先进光通信系统及网络

这本书的目的是介绍在光通信和网络领域的先进和新兴的一系列话题。本书主要基于第五代光传输系统和网络，其特点是通过时间、频率和空间域处理，利用所有光信号参数(振幅、相位、频率和偏振)。光信号传输和网络两个主题都被同等深度的进行了介绍，并以逐渐引入更复杂的话题。读者将在第1章到第4章中找到关于光学元件和信号产生、传送和检测的基本原理。在第5 - 7章中，我们将讨论MIMO、OFDM、编码调制、LDPC编码Turbo均衡、极化时间编码、基于空域的调制和编码、多维调制、*优信号星座设计以及线性和非线性损伤的数字补偿等一些高级话题。这些章节还包括描述一系列检测后的数字信号处理的技术，如线性和自适应均衡，*大似然序列检测，数字背向传播，和维纳滤波。第8章介绍了高级光网络的基本原理，包括常用拓扑中主要光网络模型的定义和网络参数设计。在第9章中，光通道容量计算是基于将光纤建模为一个有记忆的通道来开展的。在第10章中，提供了有用的工具来帮助理解与光传输系统和网络相关的主题。这本书是自成一体的，结构为读者提供了直接的指导，希望捕捉基本原理和获得理论和实践知识，可以很容易地应用于研究和实际应用。本书的每一章都有一个广泛的参考书目，以及一些练习，所有的目标都是帮助读者建立研究和工程任务所必需的知识和技能。读者可以很容易地理解一般的主题，而不需要参考外部文献。本书的目标读者是电气工程、光学科学和物理专业的大四本科生和研究生，研究工程师和科学家，开发和规划工程师，以及主要行业会议(如OFC、ECOC、CLEO、OECC)的与会者。学习这本书和充分理解先进光通信系统和网络主题所必需的背景知识是一个典型的大四本科工程学科学生。这本书非常适合本科和研究生水平的课程，包含了不同难度程度的大量问题。本书的主题不限于任何特定的地理区域或任何特定的传输和网络场景。我们非常感谢业界和学术界的众多同事过去与我们进行了有益的讨论，并提出了有益的建议和意见。我们也谨向我们的家人表示个人的感谢和深切的感谢，感谢他们无私的支持和理解。

Cvijetic教授在过去三十余年里领导了数个*通信实验室的建设工作，是该领域的国际*专家。在该书中他详细讨论了第五代光通信网络的建设，给出了诸多实用的网络模拟和建模工具。全书编排深入浅出，条理分明，从光通信基础理论出发，之后分别论述了调制、探测、编码及网络各项关键技术的实际应用及*新进展，对于学习者和工程人员来说将成为十分有益的参考。

Milorad Cvijetic是亚利桑那大学光学科学学院教授，电子及计算机工程学院教授，原NEC美国区副总裁兼首席技术战略师。在30余年的专业经历中，他直接参与了多个世界*通信实验室的研究和发展。在光通信和光网领域，Cvijetic博士发表了大量专业论文，著书3本，拥有12项美国专利。

第１章　光通信简介　/１

　１．１　光网络的作用　/２

　１．２　历史观点　/７

　１．３　以太网作为基于分组的网络基础　/１７

　１．４　光电传输系统和网络的分类和基本概念　/２２

　１．５　未来展望　/２８

　１．６　本书的组织　/２８

第２章　光学元件和模块　/３２

　２．１　关键的光学元件　/３２

　２．２　光纤　/３５

　２．３　光源　/４７

　２．４　光学滤波器和多路复用器　/６１

　２．５　光学调制器　/７２

　２．６　光放大器　/８１

　２．７　光电二极管　/９５

　２．８　光学元件加工　/１００

　２．９　总结　/１１４

第３章　光纤中的信号传输　/１１９

　３．１　光纤损耗　/１１９

　３．２　光纤波导理论　/１２３

　３．３　单模光纤中的信号色散　/１３５

　３．４　单模光纤中的脉冲传输　/１５１

　３．５　光纤中多信道传输　/１７９

　３．６　多模光纤中的信号传输　/１８５

　３．７　总结　/１９１

第４章　噪声源和信道损伤　/１９４

　４．１　光信道噪声　/１９４

　４．２　误码率(BER)、信噪比(SNR)和接收机灵敏度的定义　/２１２

　４．３　信号损伤　/２２７

　４．４　光传输链路的限制　/２５８

　４．５　总结　/２６６

第５章　高级的调制格式　/２７１

　５．１　信号空间理论和带通数字光传输　/２７１

　５．２　多阶调制格式　/２８８

　５．３　偏分复用和四维信令　/３００

　５．４　空分复用和多维混合调制　/３０４

　５．５　信号星座图的设计　/３０８

　５．６　光通信中的正交频分复用(OFDM)　/３１３

　５．７　MIMO 光通信　/３３２

　５．８　总结　/３４２

第６章　高级探测方案　/３４９

　６．１　基础探测理论　/３４９

　６．２　光信号的相干探测　/３７１

　６．３　光信道均衡　/３８７

　６．４　数字背向传输　/４０８

　６．５　同步　/４１２

　６．６　相干光OFDM 探测　/４１６

　６．７　光学MIMO 探测　/４２３

　６．８　总结　/４３１

第７章　先进的编码方案　/４３８

　７．１　信道编码的基本知识　/４３８

　７．２　线性分组码　/４４４

　７．３　循环码　/４５４

　７．４　BoseＧChaudhuriＧHocquenghem(BCH)码　/４６１

　７．５　里德所罗门码(ReedＧSolomon(RS))、级联码和乘积码　/４６８

　７．６　Turbo码　/４７０

　７．７　TurboＧ乘积码　/４７３

　７．８　低密度校验码(LDPC)　/４７５

　７．９　编码调制　/４８６

　７．１０　LDPC编码的Turbo均衡　/５０２

　７．１１　总结　/５１４

第８章　高级光网络　/５２６

　８．１　光网络作为ISO 模型的一部分　/５２６

　８．２　光网络元素　/５４１

　８．３　光网络中的光路路由　/５５３

　８．４　损伤感知路由　/５６５

　８．５　光网络的控制与管理　/５７３

　８．６　光网络的控制平面　/５８３

　８．７　光学包和突发交换　/５８５

　８．８　光网络应用部分　/５９１

　８．９　先进的多维和动态光学网络　/６０２

　８．１０　总结　/６０７

第９章　光信道容量和能量效率　/６１３

　９．１　连续信道容量　/６１３

　９．２　有记忆信道的容量　/６１８

　９．３　信号传输建模　/６２４

　９．４　通过BCJR算法的正向递归计算信息容量　/６２８

　９．５　相干检测系统的信息容量　/６３１

　９．６　光MIMOＧOFDM 系统容量计算　/６３３

　９．７　高能效光传输　/６３６

　９．８　总结　/６４２

第１０章　工程工具箱　/６４７

　１０．１　本书中使用的物理量和单位　/６４７

　１０．２　光信号的频率和波长　/６４９

　１０．３　光的受激发射　/６４９

　１０．４　半导体结的基本物理原理　/６５１

　１０．５　基本矢量分析　/６５６

　１０．６　贝塞尔函数　/６５７

　１０．７　光信号的调制　/６５９

　１０．８　数模转换和模数转换　/６５９

　１０．９　光接收机传递函数　/６６１

　１０．１０　z变换及其应用　/６６３

　１０．１１　抽象代数基础　/６６７

　１０．１２　脉冲位置调制　/６７３

　１０．１３　斯托克斯矢量和邦加球　/６７５

参考文献　/６７７ 

Cvijetic教授在过去三十余年里领导了数个*通信实验室的建设工作，是该领域的国际*专家。在该书中他详细讨论了第五代光通信网络的建设，给出了诸多实用的网络模拟和建模工具。全书编排深入浅出，条理分明，从光通信基础理论出发，之后分别论述了调制、探测、编码及网络各项关键技术的实际应用及*新进展，对于学习者和工程人员来说将成为十分有益的参考。

Milorad Cvijetic是亚利桑那大学光学科学学院教授，电子及计算机工程学院教授，原NEC美国区副总裁兼首席技术战略师。在30余年的专业经历中，他直接参与了多个世界*通信实验室的研究和发展。在光通信和光网领域，Cvijetic博士发表了大量专业论文，著书3本，拥有12项美国专利。

以相干光通信为主要传输手段的光纤通信在2005年至2015这十年期间，技术发展受到前所未有的关注和广泛研究，产业也随之得到迅猛的发展。以光纤为主要信息载体的通信技术，为人类生活构建了一条信息高速公路，人类生活也随之发生了巨大的革新。学习先进光通信系统和网络技术，可以有效的掌握从光学器件、到光纤信道物理效应、再到数字通信和现代数字信号处理、光纤网络等一系列知识，可以有效的理解和应对未来光通信技术的发展。

本书的翻译工作，我是在2019年年末接手。在此之前，我师从澳大利亚墨尔本大学William Shieh教授，专门研究相干光通信技术。后在美国比尔实验室实习，在武汉邮电科学研究院光纤通信与网络国家重点实验室任职，现工作于华中科技大学，从事现代光传输技术研究。在光通信产业和学术领域从业15年，深感“先进光通信系统和网络”方面系统级丛书较少，而学生、研发工程师对相关方向知识索取又有极大需求，因此我一直在积累和寻求相关材料汇集成书。本人与本书作者Ivan Djordjevic一起合作多篇论文工作，借此书翻译机会，希望将该方向知识予以沉淀下来。2020年之后，遇上百年不遇的疫情，也正逢社会对新知渴求旺盛的大好时代，一段时间封闭正好沉下心来将该书翻译，奉献给广大读者。不足之处，敬请赐教。后感谢家人在这一年时间内的支持。

书中的素材基于第五代光传输系统，是目前为止关于该领域*新*全面的著作。本书的读者对象包括电子工程、光学科学、物理的高年级的研究生和本科生、工程师、科学家、战略发展研究工程师等。