Абстрактный
Оптоволоконные сети связи играют важную роль в глобальной телекоммуникационной сети. Однако нелинейные эффекты в оптическом волокне и шумы приемопередатчика сильно ограничивают производительность оптоволоконных систем связи. В этой статье произведение взаимной информации (MI) и пропускной способности связи используется в качестве показателя достижимой скорости передачи данных (AIR). В этой работе также учитываются потери MI, вызванные приемопередатчиком, а для расчета AIR используется побитовый MI, обобщенная взаимная информация (GMI). Эта потеря более значительна при использовании форматов модуляции более высокого порядка. Анализ AIR выполняется в форматах модуляции QPSK, 16QAM, 64QAM и 256QAM для систем связи с различной полосой пропускания связи и дальностью передачи на основе модели расширенного гауссовского шума (EGN). В статье представлены предложения по выбору оптимального формата модуляции в различных сценариях передачи.
Графическая абстракция
1. Введение
Более 95% трафика цифровых данных передается по оптоволоконным сетям [1]. Скорость передачи информации в волоконно-оптических системах связи ограничивает скорость связи в глобальных телекоммуникационных сетях. С развитием технологии оптоволоконной связи стали реализовываться более широкая полоса пропускания связи и более высокая скорость передачи символов, позволяющая передавать больше битов в течение одной секунды. Однако также возникают серьезные нелинейные эффекты, которые приводят к меньшему количеству действительных битов, передаваемых в секунду. Между тем, фазовый шум с улучшенной коррекцией (EEPN) еще больше снижает качество сигнала [2]. Другими словами, эффективная скорость связи ограничена нелинейными эффектами и шумом передачи. Это явление более очевидно при использовании форматов модуляции более высокого порядка. Как правило, более высокий формат модуляции означает более высокую частоту ошибок символов (SER) [3, 4]. Однако использование формата модуляции высокого порядка позволяет передавать больше битов каждым символом. Следовательно, недостаточно использовать соотношение сигнал-шум (SNR) для оценки производительности системы связи. Чтобы разумно измерить возможности связи, в качестве показателя следует использовать скорость передачи данных, которую система может эффективно поддерживать. Обобщенная взаимная информация (GMI) может использоваться для измерения эффективной скорости передачи данных в системе. В системах мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM) для одновременной передачи сигналов можно использовать больше каналов для достижения более высоких скоростей передачи данных. Хотя более широкая полоса пропускания приведет к дальнейшему снижению отношения сигнал/шум из-за межканального взаимодействия, снижение производительности намного меньше, чем прирост скорости передачи данных, возникающий в результате использования большего количества каналов [5]. Поэтому в этой статье в качестве показателя достижимой скорости передачи данных (AIR) используется количество бит, эффективно передаваемых за одну секунду. Модель расширенного гауссовского шума (EGN) применяется для анализа производительности волоконно-оптической системы в различных условиях. Наконец, оптимальный формат модуляции получается путем всестороннего анализа различных сценариев передачи. Проведенные обсуждения определяют направления оптимизации будущих оптоволоконных систем связи высокой пропускной способности.
В этом документе оцениваются различные сценарии связи с точки зрения эффективной скорости передачи данных. Такая метрика обеспечивает справедливое сравнение систем, а результаты имеют фундаментальное значение и дают ценные рекомендации для последующих исследований. Выводы в этой статье основаны на системах без применения методов прямой коррекции ошибок (FEC) [6, 7]. Различные типы кодов FEC имеют разные возможности исправления ошибок, и исследование AIR в этом случае требует лишь проведения дальнейшего этапа на основе наших результатов. Более того, влияние введения кодов коррекции ошибок на скорость передачи данных является линейным, поэтому выводы в этой статье являются информативными и применимы для систем с FEC.
Данная статья устроена следующим образом. GMI и MI представлены в разд. 2. В разделе 3 обсуждается модель EGN. Результаты и обсуждение можно найти в разд. 4 и некоторые предложения на будущее представлены в разд. 5.
2 Обобщенная взаимная информация
Взаимная информация (MI) — это мера количества информации, которой делятся две случайные величины. Он количественно определяет степень, в которой знание одной переменной снижает неопределенность в отношении другой переменной. Для сигналов связи, чем выше MI между передатчиком и приемником, тем лучше качество связи. Это означает, что больше информации передается правильно. Предел Шеннона используется для измерения пропускной способности канала путем расчета MI между сигналами перед входом в канал и сигналами при выходе из канала. Однако приемник все равно будет вызывать потери в MI. Поэтому сигналы, используемые при расчете, разлагаются на битовые последовательности, как показано на рис. 1, а скорость передачи информации рассчитывается на основе GMI.
рисунок 1
Схема МИ и ГМИ
Полноразмерное изображение
Предположим, что модулированный битовый сигнал в момент времениlесть {c1,l,c2,l,...,cm,l}{c1,l,c2,l,...,cm,l}xlxlxi∈X,card(X)=Mxi∈ X,card(X)=MyiyiyiاYyiاY{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∑bا{0,1}fY|Bk(Y|b) ]=1M∑k=1m∑bا{0,1}∑iاIbm∫CNfY|X(y|xi)log2∑jاIbkfY|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∑bε{0,1}∑iاImb∫CNfY|X( y|xi)log2∑jاIkbfY|X(y|xj)12∑p=1MfY|X(y|xp)dy,
(2)
где Ibm⊂{1,2,...,M}Imb⊂{1,2,...,M}card(Ibm)=M/2card(Imb)=M/2fY |X(y|x)fY|X(y|x)CNCNBkBkEE
Рис. 2
GMI и MI DP-QPSK, DP-16QAM, DP-64QAM и DP-256QAM,ДП: двойная поляризация
Полноразмерное изображение
3 Улучшенная модель гауссовского шума
Из-за существования нелинейных эффектов распространение сигнала в волокне очень сложно. Невозможно предоставить явные выражения для переходов сигналов. Однако нелинейные эффекты канала не очень сильны вблизи оптимальной мощности, где поведение распространения сигнала близко к линейному распространению сигнала. Это основное предположение модели гауссовского шума, основанной на возмущениях. Поджиолини и др. предложил модель EGN для быстрой оценки отношения сигнал/шум волоконно-оптических систем связи [10, 11]. В этой статье модель EGN используется для быстрого расчета отношения сигнал/шум канала, а затем на основе EGN добавляется оценка соответствующих нелинейных помех для оценки GMI системы. Модель EGN в C-диапазоне приближенно может быть выражена как [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)
гдеP, σ2ASEσASE2σ2TRxσTRx2NsNs
ϵ=310log⎡⎣1+6LsLeffsinh−1(π2| 2|R2sN2chLeff)⎤⎦,ϵ=310log[1+6LsLeffsinh−1(π2| 2| Рс2Нч2Лефф)],
(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)
где Leff{{0}}(1−e− Ls)/ Leff=(1−e− Ls)/ 2 2NchNchRsRsC≈0.557C≈0,557 LsLsΦ (x)Φ(x)κκ]. Точность модели EGN в C-диапазоне уже была подтверждена другими исследователями, а также в наших предыдущих работах [14,15,16,17].
4 Результаты и обсуждение
Для системы оптической связи с интервалом Найквиста, согласно теореме выборки Найквиста, количество символов, передаваемых в секунду, может быть измерено через полосу пропускания системы. Значение GMI представляет собой эффективное количество битов в символе. Умножение полосы пропускания на GMI дает эффективное количество бит в секунду, передаваемых в каждом режиме поляризации. В данной статье изучается сценарий связи для оптоволоконной системы связи длиной 80 км на пролет и скоростью 32 ГБод с различными форматами модуляции, расстояниями передачи и полосой пропускания. Результаты зависимости AIR от расстояний передачи и пропускной способности показаны на рис. 3.
Рис. 3
AIR в зависимости от расстояния передачи и пропускной способности связи. Скорость передачи символов составляет 32 ГБод, а длина каждого волокна составляет 80 км.
Полноразмерное изображение
Ухудшение MI в приемнике особенно сильно для форматов модуляции более высокого порядка, как показано на рис. 2. Когда SNR низкое, GMI формата модуляции высокого порядка резко падает и может быть даже ниже, чем у формат младшего порядка в области с низким SNR. Более того, форматы модуляции более высокого порядка более подвержены влиянию шума, что приводит к более серьезному ухудшению GMI. Показано, что форматы модуляции более высокого порядка показывают свои преимущества в случае меньших расстояний передачи или меньшей полосы пропускания связи. Для систем с большими расстояниями передачи и большой полосой пропускания некоторые форматы модуляции низкого порядка могут быть более надежными и подходящими. На рисунке 4 показан оптимальный формат модуляции для различных ситуаций передачи.
Рис. 4
Оптимальные форматы модуляции при различных дальностях передачи и полосе пропускания связи. Скорость передачи символов составляет 32 ГБод, а длина каждого волокна составляет 80 км.
Полноразмерное изображение
Для наземных систем связи общая длина волокна составляет 80 км, а расстояние передачи — менее 10 000 км. Когда скорость передачи символов составляет 32 ГБод и расстояние передачи превышает 2000 км, формат модуляции 16QAM всегда позволяет получить самый высокий уровень AIR. Когда расстояние передачи сокращается до 240–2000 км, схема модуляции 64QAM становится наиболее подходящим форматом. Сигнал 256QAM может превзойти три других формата модуляции только в том случае, если расстояние передачи меньше 240 км.
Для изучения систем с более высокой скоростью передачи символов мы зафиксировали расстояние передачи равным 8000 км. На рисунке 5 показан GMI с разными скоростями передачи символов и различной полосой пропускания связи на расстоянии передачи 8000 км и длине волокна 80 км.
Рис. 5
AIR на передатчик в зависимости от скорости передачи символов и полосы пропускания связи. Расстояние передачи составляет 8000 км, а длина каждого волокна — 80 км.
Полноразмерное изображение
Каждая кривая на рис. 5 почти такая же прямая, а это означает, что GMI слабо коррелирует со скоростью передачи символов. Однако увеличение скорости связи может сэкономить количество каналов для передачи WDM и, следовательно, сэкономить стоимость наборов соответствующих компонентов. Следовательно, передатчики с более высокой скоростью имеют более эффективный AIR на передатчик. Между тем, GMI ведет себя почти независимо от скорости передачи символов, поэтому 16QAM все еще может обеспечить наилучшие характеристики на расстоянии 8000 км, как показано на рис. 4.
Также изучается подводная система связи длиной 50 км. По сравнению с системой с пролетом 80 км, сокращение пролета до 50 км может значительно улучшить отношение сигнал/шум системы [14], поэтому форматы модуляции более высокого порядка могут выиграть от этого. Результат показан на рис. 6.
Рис. 6
AIR в зависимости от расстояний передачи и пропускной способности связи. Скорость передачи символов составляет 32 ГБод, а длина каждого волокна составляет 50 км.
Полноразмерное изображение
Пересечение кривых разного цвета в одной группе смещается в сторону большего расстояния связи при использовании модуляции более высокого порядка. Это доказывает, что формат модуляции более высокого порядка получает большее улучшение, чем формат более низкого порядка, с увеличением системного SNR. Поскольку текущий сценарий передачи относится к подводной системе, мы ориентируемся на сценарий, в котором расстояние связи превышает 8000 км. Когда длина пролета составляет 50 км, можно обнаружить, что формат модуляции QPSK может почти достигать максимального GMI (2 бит/символ/поляризация). Это также причина, по которой формат QPSK широко используется в современной подводной связи. Однако формат модуляции 16QAM также получает значительное улучшение, и использование формата 16QAM в пределах 12000 км может значительно улучшить систему AIR, особенно для большей полосы пропускания.
Таким образом, скорость передачи символов мало влияет на GMI системы, но применение более высокой скорости передачи символов может эффективно уменьшить количество необходимых приемопередатчиков и компонентов канала. Для систем наземной связи на большие расстояния (2000–10 000 км) с длиной пролета 80 км формат 16QAM может обеспечить наивысший уровень AIR. Для подводных систем связи с длиной каждого волокна 50 км [18] формат 16QAM показывает более существенное улучшение производительности по сравнению с форматом QPSK. В наземной системе связи или подводной системе связи можно видеть, что полоса пропускания связи оказывает незначительное влияние на отношение сигнал/шум, как показано на рисунке 5. Поэтому важен компромисс между высокоскоростными передатчиками и количеством каналов. при проектировании новых волоконно-оптических систем. Для удобства использования приведем результаты (оптимальный выбор формата модуляции) для полосы пропускания, превышающей 2,4 ТГц, в следующих таблицах 1 и 2.
Таблица 1. Оптимальный формат модуляции для полосы пропускания более 2,4 ТГц и расстояния действия 80 км.
Полноразмерный стол
Таблица 2. Оптимальный формат модуляции для полосы пропускания более 2,4 ТГц и расстояния действия 50 км.
Полноразмерный стол
5 предложений на будущее
MI формата модуляции высокого порядка всегда выше, чем у формата младшего порядка. Однако GMI формата модуляции более высокого порядка может быть ниже, чем у формата более низкого порядка, из-за потери информации, вызванной приемопередатчиком. Поэтому использование более совершенных трансиверов может стать эффективным решением. Фактически, разница SNR между каждым форматом модуляции очень мала, особенно когда порядок модуляции выше 4 (равен или выше 16QAM) [19]. Различные методы, позволяющие уменьшить потери информации на стороне приемника или сместить пересечение сплошных линий разного цвета (форматы модуляции) влево (область с низким SNR) на рис. 2, станут интересным направлением исследований для оптоволоконной связи следующего поколения. системы. С другой стороны, другое горячее направление исследований использует различные подходы, такие как формирование созвездий и формирование сигналов [20], для улучшения GMI волоконно-оптической системы, тем самым смещая пунктирную линию на рис. 2 ближе к пределу Шеннона ( серая линия). Системы оптоволоконной связи, несмотря на то, что им еще предстоит пройти долгий путь, в конечном итоге станут краеугольным камнем будущих телекоммуникационных сетей.
Доступность данных и материалов
Данные, подтверждающие выводы этого исследования, можно получить у соответствующего автора по обоснованному запросу.
