Abstrakt
Optiske fiberkommunikationsnetværk spiller en vigtig rolle i det globale telekommunikationsnetværk. Imidlertid begrænser ikke-lineære effekter i den optiske fiber og transceiverstøj i høj grad ydeevnen af fiberkommunikationssystemer. I dette papir bruges produktet af gensidig information (MI) og kommunikationsbåndbredde som metrik for den opnåelige informationshastighed (AIR). MI-tabet forårsaget af transceiveren tages også med i dette arbejde, og den bitvise MI, generaliseret gensidig information (GMI), bruges til at beregne AIR. Dette tab er mere signifikant ved brug af højere-ordens modulationsformater. AIR-analysen udføres i QPSK, 16QAM, 64QAM og 256QAM modulationsformaterne for kommunikationssystemerne med forskellige kommunikationsbåndbredder og transmissionsafstande baseret på den forbedrede Gaussisk støj (EGN) model. Papiret giver forslag til valg af det optimale modulationsformat i forskellige transmissionsscenarier.
Grafisk abstrakt
1. Introduktion
Over 95 % af den digitale datatrafik føres over optiske fibernet [1]. Informationstransmissionshastigheden for optiske fiberkommunikationssystemer begrænser kommunikationshastigheden for de globale telekommunikationsnetværk. Med udviklingen af fiberkommunikationsteknologi realiseres større kommunikationsbåndbredde og højere symbolhastighed for at transmittere flere bits inden for et sekund. Alvorlige ikke-lineære effekter forekommer dog også og fører til færre gyldige bits transmitteret pr. I mellemtiden reducerer udligningsforstærket fasestøj (EEPN) signalkvaliteten yderligere [2]. Med andre ord er den effektive kommunikationshastighed begrænset af ikke-lineære effekter og transmissionsstøj. Dette fænomen er mere indlysende, når højere-ordens modulationsformater anvendes. Generelt betyder et højere modulationsformat en højere symbolfejlrate (SER) [3, 4]. Ved at bruge højordensmodulationsformat kan der imidlertid sendes flere bits af hvert symbol. Derfor er det ikke tilstrækkeligt at bruge signal-til-støj-radioen (SNR) til at evaluere kommunikationssystemets ydeevne. For at måle kommunikationskapaciteten med rimelighed bør den transmissionsbithastighed, som systemet effektivt kan understøtte, bruges som metrik. Generaliseret gensidig information (GMI) kan bruges til at måle systemets effektive transmissionsbithastighed. For bølgelængdedelt multipleksede (WDM) systemer kan flere kanaler bruges til at transmittere signaler på samme tid for at opnå højere datahastigheder. Selvom den større båndbredde yderligere vil reducere SNR på grund af inter-kanal-interaktionerne, er præstationsstraffen meget mindre end den informationshastighedsforøgelse, der opstår ved brugen af flere kanaler [5]. Derfor anvender dette papir antallet af bits, der effektivt transmitteres på et sekund, som metrikken for opnåelig informationshastighed (AIR). Den forbedrede Gaussisk støj-model (EGN) anvendes til at analysere ydeevnen af det optiske fibersystem under forskellige forhold. Endelig opnås det optimale modulationsformat ved omfattende analyser af forskellige transmissionsscenarier. Drøftelser føres giver en optimeringsretning for fremtidige højkapacitets optiske fiberkommunikationssystemer.
Dette papir evaluerer forskellige kommunikationsscenarier i form af effektive bithastigheder, der effektivt kan transmitteres. En sådan metrik giver en rimelig sammenligning af systemer, og resultaterne har grundlæggende implikationer og giver indsigtsfulde forslag til opfølgende forskning. Konklusionerne i dette papir er baseret på systemer uden anvendelse af forward error correction (FEC) teknikker [6, 7]. Forskellige typer FEC-koder har forskellige fejlkorrektionsmuligheder, og forskning af AIR behøver i dette tilfælde kun at udføre et yderligere trin baseret på vores resultater. Desuden er indvirkningen af at indføre fejlkorrektionskoder på transmissionsbithastigheden lineær, så konklusionerne i dette papir er indsigtsfulde og anvendelige for systemer med FEC'er.
Dette papir er arrangeret som følger. GMI og MI introduceres i Sect. 2. Afsnit 3 diskuterer EGN-modellen. Resultaterne og diskussionen kan findes i Sect. 4 og nogle forslag til fremtiden fremlægges i pkt. 5.
2 Generaliseret gensidig information
Gensidig information (MI) er et mål for mængden af information, som to tilfældige variabler deler. Det kvantificerer i hvilken grad viden om en variabel reducerer usikkerheden om den anden variabel. For kommunikationssignaler gælder, at jo højere MI mellem senderen og modtageren er, jo bedre er kommunikationskvaliteten. Det betyder, at flere oplysninger overføres korrekt. Shannon-grænsen bruges til at måle kanalkapaciteten ved at beregne MI mellem signalerne, før de går ind i kanalen, og signalerne, når de forlader kanalen. Modtageren vil dog stadig forårsage tab i MI. Derfor udvides de signaler, der anvendes i beregningen, til bitsekvenser, som vist i fig. 1, og informationshastigheden beregnes ud fra GMI.
Fig. 1
Skematisk over MI og GMI
Billede i fuld størrelse
Antag, at det modulerede bit signal til tidenler {c1,l,c2,l,...,cm,l}{c1,l,c2,l,...,cm,l}xlxlxi∈X,kort(X)=Mxi∈ X,kort(X)=Myiyiyi∈Yyi∈Y{L1,l,L2,l,...,Lm,l}{L1,l,L2,l,...,Lm,l}
MI=I(X:Y)=1M∑i=1M∫CNfY|X(y|xi)log2fY|X(y|xi)1M∑Mj{{5} }fY|X(y|xj)dy,MI=I(X:Y)=1M∑i=1M∫CNfY|X(y|xi)log2fY| X(y|xi)1M∑j=1MfY|X(y|xj)dy,
(1)
GMI{{0}}∑k=1mEBk,Y[log2fY|Bk(Y|Bk)12∑b∈{0,1}fY|Bk(Y|b) ]=1M∑k=1m∑b∈{0,1}∑i∈Ibm∫CNfY|X(y|xi)log2∑j∈IbkfY|X(y| xj)12∑Mp=1fY|X(y|xp)dy,GMI=∑k=1mEBk,Y[log2fY|Bk(Y|Bk)12∑b ∈{0,1}fY|Bk(Y|b)]=1M∑k=1m∑b∈{0,1}∑i∈Imb∫CNfY|X( y|xi)log2∑j∈IkbfY|X(y|xj)12∑p=1MfY|X(y|xp)dy,
(2)
hvor Ibm⊂{1,2,...,M}Imb⊂{1,2,...,M}kort(Ibm)=M/2kort(Imb)=M/2fY |X(y|x)fY|X(y|x)CNCNBkBkEE
Fig. 2
GMI og MI af DP-QPSK, DP-16QAM, DP-64QAM og DP-256QAM,DP: dobbelt polarisering
Billede i fuld størrelse
3 Forbedret Gaussisk støjmodel
På grund af eksistensen af ikke-lineære effekter er signaludbredelsen i fiberen meget kompliceret. Det er umuligt at give eksplicitte udtryk for signalovergange. Imidlertid er de ikke-lineære effekter af kanalen ikke særlig stærke i nærheden af den optimale effekt, hvor signaludbredelsens adfærd er tæt på lineær signaludbredelse. Dette er den grundlæggende antagelse af den forstyrrelsesbaserede Gaussiske støjmodel. Poggiolini et al. foreslog EGN-modellen til hurtigt at estimere SNR for optiske fiberkommunikationssystemer [10, 11]. I dette papir bruges EGN-modellen til hurtigt at beregne kanalens SNR, og derefter tilføjes den EGN-baserede evaluering af den tilsvarende ikke-lineære interferens for at estimere systemets GMI. EGN-modellen i C-båndet kan tilnærmelsesvis udtrykkes som [12, 13]
SNR=Pσ2+σ2s-s+σ2s-n,SNR=Pσ2+σs-s2+σs-n2,
(3)
σ2=σ2TRx+σ2ASE,σ2=σTRx2+σASE2,
(4)
σ2s-s=Nϵ+1sηP3,σs-s2=Nsϵ+1ηP3,
(5)
σ2s-n≈3(Nϵ+1s2+Nϵ+2sϵ+2)ησ2ASEP2+3Nϵ+1sηκP3,σs-n2≈3 (Nsϵ+12+Nsϵ+2ϵ+2)ησASE2P2+3Nsϵ+1ηκP3,
(6)
hvorP, σ2ASEσASE2σ2TRxσTRx2NsNs
ϵ=310log⎡⎣1+6LsLeffsinh−1(π2| 2|R2sN2chLeff)⎤⎦,ϵ=310log[1+6LsLeffsinh−1(π2| 2| Rs2Nch2Leff)],
(7)
η≈827 2Leffπ| 2|R2ssinh−1(π22| 2|LeffN2chR2s)−8081κ 2L2effπ| 2|LsR2s[Φ(Nch+12)+C+1],η≈827 2Leffπ| 2|Rs2sinh−1(π22| 2|LeffNch2Rs2)−8081κ 2Leff2π| 2|LsRs2[Φ(Nch+12)+C+1],
(8)
hvor Leff{{0}}(1−e− Ls)/ Leff=(1−e− Ls)/ 2 2NchNchRsRsC≈0.557C≈0,557 LsLsΦ (x)Φ(x)κκ]. Nøjagtigheden af EGN-modellen i C-båndet er allerede blevet verificeret af andre forskere i vores tidligere værker [14,15,16,17].
4 Resultater og diskussion
For et optisk kommunikationssystem med Nyquist-afstand kan antallet af transmitterede symboler pr. sekund ifølge Nyquists samplingssætning måles via systemets båndbredde. Værdien af GMI repræsenterer det effektive antal bits i et symbol. Multiplicering af båndbredden med GMI giver det effektive antal bits pr. sekund, transmitteret over hver polarisationstilstand. Dette papir studerer kommunikationsscenariet for et 80 km per span 32 GBaud fiberkommunikationssystem med forskellige modulationsformater, transmissionsafstande og båndbredder. Resultater af AIR versus transmissionsafstande og båndbredder er vist i fig. 3.
Fig. 3
AIR versus transmissionsafstand og kommunikationsbåndbredde. Symbolhastigheden er 32 GBaud og hvert fiberspænd er 80 km
Billede i fuld størrelse
MI-forringelsen ved modtageren er særlig alvorlig for højere-ordens modulationsformater, som vist i fig. 2. Når SNR er lav, falder GMI'et for højordens modulationsformatet kraftigt, og det kan være endnu lavere end for lavordensformatet ved lav SNR-region. Desuden er højere-ordens modulationsformater mere signifikant påvirket af støjen, hvilket resulterer i en mere alvorlig GMI-forringelse. Det er påvist, at højere-ordens modulationsformater viser deres fordele i tilfælde af kortere transmissionsafstande eller mindre kommunikationsbåndbredder. For systemer med lange transmissionsafstande og store båndbredder kan nogle lavordensmodulationsformater være mere robuste og passende. Figur 4 viser det optimale modulationsformat til forskellige transmissionssituationer.
Fig. 4
De optimale modulationsformater under forskellige transmissionsafstande og kommunikationsbåndbredder. Symbolhastigheden er 32 GBaud og hvert fiberspænd er 80 km
Billede i fuld størrelse
For jordbaserede kommunikationssystemer er den fælles fiberspændvidde 80 km, og transmissionsafstanden er mindre end 10.000 km. Når symbolhastigheden er 32 GBaud og transmissionsafstanden overstiger 2000 km, kan modulationsformatet på 16QAM altid opnå den højeste AIR. Når transmissionsafstanden reduceres til mellem 240 og 2000 km, bliver moduleringsskemaet for 64QAM det bedst egnede format. 256QAM-signalet kan kun overgå de tre andre modulationsformater, når transmissionsafstanden er mindre end 240 km.
For at studere systemer med højere symbolhastighed fastsatte vi transmissionsafstanden til 8000 km. Figur 5 viser GMI med forskellige symbolhastigheder og forskellige kommunikationsbåndbredder ved transmissionsafstand på 8000 km og fiberspænd på 80 km.
Fig. 5
AIR pr. sender versus symbolhastighed og kommunikationsbåndbredde. Transmissionsafstanden er 8000 km og hvert fiberspænd er 80 km
Billede i fuld størrelse
Hver kurve i fig. 5 er næsten lige linje, og det betyder, at GMI er svagt korreleret med symbolhastigheden. Forøgelse af kommunikationshastigheden kan imidlertid spare antallet af kanaler til WDM-transmission og dermed spare omkostningerne til de relaterede komponentsæt. Derfor har højhastighedssendere mere effektiv AIR pr. sender. I mellemtiden opfører GMI sig næsten uafhængigt af symbolhastigheden, og så kan 16QAM stadig opnå den bedste ydeevne ved 8000 km som vist i fig. 4.
Et ubådskommunikationssystem med en spændvidde på 50 km undersøges også. Sammenlignet med systemet med 80 km spændvidde kan en afkortning af spændvidden til 50 km forbedre systemets SNR [14] markant, så de højere ordens modulationsformater kunne drage fordel af dette. Resultatet er vist i fig. 6.
Fig. 6
AIR'er kontra transmissionsafstande og kommunikationsbåndbredder. Symbolhastigheden er 32 GBaud og hvert fiberspænd er 50 km
Billede i fuld størrelse
Skæringspunktet mellem kurver med forskellige farver i samme gruppe bevæger sig mod en længere kommunikationsafstand, når der bruges højere ordens modulation. Dette beviser, at modulationsformatet af højere orden opnår mere forbedring end formatet af lavere orden med stigningen i systemets SNR. Da det nuværende transmissionsscenarie refererer til et ubådssystem, fokuserer vi på scenariet, hvor kommunikationsafstanden overstiger 8000 km. Når spændvidden er 50 km, kan det konstateres, at QPSK-modulationsformatet næsten kan nå den maksimale GMI (2 bit/sym/polarisering). Dette er også grunden til, at QPSK-formatet er meget brugt i nuværende ubådskommunikation. 16QAM-modulationsformatet opnår dog også en stor forbedring, og brugen af 16QAM-formatet inden for 12000 km kan forbedre systemets AIR væsentligt, især for større båndbredde.
Sammenfattende har symbolhastigheden ringe effekt på systemets GMI, men anvendelsen af en højere symbolhastighed kan effektivt reducere antallet af nødvendige transceivere og linkkomponenter. For langdistance (2000–10000 km) jordbaserede kommunikationssystemer med 80 km pr. span, kan 16QAM-formatet få den højeste AIR. For de undersøiske kommunikationssystemer med hvert fiberspænd på 50 km [18], viser 16QAM en større ydeevneforbedring sammenlignet med QPSK-formatet. I et terrestrisk kommunikationssystem eller et ubådskommunikationssystem kan det ses, at kommunikationsbåndbredden har marginale effekter på SNR, som vist i fig. 5. Derfor er afvejningen mellem højhastighedssendere og antallet af kanaler vigtig ved design af nye fiberoptiske systemer. For nemheds skyld lister vi resultaterne (optimalt valg af modulationsformatet) for båndbredde over 2,4 THz som i følgende tabel 1 og 2.
Tabel 1 Optimalt modulationsformat for båndbredde på over 2,4 THz og spændvidde på 80 km
Bord i fuld størrelse
Tabel 2 Optimalt modulationsformat for båndbredde på over 2,4 THz og spændvidde på 50 km
Bord i fuld størrelse
5 Forslag til fremtiden
MI for højordensmodulationsformatet er altid højere end for lavordensformatet. GMI'et for modulationsformatet af højere orden kan imidlertid være lavere end det for formatet af lavere orden på grund af tabet af information forårsaget af transceiveren. Derfor kan brugen af mere avancerede transceivere være en effektiv løsning. Faktisk er SNR-forskellen mellem hvert modulationsformat meget lille, især når modulationsrækkefølgen er højere end 4 (lig med eller over 16QAM) [19]. Forskellige metoder, der kan reducere informationstabet på modtagersiden eller flytte skæringspunktet mellem optrukne linjer med forskellige farver (modulationsformater) til venstre (lav SNR-region) i fig. 2, vil være en interessant forskningsretning for næste generations fiberkommunikation systemer. På den anden side bruger en anden varm forskningsretning forskellige tilgange, såsom konstellationsformning og bølgeformformning [20], for at forbedre det optiske fibersystems GMI og derved flytte den stiplede linje i fig. 2 tættere på Shannon-grænsen (den grå linje). Optiske fiberkommunikationssystemer vil, på trods af at der stadig er lang vej at gå, med tiden blive hjørnestenen i fremtidens telekommunikationsnetværk.
Tilgængelighed af data og materialer
De data, der understøtter resultaterne af denne undersøgelse, er tilgængelige fra den tilsvarende forfatter efter rimelig anmodning.
