用户体验速率将是5G的10倍以上，频谱效率将是5G的3倍以上。6G的高性能指标对多载波多址传输技术提出了更加苛刻的要求。滤波正交频分复用(filter-OFDM, f -OFDM)^[5]、滤波器组多载波(Filter Bank Multi Carrier, FBMC) ^[6]、通用滤波多载波(Universal Filtered Multi Carrier, UFMC)^[7]和广义频分复用(Generalized Frequency Division Multiplexing, GFDM)^[8]共同成为欧盟SGNOW项目关注的多载波技术备选方案。OFDM是多载波调制的基础方案，其计算复杂度相对较低，但存在如带外泄漏高、依赖于循环前缀(Cyclic Prefix，CP)与循环后缀(Cyclic Suffix，CS)、峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)过高以及系统同步要求高等问题。新型的多载波调制技术主要针对OFDM的这些不足之处，根据实际信道环境进行优化改进。

研究新型多载波波形技术，进一步优化光纤通信性能效率，成为人们关注的焦点。当前业界研发人员已经从两个方面对广义多载波光通信技术展开了研究工作：(1) 继续优化和改进 OFDM波形，包括f -OFDM、离散多音(Discrete Multi Tone, DMT)调制、离散傅里叶变换扩频(Direct Fourier Transformer Spread, DFT-S)-OFDM；(2) 突破OFDM波形的限制，研发全新的多载波波形，例如FBMC和UFMC等波形方案，这些新波形技术具有带外功率泄漏低和无需严格同步等特点，可有效提升频谱利用率，并且适用于高可靠、大连接、灵活接入和突发通信等应用场景。本文重点讨论第2点，即新型多载波在光通信系统中的应用。首先回顾了OFDM光通信系统的发展历程，然后主要关注了FBMC以及UFMC光通信系统的最新进展。最后，总结并对未来新型多载波在光通信系统中的应用进行了展望。

本文常用的缩略语有：强度调制/直接检测(Intensity Modulation/Direct Detection，IM/DD)、相干光(Coherent Optical，CO)、无源光网络(Passive Optical Network，PON)、偏移正交幅度调制(Offset Quadrature Amplitude Modulation，OQAM)、数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)、超奈奎斯特(Faster-than-Nyquist，FTN)、离散傅里叶变换(Direct Fourier Transformer，DFT)和离散傅里叶逆变换(Inverse Direct Fourier Transformer，IDFT)。

1　OFDM光通信系统

1.1　OFDM信号数学模型

首先，简单介绍OFDM信号的一个基带OFDM发射端信号s(t)：

(1)

式中：N_s为OFDM帧包含OFDM符号数目；N为一个OFDM符号中的子载波数目；A_m，n为第n个OFDM符号中第m个子载波上携带的正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)符号；t为时间；j为虚数单位；T_s为一个OFDM符号的时间周期；为一个OFDM符号之间相邻子载波的频率间隔；g(t)为脉冲成型函数。OFDM光纤通信系统简图如图1所示。OFDM多载波发射端信号s(t)通过信道后，进入接收端，执行上述过程的逆运算，包括去除CP，串/并转换，DFT运算后将信号从时域转成频域，最后执行子载波解映射得到解析出的QAM符号。这种多载波信号通过增加CP来抵抗色散对信号质量的影响，频谱利用率逼近2 Baud/Hz，对比单载波通信大大提高。

图 1. OFDM信号传输模型

Fig. 1. Signal transmission model of OFDM

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1.2　OFDM光通信系统研究进展

本节统计了OFDM波形在光通信系统中的发展历史和相关研究报道。以美国南加州理工大学Willner教授团队和澳大利亚墨尔本大学Shieh教授团队为代表的众多学者对光通信OFDM展开了详尽讨论。同时期，国内外众多学者团队针对OFDM以及其他广义多载波光传输系统展开了广泛研究。2005年，英国学者Jolley提出直接调制生成100 Gbit/s的光OFDM信号^[9]；2006年，墨尔本大学在欧洲光通信大会上提出了OFDM-PON ^[10-11]；2008年，日本国际电信电话公司(KoKusai Denshim Denwa International，KDDI)提出了4 160 km长距离CO-OFDM信号传输^[12]。2010年，贝尔实验室实现了在80 GHz的波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)信道间隔中传输448 Gbit/s的OFDM信号^[13]。2016年，佐治亚理工大学提出了预均衡补偿法的OFDM光载无线(Radio over Fiber，RoF)系统 ^[14]；2022年，南安普敦大学提出了基于端到端机器学习的光OFDM性能优化技术^[15]。

国内众多科研团队紧随其后，开展了OFDM光通信的相关研究。2012年，北京邮电大学提出以BLAST算法来提高112 Gbit/s CO-OFDM系统的非线性容忍度^[16]。2012~2016年，北京大学提出CO-OFDM和CO-FBMC的频域信道估计和时域信道估计算法^[17]，同时期还提出了基于交织技术的 OFDM-PON；2017年，周骥博士提出了FTN-OFDM系统 ^[18]。

1.3　小结

OFDM在光纤通信领域应用广泛，算法研究成熟。常用的信道估计技术有：频域符号内平均的信道估计法和时域最大似然信道估计法。常用的相位噪声抑制技术有：Viterbi-Viterbi算法、公共相位误差估计法和正交基展开的相位抑制法。常用的非线性抑制技术有：数字反传技术和相位共轭波传输法。相应的DSP技术已经研究得十分深入，但也存在带外泄漏高、依赖CP、PAPR值过高和系统同步要求高等问题。新型的多载波调制技术，如FBMC和UFMC等，往往针对这些缺点作为突破口展开研究。

2　FBMC光通信系统

2.1　FBMC波形数学模型

FBMC信号将OFDM频域的复数信号分解成实部和虚部，在相邻的子载波上分别传输，通过频域偏移以及基带相位调制来保证基函数的实部正交性。这项技术又称为OQAM，所以FBMC又常被称为FBMC/OQAM。FBMC技术相比于OFDM，将基函数正交性从复数域放宽到实数域，同时添加了具有优良时频聚焦特性的滤波器组，用以保证不同FBMC/OQAM符号中不同子载波之间的信号在实数域两两正交。这样不仅可以去除CP，还可以通过滤波器组来抗击符号间串扰。图2所示为FBMC信号传输模型。FBMC基带信号s_FBMC(t)表示为

(2)

式中：x_l，k为第l子载波、第k时隙的脉冲幅度调制(Pulse Amplitude Modulation，PAM)符号，共计L个子载波，K个时隙；包含强时频聚焦特性的傅里叶变换g_l，k(t)为

(3)

式中，p(t)为具有强时频聚焦特性的滤波器；T为FBMC符号的时长；F是子载波之间的间隔。接收端DSP运算为上述过程的逆运算，解析出的符号为。

图 2. FBMC信号传输模型

Fig. 2. Signal transmission model of FBMC

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2.2　FBMC光通信系统研究进展

本节统计了FBMC波形在光通信系统中的最新研究报道。2017年，都柏林城市大学首次实验验证了FBMC-PON系统^[19]；2019年，布鲁塞尔自由大学研究了CO FBMC/OQAM系统中光纤引起的色散和激光引起的相位噪声的综合线性损伤^[20]；2020年，马来西亚国立大学提出了一种迭代软判决反馈均衡器，以补偿高速FBMC的信道损伤^[21]；2021年，巴伦西亚大学提出了一种翻转FBMC/OQAM^[22]。

国内对光FBMC传输系统的研究与国际上同步开始。2019年，北京大学报道了CO-FBMC的信道估计以及相位噪声抑制算法^[23]；2017年，华中科技大学提出了基于FBMC的超大容量多模多芯光接入网系统^[24]，该团队于2020年，首次使用Kramers-Kronig(KK)检测接收机接收FBMC多载波信号^[25]；2020年，北京邮电大学针对CO FBMC-OQAM系统，设计了一种同步和信道估计的联合算法^[26]；2020年，电子科技大学研究了一种用于IM/DD-PON的单边带裁剪DFT-S-FBMC，进一步降低了PAPR，提高了信号质量^[27]；2022年，苏州大学提出并实验证明了高速IM/DD FBMC/OQAM光通信系统，使用卷积神经网络均衡器降低了导频的开销^[28]。

2.3　小结

OFDM主瓣和旁瓣的功率差只有15 dB，而FBMC主瓣和旁瓣的功率差高达60 dB。OFDM信号带外功率泄漏比较严重，一则会降低当前波带的传输性能，二则会对相邻波带的信号造成串扰。FBMC信号通过滤波器组有效控制了带外功率泄漏，无需使用虚载波技术来降低光谱之间的串扰，也降低了对波带间距的要求。这些都有益于提升频谱利用率。FBMC不需要CP，频谱利用率大大提高。受益于滤波器组的使用，支持灵活的子波带分配和碎片化频谱接入，十分适用于PON。但是，FBMC信号依赖于OQAM，系统内部固有虚部干扰，进而导致FBMC无法延用OFDM的DSP算法，需要重新设计。以信道估计与均衡为例子：在光纤复信道传输时，FBMC/OQAM由于正交性仅保持在实部，导致FBMC/OQAM接收端存在严重的虚部串扰，导频和训练序列需要根据基函数的串扰权重进行精确地设计，通过消除接收端的一阶去心邻域虚部串扰效应来保证信道估计的精度。常用的FBMC信道估计算法有干扰近似算法和干扰抑制算法。

3　UFMC光通信系统

3.1　UFMC信号数学模型

UFMC信号传输模型如图3所示，假设系统发送端一个UFMC符号由M个子带构成(共N个子载波)，其中第i个子带的正交幅度调制符号频域映射信息X_i(k)经过IDFT后转换为对应的时域信号x_i(n)：

(4)

式中，B_i(i∈[1，M])为第i个子带所占用子频带索引。通常子带载波数N_i<N。M个子带的频域信息为。随后发送端将x_i(n)通过对应子带滤波器来进行数据滤波处理，该滤波输出信号u(n)为M个子带时域信号u_i(n)的叠加：

(5)

式中，f_i(n)为第i路带通滤波器的冲激响应。最后，发送端对M路子带滤波后信号叠加传送至接收端。为了简化分析，本小节暂不考虑信道干扰和加性对信号传输的影响。因此，接收端离散信号y(n)为

(6)

图 3. UFMC信号传输模型

Fig. 3. Signal transmission model of UFMC

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不同于OFDM接收端N点DFT信号解析，UFMC需采用2N点DFT进行信号解析，最终获得2N点频域接收信号。

3.2　UFMC光通信系统研究进展

本节简要介绍UFMC波形在光通信系统中的最新研究报道。国际上，2016年，韩国延世大学首次报道了超高时间偏移容忍度的UFMC-PON^[29]，并与OFDM-PON和DMT-PON实验对比，论证了UFMC-PON在5G前传网络的时频同步优越性；2020年，美国佐治亚理工大学在UFMC波形中使用了概率整形技术^[30]；同年，突尼斯理工大学提出了使用UFMC信号的新型集中式无线接入网络(Centralized Radio Access Network，C-RAN)拓扑结构，UFMC信号带外功率优化了40 dB^[31]。

国内相关科研成果如下：2020年到2022年，上海交通大学实验验证了IM/DD-UFMC的传输性能，在低比特数/模转换情况下，对比均匀量化方法，机器学习算法的误差矢量幅度(Error Vector Magnitude，EVM)提高了7.5%^[32-33]；2021年，苏州大学实验对比了OFDM和UFMC在光纤信道传输的特点，由于UFMC自带的频率强聚焦特性，频率衰减的危害大大降低^[34]。

3.3　小结

相较OFDM和FBMC, UFMC的研究报道较少。UFMC信号带外功率优化了40 dB，优于OFDM，但不如FBMC。学术界常把UFMC当作f-OFDM和FBMC的折中方案。UFMC波形继承了FBMC光传输系统带外功率低、无需CP和对频偏不敏感等优点；且UFMC波形将滤波器应用于部分连续子载波，并对频谱定位处理，使得时频同步偏差的容忍性非常好，适用于对时间同步极其敏感的PON和短包突发光通信；UFMC采用传统的QAM，可以再利用OFDM的DSP技术，有效兼容无需重复设计DSP算法。然而，UFMC也有它的技术难点，探索在光纤信道中“最”合适的滤波器，进一步抑制带外功率泄漏，保证信号质量，增加系统抗子带干扰能力和降低UFMC信号的超高计算复杂度，都是UFMC信号在光通信领域亟待解决的重要问题。

4　结束语

自2016年以来，光传输研究领域学者对于多载波光纤通信的研究从传统的OFDM扩展到新型的多载波技术，包括FBMC和UFMC等。对比OFDM, FBMC和UFMC的PAPR值较低，非线性干扰较小，不依赖CP和CS，带外功率较低，具有更高的频谱效率，实验传输性能较好。FBMC和UFMC两种波形也各有特色，FBMC具有灵活的多址接入和资源分配特性，适用于PON的应用场景；UFMC具有超高的时间同步偏差容忍性，更适用于短突发和低延迟传输的场景。

但是，新型多载波光纤通信的研究尚未成熟，可以从以下几个方向展开研究：(1) FBMC光通信相比OFDM复杂度较高，信道估计、相位噪声估计和非线性干扰抑制等算法还需要重新设计；(2) 全光OFDM技术已十分成熟，但目前没有全光FBMC和UFMC的相关报道，在全光信号生成方面有一定难度；(3) 针对不同的应用场景，比如长距离骨干网、中距离城域网、短距离接入网、PON和即时突发光通信等，新型多载波光通信系统应重构；(4) FBMC和UFMC光通信的现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)实时硬件实现；(5)使用机器学习算法优化新型多载波光传输信号质量，重点研究端到端的优化和实时部署技术。