[논문 리뷰] List-encoding CCDM: A Nonlinearity-tolerant Shaper Aided by Energy Dispersion Index

Kaiquan Wu, Gabriele Liga외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 13.

Optical Network Technologies참고 문헌 35인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 에너지 분산 지수(EDI)가 낮은 진폭 시퀀스를 선택함으로써 비선형 간섭(NLI)을 감소시키는 비선형성에 강건한 새로운 셰이퍼인 리스트 인코딩 상작분포 매칭(L-CCDM)을 제안한다. 확률적 진폭 셰이핑(PAS)에 EDI 기반 선택 모듈을 통합함으로써, 256QAM에서 표준 CCDM 대비 0.35 dB의 효과적 SNR 향상과 8%의 전송 거리 연장 성과를 달성한다.

ABSTRACT

Recently, a metric called energy dispersion index (EDI) was proposed to indicate the nonlinear interference (NLI) induced by correlated symbols during optical transmission. In this paper, we propose a new shaper architecture to decrease the EDI of transmitted symbols and thus, increase the signal-to-noise ratio (SNR). We call this shaper the list-encoding constant-composition distribution matcher (L-CCDM). L-CCDM consists of an additional EDI selecting module, which is compatible with standard probabilistic amplitude shaping (PAS) architecture. Numerical results obtained from a multi-span multi-channel system show that when compared to standard CCDM with 256-ary quadrature amplitude modulation (256QAM), the proposed architecture offers an effective SNR gain of 0.35 dB, an achievable information rate gain of 0.22 bit/4D-symbol, or equivalently an 8% reach extension.

연구 동기 및 목표

• 확률적 진폭 셰이핑(PAS) 시스템에서 섬유 비선형성으로 인한 성능 저하 문제를 해결하기 위해.
• 시간적 신호 구조를 활용하여 광섬유 전송에서 비선형 간섭(NLI)을 감소시키기 위해.
• 기존 PAS 프레임워크를 수정하지 않고도 구현이 가능하고 실용적인 셰이퍼 아키텍처를 개발하기 위해.
• EDI가 비선형성에 강건한 심볼 시퀀스를 식별하는 데 신뢰할 수 있는 지표가 될 수 있음을 입증하기 위해.
• EDI 지침에 따라 셰이핑을 수행함으로써 고차원 QAM 시스템에서 상당한 SNR 및 전송 거리 향상을 달성하기 위해.

제안 방법

• 낮은 EDI를 가진 진폭 시퀀스를 후보 목록에서 선택하기 위해 EDI 선택 모듈을 통합한 개선된 CCDM 아키텍처인 L-CCDM을 제안한다.
• 정보 시퀀스당 다수의 후보 코드워드를 생성할 수 있도록 리스트 인코딩 메커니즘을 도입하여 EDI 기반 선택을 가능하게 한다.
• 창(windowed) 에너지 변동을 정량화하고 NLI 영향을 예측하기 위해 에너지 분산 지수(EDI)를 지표로 사용한다.
• 기존 FEC 및 변조 방식과의 호환성을 유지하면서 표준 PAS 아키텍처에 EDI 선택기 모듈을 통합한다.
• 리스트 인코딩에서 사용된 비트를 뒤집는 것에 기인한 비율 손실 모델을 적용하여 셰이핑 비율을 유지한다.
• 이동 윈도우 방식을 활용해 심볼 시퀀스 전체에 걸쳐 EDI를 계산하며, 최종 EDI 지표로는 분산 대 평균 비율을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상관관계가 있는 비 i.i.d. 심볼 시퀀스에서 EDI가 NLI를 신뢰할 수 있는 예측 지표로 기능할 수 있는가?
• RQ2 낮은 EDI를 가진 진폭 시퀀스를 선택하는 것이 광섬유 시스템에서 측정 가능한 NLI 감소 및 SNR 향상 효과를 가져오는가?
• RQ3 EDI 기반 선택은 복잡성 또는 호환성에 손상을 주지 않고 표준 PAS 아키텍처에 통합될 수 있는가?
• RQ4 리스트 인코딩 기반 셰이핑에서 NLI 감소 성과와 비율 손실 사이의 상호 교환 관계는 어떠한가?
• RQ5 L-CCDM의 성능은 블록 길이와 송신 전력에 따라 어떻게 스케일링되는가?

주요 결과

• 1600 km 전송 거리에서 256QAM에서 L-CCDM는 표준 CCDM 대비 0.35 dB의 효과적 SNR 향상을 달성한다.
• 전송 심볼의 EDI는 CCDM의 −0.66 dB에서 L-CCDM(v=4)의 −4.03 dB로 감소하여 비선형 간섭이 크게 감소함을 나타낸다.
• L-CCDM는 최대 0.22 bit/4D심볼의 가능 정보율(AIR) 향상을 기록하며, 블록 길이 n=1350에서 최적 성능을 보인다.
• 균일한 256QAM 및 표준 CCDM 대비 8%의 전송 거리 연장 성과를 달성하여, 9.6 bit/4D심볼 비율에서 전송 거리를 480 km에서 540 km로 연장한다.
• 다양한 블록 길이에서 성능 향상이 안정적으로 유지되며, 장거리 블록 길이 영역에서 SNR 향상도 약간 증가한다.
• 리스트 인코딩으로 인한 비율 손실은 미미하여 대부분의 SNR 향상이 직접적으로 AIR 향상으로 이어진다.