Abstract
Glasvezelcommunicatienetwerken spelen een belangrijke rol in het mondiale telecommunicatienetwerk. Niet-lineaire effecten in de optische vezel- en zendontvangerruis beperken echter in grote mate de prestaties van vezelcommunicatiesystemen. In dit artikel wordt het product van wederzijdse informatie (MI) en communicatiebandbreedte gebruikt als maatstaf voor de haalbare informatiesnelheid (AIR). In dit werk wordt ook rekening gehouden met het MI-verlies veroorzaakt door de transceiver, en de bitsgewijze MI, gegeneraliseerde wederzijdse informatie (GMI), wordt gebruikt om de AIR te berekenen. Dit verlies is groter bij het gebruik van modulatieformaten van hogere orde. De AIR-analyse wordt uitgevoerd in de modulatieformaten QPSK, 16QAM, 64QAM en 256QAM voor de communicatiesystemen met verschillende communicatiebandbreedtes en transmissieafstanden, gebaseerd op het verbeterde Gaussiaanse ruismodel (EGN). Het artikel geeft suggesties voor de selectie van het optimale modulatieformaat in verschillende transmissiescenario's.
Grafisch abstract
1. Inleiding
Ruim 95% van het digitale dataverkeer loopt via glasvezelnetwerken [1]. De informatieoverdrachtsnelheid van optische vezelcommunicatiesystemen beperkt de communicatiesnelheid van de mondiale telecommunicatienetwerken. Met de ontwikkeling van glasvezelcommunicatietechnologie worden een grotere communicatiebandbreedte en een hogere symboolsnelheid gerealiseerd om meer bits binnen één seconde te verzenden. Er treden echter ook ernstige niet-lineaire effecten op, die ertoe leiden dat er minder geldige bits per seconde worden verzonden. Ondertussen vermindert de equalisatie-verbeterde faseruis (EEPN) de signaalkwaliteit verder [2]. Met andere woorden: de effectieve communicatiesnelheid wordt beperkt door niet-lineaire effecten en transmissieruis. Dit fenomeen is duidelijker wanneer modulatieformaten van hogere orde worden toegepast. Over het algemeen betekent een hoger modulatieformaat een hoger symboolfoutpercentage (SER) [3, 4]. Het gebruik van een modulatieformaat van hoge orde kan echter per symbool meer bits verzenden. Daarom is het niet voldoende om de signaal-ruisradio (SNR) te gebruiken om de prestaties van het communicatiesysteem te evalueren. Om de communicatiecapaciteit redelijkerwijs te meten, moet de transmissiebitsnelheid die het systeem effectief kan ondersteunen als maatstaf worden gebruikt. Gegeneraliseerde wederzijdse informatie (GMI) kan worden gebruikt om de effectieve transmissiebitsnelheid van het systeem te meten. Voor systemen met golflengteverdelingsmultiplex (WDM) kunnen meer kanalen worden gebruikt om signalen tegelijkertijd te verzenden om hogere datasnelheden te bereiken. Hoewel de grotere bandbreedte de SNR verder zal verminderen als gevolg van de interacties tussen kanalen, is het prestatieverlies veel minder dan de winst op de informatiesnelheid die voortvloeit uit het gebruik van meer kanalen [5]. Daarom gebruikt dit artikel het aantal bits dat effectief in één seconde wordt verzonden als maatstaf voor de haalbare informatiesnelheid (AIR). Het verbeterde Gaussiaanse ruismodel (EGN) wordt toegepast om de prestaties van het optische vezelsysteem onder verschillende omstandigheden te analyseren. Ten slotte wordt het optimale modulatieformaat verkregen door uitgebreide analyses van verschillende transmissiescenario's. Er worden discussies gevoerd over een optimalisatierichting voor toekomstige optische vezelcommunicatiesystemen met hoge capaciteit.
Dit artikel evalueert verschillende communicatiescenario's in termen van effectieve bitsnelheden die efficiënt kunnen worden verzonden. Een dergelijke maatstaf biedt een eerlijke vergelijking van systemen, en de resultaten hebben fundamentele implicaties en bieden inzichtelijke suggesties voor vervolgonderzoek. De conclusies in dit artikel zijn gebaseerd op systemen zonder de toepassing van FEC-technieken (Forward Error Correction) [6, 7]. Verschillende soorten FEC-codes hebben verschillende foutcorrectiemogelijkheden, en het onderzoek naar AIR hoeft in dit geval alleen maar een volgende stap uit te voeren op basis van onze resultaten. Bovendien is de impact van het introduceren van foutcorrectiecodes op de transmissiebitsnelheid lineair, dus de conclusies in dit artikel zijn inzichtelijk en toepasbaar voor systemen met FEC's.
Dit papier is als volgt ingedeeld. De GMI en MI worden geïntroduceerd in Sectie. 2. Hoofdstuk 3 bespreekt het EGN-model. De resultaten en discussie zijn te vinden in Sectie. 4 en enkele voorstellen voor de toekomst worden gepresenteerd in Sectie. 5.
2 Algemene onderlinge informatie
Wederzijdse informatie (MI) is een maatstaf voor de hoeveelheid informatie die twee willekeurige variabelen delen. Het kwantificeert de mate waarin kennis van de ene variabele de onzekerheid over de andere variabele vermindert. Voor communicatiesignalen geldt: hoe hoger de MI tussen zender en ontvanger, hoe beter de communicatiekwaliteit. Dit betekent dat meer informatie correct wordt verzonden. De Shannon-limiet wordt gebruikt om de kanaalcapaciteit te meten, door de MI te berekenen tussen de signalen vóór het kanaal binnenkomen en de signalen bij het verlaten van het kanaal. De ontvanger zal echter nog steeds verlies in MI veroorzaken. Daarom worden de bij de berekening gebruikte signalen uitgebreid tot bitreeksen, zoals weergegeven in figuur 1, en wordt de informatiesnelheid berekend op basis van GMI.
figuur 1
Schema van MI en GMI
Afbeelding op volledige grootte
Stel dat het gemoduleerde bitsignaal op tijdlis {c1,l,c2,l,...,cm,l}{c1,l,c2,l,...,cm,l}xlxlxi∈X,kaart(X)=Mxi∈ X,card(X)=Mijniyiyi∈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)
waarbij Ibm⊂{1,2,...,M}Imb⊂{1,2,...,M}kaart(Ibm)=M/2kaart(Imb)=M/2fY |X(y|x)fY|X(y|x)CNCNBkBkEE
Fig. 2
GMI en MI van DP-QPSK, DP-16QAM, DP-64QAM en DP-256QAM,DP: dubbele polarisatie
Afbeelding op volledige grootte
3 Verbeterd Gaussiaans ruismodel
Vanwege het bestaan van niet-lineaire effecten is de signaalvoortplanting in de vezel zeer gecompliceerd. Het is onmogelijk om expliciete uitdrukkingen te geven voor signaalovergangen. De niet-lineaire effecten van het kanaal zijn echter niet erg sterk in de buurt van het optimale vermogen, waarbij het gedrag van signaalvoortplanting dicht bij lineaire signaalvoortplanting ligt. Dit is de basisaanname van het op verstoringen gebaseerde Gaussiaanse ruismodel. Poggiolini et al. stelde het EGN-model voor voor het snel schatten van de SNR van optische vezelcommunicatiesystemen [10, 11]. In dit artikel wordt het EGN-model gebruikt om snel de kanaal-SNR te berekenen, en vervolgens wordt de op EGN gebaseerde evaluatie van de overeenkomstige niet-lineaire interferentie toegevoegd om de systeem-GMI te schatten. Het EGN-model in de C-band kan ongeveer worden uitgedrukt als [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)
waarP, 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)
waarbij Leff{{0}}(1−e− Ls)/ Leff=(1−e− Ls)/ 2 2NchNchRsRsC≈0.557C≈0,557 LsLsΦ (x)Φ(x)κκ]. De nauwkeurigheid van het EGN-model in de C-band is ook al door andere wetenschappers geverifieerd in onze eerdere werken [14,15,16,17].
4. Resultaten en discussie
Voor een optisch communicatiesysteem met Nyquist-afstand kan volgens de bemonsteringsstelling van Nyquist het aantal per seconde verzonden symbolen worden gemeten via de bandbreedte van het systeem. De waarde van GMI vertegenwoordigt het effectieve aantal bits in een symbool. Het vermenigvuldigen van de bandbreedte met de GMI geeft het effectieve aantal bits per seconde, verzonden via elke polarisatiemodus. Dit artikel bestudeert het communicatiescenario van een 80 km per overspanning 32 GBaud glasvezelcommunicatiesysteem met verschillende modulatieformaten, transmissieafstanden en bandbreedtes. Resultaten van AIR versus transmissieafstanden en bandbreedtes worden getoond in figuur 3.
Afb. 3
AIR versus transmissieafstand en communicatiebandbreedte. De symboolsnelheid is 32 GBaud en elke vezeloverspanning is 80 km
Afbeelding op volledige grootte
De MI-verslechtering bij de ontvanger is bijzonder ernstig bij modulatieformaten van hogere orde, zoals weergegeven in figuur 2. Wanneer de SNR laag is, daalt de GMI van het modulatieformaat van hogere orde scherp, en deze kan zelfs lager zijn dan die van het lage-ordeformaat in een laag SNR-gebied. Bovendien worden modulatieformaten van hogere orde significanter beïnvloed door de ruis, wat resulteert in een ernstigere GMI-degradatie. Er wordt aangetoond dat modulatieformaten van hogere orde hun voordelen tonen bij kortere transmissieafstanden of kleinere communicatiebandbreedtes. Voor systemen met lange transmissieafstanden en grote bandbreedtes kunnen sommige modulatieformaten van lage orde robuuster en geschikter zijn. Figuur 4 toont het optimale modulatieformaat voor verschillende transmissiesituaties.
Afb. 4
De optimale modulatieformaten onder verschillende transmissieafstanden en communicatiebandbreedtes. De symboolsnelheid is 32 GBaud en elke vezeloverspanning is 80 km
Afbeelding op volledige grootte
Voor terrestrische communicatiesystemen bedraagt de gemeenschappelijke vezeloverspanning 80 km en de transmissieafstand minder dan 10.000 km. Wanneer de symboolsnelheid 32 GBaud is en de transmissieafstand groter is dan 2000 km, kan het modulatieformaat van 16QAM altijd de hoogste AIR verkrijgen. Wanneer de transmissieafstand wordt teruggebracht tot tussen 240 en 2000 km, wordt het modulatieschema van 64QAM het meest geschikte formaat. Het 256QAM-signaal kan de andere drie modulatieformaten alleen overtreffen als de transmissieafstand kleiner is dan 240 km.
Om systemen met een hogere symboolsnelheid te bestuderen, hebben we de transmissieafstand vastgesteld op 8000 km. Figuur 5 toont de GMI met verschillende symboolsnelheden en verschillende communicatiebandbreedtes bij een transmissieafstand van 8000 km en een vezelbereik van 80 km.
Afb. 5
AIR per zender versus symboolsnelheid en communicatiebandbreedte. De transmissieafstand is 8000 km en elke vezeloverspanning is 80 km
Afbeelding op volledige grootte
Elke curve in figuur 5 is bijna een rechte lijn, en dit betekent dat de GMI zwak gecorreleerd is met de symboolsnelheid. Een verhoging van de communicatiesnelheid kan echter het aantal kanalen voor WDM-transmissie besparen en daarmee de kosten van de bijbehorende componentensets besparen. Daarom hebben zenders met een hogere snelheid een efficiëntere AIR per zender. Ondertussen gedraagt de GMI zich vrijwel onafhankelijk van de symboolsnelheid, en dus kan 16QAM nog steeds de beste prestaties behalen op 8000 km, zoals weergegeven in figuur 4.
Ook wordt een onderzeeër communicatiesysteem met een overspanning van 50 km bestudeerd. Vergeleken met het systeem met een bereik van 80 km kan het verkorten van het bereik tot 50 km de SNR van het systeem aanzienlijk verbeteren [14], zodat modulatieformaten van hogere orde hiervan kunnen profiteren. Het resultaat wordt getoond in figuur 6.
Afb. 6
AIR's versus transmissieafstanden en communicatiebandbreedtes. De symboolsnelheid is 32 GBaud en elke vezeloverspanning is 50 km
Afbeelding op volledige grootte
Het snijpunt tussen curven met verschillende kleuren in dezelfde groep beweegt naar een langere communicatieafstand wanneer modulatie van hogere orde wordt gebruikt. Dit bewijst dat het modulatieformaat van hogere orde meer verbetering verkrijgt dan het formaat van lagere orde met de toename van de systeem-SNR. Omdat het huidige transmissiescenario verwijst naar een onderzeeërsysteem, concentreren we ons op het scenario waarbij de communicatieafstand groter is dan 8000 km. Wanneer de spanlengte 50 km is, kan worden vastgesteld dat het QPSK-modulatieformaat bijna de maximale GMI kan bereiken (2 bit/sym/polarisatie). Dit is ook de reden waarom het QPSK-formaat veel wordt gebruikt in de huidige onderzeese communicatie. Het 16QAM-modulatieformaat behaalt echter ook een grote verbetering, en het gebruik van het 16QAM-formaat binnen 12.000 km kan de systeem-AIR aanzienlijk verbeteren, vooral voor grotere bandbreedte.
Samenvattend heeft de symboolsnelheid weinig effect op de systeem-GMI, maar de toepassing van een hogere symboolsnelheid kan het aantal benodigde zendontvangers en verbindingscomponenten effectief verminderen. Voor terrestrische communicatiesystemen over lange afstanden (2000–10.000 km) met een bereik van 80 km per bereik, kan het 16QAM-formaat de hoogste AIR halen. Voor de onderzeese communicatiesystemen met een vezeloverspanning van 50 km [18] vertoont de 16QAM een significantere prestatieverbetering vergeleken met het QPSK-formaat. In een terrestrisch communicatiesysteem of een onderzees communicatiesysteem is te zien dat de communicatiebandbreedte marginale effecten heeft op de SNR, zoals weergegeven in figuur 5. Daarom is de afweging tussen hogesnelheidszenders en het aantal kanalen belangrijk. bij het ontwerpen van nieuwe glasvezelsystemen. Voor het gebruiksgemak vermelden we de resultaten (optimale selectie van het modulatieformaat) voor een bandbreedte groter dan 2,4 THz, zoals in de volgende tabellen 1 en 2.
Tabel 1 Optimaal modulatieformaat voor een bandbreedte van meer dan 2,4 THz en een spanafstand van 80 km
Tafel op ware grootte
Tabel 2 Optimaal modulatieformaat voor een bandbreedte van meer dan 2,4 THz en een spanafstand van 50 km
Tafel op ware grootte
5 Voorstellen voor de toekomst
De MI van het modulatieformaat van hoge orde is altijd hoger dan die van het formaat van lage orde. De GMI van het hogere orde modulatieformaat kan echter lager zijn dan die van het lagere orde formaat vanwege het verlies van informatie veroorzaakt door de zendontvanger. Daarom kan het gebruik van meer geavanceerde zendontvangers een effectieve oplossing zijn. In feite is het SNR-verschil tussen elk modulatieformaat erg klein, vooral wanneer de modulatievolgorde hoger is dan 4 (gelijk aan of hoger dan 16QAM) [19]. Verschillende methoden die het informatieverlies aan de ontvangerzijde kunnen verminderen of het snijpunt tussen ononderbroken lijnen met verschillende kleuren (modulatieformaten) naar links kunnen verschuiven (laag SNR-gebied) in figuur 2 zullen een interessante onderzoeksrichting zijn voor de volgende generatie glasvezelcommunicatie systemen. Aan de andere kant gebruikt een andere onderzoeksrichting verschillende benaderingen, zoals constellatievorming en golfvormvorming [20], om de GMI van het optische vezelsysteem te verbeteren, waardoor de stippellijn in figuur 2 dichter bij de Shannon-limiet komt te liggen (de grijze lijn). Communicatiesystemen via optische vezels zullen, ondanks dat ze nog een lange weg te gaan hebben, uiteindelijk de hoeksteen van toekomstige telecommunicatienetwerken worden.
Beschikbaarheid van gegevens en materialen
De gegevens die de bevindingen van dit onderzoek ondersteunen, zijn op redelijk verzoek verkrijgbaar bij de corresponderende auteur.
