[論文レビュー] Nonlinearity-tolerant 8D modulation formats by set-partitioning PDM-QPSK

Djalal Falih Bendimerad, Hartmut Hafermann+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2017

Optical Network Technologies参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、8次元におけるPDM-QPSKの集合分割を用いて、2つの新規非線形耐性8次元変調形式—PB-5B8D（4シンボルあたり2.5ビット）およびPA-7B8D（4シンボルあたり3.5ビット）—を提案する。偏波子バランス（PB）および偏波子交交互（PA）シンボルを優先し、非線形ビットからシンボルへのマッピングを採用することで、標準のPDM-BPSKおよびPDM-QPSKと比較して、伝送距離-容量積が向上し、それぞれ1.6%および15%の利得を達成した。既存のPDM-QPSKハードウェアを最小限の変更で再利用可能である。

ABSTRACT

We present two new nonlinearity tolerant modulation formats at spectral efficiencies lower than 4bits/4D-symbol, obtained using a simplified bit-to-symbol mapping approach to set-partition PDM-QPSK in 8 dimensions.

研究の動機と目的

• 2.5〜3.5ビット/4シンボルあたりのスペクトル効率を有する非線形耐性8次元変調形式を設計し、伝送距離-容量トレードオフを改善すること。
• PDM-QPSKを8次元で集合分割し、PB、PA、PI集合からシンボルを選択することで、非線形耐性を最大化すること。
• オーバーヘッドビットを用いた簡素化された非線形ビットからシンボルへのマッピングを採用することで、既存のPDM-QPSKハードウェアとの互換性を維持すること。
• 偏波子同一（PI）シンボルを避けることで、XPolMに起因する劣化を低減し、非線形耐性を向上させることの有効性を示すこと。
• 先行の8次元形式を一般化し、スペクトル効率の柔軟なスケーリングを可能にする統一的フレームワークを提供すること。

提案手法

• 2つの連続するPDM-QPSKシンボル（8次元）を、偏波子バランス（PB、64シンボル）、偏波子交交互（PA、128シンボル）、偏波子同一（PI、64シンボル）の3つの互いに素な集合にグループ化して8次元変調形式を構築する。
• XPolMの影響を軽減し、非線形耐性を向上させるために、PBシンボルをPAおよびPIシンボルよりも優先する。
• 設計プロセスにおいて制約（a）および（b）の下で、最小ユークリッド距離を最大化し、コンステラションの対称性を強制する。
• PB-5B8Dは、5つの情報ビットと3つのオーバーヘッドビットをXORおよびNOT演算で計算する：$ b_6 = b_3 igoplus (b_4 igoplus b_5) $, $ b_7 = ar{b}_2 igoplus (b_4 igoplus b_5) $, $ b_8 = ar{b}_1 igoplus (b_4 igoplus b_5) $。
• PA-7B8Dは、7つの情報ビットと1つのオーバーヘッドビットを、複数のビット組み合わせのXORおよびAND演算を含む複雑な非線形式で計算する。
• 送信側でのビットマッピング論理に僅かな変更を加えるだけで、標準のPDM-QPSK送受信機を用いて形式を実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PDM-QPSKを8次元で集合分割することで、2.5〜3.5ビット/4シンボルあたりのスペクトル効率を有する非線形耐性変調形式を達成できるか？
• RQ2 PIシンボルよりもPBおよびPAシンボルを優先することで、XPolMに起因する劣化が低減し、非線形耐性が向上するか？
• RQ3 これらの新規形式を用いることで、標準のPDM-BPSKおよびPDM-QPSKと比較して、伝送距離-容量積はどの程度向上するか？
• RQ4 既存のPDM-QPSK部品を用いて、最小限のハードウェア変更でこれらの形式を実装できるか？
• RQ5 非線形ビットマッピング方式は、ファイバ非線形性およびノイズの影響下で性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• PB-5B8Dは、線形領域において0.4dB低いQ²ファクターを示すものの、スペクトル効率を25%向上させたにもかかわらず、PDM-BPSKと比較して伝送距離で1.6%の利得を達成した。
• PA-7B8Dは、スペクトル効率を12.5%低下させたにもかかわらず、60スパン後にはQ²ファクターで0.9dBの利得を示し、PDM-QPSKと比較して伝送距離で15%の向上を達成した。
• PA-7B8Dにおける非線形ビットマッピング（10の論理演算を含む）により、PIシンボルの回避に起因し、PDM-QPSKに比べて非線形耐性が向上した。
• PB-5B8Dは、非線形領域においてXPolM効果が低減しているため、PDM-BPSKを上回る性能を示し、送信パワーが高くなるほど性能差が拡大する。
• これらの形式は、送信側でのオーバーヘッドビット計算の追加を除き、標準のPDM-QPSKハードウェアと互換性を保ったまま実装可能である。
• 数値シミュレーションにより、提案形式がスペクトル効率、非線形耐性、実装複雑性の間で良好なトレードオフを実現しており、海底伝送システムへの強力な候補であることが確認された。