[論文レビュー] Mitigating Nonlinear Interference by Limiting Energy Variations in Sphere Shaping

Yunus Can Gültekin, Alex Alvarado+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2022

Photonic and Optical Devices被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、符号化球形状トレリスの帯域に近い領域へのシーケンス生成制限により、光通信信号のエネルギー変動を制限する新規形状アルゴリズムであるバンド・トレリス・アンマーレイティブ・スフィア・シェーピング（B-ESS）を提案する。エネルギー分散と峰度を低減することで、単一スパン光ファイバー系において、従来の球形状と比較して最大9%のデータレート向上と0.74 dBのSNRゲインを達成し、非線形干渉耐性が優れていることを示している。

ABSTRACT

Band-trellis enumerative sphere shaping is proposed to decrease the energy variations in channel input sequences. Against sphere shaping, 0.74 dB SNR gain and up to 9% increase in data rates are demonstrated for single-span systems.

研究の動機と目的

• 信号のエネルギー変動に起因する時間変動型符号間干渉（ISI）に起因する非線形干渉（NLI）の影響を軽減すること。
• エネルギー変動を制限することでNLIを低減する。エネルギーの変動は非線形劣化を悪化させることが知られている。
• 高いスペクトル効率を維持しつつ、エネルギー分散が小さいシーケンスを効率的に生成する新しい形状アルゴリズムの開発。
• エンドツーエンドのシミュレーションを通じて、提案された形状戦略が非線形ファイバー伝送路における性能向上を実証すること。
• 従来の球形状および均一信号方式と比較して、SNRおよび実現可能なデータレートの向上を定量すること。

提案手法

• B-ESSは、エネルギー変動が小さいシーケンスのみを表す帯状領域にトレリスを制限する、アンマーレイティブ・スフィア・シェーピング（ESS）の一般化である。
• アルゴリズムは、N（シーケンス長）、ℛ（アルファベット）、E_max（最大エネルギー）に加え、帯のサイズと位置を定義する2つの追加パラメータh_iおよびw_iを用いた修正されたトレリス構造を採用する。
• バイナリ文字列から振幅シーケンスへの辞書式マッピングを、バンド・トレリスを用いて行い、エネルギー変動が小さいシーケンスのみが選択されるようにする。
• バンド・トレリスは、エネルギー変動が最小限で、峰度が低減されたシーケンスのみを含むように構築されており、これらは非線形劣化を緩和することが知られている。
• ESSの列挙マッピング特性を保持しつつ、時間的にエネルギー変動が制限されたシーケンスの集合に制限する。
• エンドツーエンドのシミュレーションでは、現実的なファイバーパラメータ、双偏光64-QAM、LDPC符号を用い、分離ステップ・フーリエ法を適用して性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 形状された信号シーケンスのエネルギー変動を制限することで、光ファイバー回線における非線形干渉を低減できるか？
• RQ2 球形状における全球形状と比較して、エネルギー変動と峰度が低減する帯制限型トレリス構造は、球形状に比べて優れた性能を示すか？
• RQ3 単一スパンファイバー系において、B-ESSは従来のESSおよび均一信号方式と比較して、どの程度SNRおよび実現可能なデータレートを向上させるか？
• RQ4 異なるチャネル間隔を有するマルチチャネルWDM環境下でのB-ESSの性能はいかがなっているか？
• RQ5 B-ESSは、イントラチャネルおよびインタチャネルの非線形干渉を効果的に低減できるか？

主な発見

• B-ESSは、単一スパンファイバー系において、均一信号方式と比較して0.74 dBのSNRゲインを達成し、非線形耐性が向上していることを示している。
• B-ESSは、従来のESSと比較してエネルギー分散を0.67 dB低減しており、これが非線形干渉の低減に寄与している。
• 205 kmのファイバーを用いた単一チャネル伝送において、B-ESSはFER（フレーム誤り率）をESSと比較して13倍低減している。
• FERを同等に保った状態で、B-ESSはESS（370.4 Gbps）と比較して8%のデータレート向上（400 Gbps）を達成し、スペクトル効率が8%向上している。
• 5チャネルWDMシステムでは、55 GHzのチャネル間隔で7%、75 GHzのチャネル間隔で9%のデータレート向上を達成しており、大規模なチャネル間隔における強いインタチャネルNLI低減効果が確認された。
• B-ESSでは、最大実現可能SNRが、ESSと比較して1 dB高い発信パワーで達成されており、非線形耐性の優位性が裏付けられている。