[论文解读] List-encoding CCDM: A Nonlinearity-tolerant Shaper Aided by Energy Dispersion Index

Kaiquan Wu, Gabriele Liga+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2021

Optical Network Technologies参考文献 35被引用 21

一句话总结

本文提出了一种新型非线性容忍整形器——列表编码恒定组成分布匹配（L-CCDM），通过选择能量展宽指数（EDI）较低的幅度序列来降低光纤系统中的非线性干扰（NLI）。通过将基于EDI的选择模块集成到概率幅度整形（PAS）中，L-CCDM在256QAM系统中实现了0.35 dB的有效SNR增益和8%的传输距离扩展，优于标准CCDM。

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.

研究动机与目标

• 解决概率幅度整形（PAS）系统中由光纤非线性引起的性能代价问题。
• 通过利用信号的时域结构来降低光纤传输中的非线性干扰（NLI）。
• 开发一种实用且兼容的整形器架构，在不修改现有PAS框架的前提下提升NLI容忍度。
• 证明EDI是识别NLI容忍符号序列的可靠度量。
• 通过基于EDI的整形方法在高阶QAM系统中实现显著的SNR和传输距离增益。

提出的方法

• 提出L-CCDM，一种增强型CCDM架构，通过增加一个基于EDI的选择模块，从候选序列中选取低EDI幅度序列。
• 采用列表编码机制，为每个信息序列生成多个候选码字，从而实现基于EDI的选择。
• 采用能量展宽指数（EDI）作为度量，量化分段能量波动并预测NLI影响。
• 将EDI选择器集成到标准PAS架构中，保持与现有前向纠错（FEC）和调制方式的兼容性。
• 采用速率损失模型，考虑列表编码中用于翻转的比特，确保整形速率得以保持。
• 采用滑动窗口方法计算符号序列的EDI，以方差与均值之比作为最终的EDI度量。

实验结果

研究问题

• RQ1 EDI能否作为相关、非独立同分布符号序列中NLI的可靠预测指标？
• RQ2 选择低EDI幅度序列是否能在光纤系统中实现可测量的NLI降低和SNR提升？
• RQ3 基于EDI的选择能否在不增加复杂度或牺牲兼容性的情况下集成到标准PAS架构中？
• RQ4 基于列表编码的整形中，NLI降低增益与速率损失之间的权衡关系如何？
• RQ5 L-CCDM的性能如何随块长和发射功率变化而变化？

主要发现

• 在1600 km传输距离下，L-CCDM在256QAM系统中相比标准CCDM实现了0.35 dB的有效SNR增益。
• 传输符号的EDI从CCDM的−0.66 dB降低至L-CCDM（v=4）的−4.03 dB，表明NLI显著降低。
• L-CCDM实现了高达0.22 bit/4D符号的可实现信息速率（AIR）增益，最优性能出现在块长n=1350时。
• 系统相比均匀256QAM和标准CCDM实现了8%的传输距离扩展，将传输距离从480 km提升至540 km，速率保持在9.6 bit/4D符号。
• 性能增益在多种块长下均表现稳健，且在长块长范围内SNR增益略有提升。
• 由于列表编码带来的速率损失可忽略不计，因此大部分SNR增益可直接转化为AIR增益。