Abstraktne
Kiudoptilised sidevõrgud mängivad ülemaailmses telekommunikatsioonivõrgus olulist rolli. Kuid optilise kiu ja transiiveri müra mittelineaarsed efektid piiravad oluliselt kiudkommunikatsioonisüsteemide jõudlust. Käesolevas artiklis kasutatakse vastastikuse teabe (MI) ja side ribalaiuse korrutist saavutatava teabekiiruse (AIR) mõõdikuna. Antud töös on käsitletud ka transiiveri tekitatud MI kadu ning AIR arvutamiseks kasutatakse bittipõhist MI-d, generalized kölcsönös informatsiooni (GMI). See kadu on olulisem kõrgema järgu modulatsioonivormingute kasutamisel. AIR-analüüs viiakse läbi täiustatud Gaussi müra (EGN) mudelil põhinevate erinevate sideribalaiuste ja edastuskaugustega sidesüsteemide QPSK, 16QAM, 64QAM ja 256QAM modulatsioonivormingutes. Töö annab soovitusi optimaalse modulatsioonivormingu valimiseks erinevates edastusstsenaariumides.
Graafiline kokkuvõte
1. Sissejuhatus
Üle 95% digitaalsest andmeliiklusest kantakse üle kiudoptiliste võrkude [1]. Kiudoptiliste sidesüsteemide teabeedastuskiirus piirab ülemaailmsete telekommunikatsioonivõrkude sidekiirust. Kiudkommunikatsioonitehnoloogia arenguga saavutatakse suurem side ribalaius ja suurem sümbolikiirus, et edastada ühe sekundi jooksul rohkem bitte. Siiski ilmnevad ka tõsised mittelineaarsed efektid, mis põhjustavad vähem kehtivaid bitte sekundis. Samal ajal halvendab võrdsustusega täiustatud faasimüra (EEPN) signaali kvaliteeti veelgi [2]. Teisisõnu, efektiivset sidekiirust piiravad mittelineaarsed efektid ja ülekandemüra. See nähtus on ilmsem, kui rakendatakse kõrgema järgu modulatsioonivorminguid. Üldiselt tähendab suurem modulatsioonivorming suuremat sümboli veamäära (SER) [3, 4]. Kõrge järgu modulatsioonivormingu kasutamine võib aga iga sümboli kaupa edastada rohkem bitte. Seetõttu ei piisa signaal-müra raadio (SNR) kasutamisest sidesüsteemi jõudluse hindamiseks. Sidevõime mõistlikuks mõõtmiseks tuleks mõõdikuna kasutada edastuse bitikiirust, mida süsteem suudab tõhusalt toetada. Süsteemi efektiivse edastusbitikiiruse mõõtmiseks saab kasutada üldist vastastikust teavet (GMI). Lainepikkusjaotusega multipleksitud (WDM) süsteemide puhul saab signaalide samaaegseks edastamiseks kasutada rohkem kanaleid, et saavutada suurem andmeedastuskiirus. Kuigi suurem ribalaius vähendab kanalitevaheliste interaktsioonide tõttu SNR-i veelgi, on jõudluse trahv palju väiksem kui rohkemate kanalite kasutamisest tulenev teabekiiruse suurenemine [5]. Seetõttu kasutab käesolev artikkel ühe sekundi jooksul tõhusalt edastatud bittide arvu saavutatava teabekiiruse (AIR) mõõdikuna. Täiustatud Gaussi müra (EGN) mudelit rakendatakse kiudoptilise süsteemi toimivuse analüüsimiseks erinevates tingimustes. Lõpuks saadakse optimaalne modulatsioonivorming erinevate edastusstsenaariumide põhjaliku analüüsiga. Arutelud peetakse tulevaste suure võimsusega kiudoptiliste sidesüsteemide optimeerimiseks.
Selles artiklis hinnatakse erinevaid sidestsenaariume tõhusa bitikiiruse osas, mida saab tõhusalt edastada. Selline mõõdik annab süsteemide õiglase võrdluse ning tulemustel on fundamentaalne mõju ja need annavad põhjalikud soovitused järeluuringuteks. Käesolevas artiklis esitatud järeldused põhinevad süsteemidel, mis ei kasuta edasisi veaparandusi (FEC) [6, 7]. Erinevat tüüpi FEC-koodidel on erinevad veaparandusvõimalused ja AIR-i uurimine vajab sel juhul ainult meie tulemuste põhjal täiendavat sammu. Veelgi enam, veaparanduskoodide kasutuselevõtu mõju edastuse bitikiirusele on lineaarne, nii et selle artikli järeldused on arusaadavad ja rakendatavad FEC-idega süsteemide jaoks.
See paber on korraldatud järgmiselt. GMI ja MI tutvustatakse jaotises. 2. 3. osas käsitletakse EGN-i mudelit. Tulemused ja arutelu leiate Sektist. 4 ja mõned ettepanekud tulevikuks on esitatud jaotises. 5.
2 Üldine vastastikune teave
Vastastikune teave (MI) on kahe juhusliku muutuja jagatud teabe hulga mõõt. See kvantifitseerib, mil määral ühe muutuja tundmine vähendab ebakindlust teise muutuja suhtes. Sidesignaalide puhul, mida kõrgem on saatja ja vastuvõtja vaheline MI, seda parem on side kvaliteet. See tähendab, et rohkem teavet edastatakse õigesti. Shannoni limiiti kasutatakse kanali läbilaskevõime mõõtmiseks, arvutades MI enne kanalisse sisenemist ja kanalist väljumise signaalide vahel. Vastuvõtja põhjustab siiski MI-s kaotust. Seetõttu laiendatakse arvutustes kasutatavad signaalid bitijadadeks, nagu on näidatud joonisel fig 1, ja teabekiirus arvutatakse GMI põhjal.
Joonis 1
MI ja GMI skeem
Täissuuruses pilt
Oletame, et moduleeritud biti signaal ajahetkellon {c1,l,c2,l,...,cm,l}{c1,l,c2,l,...,cm,l}xlxlxi∈X,kaart(X)=Mxi∈ X,kaart(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)
kus Ibm⊂{1,2,...,M}Imb⊂{1,2,...,M}kaart(Ibm)=M/2kaart(Imb)=M/2fY |X(y|x)fY|X(y|x)CNCNBkBkEE
Joonis 2
DP-QPSK, DP-16QAM, DP-64QAM ja DP-256QAM GMI ja MI,DP: kahekordne polarisatsioon
Täissuuruses pilt
3 Täiustatud Gaussi müra mudel
Mittelineaarsete efektide olemasolu tõttu on signaali levimine kius väga keeruline. Signaali üleminekute jaoks on võimatu anda selgeid väljendeid. Kanali mittelineaarsed efektid ei ole aga optimaalse võimsuse lähedal kuigi tugevad, kus signaali levimise käitumine on lähedane lineaarsele signaalilevile. See on häiretel põhineva Gaussi müramudeli põhieeldus. Poggiolini et al. pakkus välja EGN mudeli kiudoptiliste sidesüsteemide SNR kiireks hindamiseks [10, 11]. Selles artiklis kasutatakse EGN-i mudelit kanali SNR-i kiireks arvutamiseks ja seejärel lisatakse süsteemi GMI hindamiseks vastavate mittelineaarsete häirete EGN-põhine hindamine. EGN-i mudelit C-ribas saab ligikaudu väljendada kui [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+1}ηP3,
(5)
σ2s-n≈3(Nϵ+1s2+Nϵ+2sϵ+2)ησ2ASEP2+3Nϵ+1sηκP3,σs-n2≈3 (Nsϵ+12+Nsϵ+2ϵ+2)ησASE2P2+3Nsϵ+1ηκP3,
(6)
kusP, 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)
kus Vasak{{0}}(1−e−Ls)/ Vasak=(1−e−Ls)/ 2 2NchNchRsRsC≈0.557C≈0,557 LsLsΦ (x)Φ(x)κκ]. EGN-i mudeli täpsust C-ribas on meie varasemates töödes juba kontrollinud ka teised teadlased [14,15,16,17].
4 Tulemused ja arutelu
Nyquisti vahedega optilise sidesüsteemi puhul saab Nyquisti diskreetiteoreemi kohaselt sekundis edastatavate sümbolite arvu mõõta süsteemi ribalaiuse kaudu. GMI väärtus tähistab sümbolis olevate bittide efektiivset arvu. Ribalaiuse korrutamine GMI-ga annab efektiivse bittide arvu sekundis, mis edastatakse iga polarisatsioonirežiimi kaudu. Selles artiklis uuritakse erinevate modulatsioonivormingute, edastuskauguste ja ribalaiustega 80 km pikkusega 32 GBaud kiudoptilise sidesüsteemi sidestsenaariumi. Õhu ja edastuskauguste ja ribalaiuste tulemused on näidatud joonisel 3.
Joonis 3
AIR versus edastuskaugus ja side ribalaius. Sümbolikiirus on 32 GBaud ja iga kiu pikkus on 80 km
Täissuuruses pilt
Vastuvõtja MI halvenemine on eriti tõsine kõrgema astme modulatsioonivormingute puhul, nagu on näidatud joonisel 2. Kui SNR on madal, langeb kõrgetasemelise modulatsioonivormingu GMI järsult ja see võib olla isegi madalam kui madala järjekorra vorming madala SNR-i piirkonnas. Veelgi enam, müra mõjutab oluliselt kõrgema astme modulatsioonivorminguid, mille tulemuseks on tõsisem GMI halvenemine. On näidatud, et kõrgema järgu modulatsioonivormingud näitavad oma eeliseid lühema edastuskauguse või väiksema side ribalaiuse korral. Pikkade edastuskauguste ja suure ribalaiusega süsteemide puhul võivad mõned madala astme modulatsioonivormingud olla tugevamad ja sobivamad. Joonis 4 näitab optimaalset modulatsioonivormingut erinevate edastusolukordade jaoks.
Joonis 4
Optimaalsed modulatsioonivormingud erinevatel edastuskaugustel ja side ribalaiustel. Sümbolikiirus on 32 GBaud ja iga kiu pikkus on 80 km
Täissuuruses pilt
Maapealsete sidesüsteemide puhul on tavaline kiu pikkus 80 km ja edastuskaugus alla 10 000 km. Kui sümbolite kiirus on 32 GBaud ja edastuskaugus ületab 2000 km, saab 16QAM-i modulatsioonivorming alati saavutada kõrgeima AIR-i. Kui edastuskaugust vähendatakse 240–2000 km-ni, muutub 64QAM-i modulatsiooniskeem sobivaimaks vorminguks. 256QAM signaal võib ületada ülejäänud kolm modulatsioonivormingut ainult siis, kui edastuskaugus on väiksem kui 240 km.
Kõrgema sümbolikiiruse süsteemide uurimiseks fikseerisime edastuskauguseks 8000 km. Joonisel 5 on kujutatud erineva sümbolikiiruse ja erineva side ribalaiusega GMI-d edastuskaugusel 8000 km ja kiu 80 km pikkusel.
Joonis 5
AIR saatja kohta versus sümbolikiirus ja side ribalaius. Edastuskaugus on 8000 km ja iga kiu pikkus on 80 km
Täissuuruses pilt
Iga kõver joonisel 5 on peaaegu sama sirge ja see tähendab, et GMI on nõrgalt korrelatsioonis sümbolisagedusega. Sidekiiruse suurendamine võib aga säästa WDM-edastuse kanalite arvu ja sellega seotud komponentide komplektide kulusid. Seetõttu on suurema kiirusega saatjatel tõhusam AIR saatja kohta. Samal ajal käitub GMI sümbolite kiirusest peaaegu sõltumatult ja seega suudab 16QAM siiski parima jõudluse saavutada 8000 km läbimisel, nagu on näidatud joonisel 4.
Samuti uuritakse allveelaeva sidesüsteemi, mille side pikkus on 50 km. Võrreldes 80 km pikkusega süsteemiga võib ulatuse lühendamine 50 km-ni süsteemi SNR-i märkimisväärselt parandada [14], nii et kõrgema järgu modulatsioonivormingud võiksid sellest kasu saada. Tulemus on näidatud joonisel 6.
Joonis 6
AIR versus edastuskaugused ja side ribalaiused. Sümbolikiirus on 32 GBaud ja iga kiu pikkus on 50 km
Täissuuruses pilt
Sama rühma erinevat värvi kõverate lõikekoht liigub kõrgemat järku modulatsiooni kasutamisel pikema sidekauguse suunas. See tõestab, et kõrgema järgu modulatsioonivorming paraneb süsteemi SNR-i suurenemisega võrreldes madalama järgu vorminguga. Kuna praegune edastamise stsenaarium viitab allveelaevasüsteemile, keskendume stsenaariumile, kus sidekaugus ületab 8000 km. Kui vahemiku pikkus on 50 km, võib leida, et QPSK modulatsioonivorming võib peaaegu saavutada maksimaalse GMI (2 bitti/sym/polarisatsioon). See on ka põhjus, miks QPSK-vormingut kasutatakse laialdaselt praeguses allveelaevasides. Kuid ka 16QAM-i modulatsioonivorming saavutab suure edu ja 16QAM-vormingu kasutamine 12000 km piires võib süsteemi AIR-i oluliselt parandada, eriti suurema ribalaiuse korral.
Kokkuvõtlikult võib öelda, et sümbolikiirusel on süsteemi GMI-le vähe mõju, kuid suurema sümbolikiiruse rakendamine võib tõhusalt vähendada vajalike transiiverite ja lingikomponentide arvu. Pikamaa (2000–10 000 km) maapealsete sidesüsteemide puhul, mille ulatus on 80 km, suudab 16QAM-vorming saada kõrgeima AIR-i. Allveelaevade sidesüsteemide puhul, mille iga kiu pikkus on 50 km [18], näitab 16QAM QPSK-vorminguga võrreldes märkimisväärsemat jõudluse paranemist. Maapealses sidesüsteemis või veealuses sidesüsteemis on näha, et side ribalaiusel on SNR-ile marginaalne mõju, nagu on näidatud joonisel 5. Seetõttu on oluline kompromiss kiirete saatjate ja kanalite arvu vahel. uute fiiberoptiliste süsteemide projekteerimisel. Kasutamise mugavuse huvides loetleme tulemused (optimaalne modulatsioonivormingu valik) ribalaiuse korral, mis ületab 2,4 THz, nagu on näidatud järgmistes tabelites 1 ja 2.
Tabel 1 Optimaalne modulatsioonivorming üle 2,4 THz ribalaiuse ja 80 km ulatuse jaoks
Täissuuruses laud
Tabel 2 Optimaalne modulatsioonivorming ribalaiusele üle 2,4 THz ja vahemiku kaugus 50 km
Täissuuruses laud
5 ettepanekut tulevikuks
Kõrge järgu modulatsioonivormingu MI on alati kõrgem kui madala järgu vormingu oma. Kõrgema järgu modulatsioonivormingu GMI võib aga olla madalam kui madalama järgu formaadil transiiveri põhjustatud teabekao tõttu. Seetõttu võib täiustatud transiiverite kasutamine olla tõhus lahendus. Tegelikult on SNR-i erinevus iga modulatsioonivormingu vahel väga väike, eriti kui modulatsiooni järjekord on suurem kui 4 (võrdne või suurem kui 16QAM) [19]. Erinevad meetodid, mis võivad vähendada infokadu vastuvõtja poolel või nihutada eri värvi (modulatsioonivormingud) pidevate joonte ristumiskohta joonisel 2 vasakule (madal SNR piirkond), on järgmise põlvkonna kiudkommunikatsiooni jaoks huvitav uurimissuund. süsteemid. Teisest küljest kasutab teine kuum uurimissuund erinevaid lähenemisviise, nagu tähtkuju kujundamine ja lainekuju kujundamine [20], et parandada kiudoptilise süsteemi GMI-d, nihutades seeläbi punktiirjoont joonisel 2 Shannoni piirile ( hall joon). Hoolimata sellest, et kiudoptilistest sidesüsteemidest on veel pikk tee käia, saavad need lõpuks tulevaste telekommunikatsioonivõrkude nurgakiviks.
Andmete ja materjalide kättesaadavus
Selle uuringu tulemusi toetavad andmed on mõistliku taotluse korral kättesaadavad vastavalt autorilt.