[논문 리뷰] Complexity Reduction of Volterra Nonlinear Equalization for Optical Short-Reach IM/DD Systems

Tom Wettlin, Talha Rahman외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 29.

Optical Network Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 적응 이전에 고차항 커널 항목을 선택적으로 제거하는 방식으로 단거리 광학 IM/DD 시스템 내 볼테라 비선형 등화기(VNLE)의 구조적 복잡도를 감소시키는 기법을 제안한다. 제한된 템플릿 규칙을 적용하여 삼차 커널 구성요소(예: 탭 간격 제한)를 정제함으로써 삼차 커널의 수를 50% 감소시키면서 성능 저하를 극히 미미하게 유지하며, 1 km SSMF 및 백투백 설정에서 90 GBd PAM6 실험 데이터를 바탕으로 복잡도와 시스템 성능 간의 유리한 트레이드오프를 입증한다.

ABSTRACT

We investigate approaches to reduce the computational complexity of Volterra nonlinear equalizers (VNLEs) for short-reach optical transmission systems using intensity modulation and direct detection (IM/DD). In this contribution we focus on a structural reduction of the number of kernels, i.e. we define rules to decide which terms need to be implemented and which can be neglected before the kernels are calculated. This static complexity reduction is to be distinguished from other approaches like pruning or L1 regularization, that are applied after the adaptation of the full Volterra equalizer e.g. by thresholding. We investigate the impact of the complexity reduction on 90 GBd PAM6 IM/DD experimental data acquired in a back-to-back setup as well as in case of transmission over 1 km SSMF. First, we show, that the third-order VNLE terms have a significant impact on the overall performance of the system and that a high number of coefficients is necessary for optimal performance. Afterwards, we show that restrictions, for example on the tap spacing among samples participating in the same kernel, can lead to an improved tradeoff between performance and complexity compared to a full third-order VNLE. We show an example, in which the number of third-order kernels is halved without any appreciable performance degradation.

연구 동기 및 목표

• 단거리 광학 IM/DD 시스템 내 볼테라 비선형 등화기(VNLE)의 계산 복잡도를 유의미한 성능 저하 없이 감소시키는 것.
• 적응 이전에 안전하게 무시할 수 있는 볼테라 커널 항목을 구조적 제약 조건에 기반해 식별하는 것.
• 1 km SSMF 및 백투백 구성에서 90 GBd PAM6 실험 데이터를 활용해 커널 감소의 영향을 시스템 성능에 대해 평가하는 것.
• 동적 방법(예: 정제 또는 L1 정규화)과는 구별되는 정적 복잡도 감소 프레임워크를 수립하는 것.

제안 방법

• 저자들은 계수 계산 이전에 어떤 볼테라 커널 항목을 생략할 수 있는지 결정하기 위한 구조적 규칙를 정의하며, 동일 커널 내 샘플 간 탭 간격 제약 조건에 집중한다.
• 삼차 VNLE를 분석하여, 탭 간의 공간적 및 시간적 분포에 기반해 부가적인 또는 영향력이 낮은 커널 항목을 식별한다.
• 이 방법은 적응 이전에 정적 정제 규칙를 적용하여 전체 커널 계산과 후속 임계값 처리가 필요 없도록 한다.
• 이 접근법은 90 GBd PAM6 시스템의 실험 데이터를 기반으로 평가되며, 커널 감소 이전과 이후의 성능을 비교한다.
• 탭 간격 제약 조건을 적용하여 삼차 커널에서 총 커널 수를 50% 감소시키는 예시를 제시한다.
• 비트 오류율(BER) 및 수신자 성능을 비교하여 백투백 및 1 km 전송 환경에서 전체 및 감소된 차수의 VNLE 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단거리 IM/DD 광학 링크에서 삼차 비선형 등화기의 볼테라 커널 항목 중 시스템 성능에 가장 크게 기여하는 것은 무엇인가?
• RQ2 정적이고 규칙 기반의 커널 선택 방법이 성능 저하 없이 계산 복잡도를 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 삼차 커널에 구조적 제약 조건을 적용할 때, 복잡도 감소와 성능 저하 간 최적의 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ4 커널 샘플 간 탭 간격을 제한함으로써 전체 시스템 성능 및 복잡도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실제 90 GBd PAM6 IM/DD 시스템에서 삼차 커널 수를 50% 감소시켜도 성능에 미미한 영향을 미칠 수 있는가?

주요 결과

• 삼차 볼테라 비선형 등화기 항목은 시스템 성능에 상당한 영향을 미치며, 최적 성능을 위해 많은 계수 수가 필요하다.
• 동일 커널 내 샘플 간 탭 간격 제약을 적용함으로써 전체 삼차 VNLE 대비 복잡도-성능 트레이드오프가 향상된다.
• 구조적 정제 규칙를 통해 삼차 커널 수의 50% 감소를 달성할 수 있으며, 성능 저하 없이도 실현 가능하다.
• 감소된 차수의 VNLE 성능은 백투백 및 1 km SSMF 전송 환경 모두에서 전체 VNLE와 유사하게 유지된다.
• 제안된 정적 복잡도 감소 방법은 비용 절감 및 구현의 단순성 측면에서 동적 방법(예: 임계값 처리 또는 L1 정규화)보다 뛰어나다.
• 이 방법은 성능 저하를 최소화하면서 고속 단거리 광학 링크에 적합한 실용적이고 효율적인 VNLE 설계를 가능하게 한다.