[論文レビュー] Dynamic physical layer equalization in optical communication networks

Tianhua Xu, Gunnar Jacobsen+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2016

Optical Network Technologies参考文献 50被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、動的変動する伝送距離を有する光路において、時間変動する色収差を適応的に補償できる、可変ステップサイズ最小平均二乗法（LMS）アルゴリズムを用いた動的物理層等化手法を提案する。この手法は、従来のLMSと同等の性能を達成しつつ、著しく低い計算複雑度を実現しており、柔軟でリアルタイムな光ネットワークルーティングおよびスイッチングに適している。

ABSTRACT

In optical transport networks, signal lightpaths between two terminal nodes can be different due to current network conditions. Thus the transmission distance and accumulated dispersion in the lightpath cannot be predicted. Therefore, the adaptive compensation of dynamic dispersion is necessary in such networks to enable flexible routing and switching. In this paper, we present a detailed analysis on the adaptive dispersion compensation using the least-mean-square (LMS) algorithm in coherent optical communication networks. It is found that the variable-step-size LMS equalizer can achieve the same performance with a lower complexity, compared to the traditional LMS algorithm.

研究の動機と目的

• 動的ルーティングおよびスイッチングに起因する予測不能な伝送距離に起因する、光路における予測不能な色収差の課題に対処すること。
• 変動するネットワーク状態下でも、リアルタイムかつ適応的な等化を可能にする coherent 光通信システムの実現。
• 等化精度を維持しつつ、色収差補償の計算複雑度を低減すること。
• 柔軟な全光ネットワークアーキテクチャと互換性を持つ実用的な物理層等化ソリューションの開発。
• 高速光伝送における低複雑度適応フィルタリングを用いた動的等化の実現可能性の実証。

提案手法

• 色収差補償のためのコアな適応等化フレームワークとして、最小平均二乗法（LMS）アルゴリズムを採用する。
• 誤差信号の大きさに応じてLMS更新ゲインを動的に調整する可変ステップサイズ機構を導入する。
• 可変ステップサイズを用いて、初期適応段階での収束速度を向上させるとともに、定常状態での不適応誤差を低減する。
• 未知の係数をリアルタイムで推定する必要がある時間変動型線形フィルタとして、光ファイバーリンクをモデル化する。
• 受信側に等化器を実装し、リアルタイムで蓄積された色収差を追跡および補償する。
• 収束速度、不適応誤差、誤 bit 確率（BER）などのシミュレーション指標を用いて、変動するチャネル条件下での性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可変ステップサイズLMSは、動的光リンクにおいて、標準LMSに比べて収束性および定常状態性能をどのように向上させるか？
• RQ2 動的色収差補償において、等化精度を劣化させることなく、計算複雑度をどの程度低減できるか？
• RQ3 本手法は、急激に変化する伝送距離および蓄積色収差下でも、低誤bit率を維持できるか？
• RQ4 光等化に適用する可変ステップサイズLMSにおいて、収束速度と不適応誤差のトレードオフはどのようなものか？
• RQ5 現実的で時間変動する光ネットワーク条件下において、固定ステップサイズLMSに比べて本アルゴリズムはどのように性能を発揮するか？

主な発見

• 可変ステップサイズLMS等化器は、従来のLMSアルゴリズムと同等の誤bit率（BER）性能を達成しつつ、著しく低い計算複雑度を実現した。
• アルゴリズムは初期適応段階でより速い収束を示し、定常状態での動作で低い不適応誤差を達成した。
• 本手法は、予測不能な伝送距離を有する光路における時間変動色収差を効果的に追跡した。
• 不要な大きな更新を低誤差領域で最小限に抑えることで、複雑度の低減が達成され、エネルギー効率が向上した。
• 等化器は、広範な蓄積色収差値の範囲で頑健な性能を維持し、柔軟なルーティングおよびスイッチングを支援した。
• 結果から、動的光トランスポートネットワークにおけるリアルタイムで低複雑度な色収差補償の実現可能性が裏付けられた。