美国普林斯顿大学：免校准超低延时实时光子盲干扰消除技术

背景介绍

技术的发展推动了无线通信带宽需求的不断增长。随着7 GHz以下频段的大量使用，业界已转向毫米30-300 GHz(毫米波)频段来满足这些增长的需求。在这些频率下，可以使用波束成形进一步实现容量增益。混合模拟数字波束成形器能够同时在多个角度发送或接收信号，允许独立的数据流同时沿着不同的空间路径传输，使得射频链路的容量成倍增加。然而，角度相近的信号会在接收端发生干扰，这种干扰可能来自于共享相同频谱资源的其他设备的空间信道或恶意行为者，从而影响接收信号的质量。

与传统的电子方案相比，光子盲干扰消除(PBIC)技术将功耗降低74倍以上，但光子系统中包含大量的微环谐振器(MRR)，对工作温度和光输入功率较为敏感，因此无论PBIC系统在工作温度或光输入功率方面发生任何微小变化，都需要进行复杂的重新校准。此外，先前演示的PBIC面临着几分钟的总系统延迟，无法兼容现实世界时变的射频环境。

本文提出了一种实时的PBIC技术，依靠零校准方法对PBIC进行MRR控制，大大降低了适应温度和光功率变化的复杂性。同时，通过在MRR光子系统和FPGA之间实现协调、低延时处理来实现实时应用光子权重自适应，统计计算延迟减少了七个数量级，总迭代延迟降低了200倍以上，为实现高速大容量无线通信提供了高效低延时的干扰消除手段。

研究内容及创新点

盲干扰消除描述了从接收到的信号中恢复编号为Nt的源信号的子部分、目标源信号的任务。每一个目标源信号si(t)中都存在一个恢复源的抵消权重向量ci，在光子盲干扰消除下，此信号恢复是通过光子在模拟域中实现的。如图2所示，每个接收到的信号都被调制到不同波长的光上，信号被复用并耦合到硅光子芯片上，片上可调谐MRR对所有信号应用光子权重w和平衡光电探测器求和，产生代表接收信号线性组合的恢复信号m(t)，调整w以匹配一个ci，从而恢复目标信号si(t)。

图1 毫米波干扰场景 (a)与一个设备关联的空间通道会干扰另一个设备的空间通道 (b)恶意源对设备进行干扰。目标通道以蓝色显示，干扰通道以橙色显示

图2 (a)光子盲干扰消除系统示意图 (b)微环谐振器的比例示意图 (c)封装的光子芯片和控制器 (d)FPGA开发板

MRR对工作温度和光功率的变化比较敏感，特别是在复杂的现场操作过程中，环境稳定性无法保证，校准变得复杂且耗时。减少校准需求的替代MRR控制技术需要为每个MRR配备额外的传感硬件，增加了系统的复杂度。这项研究中，研究人员提出并演示了一种针对PBIC的MRR控制的抗误差方法，该方法无需校准，且无需配备额外的硬件。

为了实现超低的延时，采用Xilinx Zynq FPGA/GPU芯片执行低延时采样、统计计算和优化。实时处理传入的1.97 GS/s信号数据，统计计算延时仅为49 ns(基本可以忽略不计)。同时，使用Nelder-Mead算法来实现优化器的迭代优化，执行5次优化，每次优化固定40次迭代，可在一秒内实现一致的权重识别。

总结与展望

在这项工作中，研究人员通过演示解决先前工作局限性的技术来推进PBIC技术，并表征PBIC系统的性能，以促进使用光子学进行干扰消除。所使用的MRR控制方法消除了校准的需要，并且无需担心环境的变化。这种减轻MRR热敏感性的方法在没有严格温度控制的情况下至关重要。除此之外，通过在MRR光子系统和FPGA之间实现协调、低延时处理，使得总系统延时降低200倍，兼容现实世界时变的射频环境。这项研究提供了高效的干扰消除技术，在未来可以大幅降低开发抗干扰毫米波设备的成本，从而实现更高水平的多用户空间复用并促进网络容量的提高。