[論文レビュー] Mutual Information as a Figure of Merit for Optical Fiber Systems

Tobias Fehenberger, Norbert Hanik|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2014

Optical Network Technologies参考文献 38被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、ヒストグラムベースの手法とブラインド・ビン選択を用いて推定する相互情報量（MI）を、光ファイバー通信システムの精度の高い指標として提案する。6000 kmの標準ファイバー回線において、16-QAMは3.1ビット/シンボルのMIを達成し、FECオーバーヘッドが29%必要となる。デジタル・バックプロパゲーション（DBP）を適用すると、MIが0.25ビット/シンボル向上し、ネイキスト間隔でのスペクトル効率が5.7ビット/秒/Hzに達する。

ABSTRACT

Advanced channel decoders rely on soft-decision decoder inputs for which mutual information (MI) is the natural figure of merit. In this paper, we analyze an optical fiber system by evaluating MI as the maximum achievable rate of transmission of such a system. MI is estimated by means of histograms for which the correct bin number is determined in a blind way. The MI estimate obtained this way shows excellent accuracy in comparison with the true MI of 16-state quadrature amplitude modulation (QAM) over an additive white Gaussian noise channel with additional phase noise, which is a simplified model of a nonlinear optical fiber channel. We thereby justify to use the MI estimation method to accurately estimate the MI of an optical fiber system. In the second part of this work, a transoceanic fiber system with 6000 km of standard single-mode fiber is simulated and its MI determined. Among rectangular QAMs, 16-QAM is found to be the optimal modulation scheme for this link as to performance in terms of MI and requirements on components and digital signal processing. For the reported MI of 3.1 bits/symbol, a minimum coding overhead of 29% is required when the channel memory is not taken into account. By employing ideal single-channel digital back-propagation, an increase in MI by 0.25 bits/symbol and 0.28 bits/symbol is reported for 16-QAM and 64-QAM, respectively, lowering the required overhead to 19% and 16%. When the channel spacing is decreased to be close to the Nyquist rate, the dual-polarization spectral efficiency is 5.7 bits/s/Hz, an increase of more than 2 bits/symbol compared to a 50 GHz spacing.

研究の動機と目的

• 光ファイバー通信システムにおけるソフトデシジョンデコードに適した情報理論的指標として、相互情報量（MI）を信頼できる指標として確立すること。
• ノイズ分布の事前仮定なしに、ブラインド・ビン選択技術を用いたヒストグラムベースのMI推定法の開発と検証。
• MIを指標として用いて、実現可能なレート、スペクトル効率、および符号化オーバーヘッドの観点から、光ファイバー通信システムの性能を評価すること。
• デジタル・バックプロパゲーションおよびチャネル間隔の短縮が、システム容量およびスペクトル効率に与える影響を定量化すること。

提案手法

• 受信信号分布の経験的ヒストグラムを用いてMIを推定し、推定誤差を最小化する最適なビン数をブラインドで正確に決定する手法を採用。
• 位相ノイズを有する簡略化されたQAM-AWGNチャネルを用いて検証し、16-QAMにおける解析的MI値と比較して高い精度を示した。
• 二重偏光QAMフォーマットを用いて、6000 kmの長距離標準単モードファイバー回線をシミュレーションし、送信パワーとチャネル間隔を変化させた条件でMIを算出。
• 非線形インプリメントの低減を評価するため、単一チャネルモードでデジタル・バックプロパゲーション（DBP）を適用。
• スペクトル効率（SE）は、理想的なFECオーバーヘッドを想定し、誤り率が任意に低い状態を前提として、ネットスループットとして計算。
• MIとSEを相対指標として用い、変調フォーマット、チャネル間隔、受信技術の比較が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガウスノイズを仮定せず、経験的ヒストグラムのみを用いて、光ファイバー通信システムにおける相互情報量を高精度に推定できるか？
• RQ2 6000 kmの標準ファイバー回線において、MIとシステム複雑度の観点から、16-QAMと64-QAMのうち最適な変調フォーマットは何か？
• RQ3 デジタル・バックプロパゲーションは、長距離光伝送における実現可能な相互情報量とスペクトル効率にどのように影響を与えるか？
• RQ4 WDMチャネル間隔をネイキストレートに近づけることで、相互情報量とスペクトル効率にどのような影響が生じるか？
• RQ5 MIは、光通信システムにおけるFEC後のBERと符号化オーバーヘッドを予測する信頼性のある指標として、どの程度有効に機能するか？

主な発見

• ヒストグラムベースのMI推定法は、高い精度を達成し、位相ノイズを有するAWGNチャネル上での16-QAMにおいて、解析的MI値と非常に近い結果を示した。
• 6000 kmの標準ファイバー回線において、50 GHzのチャネル間隔で16-QAMが3.1ビット/シンボルのMIを達成し、チャネル記憶特性を無視した場合、最小で29%のFECオーバーヘッドを要した。
• デジタル・バックプロパゲーションにより、16-QAMではMIが0.25ビット/シンボル、64-QAMでは0.28ビット/シンボル向上し、それぞれFECオーバーヘッドが19%および16%に削減された。
• 30 GHzのチャネル間隔では、デュアルポーラリティスペクトル効率が5.7ビット/秒/Hzに達し、50 GHz間隔と比較して顕著な向上を示した。
• 27.5 GHzのチャネル間隔に短縮すると、スペクトル重なりと干渉の増加によりMIが低下し、特に非線形領域で顕著であった。
• MI指標は、受信技術（例：DBP）による性能向上を効果的に定量化でき、実現可能なレートを比較可能な指標としてシステム部品の評価に有効に機能した。