Резюме
Комуникационните мрежи с оптични влакна играят важна роля в глобалната телекомуникационна мрежа. Въпреки това, нелинейните ефекти в оптичното влакно и шума на трансивъра значително ограничават производителността на оптичните комуникационни системи. В тази статия произведението на взаимната информация (MI) и комуникационната честотна лента се използва като метрика на постижимата скорост на информация (AIR). Загубата на MI, причинена от трансивъра, също се разглежда в тази работа и побитовата MI, обобщена взаимна информация (GMI), се използва за изчисляване на AIR. Тази загуба е по-значима при използването на модулационни формати от по-висок порядък. AIR анализът се извършва в модулационните формати QPSK, 16QAM, 64QAM и 256QAM за комуникационните системи с различна комуникационна честотна лента и разстояния на предаване, базирани на модела на подобрения шум на Гаус (EGN). Документът предоставя предложения за избор на оптимален модулационен формат при различни сценарии на предаване.
Графичен абстракт
1. Въведение
Над 95% от трафика на цифрови данни се пренася през мрежи с оптични влакна [1]. Скоростта на предаване на информация на комуникационните системи с оптични влакна ограничава скоростта на комуникация на глобалните телекомуникационни мрежи. С развитието на оптичната комуникационна технология се реализират по-голяма широчина на комуникационната честотна лента и по-висока символна скорост за предаване на повече битове в рамките на една секунда. Въпреки това, тежки нелинейни ефекти също възникват и водят до по-малко валидни битове, предавани за секунда. Междувременно фазовият шум с усилване на изравняването (EEPN) допълнително намалява качеството на сигнала [2]. С други думи, ефективната скорост на комуникация е ограничена от нелинейни ефекти и шум при предаване. Това явление е по-очевидно, когато се прилагат модулационни формати от по-висок порядък. Като цяло, по-висок формат на модулация означава по-висок процент на грешка на символа (SER) [3, 4]. Въпреки това, използването на модулационен формат от висок ред може да предаде повече битове от всеки символ. Следователно не е достатъчно да се използва радиосигнал-шум (SNR) за оценка на работата на комуникационната система. За разумно измерване на способността за комуникация, битрейтът на предаване, който системата може ефективно да поддържа, трябва да се използва като метрика. Обобщена взаимна информация (GMI) може да се използва за измерване на ефективната битова скорост на предаване на системата. За системи с мултиплексиране по дължина на вълната (WDM) могат да се използват повече канали за предаване на сигнали едновременно, за да се постигнат по-високи скорости на данни. Въпреки че по-голямата честотна лента допълнително ще намали SNR поради междуканалните взаимодействия, наказанието за производителност е много по-малко от печалбата на скоростта на информация, произтичаща от използването на повече канали [5]. Следователно, този документ използва броя на битовете, ефективно предадени за една секунда, като показател за постижима скорост на информация (AIR). Моделът на подобрения шум на Гаус (EGN) се прилага за анализ на производителността на системата от оптични влакна при различни условия. И накрая, оптималният модулационен формат се получава чрез изчерпателни анализи на различни сценарии на предаване. Провеждат се дискусии, осигуряващи посока за оптимизиране на бъдещи комуникационни системи с оптични влакна с голям капацитет.
Този документ оценява различни комуникационни сценарии по отношение на ефективни битрейтове, които могат да бъдат ефективно предадени. Такъв показател осигурява справедливо сравнение на системите и резултатите имат фундаментални последици и предоставят проницателни предложения за последващи изследвания. Заключенията в тази статия се основават на системи без прилагане на техники за корекция на грешки (FEC) [6, 7]. Различните типове FEC кодове имат различни възможности за коригиране на грешки и изследването на AIR в този случай трябва само да извърши допълнителна стъпка въз основа на нашите резултати. Освен това въздействието от въвеждането на кодове за коригиране на грешки върху битовата скорост на предаване е линейно, така че заключенията в тази статия са проницателни и приложими за системи с FEC.
Този документ е подреден по следния начин. GMI и MI са въведени в разд. 2. Раздел 3 разглежда модела EGN. Резултатите и дискусията могат да бъдат намерени в разд. 4 и някои предложения за бъдещето са представени в разд. 5.
2 Обобщена взаимна информация
Взаимната информация (MI) е мярка за количеството информация, която две случайни променливи споделят. Той определя количествено степента, до която познаването на една променлива намалява несигурността относно другата променлива. За комуникационните сигнали, колкото по-висок е MI между предавателя и приемника, толкова по-добро е качеството на комуникацията. Това означава, че повече информация се предава правилно. Границата на Шанън се използва за измерване на капацитета на канала чрез изчисляване на MI между сигналите преди влизане в канала и сигналите при напускане на канала. Въпреки това, приемникът все още ще причини загуба в MI. Следователно сигналите, използвани при изчислението, се разширяват в последователности от битове, както е показано на Фиг. 1, и скоростта на информация се изчислява въз основа на GMI.
Фиг. 1
Схема на MI и GMI
Изображение в пълен размер
Да предположим, че модулираният битов сигнал в даден моментlе {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)
където Ibm⊂{1,2,...,M}Imb⊂{1,2,...,M}карта(Ibm)=M/2карта(Imb)=M/2fY |X(y|x)fY|X(y|x)CNCNBkBkEE
Фиг. 2
GMI и MI на DP-QPSK, DP-16QAM, DP-64QAM и DP-256QAM,ДП: двойна поляризация
Изображение в пълен размер
3 Подобрен модел на шума на Гаус
Поради наличието на нелинейни ефекти, разпространението на сигнала във влакното е много сложно. Невъзможно е да се осигурят ясни изрази за преходите на сигнала. Въпреки това, нелинейните ефекти на канала не са много силни близо до оптималната мощност, където поведението на разпространение на сигнала е близко до линейното разпространение на сигнала. Това е основното допускане на базирания на смущения модел на Гаусов шум. Poggiolini и др. предложи модела EGN за бързо оценяване на SNR на комуникационни системи с оптични влакна [10, 11]. В тази статия моделът EGN се използва за бързо изчисляване на SNR на канала и след това се добавя базираната на EGN оценка на съответните нелинейни смущения, за да се оцени GMI на системата. Моделът EGN в C-обхвата може да бъде приблизително изразен като [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)
къдетоP, 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)
където Leff{{0}}(1−e− Ls)/ Leff=(1−e− Ls)/ 2 2NchNchRsRsC≈0.557C≈0.557 LsLsΦ (x)Φ(x)κκ]. Точността на EGN модела в C-обхвата вече е проверена от други учени, както и в нашите предишни работи [14,15,16,17].
4 Резултати и обсъждане
За оптична комуникационна система с пространство на Найкуист, съгласно теоремата за вземане на проби на Найкуист, броят на символите, предавани за секунда, може да бъде измерен чрез честотната лента на системата. Стойността на GMI представлява ефективния брой битове в символ. Умножаването на честотната лента по GMI дава ефективния брой битове в секунда, предадени през всеки режим на поляризация. Тази статия изучава комуникационния сценарий на 80 km на обхват 32 GBaud влакнеста комуникационна система с различни модулационни формати, разстояния на предаване и честотни ленти. Резултатите от AIR спрямо разстояния на предаване и честотни ленти са показани на Фиг. 3.
Фиг. 3
AIR спрямо разстоянието на предаване и комуникационната честотна лента. Символната скорост е 32 GBaud и всеки участък от влакно е 80 km
Изображение в пълен размер
Влошаването на MI в приемника е особено тежко за модулационни формати от по-висок порядък, както е показано на Фиг. 2. Когато SNR е ниско, GMI на модулационния формат от висок порядък спада рязко и може да бъде дори по-нисък от този на форматът от нисък порядък при нисък SNR регион. Освен това модулационните формати от по-висок порядък са по-значително засегнати от шума, което води до по-сериозно влошаване на GMI. Доказано е, че модулационните формати от по-висок порядък показват своите предимства в случай на по-къси разстояния на предаване или по-малки комуникационни ленти. За системи с големи разстояния на предаване и големи честотни ленти, някои модулационни формати от нисък порядък могат да бъдат по-стабилни и подходящи. Фигура 4 показва оптималния формат на модулация за различни ситуации на предаване.
Фиг. 4
Оптималните модулационни формати при различни разстояния на предаване и комуникационни ленти. Символната скорост е 32 GBaud и всеки участък от влакно е 80 km
Изображение в пълен размер
За наземни комуникационни системи общата дължина на влакното е 80 km, а разстоянието на предаване е по-малко от 10 000 km. Когато символната скорост е 32 GBaud и разстоянието на предаване надвишава 2000 km, модулационният формат на 16QAM винаги може да получи най-високия AIR. Когато разстоянието на предаване се намали до между 240 и 2000 км, модулационната схема на 64QAM става най-подходящият формат. Сигналът 256QAM може да надмине другите три модулационни формата само когато разстоянието на предаване е по-малко от 240 km.
За да проучим системи с по-висока символна скорост, ние фиксирахме разстоянието на предаване като 8000 km. Фигура 5 показва GMI с различни символни скорости и различни честотни ленти на комуникация при разстояние на предаване от 8000 km и обхват на влакното от 80 km.
Фиг. 5
AIR на предавател спрямо символна скорост и комуникационна честотна лента. Разстоянието на предаване е 8000 км, а всеки участък от влакно е 80 км
Изображение в пълен размер
Всяка крива на фиг. 5 е почти като права линия и това означава, че GMI е слабо свързан със скоростта на символите. Увеличаването на скоростта на комуникация обаче може да спести броя на каналите за WDM предаване и следователно спестява разходите за свързани комплекти компоненти. Следователно по-високоскоростните предаватели имат по-ефективен AIR на предавател. Междувременно GMI се държи почти независимо от символната скорост и така 16QAM все още може да постигне най-добра производителност при 8000 км, както е показано на Фиг. 4.
Проучва се и подводна комуникационна система с дължина на обхвата 50 км. В сравнение със системата с обхват от 80 km, съкращаването на обхвата до 50 km може значително да подобри SNR на системата [14], така че модулационните формати от по-висок ред могат да се възползват от това. Резултатът е показан на фиг. 6.
Фиг. 6
AIRs срещу разстояния на предаване и комуникационни ленти. Символната скорост е 32 GBaud и всеки участък от влакно е 50 km
Изображение в пълен размер
Пресечната точка между криви с различни цветове в една и съща група се придвижва към по-голямо комуникационно разстояние, когато се използва модулация от по-висок ред. Това доказва, че модулационният формат от по-висок порядък получава повече подобрения от формата от по-нисък порядък с увеличаване на SNR на системата. Тъй като текущият сценарий на предаване се отнася за подводна система, ние се фокусираме върху сценария, при който комуникационното разстояние надвишава 8000 km. Когато дължината на обхвата е 50 km, може да се установи, че форматът на QPSK модулация може почти да достигне максималния GMI (2 бита/сим/поляризация). Това е и причината QPSK форматът да се използва широко в настоящите подводни комуникации. Въпреки това модулационният формат 16QAM също получава голямо подобрение и използването на 16QAM формат в рамките на 12000 km може значително да подобри системата AIR, особено за по-голяма честотна лента.
В обобщение, символната скорост има малък ефект върху системния GMI, но прилагането на по-висока символна скорост може ефективно да намали броя на необходимите трансивъри и компоненти на връзката. За наземни комуникационни системи на дълги разстояния (2000–10000 км) с 80 км на обхват, форматът 16QAM може да получи най-високия AIR. За подводните комуникационни системи с всеки участък от влакно от 50 km [18], 16QAM показва по-значително подобрение на производителността в сравнение с QPSK формата. В наземна комуникационна система или подводна комуникационна система може да се види, че комуникационната честотна лента има незначителен ефект върху SNR, както е показано на Фиг. 5. Следователно, компромисът между високоскоростните предаватели и броя на каналите е важен при проектиране на нови оптични системи. За удобство на използване, ние изброяваме резултатите (оптимален избор на формата на модулация) за честотна лента, надвишаваща 2,4 THz, както в следващите таблици 1 и 2.
Таблица 1 Оптимален модулационен формат за честотна лента над 2,4 THz и разстояние на обхват от 80 km
Маса в пълен размер
Таблица 2 Оптимален модулационен формат за честотна лента над 2,4 THz и разстояние на обхват от 50 km
Маса в пълен размер
5 предложения за бъдещето
MI на формата на модулация от висок ред винаги е по-висок от този на формата от нисък ред. Въпреки това, GMI на формата на модулация от по-висок порядък може да бъде по-нисък от този на формата от по-нисък порядък поради загубата на информация, причинена от трансивъра. Следователно използването на по-модерни трансивъри може да бъде ефективно решение. Всъщност разликата в SNR между всеки формат на модулация е много малка, особено когато редът на модулация е по-висок от 4 (равен на или над 16QAM) [19]. Различни методи, които могат да намалят загубата на информация от страната на приемника или да изместят пресечната точка между плътни линии с различни цветове (модулационни формати) наляво (област с нисък SNR) на Фиг. 2, ще бъдат интересна изследователска посока за оптична комуникация от следващо поколение системи. От друга страна, друго горещо изследователско направление използва различни подходи, като оформяне на съзвездие и оформяне на формата на вълната [20], за да подобри GMI на системата от оптични влакна, като по този начин измества пунктираната линия на Фиг. 2 по-близо до границата на Шанън ( сива линия). Комуникационните системи с оптични влакна, въпреки че все още трябва да извървят дълъг път, в крайна сметка ще станат крайъгълен камък на бъдещите телекомуникационни мрежи.
Наличие на данни и материали
Данните, които подкрепят констатациите от това проучване, са достъпни от съответния автор при разумно искане.
