Sažetak
Komunikacijske mreže s optičkim vlaknima igraju važnu ulogu u globalnoj telekomunikacijskoj mreži. Međutim, nelinearni učinci u optičkom vlaknu i šum primopredajnika uvelike ograničavaju performanse optičkih komunikacijskih sustava. U ovom radu, umnožak međusobnog informiranja (MI) i komunikacijske propusnosti koristi se kao metrika dostižne informacijske brzine (AIR). Gubitak MI uzrokovan primopredajnikom također se razmatra u ovom radu, a bitni MI, generalizirana uzajamna informacija (GMI), koristi se za izračunavanje AIR-a. Ovaj gubitak je značajniji u korištenju modulacijskih formata višeg reda. AIR analiza se provodi u modulacijskim formatima QPSK, 16QAM, 64QAM i 256QAM za komunikacijske sustave s različitim komunikacijskim propusnostima i udaljenostima prijenosa na temelju modela poboljšanog Gaussovog šuma (EGN). Rad daje prijedloge za odabir optimalnog formata modulacije u različitim scenarijima prijenosa.
Grafički sažetak
1. Uvod
Više od 95% digitalnog podatkovnog prometa odvija se preko mreža optičkih vlakana [1]. Brzina prijenosa informacija komunikacijskih sustava optičkih vlakana ograničava brzinu komunikacije globalnih telekomunikacijskih mreža. S razvojem optičke komunikacijske tehnologije, veća komunikacijska širina pojasa i veća brzina simbola su ostvareni za prijenos više bitova unutar jedne sekunde. Međutim, također se javljaju ozbiljni nelinearni učinci koji dovode do manjeg broja valjanih bitova koji se prenose u sekundi. U međuvremenu, fazni šum pojačan izjednačavanjem (EEPN) dodatno smanjuje kvalitetu signala [2]. Drugim riječima, efektivna brzina komunikacije ograničena je nelinearnim učincima i šumom prijenosa. Ovaj fenomen je očitiji kada se primjenjuju modulacijski formati višeg reda. Općenito, viši format modulacije znači veću stopu pogreške simbola (SER) [3, 4]. Međutim, korištenje formata modulacije visokog reda može prenijeti više bitova po svakom simbolu. Stoga nije dovoljno koristiti radio signal-šum (SNR) za procjenu performansi komunikacijskog sustava. Da bi se razumno izmjerila komunikacijska sposobnost, brzina prijenosa bitova koju sustav može učinkovito podržati trebala bi se koristiti kao metrika. Generalizirane međusobne informacije (GMI) mogu se koristiti za mjerenje efektivne prijenosne brzine prijenosa u bitovima sustava. Za sustave s multipleksiranjem valne duljine (WDM), više kanala se može koristiti za prijenos signala u isto vrijeme kako bi se postigle veće brzine prijenosa podataka. Iako će veća širina pojasa dodatno smanjiti SNR zbog međukanalnih interakcija, smanjenje performansi je mnogo manje od povećanja brzine informacije koje proizlazi iz upotrebe više kanala [5]. Stoga ovaj rad koristi broj bitova koji se učinkovito prenose u jednoj sekundi kao metriku dostižne brzine informacija (AIR). Model poboljšanog Gaussovog šuma (EGN) primjenjuje se za analizu performansi sustava optičkih vlakana u različitim uvjetima. Konačno, optimalni format modulacije dobiva se opsežnim analizama različitih scenarija prijenosa. Rasprave se provode u smjeru optimizacije za buduće komunikacijske sustave s optičkim vlaknima velikog kapaciteta.
Ovaj rad ocjenjuje različite komunikacijske scenarije u smislu efektivnih bitnih brzina koje se mogu učinkovito prenijeti. Takva metrika pruža pravednu usporedbu sustava, a rezultati imaju temeljne implikacije i daju pronicljive prijedloge za daljnja istraživanja. Zaključci u ovom radu temelje se na sustavima bez primjene tehnika unaprijednog ispravljanja grešaka (FEC) [6, 7]. Različite vrste FEC kodova imaju različite mogućnosti ispravljanja pogrešaka, a istraživanje AIR-a u ovom slučaju treba provesti samo daljnji korak na temelju naših rezultata. Štoviše, utjecaj uvođenja kodova za ispravljanje pogrešaka na brzinu prijenosa je linearan, tako da su zaključci u ovom radu pronicljivi i primjenjivi za sustave s FEC-ovima.
Ovaj rad je uređen na sljedeći način. GMI i MI su predstavljeni u Odjeljku. 2. Odjeljak 3 govori o EGN modelu. Rezultati i rasprava mogu se naći u Sect. 4 i neki prijedlozi za budućnost predstavljeni su u odjeljku. 5.
2 Generalizirano međusobno informiranje
Uzajamno informiranje (MI) je mjera količine informacija koje dvije slučajne varijable dijele. Kvantificira stupanj do kojeg poznavanje jedne varijable smanjuje neizvjesnost o drugoj varijabli. Za komunikacijske signale, što je veći MI između odašiljača i prijamnika, to je bolja kvaliteta komunikacije. To znači da se više informacija ispravno prenosi. Shannonova granica se koristi za mjerenje kapaciteta kanala, izračunavanjem MI između signala prije ulaska u kanal i signala pri izlasku iz kanala. Međutim, prijemnik će i dalje uzrokovati gubitak u MI. Stoga se signali korišteni u izračunu proširuju u sekvence bitova, kao što je prikazano na slici 1, a brzina informacije se izračunava na temelju GMI.
Sl. 1
Shema MI i GMI
Slika u punoj veličini
Pretpostavimo da modulirani bitni signal u vremenulje {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)
gdje 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 i MI DP-QPSK, DP-16QAM, DP-64QAM i DP-256QAM,DP: dvostruka polarizacija
Slika u punoj veličini
3 Poboljšani model Gaussovog šuma
Zbog postojanja nelinearnih efekata, širenje signala u vlaknu je vrlo komplicirano. Nemoguće je dati eksplicitne izraze za prijelaze signala. Međutim, nelinearni učinci kanala nisu jako jaki u blizini optimalne snage, gdje je ponašanje širenja signala blisko linearnom širenju signala. Ovo je osnovna pretpostavka modela Gaussovog šuma temeljenog na perturbaciji. Poggiolini i sur. predložio je EGN model za brzu procjenu SNR-a komunikacijskih sustava s optičkim vlaknima [10, 11]. U ovom se radu EGN model koristi za brzo izračunavanje SNR-a kanala, a zatim se procjena odgovarajuće nelinearne smetnje temeljena na EGN-u dodaje za procjenu GMI sustava. EGN model u C-pojasu može se približno izraziti kao [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)
gdjeP, 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)
gdje je Leff{{0}}(1−e− Ls)/ Leff=(1−e− Ls)/ 2 2NchNchRsRsC≈0.557C≈0.557 LsLsΦ (x)Φ(x)κκ]. Točnost EGN modela u C-pojasu već su potvrdili i drugi znanstvenici u našim prethodnim radovima [14,15,16,17].
4 Rezultati i rasprava
Za optički komunikacijski sustav s Nyquistovim razmakom, prema Nyquistovom teoremu o uzorkovanju, broj simbola prenesenih u sekundi može se mjeriti preko propusnosti sustava. Vrijednost GMI predstavlja efektivni broj bitova u simbolu. Množenje propusnosti s GMI daje efektivni broj bitova u sekundi koji se prenosi preko svakog načina polarizacije. Ovaj rad proučava komunikacijski scenarij 80 km po rasponu 32 GBaud optičkog komunikacijskog sustava s različitim modulacijskim formatima, prijenosnim udaljenostima i propusnostima. Rezultati AIR-a u odnosu na udaljenosti prijenosa i širinu pojasa prikazani su na slici 3.
Slika 3
AIR u odnosu na udaljenost prijenosa i komunikacijsku propusnost. Brzina simbola je 32 GBauda, a svaki raspon vlakana je 80 km
Slika u punoj veličini
Degradacija MI na prijemniku posebno je ozbiljna za formate modulacije višeg reda, kao što je prikazano na slici 2. Kada je SNR nizak, GMI formata modulacije visokog reda naglo pada, a može biti čak niži od onog kod niži format u području niskog SNR-a. Štoviše, šum značajnije utječe na formate modulacije višeg reda, što dovodi do ozbiljnije degradacije GMI-ja. Dokazano je da modulacijski formati višeg reda pokazuju svoje prednosti u slučaju kraćih udaljenosti prijenosa ili manjih komunikacijskih propusnosti. Za sustave s velikim udaljenostima prijenosa i velikim širinama pojasa, neki modulacijski formati niskog reda mogu biti robusniji i prikladniji. Slika 4 prikazuje optimalni format modulacije za različite situacije prijenosa.
Slika 4
Optimalni modulacijski formati pod različitim udaljenostima prijenosa i komunikacijskim propusnostima. Brzina simbola je 32 GBauda, a svaki raspon vlakana je 80 km
Slika u punoj veličini
Za zemaljske komunikacijske sustave, uobičajena duljina vlakana je 80 km, a udaljenost prijenosa manja je od 10 000 km. Kada je brzina simbola 32 GBaud i udaljenost prijenosa prelazi 2000 km, format modulacije 16QAM uvijek može dobiti najviši AIR. Kada se udaljenost prijenosa smanji na između 240 i 2000 km, modulacijska shema 64QAM postaje najprikladniji format. Signal 256QAM može nadmašiti ostala tri modulacijska formata samo kada je udaljenost prijenosa manja od 240 km.
Kako bismo proučili sustave veće brzine prijenosa, fiksirali smo udaljenost prijenosa na 8000 km. Slika 5 prikazuje GMI s različitim brzinama simbola i različitim komunikacijskim propusnostima na udaljenosti prijenosa od 8000 km i rasponu vlakana od 80 km.
Slika 5
AIR po odašiljaču u odnosu na brzinu prijenosa simbola i komunikacijsku propusnost. Udaljenost prijenosa je 8000 km, a svaki raspon vlakana je 80 km
Slika u punoj veličini
Svaka krivulja na slici 5 je gotovo kao ravna linija, a to znači da je GMI u slaboj korelaciji sa brzinom simbola. Međutim, povećanje brzine komunikacije može uštedjeti broj kanala za WDM prijenos i stoga uštedjeti troškove povezane komponente. Stoga odašiljači veće brzine imaju učinkovitiji AIR po odašiljaču. U međuvremenu, GMI se ponaša gotovo neovisno o brzini simbola, pa 16QAM još uvijek može postići najbolje performanse na 8000 km kao što je prikazano na slici 4.
Proučava se i podmorski komunikacijski sustav raspona duljine 50 km. U usporedbi sa sustavom s rasponom od 80 km, skraćivanje raspona na 50 km može značajno poboljšati SNR sustava [14], tako da modulacijski formati višeg reda mogu imati koristi od ovoga. Rezultat je prikazan na slici 6.
Slika 6
AIRs u odnosu na udaljenosti prijenosa i komunikacijske propusnosti. Brzina simbola je 32 GBauda, a svaki raspon vlakana je 50 km
Slika u punoj veličini
Sjecište između krivulja s različitim bojama u istoj skupini pomiče se prema većoj komunikacijskoj udaljenosti kada se koristi modulacija višeg reda. Ovo dokazuje da format modulacije višeg reda postiže više poboljšanja od formata nižeg reda s povećanjem SNR-a sustava. Budući da se trenutni scenarij prijenosa odnosi na podmorski sustav, fokusiramo se na scenarij gdje komunikacijska udaljenost prelazi 8000 km. Kada je duljina raspona 50 km, može se ustanoviti da format QPSK modulacije može gotovo doseći maksimalni GMI (2 bita/sym/polarizacija). To je također razlog zašto se QPSK format naširoko koristi u trenutnim podmorskim komunikacijama. Međutim, format modulacije 16QAM također postiže veliko poboljšanje, a korištenje formata 16QAM unutar 12000 km može značajno poboljšati sustav AIR, posebno za veću propusnost.
Ukratko, brzina simbola ima mali učinak na GMI sustava, ali primjena veće brzine simbola može učinkovito smanjiti broj potrebnih primopredajnika i komponenti veze. Za zemaljske komunikacijske sustave na velikim udaljenostima (2000–10000 km) s 80 km po rasponu, format 16QAM može dobiti najveći AIR. Za podmorske komunikacijske sustave sa svakim rasponom vlakana od 50 km [18], 16QAM pokazuje značajnije poboljšanje performansi u usporedbi s QPSK formatom. U zemaljskom komunikacijskom sustavu ili podmorskom komunikacijskom sustavu, može se vidjeti da komunikacijska propusnost ima marginalne učinke na SNR, kao što je prikazano na slici 5. Stoga je važan kompromis između odašiljača velike brzine i broja kanala prilikom projektiranja novih optičkih sustava. Radi lakšeg korištenja, navodimo rezultate (optimalan odabir formata modulacije) za širinu pojasa veću od 2,4 THz kao u sljedećim tablicama 1 i 2.
Tablica 1. Optimalni format modulacije za širinu pojasa od preko 2,4 THz i udaljenost raspona od 80 km
Stol pune veličine
Tablica 2. Optimalni format modulacije za širinu pojasa od preko 2,4 THz i udaljenost raspona od 50 km
Stol pune veličine
5 prijedloga za budućnost
MI modulacijskog formata visokog reda uvijek je veći od MI formata nižeg reda. Međutim, GMI formata modulacije višeg reda mogao bi biti niži od formata nižeg reda zbog gubitka informacija koje uzrokuje primopredajnik. Stoga korištenje naprednijih primopredajnika može biti učinkovito rješenje. Zapravo, SNR razlika između svakog modulacijskog formata je vrlo mala, posebno kada je redoslijed modulacije viši od 4 (jednak ili veći od 16QAM) [19]. Različite metode koje mogu smanjiti gubitak informacija na strani prijamnika ili pomaknuti sjecište između punih linija s različitim bojama (formati modulacije) ulijevo (područje niskog SNR-a) na slici 2 bit će zanimljiv smjer istraživanja za sljedeću generaciju optičke komunikacije sustava. S druge strane, drugi vrući smjer istraživanja koristi različite pristupe, kao što je oblikovanje konstelacije i oblikovanje valnog oblika [20], kako bi se poboljšao GMI sustava optičkih vlakana, čime se točkasta linija na slici 2 pomiče bliže Shannonovoj granici ( siva linija). Komunikacijski sustavi s optičkim vlaknima, unatoč tome što je pred njima još dug put, s vremenom će postati kamen temeljac budućih telekomunikacijskih mreža.
Dostupnost podataka i materijala
Podaci koji podupiru nalaze ove studije dostupni su od odgovarajućeg autora, na razuman zahtjev.