基于恒包络OTFS技术的光子辅助毫米波通信系统

《Journal of Lightwave Technology》：Photonics-Assisted mmWave Communication System Based on Constant Envelope OTFS

　　

摘要：

光子辅助的毫米波（mmWave）通信系统具有较大的带宽和较强的抗电磁干扰能力，能够满足6G应用的需求，并在当前研究中受到越来越多的关注。正交时频空间（OTFS）调制可以有效解决多径传播和多普勒效应对毫米波频段的影响，使其成为6G网络的有前景的候选波形。然而，现有的OTFS调制通常具有较高的峰值功率与平均功率比（PAPR），这对通信性能产生不利影响。在本文中，我们提出了一种基于恒包络正交时频空间（CE-OTFS）的光子辅助毫米波通信方案，通过对该信号进行相位调制来生成PAPR为0 dB的CE-OTFS波形。此外，我们还设计了一个多普勒预均衡器，以使其能够在时变信道中正常工作。实验结果表明，该系统实现了3.653 Gbps的净数据传输速率，并且与恒包络正交频分复用相比，接收光功率灵敏度提高了约1 dB。此外，多普勒预均衡器方案还将比特错误率降低了61.5%。这些结果凸显了其作为未来毫米波通信强有力候选波形的潜力。

引言

随着信息技术的不断发展以及5G的广泛商业化，未来的6G网络有望实现重大突破。为了满足全息通信、自动驾驶和智能家居等新兴应用的严格要求，6G网络必须支持超宽带宽、超低延迟、大规模连接性和极高的可靠性[1][2]。毫米波频段提供的宽带宽被认为是6G网络的关键支撑，能够支持超高容量的数据传输。然而，传统的电子基毫米波通信受到电子元件固有局限性的影响，包括较窄的工作带宽、有限的调谐范围以及较高的电磁干扰敏感性，这些因素最终限制了毫米波通信系统的整体性能。为了克服电子基毫米波通信的局限性，人们广泛研究了光子辅助毫米波技术作为一种有前景的替代方案，因为光子技术具有许多显著优势，如高工作频率、较大的瞬时带宽和较强的抗电磁干扰能力[3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13]。最近，一种光子辅助无线通信系统在超过100 GHz的频率范围内实现了自适应通信，数据传输速率可达100 Gbps[14]。尽管光子辅助技术在实现超宽带宽和高数据速率传输方面具有优势，但非视距（NLOS）传播在视距（LOS）通信被障碍物阻挡时成为主导，导致严重的路径损耗和多径效应，从而显著降低了通信性能[15]。此外，多普勒效应也是影响毫米波通信性能的另一个关键因素。