[论文解读] Broadband physical layer cognitive radio with an integrated photonic processor for blind source separation

Weipeng Zhang, Alexander N. Tait+7 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2022

Optical Network Technologies被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种用于认知无线电中宽带盲源分离（BSS）的硅光子处理器，采用微环谐振器（MRR）权重阵列实现能量高效、WDM可扩展的信号解复用，覆盖19.2 GHz带宽。系统通过抖动控制实现9位高分辨率，即使在病态混合信号下也能提供优异的信干比（SIR），展示了无需事先掌握信号信息即可实现实时物理层干扰抑制的能力。

ABSTRACT

The expansion of telecommunications incurs increasingly severe crosstalk and interference, and a physical layer cognitive method, called blind source separation (BSS), can effectively address these issues. BSS requires minimal prior knowledge to recover signals from their mixtures, agnostic to carrier frequency, signal format, and channel conditions. However, previous electronic implementations of BSS did not fulfill this versatility requirement due to the inherently narrow bandwidth of radio-frequency (RF) components, the high energy consumption of digital signal processors (DSP), and their shared weaknesses of low scalability. Here, we report a photonic BSS approach that inherits the advantages of optical devices and can fully fulfill its "blindness" aspect. Using a microring weight bank integrated on a photonic chip, we demonstrate energy-efficient, WDM-scalable BSS across 19.2 GHz of bandwidth, covering many standard frequency bands. Our system also has a high (9-bit) resolution for signal demixing thanks to a recently developed dithering control method, resulting in higher signal-to-interference ratios (SIR) even for ill-conditioned mixtures.

研究动机与目标

• 应对宽带无线通信中日益严重的射频干扰和频谱拥塞挑战。
• 通过利用光域处理，克服电子BSS系统存在的带宽窄、功耗高和可扩展性差等局限。
• 在无需事先知晓载波频率、调制格式或信号功率的情况下，实现宽频带下的真正‘盲’信号分离。
• 展示一种完全集成、低功耗的光子处理器，能够实现实时物理层认知无线电操作。
• 通过抖动控制方法实现高分辨率信号解复用，提升病态场景下的性能表现。

提出的方法

• 基于主成分分析（PCA）、白化处理和独立成分分析（ICA）构建光子BSS处理流程，利用硅光子芯片上的微环谐振器（MRR）权重阵列实现。
• 使用PCA通过最大化加权输出信号的方差来识别主成分，MRR权重被调节以收敛至目标主成分向量。
• 利用PCA导出的协方差矩阵进行白化处理，将问题转化为正交ICA任务，降低计算复杂度。
• 通过最大化输出信号的绝对相对峰度来实现光子ICA，定义为 $|E(y^4_i)/\text{Var}(y_i)^2 - 3|$，以增强非高斯性并分离独立源信号。
• 采用抖动控制方法在MRR权重调节中实现9位有效分辨率，提升病态条件下的信干比（SIR）。
• 将光子芯片与驱动及控制电路集成于单个互连基板PCB上，采用隔离电源轨和SPI通信以实现噪声抑制和稳定运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 光子BSS处理器是否能在仅具备最少信号先验知识的前提下，实现19.2 GHz带宽的宽带信号分离？
• RQ2 MRR权重调节中的抖动控制方法如何提升病态信号混合下的分辨率与SIR？
• RQ3 全封装光子处理器在带宽、功耗效率和可扩展性方面，与电子BSS系统相比能实现多大程度的性能超越？
• RQ4 该光子BSS系统是否能在不数字化完整波形的前提下，保持在多种频段和信号条件下的高性能？
• RQ5 此类系统在航空或自动驾驶车辆等真实认知无线电应用中实现干扰消除的可行性如何？

主要发现

• 光子BSS处理器成功在19.2 GHz带宽内实现信号解复用，覆盖包括Wi-Fi、5G、GPS和雷达在内的多个标准频段。
• 通过抖动控制方法在MRR权重调节中实现了9位有效分辨率，显著提升了病态混合信号下的信干比（SIR）。
• 光子实现方案在所有测试频段均表现出优异的SIR性能，即使在信号功率比挑战大且带宽重叠的情况下亦然。
• 全封装系统功耗低于100 mW，仅通过一根USB线缆即可同时供电和进行数字控制，支持紧凑化、现场可部署的运行。
• 精密电流源、隔离电源轨与SPI通信的集成确保了低噪声运行和稳定权重调节。
• 结果证实，用光子替代方案取代传统电子BSS在可扩展性、能效和实时物理层处理能力方面具有显著优势，具备实际可行性。