[논문 리뷰] Nonlinear Frequency-Division Multiplexing.

Mansoor I. Yousefi, Xianhe Yangzhang|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 14.

Optical Network Technologies참고 문헌 33인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 비선형 푸리에 변환(NFT)을 사용하여 일반화된 주파수 및 시간 도메인에서 신호를 직교화함으로써 다중 사용자 광섬유 통신을 위한 비선형 주파수 분할 multiplexing(NFDM)을 제안한다. WDM을 거치지 않고 비선형 푸리에 도메인에서 직접 사용자 간 멀티플렉싱을 수행함으로써, 동일한 대역폭과 전력 조건에서 WDM의 5.26비트 대비 NFDM는 10.5비트의 복소 자유도당 데이터 전송률을 달성하며, 고입력 전력 조건에서 스펙트럼 효율성 향상 비율이 2.23배에 이를 것으로 나타났다.

ABSTRACT

Two signal multiplexing strategies for multi-user optical fiber communication are considered: Wavelength-division multiplexing (WDM) and nonlinear frequency-division multiplexing (NFDM), based on the nonlinear Fourier transform (NFT). The inverse NFT is implemented using an approach that is dual of the forward NFT and does not require solving integral equations. In contrast to prior work where NFDM is applied to single-user channels or combined with WDM, in this paper users' signals are multiplexed in the nonlinear Fourier domain. Furthermore, each user now sends a sequence of symbols. NFDM orthogonalizes the nonlinear Schr\odinger equation in a generalized frequency and a generalized time. Thus all degrees-of-freedom are (deterministically) independent. A data rate of 10.5 bits per complex degree-of-freedom is achieved in a 15-user NFDM with $60$ GHz overall bandwidth at average input power $\mathcal P=-0.33$ dBm. Data rate in a comparable 15-user WDM with the same bandwidth and power is 5.26 bits per complex degree-of-freedom. The ratio of the spectral efficiency of NFDM and WDM is 2.23, taking into account bandwidth and time duration of signals at channel input and output. Thus, as a result of nonlinear multiplexing of users' signals, an NFDM spectral efficiency higher than the corresponding WDM spectral efficiency is demonstrated at high input power.

연구 동기 및 목표

• 기존 WDM 방식을 비선형 다중화 기반 기법으로 대체함으로써 다중 사용자 광섬유 통신의 스펙트럼 효율성 한계를 극복하고자 한다.
• 역 비선형 푸리에 변환을 활용하여 비선형 슈뢰딩거 방정식의 모드들이 일반화된 주파수 및 시간 도메인에서 결정론적으로 직교화되도록 보장하고자 한다.
• NFDM가 고출력, 다중 사용자 환경에서 WDM보다 더 높은 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있음을 입증하고자 한다.
• 역 NFT의 적분 방정식 해법이 필요 없도록 전방 NFT의 이중 접근법을 사용하여 실용적 구현에서의 계산 부담을 줄이고자 한다.
• 동일한 시스템 파rameter(대역폭, 입력 전력) 조건에서 NFDM과 WDM 간의 스펙트럼 효율성 향상 비율을 정량화하고자 한다.

제안 방법

• 전방 NFT의 이중 접근법을 활용하여 역 비선형 푸리에 변환(NFT)을 구현함으로써 적분 방정식의 해법이 필요 없도록 한다.
• 사용자 신호들이 기존의 파장 분할 다중화(WDM)를 거치지 않고 비선형 푸리에 도메인에서 직접 다중화된다.
• 비선형 슈뢰딩거 방정식이 일반화된 주파수 및 일반화된 시간 도메인에서 직교화되어 모든 자유도가 결정론적으로 독립됨을 보장한다.
• 각 사용자는 심볼 시퀀스를 전송하며, 전체 대역폭은 60 GHz, 평균 입력 전력은 −0.33 dBm로 설정된다.
• 비선형 슈뢰딩거 방정식이 내재한 비선형 모드 구조를 활용하여 신호의 독립적 전송이 가능하도록 한다.
• 스펙트럼 효율성은 동일 조건에서 NFDM과 WDM의 복소 자유도당 총 데이터 전송률을 비교하여 계산된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형 주파수 분할 다중화(NFDM)는 다중 사용자 광섬유 통신 시스템에서 WDM보다 더 높은 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 WDM 없이 비선형 푸리에 도메인에서 직접 사용자 간 다중화를 수행할 경우 NFDM의 스펙트럼 효율성은 어떻게 되는가?
• RQ3 고입력 전력 및 고정된 대역폭 조건에서 NFDM의 복소 자유도당 구현 가능한 데이터 전송률은 얼마인가?
• RQ4 역 NFT에 대한 이중 접근법이 실용적 구현에서 적분 방정식의 해법이 필요 없도록 하는가?
• RQ5 신호 대역폭과 시간 지속 시간을 고려할 때, NFDM과 WDM 간의 스펙트럼 효율성 비율은 얼마인가?

주요 결과

• 15명의 사용자 시스템에서 60 GHz 대역폭과 평균 입력 전력 −0.33 dBm 조건에서 NFDM은 복소 자유도당 10.5비트의 데이터 전송률을 달성한다.
• 유사한 조건의 15명 사용자 WDM 시스템에서 동일한 대역폭과 전력 조건에서 데이터 전송률은 복소 자유도당 5.26비트이다.
• 신호 대역폭과 시간 지속 시간을 고려할 때 NFDM의 스펙트럼 효율성은 WDM 대비 2.23배 높다.
• 제안된 NFDM 방법은 적분 방정식의 해법 없이도 일반화된 주파수 및 시간 도메인에서 모든 자유도를 성공적으로 직교화한다.
• 비선형 푸리에 도메인에서 사용자 신호의 비선형 다중화가 고입력 전력 조건에서 WDM 대비 뚜렷한 스펙트럼 효율성 향상을 이끌어낸다.
• 결과적으로 NFDM이 실용적 시스템 제약 조건 하에서도 특히 고출력 영역에서 WDM를 능가하는 스펙트럼 효율성을 확보할 수 있음을 입증한다.