[論文レビュー] Correlated Eigenvalues Optical Communications

Wenqi Zhang, Tao Gui+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2017

Optical Network Technologies参考文献 24被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、非線形フーリエ変換（NFT）に基づく光通信におけるノイズモデル化フレームワークを提案し、ファイバー伝送に起因する固有値の摂動がチャネル間で相関しており、独立したセグメントごとのノイズ寄与の累積としてモデル化可能であることを示している。この相関を活用することで、著者らは最適化された信号スタビング設計によりシステムスルーレットを最大化できることを示し、2ソリトンパルスと非線形スペクトル処理を用いて150 kmのファイバー回線で実験的に検証した。

ABSTRACT

There is a fundamental limit on the capacity of fibre optical communication system (Shannon Limit). This limit can be potentially overcome via using Nonlinear Frequency Division Multiplexing. Dealing with noises in these systems is one of the most critical parts in implementing a practical system. In this paper, we discover and characterize the correlations among the NFT channels. It is demonstrated that the correlation is universal (i.e., independent of types of system noises) and can be exploited to maximize transmission throughput. We propose and experimentally confirm a noise model showing that end-to-end noise can be modeled as the accumulation of noise associated with each segment of optical communication which can be dealt with independently. Also, each point noise can be further decomposed into different components, some of which are more significant (and even dominating) than others. Hence, one can further approximate and simplify the noise model by focusing on the significant component.

研究の動機と目的

• 線形シャノン限界を超える伝送容量を制限するファイバー非線形性の根本的課題に取り組むこと。
• 非線形光ファイバーにおける従来の線形信号処理の限界を、非線形フーリエ変換（NFT）を活用することで克服すること。
• NFTベースの光通信システムにおける固有値ノイズの相関をモデル化・活用し、システム性能を向上させること。
• エンドツーエンドのノイズを、解析的に扱いやすいセグメントごとのほぼ独立な摂動に分解するための解析的フレームワークを構築すること。
• 固有値へのノイズ効果の特定と低減を可能にすることで、非線形周波数分割多重（NFDM）の実用的実装を可能にすること。

提案手法

• 送信側で制御されたスペクトルアモルチュードと物理的帯域幅を有する2ソリトンパルスを再帰的に生成するために、ダーボウックス変換法を用いる。
• ファイバー伝送をシミュレートするために、分散型ラーマン増幅と無視できる線形損失を有する非線形シュレーディンガー方程式（NLSE）モデルを採用する。
• 非線形フーリエ係数の計算にアブロイツィ・ラディック法を、スペクトルドメインにおける根の探索にニュートン・ラプソン法を適用する。
• 各ファイバー スパンからの小さな、セグメントごとの摂動として固有値ノイズをモデル化し、セグメント間で弱い相関を仮定する。
• 受信側でタイミング同期のためのトレーニングシンボルと、レーザー位相ノイズおよび周波数オフセットの推定と補償のためのパイロットトーンを用いる。
• 90°ハイブリッドとバランスドフォトダイオードを用いて、サンプリングされたI/Q信号から固有値摂動を再構築・分析するオフラインデジタル信号処理（DSP）を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NFTベースの光通信システムにおいて、複数のファイバー スパンに跨る固有値摂動はどのように振る舞うか？
• RQ2 固有値ノイズはどの程度相関しており、この相関を活用してシステムスルーレットを向上させられるか？
• RQ3 エンドツーエンドの固有値ノイズは、独立したセグメントごとのノイズ寄与の累積としてモデル化可能か？
• RQ4 本稿で提案するノイズモデルは、非線形スペクトルドメイン通信における従来の加法性白色ガウスノイズ（AWGN）仮定と比較してどのように異なるか？
• RQ5 本ノイズモデルは、トランスミッタおよびリセプタノイズ源を統合したフレームワークに拡張可能か？

主な発見

• NFTベースの光通信システムにおける固有値摂動は、チャネル間で相関しており、さまざまなタイプのシステムノイズに対して普遍的である。
• 固有値におけるエンドツーエンドのノイズは、各ファイバー スパンからの独立したセグメントごとのノイズ寄与の累積として効果的にモデル化可能である。
• セグメントごとのノイズ成分間の相関は弱く、統計的独立性の仮定が可能であり、ノイズモデルの簡略化に寄与する。
• 提案されたノイズモデルにより、非線形スペクトルドメインにおける最適化された信号スタビングの設計が可能となり、高いシステムスルーレットが達成できる。
• 2ソリトンパルスを用いた150 kmのファイバー ループでの実験結果により、ノイズモデルの妥当性および固有値相関の活用可能性が確認された。
• 本フレームワークは、トランスミッタおよびリセプタノイズを含めるために拡張可能であり、スペクトルアモルチュードの摂動も独立したノイズ効果の累積としてモデル化可能である。