科研速递 | 理工学院罗元教授在Nature子刊Nature Electronics上发表论文

香港中文大学深圳SSE理工学院

2024-09-14

通信和信息网络的创新为无人驾驶汽车、无人机和万物互联的宽带通信铺平道路。2023年8月28日，罗元教授联合英国伦敦大学学院Zhixin Liu教授、鹏城实验室魏金龙博士和英国南安普敦大学Radan Slavík教授，在Nature旗下的旗舰刊Nature Electronics（影响因子34.3）发表题为 “Communications with guaranteed bandwidth and low latency using frequency-referenced multiplexing”的研究论文。在这项工作中，研究人员研发并展示了频率参考复用技术，在保证低延迟、高稳定连接的同时，实现频率、时钟同步，提供超过目前最好的全光纤宽带网络20倍以上的带宽，并且通信速度是现有家庭平均宽带速度的65倍。罗元教授为通讯作者。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41928-023-01022-x

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1.背景介绍

通信网络对互联网的运营具有至关重要的作用 - 它们是连接用户与云端服务器的数字化“道路”。最好的网络使用光纤电缆传输和接收信息。对于现有的全光纤宽带网络，时分复用（TDM）是最常用的技术，通过这种技术，多个用户的数据被合并成一个信号。每个用户被分配一个时隙，并只能在该分配时隙中进行数据传输。当终端收集到所有数据后，在对数据进行重现拆分处理。

使用TDM面临的关键问题是，每个用户的数据都需要等待一个时间段才能通过光纤进行数据传输。这就类似于汽车在交通灯前需要等待前行一样。现有技术下，这种时隙等待的方法在协调光纤传输通信中是必须的，然而该技术也限制了可传输数据的容量，并延长了网络收发数据的时间。例如，2022年9月英国的平均宽带速度仅为每秒65.3兆比特（Mb/s）。

随着流媒体点播娱乐的兴起和自Covid-19大流行以来在家工作的人们对视频会议的使用增加，对更快的速度和更可靠的连接的需求也大大增加。但未来的众多应用，如无人驾驶汽车网络，虚拟现实，云控无人机等，均需要更高的速度，保证的连接，低且稳定的时延才能安全、高效地运行。现有的基于TDM的技术并无法满足这些关键技术的需求。

2.本文亮点

本研究开发了频率参考复用技术，以克服TDM等当前方法的延迟和带宽限制。他们通过应用光频梳和信号处理技术，从光学和时钟同步的角度，为每个用户提供一个专用的光通道。这种方法可以让每个用户拥有自己专属的数字通信车道，从而无需在交通灯前等待，就可以实现与云端服务器的直接通信。本文发表的频分复用演示平台直接展示了64个用户提供每用户高达4.3Gb/s的速度（或所有用户的总速度为240Gb/s），并初步演示如何将用户量扩展到超过500个。

配图（Synchronizing the future）：通过频率梳提供的精确时钟，可在保证带宽和最小化延迟的情况下实现广泛通信连接。城市将充满未来感的、对时间敏感的各种奇观——虚拟现实、联网汽车和无人机——这曾经只是科幻小说，现在已经接近现实！

3.总结与展望

作者希望频率参考复用技术能够实现超过目前宽带网络的20倍的容量和超过65倍的速度。因为用户数据是并行发送和接收的，这减少了如其他方法所存在的延迟、功耗和容量问题，解决未来应用的关键需求，并可以低成本地提高每个云用户的网络可用性和速度。该文章的通信作者罗元教授表示“一些技术评论家预测，不久的将来，所有的无人驾驶汽车和无人机都需要通过云端进行控制，因而这些智能终端与云端之间的连接需要稳定，低延迟和高速率，而我们目前的通信基础设施并不能满足如此大规模智能终端控制的需求。我们的研究表明，频率参考复用方法可以升级我们的光纤基础设施，以满足这些技术要求。”

4.作者介绍

罗元于2021年初加入香港中文大学（深圳）理工学院担任助理教授，并兼任深圳市人工智能与机器人研究院副研究员。她的研究领域是多智能体系统下的数据传输与资源管理，该领域是交叉学科，融合通信工程、管理科学和人工智能三个领域。在中科院JCR一区期刊如自然科学杂志子刊Nature Electronics、IEEE Communication Magazine、IEEE Journal on Selected Areas in Communications、Artificial Intelligence和学科旗舰会议如IEEE INFOCOM，AAMAS等发表多篇论文。此外，她在通信网络领域知名会议IEEE WiOpt以第一作者获得最佳论文奖。该成果得到了包括中国日报、凤凰网、文汇报等多加知名媒体报道。通过整合她多年的研究成果，她以第一作者在Springer出版英文专著Economics of Database-Assisted Spectrum Sharing。她还担任Springer Encyclopedia of Wireless Networks的课题主编。