针对目前串行量子随机数发生器方案中, 量子模式提取的信号带宽与数据处理速率之间的权衡在实时产生速率方面造成了瓶颈, 文章利用现场可编程门阵列(FPGA)对多个量子边带模式的并行托普利茨(Toeplitz)哈希实时后处理, 研究分析了不同规模Toeplitz矩阵的逻辑资源占用, 设计了两层并行流水线算法并进行了仿真验证, 充分利用FPGA的并行处理优势和硬件资源, 最终实现了实时速率8.24 Gbit/s的量子随机数安全后处理。仿真结果表明, 量子随机数发生器的熵源具有较好的随机性, 经后处理后的随机数自相关系数保持在10-4量级且能通过Diehard测试。通过与集成电路匹配并行提取多个量子边带模式, 实现了一种可商业化的高鲁棒性、高速实时量子随机数发生器。

针对网络控制平面可能被迫设置较低信道比特率和改进调制格式的问题, 文章提出了一种基于模糊C均值(FCM)的认知算法, 在软件定义光网络(SDON)中进行学习和决策制定。首先, 将FCM算法加入到SDON控制平面, 以实现比非认知性控制平面更好的网络性能; 然后, 利用FCM算法, 根据光信道传输质量, 实时和自主地确定高速灵活速率的转发器的调制格式; 最后, 通过长距离传输网络的计算模拟, 对FCM算法的性能进行了评价, 并将其与SDON中常用的基于案例的推理(CBR)算法进行了比较。结果表明, 与CBR算法相比, FCM算法在快速性和误差避免方面性能更优。

为将400 Gbit/s高速率应用于超长站距无中继光传输系统, 首先对400 Gbit/s双偏振-四进制正交幅度调制(DP-16QAM)及400 Gbit/s双偏振-八进制正交幅度调制(DP-64QAM)两种高阶调制码型及其对应的光信噪比(OSNR)要求进行了研究, 然后通过实验研究了两种码型背靠背OSNR的要求及入纤光功率与误码率的关系, 最后搭建了具有前后向拉曼放大器的400 Gbit/s超长距光传输链路, 通过实验测试了两种码型对应的最远单跨传输距离。实验结果表明, 400 Gbit/s DP-16QAM在G.652光纤上利用双向拉曼光放大器最远可以传输286 km, 对于电力长跨距来说基本满足了大部分的应用场合。

高速窄带电力线通信(HNPLC)多用户实时动态频谱管理(DSM)是确保HNPLC满足泛在感知终端接入性能需求的极佳选择。采用子载波分组和实时选取一种最优调制方式的方法, 既显著提升了多用户传输的可靠性和传输速率, 又有效减少了信令和资源开销。线上实验证明, 所述HNPLC多用户实时DSM使系统的传输速率提升至传统方法的5倍多, 可满足实用化需求。

针对下一代动态光网络, 光纤长度可能根据链路需要随时变化, 以及由于光纤老化造成色散参量变化等因素可能造成链路中的色散值在接收端很难提前预知, 因此要求未来光网络节点中的接收端能够自适应地估计出色散值然后补偿信号。文章在光网络节点的数字相干接收机中提出了一种基于峰均值功率比的色散估计算法, 并在224 Gbit/s偏振复用(PDM)-16正交振幅调制(QAM)和336 Gbit/s PDM-64QAM的多种长距离传输(400、800、1 200、1 600和2 000 km标准单模光纤(SSMF))系统中验证了其可行性及有效性。仿真结果表明, 文章所提算法具有很好的色散估计精度, 色散估计标准差低于100 ps/nm。该算法对偏振模色散(PDM)和偏振相关损耗(PDL)具有较强的容忍性, 例如群速度时延(DGD)低于15 ps及PDL在7 dB以内时, 算法都可实现很好的估计精度。同时该算法对非线性效应也具有较强的容忍性。

针对新疆等地域辽阔地区的电力光缆难以运维的难题, 文章提出在光纤自动交换技术和光功率放大技术的基础上, 对几种超长程光路补偿、切换和在线监测方案进行模拟, 进而提出了超长程光缆主备光纤调度及测试的有效方案。结果表明, 该方案适用于超长程光缆调度与监测, 可为未来超长程光缆网络智能运维系统的构建奠定基础。

针对信道数变化等原因造成的剩余信道输出增益漂移现象, 研究了一种竞争型全光增益控制放大器, 可以实现对宽输入功率范围信号的增益控制。对光功率在-40～5 dBm范围内的输入光, 将增益漂移量由22.0 dB降低至0.4 dB。在多信道情况下, 将信道数变化和信道功率变化引起的增益漂移量分别降低至0.23和0.10 dB。该放大器的工作范围与控制幅度都要优于传统的全光增益方法, 对于控制剩余信道输出增益稳定具有重要参考价值。

针对填充液体的光子晶体光纤温度传感器灵敏度较低的问题, 文章提出了一种基于模式耦合的高灵敏光子晶体光纤温度传感器, 光子晶体光纤的纤芯作为传光通道, 填充液态乙醇和氯仿的液芯作为耦合通道, 当纤芯与液芯发生模式耦合时, 纤芯的限制损耗谱会出现一个狭窄的损耗尖峰。损耗峰的位置随温度的变化而漂移。光子晶体光纤的纤芯和液芯相互独立, 可以分别调整其传输特性。利用有限差分算法对传感器的特性进行了仿真研究, 结果表明, 设计的光纤结构具有良好的温度传感特性, 耦合波长随温度升高而红移, 在10~35 ℃范围内, 温度检测灵敏度最高可达44.16 nm/℃, 光纤结构参数的变化对灵敏度影响较小。

针对目前位移传感器体积较大和分辨率较低的问题, 文章设计了一种面内位移检测的双层纳米光栅结构, 用耦合波理论阐述光栅的衍射性质, 使用Gsolver软件对双层光栅的上下两层光栅间隙、光栅周期、光栅占空比以及入射波长进行了优化仿真分析, 研究在各参数下, 双层纳米光栅面内位移对衍射效率的影响, 最终得到一组对位移敏感的光栅结构。仿真结果表明, 当两层光栅间隔为200 nm、光栅厚度为390 nm、光栅周期为800 nm以及入射光的波长为850 nm时, 双层光栅的光透射特性较好。可通过检测透射光强的变化来获得光栅的面内微位移。

室内可见光通信系统是缓解无线频谱资源紧缺以及未来用户群接入需求日趋增长问题的有效解决方案之一, 文章针对室内可见光通信系统的链路切换算法进行研究分析, 提出了一种基于时隙计算的预测切换算法, 分析了链路切换算法对系统的重要性, 并利用到达时间差定位法和探测时隙提出了一种基于时隙计算的预测切换算法, 该算法可以提前预测终端需要切换到哪个微小区, 从而降低系统的切换开销。最后对该算法提升室内可见光通信系统切换性能的能力进行了仿真测试, 仿真结果表明, 该算法有较高的预测切换成功率, 可以高效地减少系统的切换开销。

针对传统的半模基片集成波导漏波天线存在开放边界处能量泄露以及无法进行连续波束扫描的问题,文章提出了一种带有折叠接地面的半模基片集成波导漏波天线。通过在波导表面周期性加载具有横向与纵向缝隙的辐射单元, 抑制了侧向辐射的开放阻带效应, 使得天线能够实现从后向至前向的连续波束扫描。该天线可在9~13 GHz的工作频段内实现-51~24 °, 总计75 °的宽角度波束扫描, 实际测量的增益范围在6.9~12.3 dBi之间。由于波导的开放边界处设置了金属化通孔阵列, 使得天线增益明显提高。相比以往报道的同类型天线, 文章提出的天线具有更大的波束扫描范围与扫描灵敏度, 该天线可应用于无线通信和波束扫描雷达系统中。

噪声传递特性是传送网承载设备的典型时钟同步特性之一。针对传统选频法测试效率较低, 且难以全面反映设备带内增益情况的问题, 文章通过对时间偏差(TDEV)特性和噪声传递频率响应关系的分析, 提出了基于TDEV的时钟噪声传递特性估算方法。实验结果表明, 该方法有效解决了现有选频法在测试效率或测试精度方面的不足, 可更好地满足现有承载设备时钟和面向5G超高精度的增强型同步以太时钟噪声传递特性的测试需求。

5G物理层以帧为单位进行信息传递, 帧同步点的准确与否将极大程度地影响后续信道的性能。针对现行同步算法检测同步点不准确的问题, 文章分析了主同步信号(PSS)序列的三阶相关特性, 根据此特性提出并实现了一种新型定时同步算法。仿真结果表明, 当信噪比下降至-7 dB时, 新算法检测同步点的准确率比传统算法提高了20%。新算法的空间复杂度与传统算法一致, 时间复杂度的增加也在5G同步过程的允许范围之内。

针对无线通信传统接收机的信道估计和译码分开处理是次优的问题, 文章提出了一种联合信道估计和极化码译码的接收机模型。根据极化码译码器级联的循环冗余校验码的校验信息, 接收机将译码器中部分硬判决信息再编码, 然后将得到的码字反馈到信道估计器中,此时相当于接收机挑选了部分码字比特作为导频, 信道估计器根据新的导频重新进行信道估计。文章提出的接收机模型及算法不仅减少了信道估计中导频的开销, 还使得信道估计和译码两个过程相互促进, 从而改善了极化码的误帧率。仿真结果表明,当归一化多普勒等于0.02时, 文章提出的基于硬判决反馈的接收机相比于传统的接收机有2 dB的性能增益。

多年来一直在使用的船舶自动识别系统(AIS)作为一种海上监视和导航的通信系统, 其服务范围被限制在40海里。近年来, 一种新的基于卫星的AIS被提出, 该系统能提供全球覆盖服务,然而其存在由相对卫星/船舶运动引起的频率偏移问题。为了更好地解决这一问题, 文章提出了一种新的基于多普勒频移估计算法的星载多普勒频移估计算法, 利用二阶矩阵及四阶矩阵等代数运算, 从信号中提取多普勒频移, 并给出了估计表达式。最后, 通过数值仿真验证了该算法的有效性, 仿真结果还验证了该算法的优越性。

针对千兆无源光网络系统无法满足一些新服务的问题, 如分辨率不断增长的互联网视频协议要求, 文章提出了一种改进的GIANT动态带宽分配(DBA)算法。通过传输容器(T-CONT)的优先级划分带宽, 将T-CONT1的带宽分配给每个分配标识, 其主要目的是降低数据、视频和语音等服务的延迟。所提算法将这些服务表示为传输容器, 用于动态地改进无源光网络系统的上行带宽分配和传输状态。仿真实验验证了所提算法的有效性, 与不带DBA的方法和使用未修改的GIANT算法相比, 所提算法可以显著降低超文本传输协议(HTTP)服务与“三合一”服务的延迟, 将HTTP服务和视频点播服务的延迟分别降低了0.30和0.35 ms。

对于上行免调度的多用户共享接入(MUSA)方案, 用户具备随机突发接入系统的特性, 用户信号具有稀疏性, 可利用压缩感知的相关算法进行多用户检测。针对活跃用户数未知的情况, 文章提出了基于验证误差的正交匹配追踪(VE-OMP)多用户检测算法。所提算法利用误差在迭代次数等于用户稀疏度时能够达到最小值来估计稀疏度, 且验证误差的思想移植性强, 可用于块稀疏压缩感知。考虑基站端配备多天线的情况, 将发送信号转为块稀疏模型, 提出验证误差的块稀疏正交匹配追踪(VE-BOMP)算法进行活跃用户数据检测。仿真结果表明, VE-OMP算法能够在稀疏度未知的情况下对多用户同时进行活跃性估计和数据检测, VE-BOMP算法可用于多天线接收系统, 其检测性能随天线数的增加而提高。