[논문 리뷰] A Joint Technique for Nonlinearity Compensation in CO-OFDM Superchannel Systems

O. S. Sunish Kumar, Abdelkerim Amari외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 27.

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한 줄 요약

이 논문은 CO-OFDM 슈퍼채널 시스템에서의 광섬유 비선형성을 완화하기 위해 단일채널 디지털 역전파 및 위상공명 쌍파장(Phase-Conjugated Twin-Wave, PCTW) 기반의 공동 처리 기법(SC-DBP-PCTW)을 제안한다. SC-DBP를 통한 내채널 보정과 PCTW를 통한 외채널 및 내채널 비선형성 제거를 조합함으로써, 16단계/스팬을 가지는 다중채널 DBP(MC-DBP) 수준의 성능를 달성하면서도 계산 복잡도를 크게 낮춘다. 이는 PCTW 대비 28%의 전송 거리 향상과 선형 분산 보정(LDC) 대비 두 배 이상의 거리 향상을 제공한다.

ABSTRACT

We propose a technique combining the singlechannel digital-back-propagation (SC-DBP) with phaseconjugated-twin-wave (PCTW) to compensate nonlinearities in CO-OFDM superchannel systems. This exhibits a similar performance as multi-channel DBP while providing increased transmission reach compared to SC-DBP, PCTW, and linear dispersion compensation (LDC).

연구 동기 및 목표

• CO-OFDM 슈퍼채널 시스템에서 광섬유 비선형성을 완화하는 데 있어 단일채널 디지털 역전파(SC-DBP) 및 위상공명 쌍파장(PCTW) 기법의 성능 한계를 해결하기 위함.
• 동적 광망에서 다중채널 DBP(MC-DBP)의 높은 계산 복잡도와 현실성 부족 문제를 해결하기 위함.
• SC-DBP와 PCTW의 장점을 융합한 저복잡도, 고성능 대체 기법을 개발하여 비선형성 보정 성능을 향상시키기 위함.
• 기존 기법들인 LDC, SC-DBP, PCTW, MC-DBP와의 비교를 통해 공동 기법의 전송 거리, Q-factor 향상 및 계산 복잡도를 평가하기 위함.

제안 방법

• 공동 SC-DBP-PCTW 기법은 1단계/스팬을 적용한 단일채널 디지털 역전파(SC-DBP)를 통해 결정론적 내채널 비선형 왜곡을 보정한다.
• SC-DBP 이후, 두 수직 편광 상태의 위상공명 쌍파장(PCTW) 기법을 통해 인코herent 초월 복합을 이용하여 1차 외채널 및 내채널 비선형 왜곡을 제거한다.
• 수신단에서 두 단계 처리 체인을 통해 SC-DBP(내채널 보정)와 PCTW(외채널 및 내채널 보정)의 상호보완적 강점을 활용한다.
• 모의 환경은 401.33 Gbps, 16-QAM CO-OFDM 슈퍼채널로 구성되며, 4개의 37.5 GHz 간격 채널, 3300개의 데이터 서브채널, 3%의 순환프리픽스를 포함하고, 25×80 km SSMF 스펜을 거친다. EDFA 증폭기가 사용된다.
• 수신기 처리 과정은 편광 다변화 수신, 캐리어 위상 복구, 채널 균형화, SC-DBP, 그리고 기호 디맵핑 이전에 PCTW의 인코herent 초월 복합을 포함한다.
• 계산 복잡도는 서브채널당 실수 곱셈 횟수와 CPU 실행 시간을 기준으로 평가되며, LDC, SC-DBP, PCTW, 16단계/스팬을 가지는 MC-DBP와의 비교를 통해 분석된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 401.33 Gbps CO-OFDM 슈퍼채널 시스템에서 공동 SC-DBP-PCTW 기법이 16단계/스팬을 가지는 MC-DBP 수준의 성능를 달성할 수 있는가?
• RQ2 공동 기법이 개별 SC-DBP, PCTW, 선형 분산 보정(LDC) 기법 대비 전송 거리에 있어 뚜렷한 향상을 이룰 수 있는가?
• RQ3 MC-DBP 및 개별 구성 요소 대비 SC-DBP-PCTW 기법의 계산 복잡도는 어떠한가?
• RQ4 PCTW 기반 기법의 스펙트럼 효율은 다른 기법들과 비교해 어떻게 되며, 이에 따른 성능 손실은 무엇인가?
• RQ5 동적 광망에 실용적으로 구현하기에 유리한 성능-복잡도 트레이드오프를 공동 기법이 달성할 수 있는가?

주요 결과

• SC-DBP-PCTW 기법은 2000 km 전송 거리에서 선형 분산 보정(LDC) 대비 3 dB의 Q-factor 향상을 달성한다.
• 동일한 거리에서 SC-DBP 대비 2.3 dB, PCTW 대비 0.5 dB의 Q-factor 향상을 보이며, 비선형성 보정 성능이 뛰어나다는 것을 입증한다.
• SC-DBP-PCTW 기법의 최대 전송 거리는 20% 오버헤드 소프트디시전 FEC 한계에서 5600 km에 도달한다. 이는 PCTW 대비 28% 높으며, LDC(2380 km)의 두 배 이상을 기록한다.
• SC-DBP-PCTW 기법은 16단계/스팬을 가지는 MC-DBP와 유사한 성능를 보이며, 내채널 및 외채널 비선형성 모두 효과적으로 보정하고 있음을 시사한다.
• SC-DBP-PCTW의 계산 복잡도는 MC-DBP보다 약 10배 낮으며, 개별 SC-DBP와 PCTW의 복잡도 합계보다도 낮아 효율성이 뛰어나다는 것을 확인한다.
• PCTW로 인한 스펙트럼 효율 손실가 있음에도 불구하고, 공동 기법은 뚜렷한 전송 거리 및 성능 향상을 제공하여 고용량 장거리 광전송에 매우 유망한 후보로 평가된다.