Abstrakcyjny
W globalnej sieci telekomunikacyjnej ważną rolę odgrywają światłowodowe sieci komunikacyjne. Jednakże nieliniowe efekty w światłowodzie i szumie urządzenia nadawczo-odbiorczego znacznie ograniczają wydajność systemów komunikacji światłowodowej. W tym artykule iloczyn informacji wzajemnych (MI) i przepustowości komunikacji jest używany jako miara osiągalnej szybkości informacji (AIR). W tej pracy uwzględniono także stratę MI spowodowaną przez transceiver, a do obliczenia AIR wykorzystano bitową MI, uogólnioną informację wzajemną (GMI). Strata ta jest bardziej znacząca w przypadku stosowania formatów modulacji wyższego rzędu. Analizę AIR przeprowadza się w formatach modulacji QPSK, 16QAM, 64QAM i 256QAM dla systemów komunikacyjnych o różnych szerokościach pasma komunikacyjnego i odległościach transmisji w oparciu o udoskonalony model szumu Gaussa (EGN). W artykule przedstawiono sugestie dotyczące wyboru optymalnego formatu modulacji w różnych scenariuszach transmisji.
Streszczenie graficzne
1. Wstęp
Ponad 95% cyfrowego ruchu danych odbywa się w sieciach światłowodowych [1]. Szybkość transmisji informacji w systemach komunikacji światłowodowej ogranicza szybkość komunikacji w globalnych sieciach telekomunikacyjnych. Wraz z rozwojem technologii komunikacji światłowodowej, realizowana jest większa szerokość pasma komunikacji i większa szybkość transmisji symboli, co umożliwia przesyłanie większej liczby bitów w ciągu jednej sekundy. Jednakże występują również poważne efekty nieliniowe, które prowadzą do mniejszej liczby ważnych bitów przesyłanych na sekundę. Tymczasem szum fazowy wzmocniony korekcją (EEPN) dodatkowo obniża jakość sygnału [2]. Innymi słowy, efektywna szybkość komunikacji jest ograniczona przez efekty nieliniowe i szum transmisji. Zjawisko to jest bardziej oczywiste, gdy stosowane są formaty modulacji wyższego rzędu. Ogólnie rzecz biorąc, wyższy format modulacji oznacza wyższy współczynnik błędów symboli (SER) [3, 4]. Jednakże użycie formatu modulacji wyższego rzędu może spowodować przesłanie większej liczby bitów na każdy symbol. Dlatego też nie wystarczy użyć sygnału radiowego typu sygnał-szum (SNR) do oceny wydajności systemu komunikacji. Aby rozsądnie zmierzyć możliwości komunikacyjne, jako metrykę należy zastosować przepływność transmisji, którą system może skutecznie obsługiwać. Do pomiaru efektywnej szybkości transmisji w systemie można wykorzystać uogólnione informacje wzajemne (GMI). W przypadku systemów z multipleksacją z podziałem długości fali (WDM) do jednoczesnej transmisji sygnałów można wykorzystać więcej kanałów, aby osiągnąć wyższe szybkości transmisji danych. Chociaż większa szerokość pasma jeszcze bardziej zmniejszy SNR ze względu na interakcje międzykanałowe, spadek wydajności jest znacznie mniejszy niż wzrost szybkości przesyłania informacji wynikający z użycia większej liczby kanałów [5]. Dlatego w tym artykule liczba bitów efektywnie przesłanych w ciągu jednej sekundy jest miarą osiągalnej szybkości informacji (AIR). Ulepszony model szumu Gaussa (EGN) stosuje się do analizy wydajności systemu światłowodowego w różnych warunkach. Wreszcie optymalny format modulacji uzyskuje się poprzez wszechstronne analizy różnych scenariuszy transmisji. Prowadzone dyskusje mają na celu określenie kierunku optymalizacji przyszłych systemów komunikacji światłowodowej o dużej przepustowości.
W artykule dokonano oceny różnych scenariuszy komunikacji pod kątem efektywnych przepływności, które można efektywnie przesyłać. Taka metryka zapewnia rzetelne porównanie systemów, a wyniki mają fundamentalne implikacje i dostarczają wnikliwych sugestii do dalszych badań. Wnioski zawarte w tej pracy opierają się na systemach, w których nie zastosowano technik korekcji błędów w przód (FEC) [6, 7]. Różne typy kodów FEC mają różne możliwości korekcji błędów, a badanie AIR w tym przypadku wymaga jedynie przeprowadzenia kolejnego etapu w oparciu o nasze wyniki. Co więcej, wpływ wprowadzenia kodów korekcji błędów na przepływność transmisji jest liniowy, dlatego wnioski zawarte w tym artykule są wnikliwe i mają zastosowanie w systemach z FEC.
Niniejszy dokument jest ułożony w następujący sposób. GMI i MI zostały wprowadzone w rozdz. 2. W rozdziale 3 omówiono model EGN. Wyniki i dyskusję można znaleźć w rozdz. 4, a niektóre propozycje na przyszłość przedstawiono w rozdz. 5.
2 Uogólnione wzajemne informacje
Wzajemne informacje (MI) to miara ilości informacji udostępnianych przez dwie zmienne losowe. Określa ilościowo stopień, w jakim znajomość jednej zmiennej zmniejsza niepewność co do drugiej zmiennej. W przypadku sygnałów komunikacyjnych im wyższy MI pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem, tym lepsza jakość komunikacji. Oznacza to, że więcej informacji jest przesyłanych prawidłowo. Granicę Shannona stosuje się do pomiaru przepustowości kanału poprzez obliczenie MI pomiędzy sygnałami przed wejściem do kanału i sygnałami przy opuszczaniu kanału. Jednakże odbiorca nadal będzie powodować utratę MI. Dlatego sygnały użyte w obliczeniach są rozkładane na sekwencje bitów, jak pokazano na rys. 1, a szybkość informacji jest obliczana na podstawie GMI.
Ryc. 1
Schemat MI i GMI
Obraz w pełnym rozmiarze
Załóżmy, że zmodulowany sygnał bitowy w czasielto {c1,l,c2,l,...,cm,l}{c1,l,c2,l,...,cm,l}xlxlxi∈X,karta(X)=Mxi∈ X,karta(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)
gdzie Ibm⊂{1,2,...,M}Imb⊂{1,2,...,M}karta(Ibm)=M/2karta(Imb)=M/2fY |X(y|x)fY|X(y|x)CNCNBkBkEE
Ryc. 2
GMI i MI DP-QPSK, DP-16QAM, DP-64QAM i DP-256QAM,DP: podwójna polaryzacja
Obraz w pełnym rozmiarze
3 Ulepszony model szumu Gaussa
Ze względu na występowanie efektów nieliniowych propagacja sygnału w światłowodzie jest bardzo skomplikowana. Niemożliwe jest podanie jednoznacznych wyrażeń dla przejść sygnału. Jednak nieliniowe efekty kanału nie są zbyt silne w pobliżu mocy optymalnej, gdzie zachowanie propagacji sygnału jest zbliżone do liniowego propagacji sygnału. Jest to podstawowe założenie modelu szumu Gaussa opartego na zakłóceniach. Poggiolini i in. zaproponowali model EGN do szybkiego szacowania współczynnika SNR systemów komunikacji światłowodowej [10, 11]. W tym artykule model EGN został wykorzystany do szybkiego obliczenia współczynnika SNR kanału, a następnie dodana została oparta na EGN ocena odpowiednich zakłóceń nieliniowych w celu oszacowania GMI systemu. Model EGN w paśmie C można w przybliżeniu wyrazić jako [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)
GdzieP, 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)
gdzie Leff{0}}(1−e− Ls)/ Leff=(1−e− Ls)/ 2 2NchNchRsRsC≈0.557C≈0.557 LsLsΦ (x)Φ(x)κκ]. Dokładność modelu EGN w paśmie C została już zweryfikowana przez innych badaczy w naszych wcześniejszych pracach [14,15,16,17].
4. Wyniki i dyskusja
W przypadku systemu komunikacji optycznej z odstępami Nyquista, zgodnie z twierdzeniem o próbkowaniu Nyquista, liczbę symboli przesyłanych na sekundę można zmierzyć za pomocą przepustowości systemu. Wartość GMI reprezentuje efektywną liczbę bitów w symbolu. Mnożenie szerokości pasma przez GMI daje efektywną liczbę bitów na sekundę przesyłanych w każdym trybie polaryzacji. W artykule zbadano scenariusz komunikacji w systemie komunikacji światłowodowej o długości 80 km i szybkości transmisji 32 GBaud z różnymi formatami modulacji, odległościami transmisji i szerokościami pasma. Wyniki AIR w funkcji odległości i szerokości pasma transmisji pokazano na rys. 3.
Ryc. 3
AIR a odległość transmisji i przepustowość komunikacji. Szybkość transmisji symboli wynosi 32 GBaud, a rozpiętość każdego włókna wynosi 80 km
Obraz w pełnym rozmiarze
Degradacja MI w odbiorniku jest szczególnie dotkliwa w przypadku formatów modulacji wyższego rzędu, jak pokazano na rys. 2. Gdy współczynnik SNR jest niski, GMI formatu modulacji wyższego rzędu gwałtownie spada, a może być nawet niższy niż w przypadku formatu modulacji wyższego rzędu. format niskiego rzędu w regionie o niskim współczynniku SNR. Co więcej, szum ma większy wpływ na formaty modulacji wyższego rzędu, co skutkuje poważniejszą degradacją GMI. Wykazano, że formaty modulacji wyższego rzędu wykazują swoje zalety w przypadku krótszych odległości transmisji lub mniejszych szerokości pasma komunikacji. W przypadku systemów o dużych odległościach transmisji i dużych szerokościach pasma niektóre formaty modulacji niskiego rzędu mogą być bardziej niezawodne i odpowiednie. Rysunek 4 pokazuje optymalny format modulacji dla różnych sytuacji transmisji.
Ryc. 4
Optymalne formaty modulacji przy różnych odległościach transmisji i szerokościach pasma komunikacji. Szybkość transmisji symboli wynosi 32 GBaud, a rozpiętość każdego włókna wynosi 80 km
Obraz w pełnym rozmiarze
W przypadku naziemnych systemów łączności wspólna długość przęsła światłowodu wynosi 80 km, a odległość transmisji jest mniejsza niż 10000 km. Gdy szybkość symbolu wynosi 32 GBaud, a odległość transmisji przekracza 2000 km, format modulacji 16QAM zawsze pozwala uzyskać najwyższy poziom AIR. Gdy odległość transmisji zostanie zmniejszona do 240–2000 km, najbardziej odpowiednim formatem staje się schemat modulacji 64QAM. Sygnał 256QAM może przewyższyć pozostałe trzy formaty modulacji tylko wtedy, gdy odległość transmisji jest mniejsza niż 240 km.
Aby zbadać systemy o wyższej szybkości transmisji symboli, ustaliliśmy odległość transmisji na 8000 km. Rysunek 5 przedstawia GMI z różnymi przepływnościami symboli i różnymi szerokościami pasma komunikacji przy odległości transmisji 8000 km i rozpiętości światłowodu 80 km.
Ryc. 5
AIR na nadajnik w porównaniu z szybkością symboli i przepustowością komunikacji. Odległość transmisji wynosi 8000 km, a rozpiętość każdego włókna wynosi 80 km
Obraz w pełnym rozmiarze
Każda krzywa na rys. 5 jest prawie tak samo prosta, co oznacza, że GMI jest słabo skorelowany z szybkością transmisji symboli. Jednakże zwiększenie szybkości komunikacji może zaoszczędzić liczbę kanałów dla transmisji WDM, a tym samym zmniejszyć koszty związane z zestawami komponentów. Dlatego też nadajniki o większej prędkości mają bardziej wydajną technologię AIR na nadajnik. Tymczasem GMI zachowuje się prawie niezależnie od szybkości symbolu, więc 16QAM może nadal uzyskać najlepszą wydajność przy 8000 km, jak pokazano na ryc. 4.
Badany jest także podmorski system łączności o rozpiętości przęsła 50 km. W porównaniu z układem o rozpiętości 80 km, skrócenie rozpiętości do 50 km może znacznie poprawić współczynnik SNR systemu [14], więc formaty modulacji wyższego rzędu mogłyby na tym zyskać. Wynik pokazano na ryc. 6.
Ryc. 6
AIR a odległości transmisji i przepustowości komunikacji. Szybkość transmisji symboli wynosi 32 GBaud, a rozpiętość każdego włókna wynosi 50 km
Obraz w pełnym rozmiarze
Przecięcie krzywych o różnych kolorach w tej samej grupie przesuwa się w kierunku większej odległości komunikacyjnej, gdy stosowana jest modulacja wyższego rzędu. Dowodzi to, że format modulacji wyższego rzędu uzyskuje większą poprawę niż format niższego rzędu wraz ze wzrostem systemowego współczynnika SNR. Ponieważ obecny scenariusz transmisji dotyczy systemu podwodnego, skupiamy się na scenariuszu, w którym odległość komunikacyjna przekracza 8000 km. Gdy długość rozpiętości wynosi 50 km, można stwierdzić, że format modulacji QPSK może prawie osiągnąć maksymalny GMI (2 bity/sym/polaryzacja). Jest to również powód, dla którego format QPSK jest szeroko stosowany w obecnej komunikacji na łodziach podwodnych. Jednak format modulacji 16QAM również uzyskuje znaczną poprawę, a zastosowanie formatu 16QAM w promieniu 12000 km może znacznie poprawić system AIR, szczególnie w przypadku większej przepustowości.
Podsumowując, szybkość transmisji symboli ma niewielki wpływ na systemowy GMI, ale zastosowanie wyższej szybkości transmisji symboli może skutecznie zmniejszyć liczbę wymaganych transceiverów i komponentów łącza. W przypadku naziemnych systemów łączności na duże odległości (2000–10 000 km) o rozpiętości 80 km, format 16QAM może uzyskać najwyższy poziom AIR. W przypadku podmorskich systemów komunikacji z każdym światłowodem o długości 50 km [18], 16QAM wykazuje bardziej znaczącą poprawę wydajności w porównaniu z formatem QPSK. W naziemnym lub podwodnym systemie komunikacji można zauważyć, że szerokość pasma komunikacji ma marginalny wpływ na współczynnik SNR, jak pokazano na rys. 5. Dlatego ważny jest kompromis między szybkimi nadajnikami a liczbą kanałów przy projektowaniu nowych systemów światłowodowych. Dla wygody użytkowania wyniki (optymalny dobór formatu modulacji) dla pasma powyżej 2,4 THz podajemy w poniższych tabelach 1 i 2.
Tabela 1 Optymalny format modulacji dla szerokości pasma powyżej 2,4 THz i odległości rozpiętości 80 km
Pełnowymiarowa tabela
Tabela 2 Optymalny format modulacji dla szerokości pasma powyżej 2,4 THz i odległości rozpiętości 50 km
Pełnowymiarowa tabela
5 propozycji na przyszłość
MI formatu modulacji wyższego rzędu jest zawsze wyższy niż MI formatu modulacji niskiego rzędu. Jednakże GMI formatu modulacji wyższego rzędu może być niższy niż formatu niższego rzędu z powodu utraty informacji spowodowanej przez urządzenie nadawczo-odbiorcze. Dlatego skutecznym rozwiązaniem może być zastosowanie bardziej zaawansowanych transceiverów. W rzeczywistości różnica SNR pomiędzy każdym formatem modulacji jest bardzo mała, zwłaszcza gdy rząd modulacji jest większy niż 4 (równy lub większy od 16QAM) [19]. Różne metody, które mogą zmniejszyć straty informacji po stronie odbiornika lub przesunąć przecięcie linii ciągłych o różnych kolorach (formaty modulacji) w lewo (obszar niskiego SNR) na rys. 2, będą interesującym kierunkiem badań dla komunikacji światłowodowej nowej generacji systemy. Z drugiej strony, w innym gorącym kierunku badawczym wykorzystuje się różne podejścia, takie jak kształtowanie konstelacji i kształtowanie kształtu fali [20], w celu poprawy GMI systemu światłowodowego, przesuwając w ten sposób linię przerywaną na rys. 2 bliżej granicy Shannona (tzw. szara linia). Systemy komunikacji światłowodowej, choć przed nimi jeszcze długa droga, ostatecznie staną się kamieniem węgielnym przyszłych sieci telekomunikacyjnych.
Dostępność danych i materiałów
Dane potwierdzające wnioski z tego badania są dostępne u odpowiedniego autora na uzasadnioną prośbę.
