Abstract
Komunikacione mreže sa optičkim vlaknima igraju važnu ulogu u globalnoj telekomunikacijskoj mreži. Međutim, nelinearni efekti u optičkom vlaknu i šumu primopredajnika uvelike ograničavaju performanse optičkih komunikacionih sistema. U ovom radu, proizvod međusobne informacije (MI) i komunikacijskog propusnog opsega se koristi kao metrika dostižne brzine informacija (AIR). Gubitak MI uzrokovanog primopredajnikom je također razmatran u ovom radu, a bitovski MI, generalizirane uzajamne informacije (GMI), se koristi za izračunavanje AIR-a. Ovaj gubitak je značajniji u korištenju modulacijskih formata višeg reda. AIR analiza se provodi u QPSK, 16QAM, 64QAM i 256QAM modulacijskim formatima za komunikacione sisteme sa različitim komunikacijskim propusnim opsegom i udaljenostima prijenosa na osnovu modela poboljšanog Gaussovog šuma (EGN). U radu su dati prijedlozi za izbor optimalnog formata modulacije u različitim scenarijima prijenosa.
Graphical Abstract
1. Uvod
Preko 95% digitalnog prometa podataka prenosi se preko optičkih mreža [1]. Brzina prijenosa informacija komunikacijskih sistema optičkih vlakana ograničava brzinu komunikacije globalnih telekomunikacionih mreža. Sa razvojem optičke komunikacijske tehnologije, veća širina komunikacijskog pojasa i veća brzina simbola su ostvareni za prijenos više bitova unutar jedne sekunde. Međutim, javljaju se i ozbiljni nelinearni efekti koji dovode do manjeg broja valjanih bitova koji se prenose u sekundi. U međuvremenu, pojačani fazni šum (EEPN) dodatno smanjuje kvalitet signala [2]. Drugim riječima, efektivna brzina komunikacije je ograničena nelinearnim efektima i šumom prijenosa. Ovaj fenomen je očigledniji kada se primjenjuju modulacijski formati višeg reda. Generalno, viši format modulacije znači veću stopu greške 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 sistema. Da bi se razumno izmjerila komunikacijska sposobnost, brzina prijenosa koju sistem može efikasno podržati treba koristiti kao metriku. Generalizovane međusobne informacije (GMI) se mogu koristiti za merenje efektivne brzine prenosa sistema. Za multipleksirane sisteme talasne dužine (WDM), više kanala se može koristiti za prenos signala u isto vreme kako bi se postigle veće brzine prenosa podataka. Iako će veća širina pojasa dodatno smanjiti SNR zbog međukanalnih interakcija, kazna performansi je mnogo manja od povećanja brzine informacija koje proizilazi iz upotrebe više kanala [5]. Stoga, ovaj rad koristi broj bitova koji se efektivno prenose u jednoj sekundi kao metriku dostižne brzine informacija (AIR). Model poboljšanog Gausovog šuma (EGN) se primenjuje za analizu performansi sistema optičkih vlakana u različitim uslovima. Konačno, optimalni format modulacije dobija se sveobuhvatnim analizama različitih scenarija prenosa. Rasprave se vode daju pravac optimizacije za buduće komunikacione sisteme sa optičkim vlaknima visokog kapaciteta.
Ovaj rad procjenjuje različite scenarije komunikacije u smislu efektivnih brzina prijenosa koji se mogu efikasno prenijeti. Takva metrika pruža fer poređenje sistema, a rezultati imaju fundamentalne implikacije i pružaju pronicljive sugestije za naknadno istraživanje. Zaključci u ovom radu zasnovani su na sistemima bez primjene tehnika korekcije naprijed grešaka (FEC) [6, 7]. Različiti tipovi FEC kodova imaju različite mogućnosti ispravljanja grešaka, a istraživanje AIR-a u ovom slučaju treba samo da izvrši dalji korak na osnovu naših rezultata. Štaviše, uticaj uvođenja kodova za ispravljanje grešaka na brzinu prenosa je linearan, tako da su zaključci u ovom radu pronicljivi i primenljivi za sisteme sa FEC-ovima.
Ovaj rad je uređen na sljedeći način. GMI i MI su uvedeni u odjeljku. 2. Odjeljak 3 govori o EGN modelu. Rezultati i diskusija mogu se naći u odjeljku. 4, a neki prijedlozi za budućnost predstavljeni su u odjeljku. 5.
2 Generalized mutual information
Međusobne informacije (MI) je mjera količine informacija koju dijele dvije slučajne varijable. Kvantifikuje stepen do kojeg poznavanje jedne varijable smanjuje nesigurnost u vezi sa drugom varijablom. Za komunikacijske signale, što je veći MI između predajnika i prijemnika, to je bolji kvalitet komunikacije. To znači da se više informacija ispravno prenosi. Šenonova granica se koristi za mjerenje kapaciteta kanala, izračunavanjem MI između signala prije ulaska u kanal i signala pri napuštanju kanala. Međutim, prijemnik će i dalje uzrokovati gubitak u MI. Zbog toga se signali koji se koriste u proračunu proširuju u sekvence bitova, kao što je prikazano na slici 1, a brzina informacija se izračunava na osnovu GMI.
Slika 1
Šema MI i GMI
Slika u punoj veličini
Pretpostavimo da je modulirani bitni signal u vremenulje {c1,l,c2,l,...,cm,l}{c1,l,c2,l,...,cm,l}xlxlxi∈X,card(X)=Mxi∈ X,card(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}card(Ibm)=M/2card(Imb)=M/2fY |X(y|x)fY|X(y|x)CNBkBkEE
sl. 2
GMI i MI DP-QPSK, DP-16QAM, DP-64QAM i DP-256QAM,DP: dvostruka polarizacija
Slika u punoj veličini
3 Model poboljšanog Gaussovog šuma
Zbog postojanja nelinearnih efekata, širenje signala u vlaknu je veoma komplikovano. Nemoguće je dati eksplicitne izraze za prijelaze signala. Međutim, nelinearni efekti kanala nisu jako jaki blizu optimalne snage, gdje je ponašanje širenja signala blisko linearnom širenju signala. Ovo je osnovna pretpostavka Gaussovog modela buke zasnovanog na perturbaciji. Poggiolini et al. predložio EGN model za brzu procjenu SNR optičkih komunikacionih sistema [10, 11]. U ovom radu, EGN model se koristi za brzo izračunavanje SNR kanala, a zatim se dodaje EGN-bazirana procjena odgovarajuće nelinearne smetnje za procjenu GMI sistema. EGN model u C-opsegu 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-opsegu su već potvrdili i drugi naučnici u našim prethodnim radovima [14,15,16,17].
4 Rezultati i diskusija
Za Nyquist-ov razmakni optički komunikacioni sistem, prema Nyquist teoremi uzorkovanja, broj simbola koji se prenose u sekundi može se mjeriti preko propusnog opsega sistema. Vrijednost GMI predstavlja efektivni broj bitova u simbolu. Množenjem propusnog opsega GMI-om daje se efektivni broj bitova u sekundi, koji se prenose preko svakog polarizacionog moda. Ovaj rad proučava komunikacijski scenario 80 km po rasponu od 32 GBaud optičkog komunikacionog sistema sa različitim modulacionim formatima, daljinama prenosa i propusnim opsegom. Rezultati AIR u odnosu na udaljenosti i propusni opseg prikazani su na slici 3.
Slika 3
AIR u odnosu na udaljenost prijenosa i propusni opseg komunikacije. Brzina simbola je 32 GBaud i svaki raspon vlakana je 80 km
Slika u punoj veličini
Degradacija MI na prijemniku je posebno ozbiljna za formate modulacije višeg reda, kao što je prikazano na slici 2. Kada je SNR nizak, GMI formata modulacije visokog reda naglo opada i može biti čak niži od onog kod format niskog reda na niskom SNR regionu. Štaviše, na formate modulacije višeg reda značajnije utiče šum, što rezultira ozbiljnijom degradacijom GMI. Pokazano je da modulacijski formati višeg reda pokazuju svoje prednosti u slučaju kraćih udaljenosti prijenosa ili manjih propusnih opsega komunikacije. Za sisteme sa velikim udaljenostima prenosa i velikim propusnim opsegom, neki modulacioni formati nižeg reda mogu biti robusniji i prikladniji. Slika 4 prikazuje optimalni format modulacije za različite situacije prijenosa.
Slika 4
Optimalni formati modulacije pod različitim udaljenostima prijenosa i komunikacijskim propusnim opsegom. Brzina simbola je 32 GBaud i svaki raspon vlakana je 80 km
Slika u punoj veličini
Za zemaljske komunikacione sisteme, uobičajena dužina raspona vlakana je 80 km, a udaljenost prenosa je manja od 10000 km. Kada je brzina simbola 32 GBaud i udaljenost prijenosa prelazi 2000 km, modulacijski format 16QAM uvijek može dobiti najveći AIR. Kada se udaljenost prijenosa smanji na između 240 i 2000 km, modulacijska shema 64QAM postaje najprikladniji format. 256QAM signal može nadmašiti ostala tri modulacijska formata samo kada je udaljenost prijenosa manja od 240 km.
Da bismo proučavali sisteme veće brzine simbola, fiksirali smo udaljenost prijenosa na 8000 km. Slika 5 prikazuje GMI sa različitim brzinama simbola i različitim komunikacijskim propusnim opsegom na udaljenosti prijenosa od 8000 km i rasponu vlakana od 80 km.
Slika 5
AIR po predajniku u odnosu na brzinu prijenosa i komunikacijski opseg. Udaljenost prijenosa je 8000 km, a svaki raspon vlakana je 80 km
Slika u punoj veličini
Svaka kriva na slici 5 je skoro jednaka 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 time uštedjeti troškove povezanih skupova komponenti. Stoga, predajnici veće brzine imaju efikasniji AIR po predajniku. U međuvremenu, GMI se ponaša gotovo nezavisno od brzine simbola, tako da 16QAM i dalje može postići najbolje performanse na 8000 km kao što je prikazano na slici 4.
Proučava se i podmorski komunikacioni sistem dužine raspona od 50 km. U poređenju sa sistemom sa rasponom od 80 km, skraćivanje raspona na 50 km može značajno poboljšati sistemski SNR [14], tako da bi modulacioni formati višeg reda mogli imati koristi od toga. Rezultat je prikazan na slici 6.
Slika 6
AIR u odnosu na udaljenosti prijenosa i komunikacijske širine. Brzina simbola je 32 GBaud i svaki raspon vlakana je 50 km
Slika u punoj veličini
Presjek između krivulja s različitim bojama u istoj grupi pomiče se prema većoj komunikacijskoj udaljenosti kada se koristi modulacija višeg reda. Ovo dokazuje da modulacioni format višeg reda dobija više poboljšanja od formata nižeg reda sa povećanjem sistemskog SNR-a. Budući da se trenutni scenarij prijenosa odnosi na podmorski sistem, fokusiramo se na scenario gdje komunikacijska udaljenost prelazi 8000 km. Kada je dužina raspona 50 km, može se naći da QPSK modulacijski format može skoro dostići maksimalni GMI (2 bit/sym/polarizacija). To je i razlog zašto se QPSK format široko koristi u trenutnim podmorskim komunikacijama. Međutim, 16QAM modulacijski format također postiže veliko poboljšanje, a korištenje 16QAM formata unutar 12000 km može značajno poboljšati sistem AIR, posebno za veći propusni opseg.
Ukratko, brzina simbola ima mali uticaj na sistemski GMI, ali primena veće brzine simbola može efikasno smanjiti broj potrebnih primopredajnika i komponenti veze. Za zemaljske komunikacione sisteme na velikim udaljenostima (2000–10000 km) sa 80 km po rasponu, 16QAM format može dobiti najveći AIR. Za podmorske komunikacione sisteme sa svakim rasponom vlakana od 50 km [18], 16QAM pokazuje značajnije poboljšanje performansi u odnosu na QPSK format. U kopnenom komunikacijskom sistemu ili podmorskom komunikacijskom sistemu, može se vidjeti da propusni opseg komunikacije ima marginalne efekte na SNR, kao što je prikazano na slici 5. Stoga je važan kompromis između predajnika velike brzine i broja kanala. prilikom projektovanja novih optičkih sistema. Radi lakšeg korišćenja navodimo rezultate (optimalni izbor formata modulacije) za širinu pojasa preko 2,4 THz kao u sledećim tabelama 1 i 2.
Tabela 1. Optimalni format modulacije za propusni opseg preko 2,4 THz i udaljenost raspona od 80 km
Tabela pune veličine
Tabela 2. Optimalni format modulacije za propusni opseg preko 2,4 THz i udaljenost raspona od 50 km
Tabela pune veličine
5 prijedloga za budućnost
MI formata modulacije visokog reda je uvijek veći od formata nižeg reda. Međutim, GMI formata modulacije višeg reda može biti niži od formata nižeg reda zbog gubitka informacija uzrokovanih primopredajnikom. Stoga, korištenje naprednijih primopredajnika može biti efikasno rješenje. Zapravo, razlika u SNR-u između svakog modulacijskog formata je vrlo mala, posebno kada je redoslijed modulacije veći od 4 (jednako ili iznad 16QAM) [19]. Različite metode koje mogu smanjiti gubitak informacija na strani prijemnika ili pomjeriti raskrsnicu između čvrstih linija različitih boja (formati modulacije) ulijevo (područje niske SNR) na slici 2 biće zanimljiv istraživački pravac za optičku komunikaciju sljedeće generacije sistema. S druge strane, drugi vrući istraživački pravac koristi različite pristupe, kao što su oblikovanje sazviježđa i valnog oblika [20], kako bi poboljšao GMI sistema optičkih vlakana, pomjerajući tako isprekidanu liniju na slici 2 bliže Šenonovoj granici ( siva linija). Komunikacioni sistemi sa optičkim vlaknima, uprkos tome što je pred njima još dug put, na kraju će postati kamen temeljac budućih telekomunikacionih mreža.
Dostupnost podataka i materijala
Podaci koji potkrepljuju nalaze ove studije dostupni su od odgovarajućeg autora, na razuman zahtjev.