[論文レビュー] Nonlinear Frequency-Division Multiplexing.

Mansoor I. Yousefi, Xianhe Yangzhang|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2016

Optical Network Technologies参考文献 33被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、非線形フーリエ変換（NFT）を用いて一般化された周波数および時間領域で信号を直交化することにより、多ユーザー光ファイバー通信における非線形周波数分割多重（NFDM）を提案する。WDMを経由せずに非線形フーリエ領域でユーザーを多重化することで、同じ帯域幅および出力パワー下でNFDMは1つの複素自由度あたり10.5ビットを達成し、WDMの5.26ビットを上回り、高入力パワー下で2.23倍のスペクトル効率の向上を実現する。

ABSTRACT

Two signal multiplexing strategies for multi-user optical fiber communication are considered: Wavelength-division multiplexing (WDM) and nonlinear frequency-division multiplexing (NFDM), based on the nonlinear Fourier transform (NFT). The inverse NFT is implemented using an approach that is dual of the forward NFT and does not require solving integral equations. In contrast to prior work where NFDM is applied to single-user channels or combined with WDM, in this paper users' signals are multiplexed in the nonlinear Fourier domain. Furthermore, each user now sends a sequence of symbols. NFDM orthogonalizes the nonlinear Schr\odinger equation in a generalized frequency and a generalized time. Thus all degrees-of-freedom are (deterministically) independent. A data rate of 10.5 bits per complex degree-of-freedom is achieved in a 15-user NFDM with $60$ GHz overall bandwidth at average input power $\mathcal P=-0.33$ dBm. Data rate in a comparable 15-user WDM with the same bandwidth and power is 5.26 bits per complex degree-of-freedom. The ratio of the spectral efficiency of NFDM and WDM is 2.23, taking into account bandwidth and time duration of signals at channel input and output. Thus, as a result of nonlinear multiplexing of users' signals, an NFDM spectral efficiency higher than the corresponding WDM spectral efficiency is demonstrated at high input power.

研究の動機と目的

• 従来のWDMに代わる非線形多重手法を用いることで、多ユーザー光ファイバー通信におけるスペクトル効率の限界を克服すること。
• 逆非線形フーリエ変換を用いて、一般化された周波数および時間領域における非線形シュレーディンガー方程式のモードの決定的直交性を実現すること。
• 高パワー、多ユーザー環境下でNFDMがWDMを上回るスペクトル効率を達成できることを実証すること。
• 逆NFTの積分方程式の解法を回避するため、前方NFTの二重アプローチを用いること。
• 同一のシステムパrameter（帯域幅、入力パワー）下でのNFDMとWDMのスペクトル効率の向上を定量すること。

提案手法

• 前方NFTの二重アプローチを用いて逆非線形フーリエ変換（NFT）を実装し、積分方程式の解法を回避する。
• ユーザーの信号を従来の波長分割多重（WDM）を経由せずに、非線形フーリエ領域そのものに直接多重化する。
• 非線形シュレーディンガー方程式が一般化された周波数および一般化された時間領域で直交化され、すべての自由度が決定的に独立していることを保証する。
• 各ユーザーはシンボルのシーケンスを送信し、システムは全体で60 GHzの帯域幅および平均入力パワー−0.33 dBmで動作する。
• 非線形シュレーディンガー方程式の固有の非線形モード構造を活用して、信号の独立伝送を可能にする。
• スペクトル効率は、同一条件下でのNFDMおよびWDMにおける1つの複素自由度あたりの合計データレートを比較することで算出される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形周波数分割多重（NFDM）は、多ユーザー光ファイバー通信系でWDMを上回るスペクトル効率を達成できるか？
• RQ2 WDMを経由せずに非線形フーリエ領域でユーザーを直接多重化した場合、NFDMのスペクトル効率はどのように振る舞うか？
• RQ3 固定帯域幅下で高入力パワーが与えられた場合、NFDMにおける1つの複素自由度あたりの実現可能なデータレートは何か？
• RQ4 逆NFTの二重アプローチは、実装上、積分方程式の解法を回避できるか？
• RQ5 信号帯域幅および時間長を考慮した場合、NFDMとWDMの間のスペクトル効率比は何か？

主な発見

• 15ユーザーのシステムで60 GHz帯域幅および平均入力パワー−0.33 dBmの条件下で、NFDMは1つの複素自由度あたり10.5ビットのデータレートを達成した。
• 同様の帯域幅およびパワー下での15ユーザーのWDMシステムでは、1つの複素自由度あたり5.26ビットのデータレートであった。
• 信号帯域幅および時間長を考慮した場合、NFDMのスペクトル効率はWDMの2.23倍高い。
• 提案されたNFDM手法は、積分方程式の解法を要せず、一般化された周波数および時間領域ですべての自由度を正しく直交化した。
• 非線形フーリエ領域におけるユーザー信号の非線形多重化により、高入力パワー下でWDMに比べ顕著なスペクトル効率の向上が達成された。
• 結果は、特に高パワー領域において、実用的システム制約下でもNFDMがWDMをスペクトル効率面で上回ることを示している。