[論文レビュー] Complexity Reduction of Volterra Nonlinear Equalization for Optical Short-Reach IM/DD Systems

Tom Wettlin, Talha Rahman+4 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2020

Optical Network Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、短距離光インテグレーテッド・デュプレックス（IM/DD）システムにおけるボルテラ非線形イコライザ（VNLE）の構造的複雑性を、適応処理の前段階で高次カーネル項を選択的に排除することによって低減する手法を提案する。特定のルールを適用して3次カーネル成分を剪定（例：タップ間隔の制限）することで、性能損失を最小限に抑えながら3次カーネルを50%削減し、1 kmのSSMFおよびバック・トゥバック構成での90 GBd PAM6実験データにおいて、複雑性とシステム性能の良好なトレードオフを実証した。

ABSTRACT

We investigate approaches to reduce the computational complexity of Volterra nonlinear equalizers (VNLEs) for short-reach optical transmission systems using intensity modulation and direct detection (IM/DD). In this contribution we focus on a structural reduction of the number of kernels, i.e. we define rules to decide which terms need to be implemented and which can be neglected before the kernels are calculated. This static complexity reduction is to be distinguished from other approaches like pruning or L1 regularization, that are applied after the adaptation of the full Volterra equalizer e.g. by thresholding. We investigate the impact of the complexity reduction on 90 GBd PAM6 IM/DD experimental data acquired in a back-to-back setup as well as in case of transmission over 1 km SSMF. First, we show, that the third-order VNLE terms have a significant impact on the overall performance of the system and that a high number of coefficients is necessary for optimal performance. Afterwards, we show that restrictions, for example on the tap spacing among samples participating in the same kernel, can lead to an improved tradeoff between performance and complexity compared to a full third-order VNLE. We show an example, in which the number of third-order kernels is halved without any appreciable performance degradation.

研究の動機と目的

• 短距離光IM/DDシステムにおけるボルテラ非線形イコライザ（VNLE）の計算複雑性を、顕著な性能劣化を伴わずに低減すること。
• 構造的制約に基づいて、適応処理の前段階で無視してもよいボルテラカーネル項を同定すること。
• 1 kmのSSMFおよびバック・トゥバック構成での90 GBd PAM6実験データを用いて、カーネル削減がシステム性能に与える影響を評価すること。
• 動的手法（例：剪定やL1正則化）とは異なり、静的かつ構造的な複雑性低減フレームワークを確立すること。

提案手法

• 著者らは、係数計算の前段階で無視可能なボルテラカーネル項を特定するための構造的ルールを定義し、同じカーネル内のサンプル間のタップ間隔制約に焦点を当てる。
• 3次VNLEを分析し、タップ間の空間的・時間的分布に基づいて、冗長または影響が小さいカーネル項を同定する。
• 適応処理の前段階で静的剪定ルールを適用し、全カーネル計算とその後のしきい値処理の必要性を回避する。
• 90 GBd PAM6システムの実験データを用いて、カーネル削減の前後における性能を比較評価する。
• 3次カーネルにおけるタップ間隔を制限するルールを適用し、1つの例ではカーネル総数を50%まで削減した。
• ビット誤り率（BER）とコンステレーションを用いて性能を評価し、バック・トゥバックおよび1 km伝送環境下での全カーネルと低次元VNLEの比較を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 短距離IM/DD光リンクにおける3次非線形イコライザのボルテラカーネル項の中で、システム性能に最も顕著な寄与を示すのはどれか？
• RQ2 静的かつルールベースのカーネル選択アプローチは、システム性能の劣化を伴わずに計算複雑性を低減できるか？
• RQ3 3次カーネルに構造的制約を適用する際の、複雑性低減と性能損失の最適なトレードオフは何か？
• RQ4 カーネル内のサンプル間のタップ間隔を制限すると、全体のシステム性能と複雑性にどのような影響を与えるか？
• RQ5 実用的な90 GBd PAM6 IM/DDシステムにおいて、3次カーネルを50%削減しても顕著な性能損失が生じないか？

主な発見

• 3次ボルテラ非線形イコライザの項はシステム性能に顕著な影響を及ぼし、最適性能を得るには多数の係数が必要である。
• 同じカーネル内のサンプル間のタップ間隔を制限することで、全3次VNLEと比較して複雑性-性能トレードオフが向上する。
• 構造的剪定ルールを用いることで、顕著な性能劣化を伴わず3次カーネル数を50%まで削減可能である。
• バック・トゥバックおよび1 km SSMF伝送環境下において、低次元VNLEの性能は全VNLEと同等に維持される。
• 提案手法である静的複雑性低減法は、しきい値処理やL1正則化といった動的アプローチに比べ、計算リソースの節約と実装の簡便さの面で優れている。
• 本手法により、性能損失を最小限に抑えつつ、高速短距離光リンク向けのVNLEの実用的かつ効率的な設計が可能となる。