[논문 리뷰] Mitigating Nonlinear Interference by Limiting Energy Variations in Sphere Shaping

Yunus Can Gültekin, Alex Alvarado외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 03.

Photonic and Optical Devices인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 표수 구조 트렐리스의 밴드 형태 영역으로서의 시퀀스 생성을 제한함으로써 광통신 신호의 에너지 변동을 제한하는 새로운 형태의 shaping 알고리즘인 밴드-트렐리스 표수 형태 shaping(B-ESS)을 제안한다. 에너지 분산과 첨도를 줄임으로써 B-ESS는 단일 스팬 광섬유 시스템에서 기존의 표수 형태 shaping보다 최대 9% 높은 데이터 전송률과 0.74 dB의 SNR 향상을 달성하며, 비선형 간섭에 대한 뛰어난 내성을 입증한다.

ABSTRACT

Band-trellis enumerative sphere shaping is proposed to decrease the energy variations in channel input sequences. Against sphere shaping, 0.74 dB SNR gain and up to 9% increase in data rates are demonstrated for single-span systems.

연구 동기 및 목표

• 신호 에너지 변동으로 인한 시간에 따라 변하는 부호 간 간섭이 발생하는 광섬유 통신에서 비선형 간섭(NLI)의 영향을 다루기 위해.
• 에너지 변동이 비선형 손상 악화를 유발한다는 점을 고려해, 에너지 변동이 제한된 입력 시퀀스를 형태화함으로써 NLI를 감소시키기 위해.
• 높은 스펙트럼 효율을 유지하면서도 에너지 변동이 낮은 시퀀스를 선택적으로 생성하는 새로운 형태 shaping 알고리즘을 개발하기 위해.
• 종단 간 시뮬레이션을 통해 제안된 형태 shaping 전략이 비선형 섬유 채널에서 성능 향상을 이끌 수 있음을 검증하기 위해.
• 기존의 표수 형태 shaping과 균일 신호 전송 방식에 비해 SNR 향상과 이론적 전송률 향상의 양적 평가를 위해.

제안 방법

• B-ESS는 트렐리스를 에너지 변동이 작은 시퀀스만 포함하는 밴드 형태 영역으로 제한함으로써 일반화된 표수 형태 shaping(ESS)의 변형이다.
• 알고리즘은 시퀀스 길이 N, 알파벳 ℛ, 최대 에너지 E_max, 그리고 밴드의 크기와 위치를 정의하는 데 사용되는 추가 매개변수 h_i와 w_i로 구성된 수정된 트렐리스 구조를 사용한다.
• 밴드-트렐리스를 이용해 이진 문자열에서 진폭 시퀀스로 사전순으로 매핑함으로써, 에너지 변동이 작은 시퀀스만 선택된다.
• 밴드-트렐리스는 최소한의 에너지 변동과 감소된 첨도를 갖는 시퀀스만 포함하도록 구성되며, 이는 비선형 손상을 완화하는 데 알려져 있다.
• 이 방법은 ESS의 수세기 매핑 성질을 유지하지만, 시간에 걸쳐 에너지 변동이 제한된 시퀀스 집합으로 허용 가능한 시퀀스를 제한한다.
• 종단 간 시뮬레이션은 실제 섬유 파rameter, 이중 편광 64-QAM, LDPC 코드를 사용한 스플릿-스텝 푸리에 방법을 적용하여 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 형태화된 신호 시퀀스의 에너지 변동을 제한함으로써 광섬유 링크에서 비선형 간섭을 줄일 수 있는가?
• RQ2 표수 형태 shaping에서 밴드 제한 트렐리스 구조가 전체 표수 형태 shaping보다 낮은 에너지 변동과 첨도를 유도하는가?
• RQ3 단일 스팬 섬유 시스템에서 기존의 ESS와 균일 신호 전송 방식에 비해 B-ESS가 SNR과 이론적 전송률을 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 다양한 채널 간격을 가진 다중 채널 WDM 환경에서 B-ESS는 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 B-ESS는 내채널 및 외채널 비선형 간섭을 효과적으로 완화할 수 있는가?

주요 결과

• 단일 스팬 섬유 시스템에서 B-ESS는 균일 신호 전송 방식보다 0.74 dB의 SNR 향상을 달성하여 비선형 내성 향상을 입증한다.
• 기존의 ESS에 비해 B-ESS는 에너지 변동을 0.67 dB 감소시켜 비선형 간섭 감소에 기여한다.
• 205 km 섬유를 통한 단일 채널 전송에서 B-ESS는 ESS 대비 프레임 오류율(FER)을 13배 감소시킨다.
• FER가 동일한 조건에서 B-ESS는 ESS 대비 8% 높은 데이터 전송률(370.4 Gbps 대비 400 Gbps)을 달성하며, 이는 8% 높은 스펙트럼 효율을 의미한다.
• 5채널 WDM 시스템에서 B-ESS는 55 GHz 간격에서는 7%의 데이터 전송률 향상, 75 GHz 간격에서는 9%의 향상을 보이며, 더 큰 채널 간격에서의 외채널 NLI 완화 능력을 입증한다.
• B-ESS는 최대 이론적 SNR가 ESS보다 1 dB 더 높은 전송 전력에서 도달되며, 이는 비선형 내성 향상의 확인이다.