Povzetek
Komunikacijska omrežja z optičnimi vlakni igrajo pomembno vlogo v svetovnem telekomunikacijskem omrežju. Vendar pa nelinearni učinki v optičnih vlaknih in šum oddajnika močno omejujejo zmogljivost optičnih komunikacijskih sistemov. V tem dokumentu je zmnožek medsebojnega obveščanja (MI) in komunikacijske pasovne širine uporabljen kot metrika dosegljive hitrosti obveščanja (AIR). V tem delu je upoštevana tudi izguba MI, ki jo povzroči oddajnik-sprejemnik, za izračun AIR pa se uporablja bitni MI, generalizirana medsebojna informacija (GMI). Ta izguba je pomembnejša pri uporabi modulacijskih formatov višjega reda. Analiza AIR se izvaja v modulacijskih formatih QPSK, 16QAM, 64QAM in 256QAM za komunikacijske sisteme z različnimi komunikacijskimi pasovnimi širinami in razdaljami prenosa na podlagi modela izboljšanega Gaussovega šuma (EGN). Prispevek podaja predloge za izbiro optimalnega formata modulacije v različnih prenosnih scenarijih.
Grafični povzetek
1. Uvod
Več kot 95 % digitalnega podatkovnega prometa poteka po omrežjih z optičnimi vlakni [1]. Hitrost prenosa informacij komunikacijskih sistemov z optičnimi vlakni omejuje komunikacijsko hitrost globalnih telekomunikacijskih omrežij. Z razvojem optične komunikacijske tehnologije sta večja komunikacijska pasovna širina in višja simbolna hitrost uresničeni za prenos več bitov v eni sekundi. Vendar se pojavijo tudi hudi nelinearni učinki, ki vodijo do manjšega števila prenesenih veljavnih bitov na sekundo. Medtem pa izenačevalni izboljšani fazni šum (EEPN) dodatno zmanjša kakovost signala [2]. Z drugimi besedami, efektivna hitrost komunikacije je omejena z nelinearnimi učinki in šumom prenosa. Ta pojav je bolj očiten pri uporabi modulacijskih formatov višjega reda. Na splošno višji format modulacije pomeni višjo stopnjo napak simbola (SER) [3, 4]. Vendar pa lahko uporaba formata modulacije visokega reda prenese več bitov z vsakim simbolom. Zato ni dovolj, da bi za oceno delovanja komunikacijskega sistema uporabili razmerje med signalom in šumom (SNR). Za razumno merjenje komunikacijske zmogljivosti je treba kot metriko uporabiti bitno hitrost prenosa, ki jo lahko sistem učinkovito podpira. Splošne medsebojne informacije (GMI) se lahko uporabljajo za merjenje efektivne prenosne bitne hitrosti sistema. Za sisteme z multipleksiranjem po valovnih dolžinah (WDM) je mogoče uporabiti več kanalov za prenos signalov hkrati, da se dosežejo višje hitrosti prenosa podatkov. Čeprav bo večja pasovna širina dodatno zmanjšala SNR zaradi medkanalnih interakcij, je škoda v zmogljivosti veliko manjša od povečanja informacijske hitrosti, ki izhaja iz uporabe več kanalov [5]. Zato ta dokument uporablja število bitov, ki se dejansko prenesejo v eni sekundi, kot metriko dosegljive hitrosti informacij (AIR). Model izboljšanega Gaussovega šuma (EGN) se uporablja za analizo delovanja sistema optičnih vlaken v različnih pogojih. Končno se optimalni format modulacije pridobi s celovito analizo različnih scenarijev prenosa. Vodijo se razprave, ki zagotavljajo smer optimizacije za prihodnje visoko zmogljive komunikacijske sisteme z optičnimi vlakni.
Ta članek ocenjuje različne komunikacijske scenarije glede na efektivne bitne hitrosti, ki jih je mogoče učinkovito prenašati. Takšna metrika zagotavlja pošteno primerjavo sistemov, rezultati pa imajo temeljne posledice in dajejo pronicljive predloge za nadaljnje raziskave. Sklepi v tem dokumentu temeljijo na sistemih brez uporabe tehnik vnaprejšnjega odpravljanja napak (FEC) [6, 7]. Različne vrste kod FEC imajo različne zmožnosti odpravljanja napak in raziskava AIR mora v tem primeru opraviti samo nadaljnji korak na podlagi naših rezultatov. Poleg tega je vpliv uvedbe kod za odpravljanje napak na bitno hitrost prenosa linearen, zato so sklepi v tem dokumentu pronicljivi in uporabni za sisteme s FEC.
Ta dokument je urejen na naslednji način. GMI in MI sta predstavljena v razd. 2. Oddelek 3 obravnava model EGN. Rezultate in razpravo najdete v razdelku. 4 in nekateri predlogi za prihodnost so predstavljeni v oddelku. 5.
2 Splošno medsebojno obveščanje
Medsebojna informacija (MI) je merilo količine informacij, ki si jih delita dve naključni spremenljivki. Kvantificira stopnjo, do katere poznavanje ene spremenljivke zmanjša negotovost glede druge spremenljivke. Za komunikacijske signale velja, da višji kot je MI med oddajnikom in sprejemnikom, boljša je kakovost komunikacije. To pomeni, da je več informacij pravilno prenesenih. Shannonova meja se uporablja za merjenje zmogljivosti kanala z izračunom MI med signali pred vstopom v kanal in signali ob izstopu iz kanala. Vendar pa bo sprejemnik še vedno povzročil izgubo v MI. Zato se signali, uporabljeni pri izračunu, razširijo v bitna zaporedja, kot je prikazano na sliki 1, in informacijska hitrost se izračuna na podlagi GMI.
Slika 1
Shema MI in GMI
Slika v polni velikosti
Recimo, da je moduliran bitni signal v trenutkulje {c1,l,c2,l,...,cm,l}{c1,l,c2,l,...,cm,l}xlxlxi∈X,kartica(X)=Mxi∈ X,kartica(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)
kjer je Ibm⊂{1,2,...,M}Imb⊂{1,2,...,M}kartica(Ibm)=M/2kartica(Imb)=M/2fY |X(y|x)fY|X(y|x)CNCNBkBkEE
Slika 2
GMI in MI DP-QPSK, DP-16QAM, DP-64QAM in DP-256QAM,DP: dvojna polarizacija
Slika v polni velikosti
3 Izboljšan Gaussov model šuma
Zaradi obstoja nelinearnih učinkov je širjenje signala v vlaknu zelo zapleteno. Nemogoče je zagotoviti eksplicitne izraze za prehode signalov. Vendar pa nelinearni učinki kanala niso zelo močni blizu optimalne moči, kjer je obnašanje širjenja signala blizu linearnemu širjenju signala. To je osnovna predpostavka modela Gaussovega šuma, ki temelji na motnjah. Poggiolini idr. je predlagal model EGN za hitro oceno SNR komunikacijskih sistemov z optičnimi vlakni [10, 11]. V tem prispevku je model EGN uporabljen za hiter izračun SNR kanala, nato pa je dodana ocena ustrezne nelinearne motnje na podlagi EGN za oceno GMI sistema. Model EGN v C-pasu se lahko približno izrazi kot [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)
kjeP, 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)
kjer je Leff{{0}}(1−e− Ls)/ Leff=(1−e− Ls)/ 2 2NchNchRsRsC≈0.557C≈0,557 LsLsΦ (x)Φ(x)κκ]. Natančnost modela EGN v C-pasu so že preverili drugi znanstveniki v naših prejšnjih delih [14,15,16,17].
4 Rezultati in razprava
Za optični komunikacijski sistem z Nyquistovim razmikom je v skladu z Nyquistovim izrekom o vzorčenju število prenesenih simbolov na sekundo mogoče izmeriti prek pasovne širine sistema. Vrednost GMI predstavlja efektivno število bitov v simbolu. Če pasovno širino pomnožimo z GMI, dobimo dejansko število bitov na sekundo, ki se prenašajo v vsakem polarizacijskem načinu. Ta dokument proučuje komunikacijski scenarij 80 km na razpon 32 GBaud optičnega komunikacijskega sistema z različnimi formati modulacije, razdaljami prenosa in pasovnimi širinami. Rezultati AIR v primerjavi z razdaljami in pasovnimi širinami prenosa so prikazani na sliki 3.
Slika 3
AIR v primerjavi z razdaljo prenosa in komunikacijsko pasovno širino. Simbolna hitrost je 32 GBaud in razpon vsakega vlakna je 80 km
Slika v polni velikosti
Poslabšanje MI na sprejemniku je še posebej hudo pri formatih modulacije višjega reda, kot je prikazano na sliki 2. Ko je SNR nizek, GMI formata modulacije visokega reda močno pade in je lahko celo nižji od tistega pri format nizkega reda na območju nizkega SNR. Poleg tega hrup bolj vpliva na formate modulacije višjega reda, kar povzroči resnejšo degradacijo GMI. Dokazano je, da modulacijski formati višjega reda pokažejo svoje prednosti v primeru krajših prenosnih razdalj ali manjših komunikacijskih pasovnih širin. Za sisteme z velikimi razdaljami prenosa in velikimi pasovnimi širinami so lahko nekateri formati modulacije nizkega reda bolj robustni in primerni. Slika 4 prikazuje optimalno obliko modulacije za različne situacije prenosa.
Slika 4
Optimalni modulacijski formati pri različnih prenosnih razdaljah in komunikacijskih pasovnih širinah. Simbolna hitrost je 32 GBaud in razpon vsakega vlakna je 80 km
Slika v polni velikosti
Za prizemne komunikacijske sisteme je običajna dolžina razpona vlaken 80 km, razdalja prenosa pa je manjša od 10000 km. Ko je hitrost simbola 32 GBaud in razdalja prenosa presega 2000 km, lahko format modulacije 16QAM vedno doseže najvišji AIR. Ko se razdalja prenosa zmanjša na med 240 in 2000 km, postane modulacijska shema 64QAM najprimernejši format. Signal 256QAM lahko preseže ostale tri modulacijske formate le, če je razdalja prenosa manjša od 240 km.
Za preučevanje sistemov z višjo hitrostjo simbolov smo razdaljo prenosa določili na 8000 km. Slika 5 prikazuje GMI z različnimi simbolnimi hitrostmi in različnimi komunikacijskimi pasovnimi širinami na razdalji prenosa 8000 km in razponu vlaken 80 km.
Slika 5
AIR na oddajnik v primerjavi s hitrostjo simbolov in komunikacijsko pasovno širino. Razdalja prenosa je 8000 km, vsak razpon vlaken pa 80 km
Slika v polni velikosti
Vsaka krivulja na sliki 5 je skoraj enaka ravni črti, kar pomeni, da je GMI šibko povezan s hitrostjo simbolov. Vendar pa lahko povečanje komunikacijske hitrosti prihrani število kanalov za prenos WDM in s tem prihrani stroške povezanih sklopov komponent. Zato imajo oddajniki z večjo hitrostjo učinkovitejši AIR na oddajnik. Medtem se GMI obnaša skoraj neodvisno od hitrosti simbolov, zato lahko 16QAM še vedno doseže najboljšo zmogljivost pri 8000 km, kot je prikazano na sliki 4.
Proučuje se tudi podmorski komunikacijski sistem z razponom 50 km. V primerjavi s sistemom z razponom 80 km lahko skrajšanje razpona na 50 km znatno izboljša SNR sistema [14], tako da bi modulacijski formati višjega reda lahko imeli koristi od tega. Rezultat je prikazan na sliki 6.
Slika 6
AIRs v primerjavi s prenosnimi razdaljami in komunikacijskimi pasovnimi širinami. Simbolna hitrost je 32 GBaud in razpon vsakega vlakna je 50 km
Slika v polni velikosti
Presek med krivuljami z različnimi barvami v isti skupini se premakne proti daljši komunikacijski razdalji, če se uporablja modulacija višjega reda. To dokazuje, da modulacijski format višjega reda pridobi več izboljšav kot format nižjega reda s povečanjem sistemskega SNR. Ker se trenutni scenarij prenosa nanaša na podmorski sistem, se osredotočamo na scenarij, kjer komunikacijska razdalja presega 8000 km. Ko je dolžina razpona 50 km, je mogoče ugotoviti, da lahko modulacijski format QPSK skoraj doseže največji GMI (2 bita/sym/polarizacija). To je tudi razlog, zakaj se format QPSK pogosto uporablja v sedanjih podmorskih komunikacijah. Vendar pa modulacijski format 16QAM prav tako doseže veliko izboljšavo in uporaba formata 16QAM znotraj 12000 km lahko bistveno izboljša sistem AIR, zlasti za večjo pasovno širino.
Če povzamemo, simbolna hitrost malo vpliva na sistem GMI, vendar lahko uporaba višje simbolne hitrosti učinkovito zmanjša število zahtevanih oddajnikov in komponent povezave. Za prizemne komunikacijske sisteme na dolge razdalje (2000–10000 km) z 80 km na razpon lahko format 16QAM doseže najvišji AIR. Za podmorske komunikacijske sisteme z vsakim razponom vlaken 50 km [18] kaže 16QAM pomembnejše izboljšanje zmogljivosti v primerjavi s formatom QPSK. V zemeljskem komunikacijskem sistemu ali podmorskem komunikacijskem sistemu lahko vidimo, da ima komunikacijska pasovna širina obrobne učinke na SNR, kot je prikazano na sliki 5. Zato je kompromis med hitrimi oddajniki in številom kanalov pomemben pri načrtovanju novih sistemov z optičnimi vlakni. Za udobje uporabe navajamo rezultate (optimalna izbira formata modulacije) za pasovno širino, ki presega 2,4 THz, kot v naslednjih tabelah 1 in 2.
Tabela 1 Optimalna oblika modulacije za pasovno širino nad 2,4 THz in razdaljo razpona 80 km
Tabela v polni velikosti
Tabela 2 Optimalna oblika modulacije za pasovno širino nad 2,4 THz in razdaljo razpona 50 km
Tabela v polni velikosti
5 predlogov za prihodnost
MI formata modulacije visokega reda je vedno višji od MI formata nizkega reda. Vendar bi lahko bil GMI modulacijskega formata višjega reda nižji od GMI formata nižjega reda zaradi izgube informacij, ki jih povzroči oddajnik-sprejemnik. Zato je uporaba naprednejših oddajnikov lahko učinkovita rešitev. Pravzaprav je razlika v SNR med vsakim formatom modulacije zelo majhna, še posebej, če je vrstni red modulacije višji od 4 (enako ali nad 16QAM) [19]. Različne metode, ki lahko zmanjšajo izgubo informacij na strani sprejemnika ali premaknejo presečišče med polnimi črtami z različnimi barvami (formati modulacije) v levo (območje z nizkim SNR) na sliki 2, bodo zanimiva raziskovalna smer za optično komunikacijo naslednje generacije sistemi. Po drugi strani druga vroča raziskovalna smer uporablja različne pristope, kot sta oblikovanje konstelacije in valovne oblike [20], za izboljšanje GMI sistema optičnih vlaken, s čimer premakne črtkano črto na sliki 2 bližje Shannonovi meji ( siva črta). Komunikacijski sistemi z optičnimi vlakni bodo kljub temu, da je še dolga pot, sčasoma postali temelj prihodnjih telekomunikacijskih omrežij.
Dostopnost podatkov in materialov
Podatki, ki podpirajo ugotovitve te študije, so na voljo pri ustreznem avtorju na razumno zahtevo.