Abstrakts
Optisko šķiedru sakaru tīkliem ir svarīga loma globālajā telekomunikāciju tīklā. Tomēr nelineārie efekti optiskās šķiedras un raiduztvērēja trokšņos ievērojami ierobežo šķiedru sakaru sistēmu veiktspēju. Šajā rakstā savstarpējās informācijas (MI) un sakaru joslas platuma reizinājums tiek izmantots kā sasniedzamās informācijas ātruma (AIR) metrika. Šajā darbā tiek ņemts vērā arī raiduztvērēja izraisītais MI zudums, un, lai aprēķinātu AIR, tiek izmantots bitu MI, vispārinātā savstarpējā informācija (GMI). Šis zaudējums ir nozīmīgāks, izmantojot augstākas pakāpes modulācijas formātus. AIR analīze tiek veikta QPSK, 16QAM, 64QAM un 256QAM modulācijas formātos sakaru sistēmām ar dažādiem sakaru joslas platumiem un pārraides attālumiem, pamatojoties uz uzlaboto Gausa trokšņa (EGN) modeli. Darbā sniegti ieteikumi optimālā modulācijas formāta izvēlei dažādos pārraides scenārijos.
Grafiskais abstrakts
1. Ievads
Vairāk nekā 95% digitālo datu trafika tiek pārraidīti pa optisko šķiedru tīkliem [1]. Optisko šķiedru sakaru sistēmu informācijas pārraides ātrums ierobežo globālo telekomunikāciju tīklu sakaru ātrumu. Attīstoties šķiedru sakaru tehnoloģijai, tiek realizēts lielāks sakaru joslas platums un lielāks simbolu ātrums, lai vienas sekundes laikā pārraidītu vairāk bitu. Tomēr rodas arī nopietni nelineāri efekti, kas rada mazāk derīgu bitu pārraides sekundē. Tikmēr izlīdzināšanas uzlabotais fāzes troksnis (EEPN) vēl vairāk samazina signāla kvalitāti [2]. Citiem vārdiem sakot, efektīvo sakaru ātrumu ierobežo nelineārie efekti un pārraides troksnis. Šī parādība ir acīmredzamāka, ja tiek izmantoti augstākas pakāpes modulācijas formāti. Parasti augstāks modulācijas formāts nozīmē lielāku simbolu kļūdu līmeni (SER) [3, 4]. Tomēr, izmantojot augstas pakāpes modulācijas formātu, var pārraidīt vairāk bitu ar katru simbolu. Tāpēc, lai novērtētu sakaru sistēmas veiktspēju, nepietiek ar signāla-trokšņa radio (SNR) izmantošanu. Lai saprātīgi novērtētu komunikācijas iespējas, kā metrika jāizmanto pārraides bitu pārraides ātrums, ko sistēma var efektīvi atbalstīt. Vispārējo savstarpējo informāciju (GMI) var izmantot, lai izmērītu sistēmas efektīvo pārraides bitu pārraides ātrumu. Viļņa garuma dalīšanas multipleksētām (WDM) sistēmām signālu pārraidīšanai vienlaikus var izmantot vairāk kanālu, lai panāktu lielāku datu pārraides ātrumu. Lai gan lielāks joslas platums vēl vairāk samazinās SNR starpkanālu mijiedarbības dēļ, veiktspējas sods ir daudz mazāks nekā informācijas ātruma pieaugums, kas rodas, izmantojot vairāk kanālu [5]. Tāpēc šajā rakstā kā sasniedzamās informācijas ātruma (AIR) metrika tiek izmantots bitu skaits, kas efektīvi pārraidīts vienā sekundē. Uzlabotais Gausa trokšņa (EGN) modelis tiek izmantots, lai analizētu optiskās šķiedras sistēmas veiktspēju dažādos apstākļos. Visbeidzot, optimālais modulācijas formāts tiek iegūts, visaptveroši analizējot dažādus pārraides scenārijus. Tiek veiktas diskusijas, kas nodrošina optimizācijas virzienu nākotnes lieljaudas optisko šķiedru sakaru sistēmām.
Šajā rakstā ir novērtēti dažādi saziņas scenāriji attiecībā uz efektīvu bitu pārraides ātrumu, ko var efektīvi pārraidīt. Šāda metrika nodrošina godīgu sistēmu salīdzinājumu, un rezultātiem ir būtiska nozīme un tie sniedz ieskatu ieteikumus turpmākiem pētījumiem. Secinājumi šajā rakstā ir balstīti uz sistēmām, kurās netiek izmantotas priekšējās kļūdu korekcijas (FEC) metodes [6, 7]. Dažādiem FEC kodu veidiem ir atšķirīgas kļūdu labošanas iespējas, un AIR izpētei šajā gadījumā ir jāveic tikai turpmāka darbība, pamatojoties uz mūsu rezultātiem. Turklāt kļūdu labošanas kodu ieviešanas ietekme uz pārraides bitu pārraides ātrumu ir lineāra, tāpēc šajā rakstā izdarītie secinājumi ir saprotami un piemērojami sistēmām ar FEC.
Šis papīrs ir sakārtots šādi. GMI un MI ir ieviesti sadaļā. 2. 3. sadaļā ir apskatīts EGN modelis. Ar rezultātiem un diskusijām var iepazīties sadaļā. 4 un daži priekšlikumi nākotnei ir sniegti sadaļā. 5.
2 Vispārēja savstarpēja informācija
Savstarpējā informācija (MI) ir informācijas apjoma mērs, ko kopīgi izmanto divi nejaušie mainīgie. Tas kvantitatīvi nosaka pakāpi, kādā zināšanas par vienu mainīgo samazina nenoteiktību par otru mainīgo. Sakaru signāliem, jo augstāks ir MI starp raidītāju un uztvērēju, jo labāka ir sakaru kvalitāte. Tas nozīmē, ka tiek pareizi pārsūtīta vairāk informācijas. Šenona ierobežojumu izmanto, lai izmērītu kanāla kapacitāti, aprēķinot MI starp signāliem pirms ieiešanas kanālā un signāliem, kad kanāls tiek atstāts. Tomēr uztvērējs joprojām radīs MI zudumu. Tāpēc aprēķinos izmantotie signāli tiek izvērsti bitu secībās, kā parādīts 1. attēlā, un informācijas ātrums tiek aprēķināts, pamatojoties uz GMI.
1. att
MI un GMI shēma
Pilna izmēra attēls
Pieņemsim, ka modulētais bitu signāls laikālir {c1,l,c2,l,...,cm,l}{c1,l,c2,l,...,cm,l}xlxlxi∈X,karte(X)=Mxi∈ X,karte(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)
kur Ibm⊂{1,2,...,M}Imb⊂{1,2,...,M}karte(Ibm)=M/2karte(Imb)=M/2fY |X(y|x)fY|X(y|x)CNCNBkBkEE
2. att
DP-QPSK GMI un MI, DP-16QAM, DP-64QAM un DP-256QAM,DP: dubultā polarizācija
Pilna izmēra attēls
3 Uzlabots Gausa trokšņa modelis
Nelineāru efektu esamības dēļ signāla izplatīšanās šķiedrā ir ļoti sarežģīta. Nav iespējams nodrošināt skaidru izteiksmi signālu pārejām. Tomēr kanāla nelineārie efekti nav ļoti spēcīgi tuvu optimālajai jaudai, kur signāla izplatīšanās uzvedība ir tuvu lineāra signāla izplatībai. Šis ir uz perturbāciju balstītā Gausa trokšņa modeļa pamatpieņēmums. Podžolīni et al. ierosināja EGN modeli, lai ātri novērtētu optisko šķiedru sakaru sistēmu SNR [10, 11]. Šajā rakstā EGN modelis tiek izmantots, lai ātri aprēķinātu kanāla SNR, un pēc tam tiek pievienots atbilstošo nelineāro traucējumu novērtējums, kas balstīts uz EGN, lai novērtētu sistēmas GMI. EGN modeli C joslā var aptuveni izteikt kā [12, 13]
SNR=Pσ{{1}σ2s-s+σ2s-n,SNR=Pσ{{8}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)
kurP, 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)
kur Leff{{0}}(1−e−Ls)/ Leff=(1−e−Ls)/ 2 2NchNchRsRsC≈0.557C≈0,557 LsLsΦ (x)Φ(x)κκ]. EGN modeļa precizitāti C joslā jau ir pārbaudījuši arī citi zinātnieki mūsu iepriekšējos darbos [14,15,16,17].
4 Rezultāti un diskusija
Atbilstoši Nyquist paraugu ņemšanas teorēmai ar Nyquist attālumu izvietotai optisko sakaru sistēmai sekundē pārraidīto simbolu skaitu var izmērīt, izmantojot sistēmas joslas platumu. GMI vērtība apzīmē efektīvo bitu skaitu simbolā. Reizinot joslas platumu ar GMI, tiek iegūts efektīvais bitu skaits sekundē, kas tiek pārraidīts katrā polarizācijas režīmā. Šajā rakstā ir pētīts komunikācijas scenārijs 80 km uz laidumu 32 GBaud šķiedru sakaru sistēmai ar dažādiem modulācijas formātiem, pārraides attālumiem un joslas platumiem. AIR rezultāti attiecībā pret pārraides attālumiem un joslas platumiem ir parādīti 3. attēlā.
3. att
AIR pret pārraides attālumu un sakaru joslas platumu. Simbolu ātrums ir 32 GBaud, un katras šķiedras laidums ir 80 km
Pilna izmēra attēls
MI pasliktināšanās uztvērējā ir īpaši smaga augstākas pakāpes modulācijas formātiem, kā parādīts 2. attēlā. Ja SNR ir zems, augstas pakāpes modulācijas formāta GMI strauji pazeminās, un tas var būt pat zemāks par modulācijas formātu. zemas kārtas formāts zema SNR reģionā. Turklāt augstākas pakāpes modulācijas formātus vairāk ietekmē troksnis, izraisot nopietnāku GMI degradāciju. Ir pierādīts, ka augstākas pakāpes modulācijas formāti parāda savas priekšrocības īsāku pārraides attālumu vai mazāku sakaru joslas platuma gadījumā. Sistēmām ar lieliem pārraides attālumiem un lielu joslas platumu daži zemas pakāpes modulācijas formāti var būt izturīgāki un piemērotāki. 4. attēlā parādīts optimālais modulācijas formāts dažādām pārraides situācijām.
4. att
Optimālie modulācijas formāti dažādos pārraides attālumos un sakaru joslas platumos. Simbolu ātrums ir 32 GBaud, un katras šķiedras laidums ir 80 km
Pilna izmēra attēls
Virszemes sakaru sistēmām kopējais šķiedru laiduma garums ir 80 km, un pārraides attālums ir mazāks par 10 000 km. Ja simbolu ātrums ir 32 GBaud un pārraides attālums pārsniedz 2000 km, modulācijas formāts 16QAM vienmēr var iegūt visaugstāko AIR. Kad pārraides attālums tiek samazināts līdz 240–2000 km, 64QAM modulācijas shēma kļūst par piemērotāko formātu. 256QAM signāls var pārspēt pārējos trīs modulācijas formātus tikai tad, ja pārraides attālums ir mazāks par 240 km.
Lai izpētītu augstākas simbolu ātruma sistēmas, mēs fiksējām pārraides attālumu kā 8000 km. 5. attēlā parādīts GMI ar dažādiem simbolu ātrumiem un dažādiem sakaru joslas platumiem 8000 km pārraides attālumā un 80 km šķiedru diapazonā.
5. att
AIR uz vienu raidītāju pret simbolu ātrumu un sakaru joslas platumu. Pārraides attālums ir 8000 km, un katra šķiedras laidums ir 80 km
Pilna izmēra attēls
Katra līkne 5. attēlā ir gandrīz tikpat taisna, un tas nozīmē, ka GMI ir vāji korelēta ar simbolu ātrumu. Tomēr sakaru ātruma palielināšana var ietaupīt kanālu skaitu WDM pārraidei un tādējādi ietaupīt saistīto komponentu komplektu izmaksas. Tāpēc lielāka ātruma raidītājiem ir efektīvāks AIR vienam raidītājam. Tikmēr GMI darbojas gandrīz neatkarīgi no simbolu ātruma, un tādējādi 16QAM joprojām var iegūt vislabāko veiktspēju pie 8000 km, kā parādīts 4. attēlā.
Tiek pētīta arī zemūdens sakaru sistēma, kuras laiduma garums ir 50 km. Salīdzinot ar sistēmu ar 80 km diapazonu, diapazona saīsināšana līdz 50 km var ievērojami uzlabot sistēmas SNR [14], tāpēc augstākas pakāpes modulācijas formāti varētu no tā gūt labumu. Rezultāts parādīts 6. att.
6. att
AIR pret pārraides attālumiem un sakaru joslas platumiem. Simbolu ātrums ir 32 GBaud, un katras šķiedras laidums ir 50 km
Pilna izmēra attēls
Krustpunkts starp līknēm ar dažādām krāsām vienā grupā virzās uz garāku sakaru attālumu, ja tiek izmantota augstākas pakāpes modulācija. Tas pierāda, ka augstākas kārtas modulācijas formāts iegūst lielāku uzlabojumu nekā zemākas kārtas formāts, palielinoties sistēmas SNR. Tā kā pašreizējais pārraides scenārijs attiecas uz zemūdens sistēmu, mēs koncentrējamies uz scenāriju, kurā sakaru attālums pārsniedz 8000 km. Kad laiduma garums ir 50 km, var konstatēt, ka QPSK modulācijas formāts var gandrīz sasniegt maksimālo GMI (2 biti/sim/polarizācija). Tas ir arī iemesls, kāpēc QPSK formāts tiek plaši izmantots pašreizējos zemūdens sakaros. Tomēr arī 16QAM modulācijas formāts iegūst lielu uzlabojumu, un 16QAM formāta izmantošana 12 000 km var ievērojami uzlabot sistēmas AIR, īpaši lielākam joslas platumam.
Rezumējot, simbolu ātrumam ir neliela ietekme uz sistēmas GMI, taču lielāka simbolu ātruma pielietošana var efektīvi samazināt nepieciešamo raiduztvērēju un saites komponentu skaitu. Liela attāluma (2000–10 000 km) zemes sakaru sistēmām ar 80 km uz laidumu 16QAM formāts var iegūt visaugstāko AIR. Zemūdens sakaru sistēmām ar katras šķiedras laidumu 50 km [18] 16QAM uzrāda būtiskākus veiktspējas uzlabojumus salīdzinājumā ar QPSK formātu. Virszemes sakaru sistēmā vai zemūdens sakaru sistēmā var redzēt, ka sakaru joslas platumam ir neliela ietekme uz SNR, kā parādīts 5. attēlā. Tāpēc ir svarīgi panākt kompromisu starp ātrgaitas raidītājiem un kanālu skaitu. projektējot jaunas optiskās šķiedras sistēmas. Lietošanas ērtībai mēs uzskaitām rezultātus (optimāla modulācijas formāta izvēle) joslas platumam, kas pārsniedz 2,4 THz, kā parādīts 1. un 2. tabulā.
1. tabula Optimālais modulācijas formāts joslas platumam virs 2,4 THz un diapazona attālumam 80 km
Pilna izmēra galds
2. tabula Optimālais modulācijas formāts joslas platumam virs 2,4 THz un diapazona attālumam 50 km
Pilna izmēra galds
5 Priekšlikumi nākotnei
Augstas kārtas modulācijas formāta MI vienmēr ir augstāks nekā zemas kārtas formāta MI. Tomēr augstākas pakāpes modulācijas formāta GMI varētu būt zemāka nekā zemākas kārtas formāta, jo uztvērēja izraisīts informācijas zudums. Tāpēc modernāku raiduztvērēju izmantošana var būt efektīvs risinājums. Faktiski SNR atšķirība starp katru modulācijas formātu ir ļoti maza, it īpaši, ja modulācijas secība ir lielāka par 4 (vienāda ar 16QAM vai vairāk) [19]. Dažādas metodes, kas var samazināt informācijas zudumu uztvērēja pusē vai novirzīt krustpunktu starp nepārtrauktām līnijām ar dažādām krāsām (modulācijas formātiem) pa kreisi (zems SNR apgabals) 2. attēlā, būs interesants pētniecības virziens nākamās paaudzes šķiedru komunikācijai. sistēmas. No otras puses, vēl viens aktuāls pētniecības virziens izmanto dažādas pieejas, piemēram, zvaigznāju veidošanu un viļņu formu veidošanu [20], lai uzlabotu optisko šķiedru sistēmas GMI, tādējādi nobīdot punktoto līniju 2. attēlā tuvāk Šenona robežai ( pelēkā līnija). Optiskās šķiedras sakaru sistēmas, neskatoties uz to, ka tām vēl ir tāls ceļš ejams, galu galā kļūs par nākotnes telekomunikāciju tīklu stūrakmeni.
Datu un materiālu pieejamība
Dati, kas apstiprina šī pētījuma secinājumus, ir pieejami no attiecīgā autora pēc pamatota pieprasījuma.
