[論文レビュー] List-encoding CCDM: A Nonlinearity-tolerant Shaper Aided by Energy Dispersion Index

Kaiquan Wu, Gabriele Liga+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2021

Optical Network Technologies参考文献 35被引用数 21

ひとこと要約

本稿では、エネルギー分散指数（EDI）が低い振幅系列を選択することで非線形干渉（NLI）を低減する、非線形性に強い新規なシャーパーであるList-encoding Constant-Composition Distribution Matching（L-CCDM）を提案する。確率的振幅整形（PAS）にEDIに基づく選択モジュールを統合することで、256QAMにおいて標準のCCDMと比較して0.35 dBの有効SNR向上と8%の伝送距離延長を達成する。

ABSTRACT

Recently, a metric called energy dispersion index (EDI) was proposed to indicate the nonlinear interference (NLI) induced by correlated symbols during optical transmission. In this paper, we propose a new shaper architecture to decrease the EDI of transmitted symbols and thus, increase the signal-to-noise ratio (SNR). We call this shaper the list-encoding constant-composition distribution matcher (L-CCDM). L-CCDM consists of an additional EDI selecting module, which is compatible with standard probabilistic amplitude shaping (PAS) architecture. Numerical results obtained from a multi-span multi-channel system show that when compared to standard CCDM with 256-ary quadrature amplitude modulation (256QAM), the proposed architecture offers an effective SNR gain of 0.35 dB, an achievable information rate gain of 0.22 bit/4D-symbol, or equivalently an 8% reach extension.

研究の動機と目的

• 確率的振幅整形（PAS）システムにおけるファイバーフェイル・ノンリニアティが引き起こす性能劣化を是正すること。
• 時間的信号構造を活用して光ファイバートランスミッションにおける非線形干渉（NLI）を低減すること。
• 従来のPASフレームワークを変更せずに、実用的かつ互換性のあるシャーパー・アーキテクチャを構築し、NLI耐性を向上させること。
• EDIがNLIに耐性のあるシンボル系列を特定するのに信頼できる指標であることを示すこと。
• EDIガイドドの整形を用いて高次QAMシステムで顕著なSNRおよび伝送距離の向上を達成すること。

提案手法

• L-CCDMは、候補となる振幅系列の中から低EDI系列を選択するEDI選択モジュールを追加した、強化されたCCDMアーキテクチャを提案する。
• 情報系列ごとに複数の候補コードワードを生成できるリスト符号化機構を用い、EDIに基づく選択を可能にする。
• エネルギー分散指数（EDI）を用いて窓付きエネルギー変動を定量化し、NLIの影響を予測する指標とする。
• 標準PASアーキテクチャにEDIセレクタを統合し、既存のFECおよび変調方式と互換性を保つ。
• リスト符号化で使用されるビットの反転を考慮したレートロスモデルを適用し、整形レートを維持する。
• 移動ウィンドウアプローチを用いてシンボル系列全体のEDIを計算し、最終的なEDI指標として分散/平均比を採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相関のある非i.i.d.シンボル系列において、EDIはNLIの予測に信頼できる指標として機能するか？
• RQ2 低EDIを持つ振幅系列を選択することで、光ファイバーシステムにおける測定可能なNLI低減およびSNR向上が達成できるか？
• RQ3 EDIベースの選択は、複雑性や互換性を損なわずに標準PASアーキテクチャに統合可能か？
• RQ4 リスト符号化に基づく整形における、NLI低減の利得とレートロスのトレードオフは何か？
• RQ5 L-CCDMの性能はブロック長および送信電力にどのように依存するか？

主な発見

• 1600 km伝送距離における256QAMで、L-CCDMは標準CCDMと比較して0.35 dBの有効SNR向上を達成する。
• 送信シンボルのEDIは、CCDMの−0.66 dBから、L-CCDM（v=4）では−4.03 dBに低下し、NLIが顕著に低減されていることが示された。
• L-CCDMは最大0.22 bit/4Dシンボルの実現情報レート（AIR）向上を達成し、ブロック長n=1350で最適性能を示す。
• 均一な256QAMおよび標準CCDMと比較して、8%の伝送距離延長を達成し、9.6 bit/4Dシンボルレートで伝送距離を480 kmから540 kmに延長した。
• さまざまなブロック長においても性能向上が安定しており、長ブロック長領域ではSNR向上がわずかに増加する傾向を示した。
• リスト符号化に起因するレートロスは無視できるほど小さく、SNR向上の大部分が直接AIR向上に反映された。