[논문 리뷰] Nonlinearity-tolerant 8D modulation formats by set-partitioning PDM-QPSK

Djalal Falih Bendimerad, Hartmut Hafermann외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 14.

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한 줄 요약

이 논문은 8차원에서 PDM-QPSK를 집합 분할하여 비선형성에 강건한 두 가지 새로운 8D 변조 포맷—PB-5B8D (4기저기호당 2.5비트) 및 PA-7B8D (4기저기호당 3.5비트)—을 제안한다. 펄스 균형(PB) 및 펄스 교환(PA) 기호를 우선시하고 비선형 비트-기호 매핑을 사용함으로써, 표준 PDM-BPSK 및 PDM-QPSK보다 더 높은 전송 거리-용량 제품을 달성하며, 각각 1.6% 및 15%의 성능 향상을 얻었다. 이는 기존 PDM-QPSK 하드웨어를 최소한의 수정으로 재사용할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 2.5에서 3.5비트/4기저기호 사이의 스펙트럼 효율을 가지며 비선형성에 강건한 8D 변조 포맷을 설계하여 전송 거리-용량 트레이드오프를 향상시키는 것.
• PDM-QPSK를 8차원에서 집합 분할하여 PB, PA, PI 집합에서 기호를 선택함으로써 비선형성에 강건한 포맷을 최대화하는 것.
• 기존 PDM-QPSK 하드웨어와의 호환성을 유지하기 위해 오버헤드 비트를 포함한 단순화된 비선형 비트-기호 매핑을 사용하는 것.
• 편광 동일(PI) 기호를 회피함으로써 XPolM에 의한 손상이 감소하고 비선형성에 대한 내성을 향상시킬 수 있음을 입증하는 것.
• 이전의 8D 포맷을 일반화하고 스펙트럼 효율을 탄력적으로 조절할 수 있는 통합 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 두 개의 연속된 PDM-QPSK 기호(8차원)를 이용해 세 개의 상호배타적 집합—편광 균형(PB, 64기호), 펄스 교환(PA, 128기호), 펄스 동일(PI, 64기호)—으로 나누어 8D 변조 포맷을 구성한다.
• 교차 펄스 모드(XPolM)를 완화하고 비선형성에 대한 내성을 향상시키기 위해 PB 기호를 PA 및 PI 기호보다 우선시한다.
• 설계 과정에서 조건 (a) 및 (b)를 충족시키며 최소 유클리드 거리를 최대화하고, 별도의 대칭성을 확보한다.
• PB-5B8D는 5개의 정보 비트와 3개의 오버헤드 비트로 구성되며, XOR 및 NOT 연산을 통해 계산된다: $ 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-7B8D는 7개의 정보 비트와 1개의 오버헤드 비트로 구성되며, 다수의 비트 조합에 대한 XOR 및 AND 연산을 포함한 복잡한 비선형 공식을 통해 계산된다.
• 표준 PDM-QPSK 송수신기로 구현되며, 송신기의 비트 매핑 논리에만 소량의 수정이 가해진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 8차원에서 PDM-QPSK의 집합 분할이 2.5에서 3.5비트/4기저기호 사이의 비선형성에 강건한 변조 포맷을 도출할 수 있는가?
• RQ2 PI 기호보다 PB 및 PA 기호를 우선시함으로써 XPolM에 의한 손상이 감소하고 비선형성에 대한 내성이 향상되는가?
• RQ3 이러한 신규 포맷을 통해 표준 PDM-BPSK 및 PDM-QPSK 대비 전송 거리-용량 제품을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 기존 PDM-QPSK 구성 요소를 사용하여 최소한의 하드웨어 변경으로 이 포맷을 실현할 수 있는가?
• RQ5 비선형 비트 매핑 방식이 섬유 비선형성과 노이즈 환경에서 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• PB-5B8D는 선형 영역에서 Q² 계수는 0.4dB 낮지만, 스펙트럼 효율이 25% 높은 상태에서 PDM-BPSK 대비 1.6% 전송 거리 향상을 달성한다.
• PA-7B8D는 스펙트럼 효율이 12.5% 낮지만, 60스패니 이후 Q² 계수에서 0.9dB 향상되며 PDM-QPSK 대비 15% 전송 거리 향상을 기록한다.
• PA-7B8D의 비선형 비트 매핑(10개의 논리 연산 포함) 덕분에 PI 기호의 회피로 인해 PDM-QPSK보다 더 뛰어난 비선형성 내성 향상을 달성한다.
• PB-5B8D는 비선형 영역에서 XPolM 영향이 감소하여 PDM-BPSK를 초월하는 성능을 보이며, 송신 전력 증가에 따라 성능 향상이 더욱 두드러진다.
• 이 포맷들은 표준 PDM-QPSK 하드웨어와 호환되며, 송신기에서 오버헤드 비트 계산 기능을 추가하는 것만으로도 실현 가능하다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 제안된 포맷이 스펙트럼 효율, 비선형성 내성, 구현 복잡도 사이의 유리한 트레이드오프를 제공함을 확인하였으며, 해저 전송 시스템에 매우 유망한 후보로 평가된다.