[論文レビュー] Real-time 10,000 km Straight-line Transmission using a Software-defined GPU-Based Receiver

Sjoerd van der Heide, Ruben S. Lúıs+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2021

Optical Network Technologies参考文献 18被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、商用GPUベースのデジタル信号処理（DSP）チェーンとKramers-Kronigコherent受信機を用いて、10,000 kmのリアルタイム、ソフトウェア定義の1 GBaud最小位相QAM信号伝送を実証した。システムは4-QAMについて10,000 kmまでフォワードエラー補正（FEC）制限性能を達成し、高レートQAMフォーマットでは距離が短くなる傾向を示した。GPUアクセラレートDSPが第三者的なハードウェアを必要とせず、長距離で柔軟なマルチ変調方式を実現可能であることを検証した。

ABSTRACT

Real-time 10,000 km transmission over a straight-line link is achieved using a software-defined multi-modulation format receiver implemented on a commercial off-the-shelf general-purpose graphics processing unit (GPU). Minimum phase 1 GBaud 4-ary quadrature amplitude modulation (QAM) signals are transmitted over 10,000 km and successfully received after detection with a Kramers-Kronig (KK) coherent receiver. 8-, 16-, 32-, and 64-QAM are successfully transmitted over 7600, 5600, 3600, and 1600 km, respectively.

研究の動機と目的

• 商用GPUを用いたソフトウェア定義のGPUベースDSP受信機を用いて、10,000 kmの直線的ファイバー路を越えたリアルタイム長距離光伝送を実証すること。
• Kramers-Kronig（KK）コherent受信機を用いて、拡張距離における最小位相（MP）N-QAM信号の性能を評価すること。
• 最大伝送距離とネットスループットを最大化するためのシステムパラメータ（キャリア対信号電力比（CSPR）および相対送信パワー）を最適化すること。
• 長距離伝送におけるMP信号の非線形挙動、特に最適送信パワーの距離依存性を調査すること。
• 高容量RAMを用いたデータバッファリングにより、長時間にわたり安定したリアルタイム受信動作を継続可能であることを検証すること。

提案手法

• GPUの巨大な並列処理能力を活用し、周波数ドメイン処理を実現する商用の市販GPUをリアルタイムDSPに採用した。
• KK信号再構成、周波数ドメイン等化による色収差補償、および適応的時間ドメイン等化を含む、ソフトウェア定義で柔軟なマルチ変調フォーマット受信チェーンを実装した。
• KKアルゴリズムにおける周波数ドメインヒルベルト変換を効率的に行うために、1024点の100%オーバーラップセーブFFTを採用した。
• 色収差と残存線形劣化を補償するため、503タップの周波数ドメイン等化器と4タップの時間ドメイン等化器を適用した。
• 8laneのPCIe Gen3インターフェースを介した直接メモリアクセス（DMA）により、ホストCPUからGPUへの12ビットADCサンプルをリアルタイムでストリーム送信した。
• さまざまな距離および変調フォーマットでの実験的キャリブレーションを通じて、CSPRおよび相対送信パワーなどの信号パrameterを最適化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ソフトウェア定義のGPUベースDSPチェーンは、10,000 kmの距離で1 GBaud最小位相QAM信号のリアルタイムFEC制限伝送を達成できるか？
• RQ2 MP N-QAM信号の最適送信パワーは伝送距離に応じてどのように変化するか？その背後にある要因は何か？
• RQ3 MP QAM信号における非線形信号歪みとノイズのトレードオフは、CSPRおよび送信パワーにどのように依存するか？
• RQ4 長距離KK受信機システムにおいて、8-, 16-, 32-, 64-QAMといった高レートQAMフォーマットの性能は伝送距離に伴いどのようにスケーリングするか？
• RQ5 21秒にわたる継続的なリアルタイム動作で、複数の変調フォーマットにおいて安定したQファクターを達成できるか？

主な発見

• 4-QAM信号は10,000 kmでFEC制限性能（6.7%オーバーヘッドのハードデシジョンFEC）を達成し、それ以上の距離でも測定可能な性能劣化は認められなかった。
• 8-QAMは20%オーバーヘッドのハードデシジョンFECを用いて7,600 kmまでFEC制限伝送を達成した。16-QAM、32-QAM、64-QAMはそれぞれ5,600 km、3,600 km、1,600 kmまで到達した。
• 4-QAMの最適相対送信パワーは5,600 kmから10,000 kmの間で約2 dB低下し、距離依存性の強い非線形ペナルティが顕著に現れた。
• CSPRが高いほどノイズに敏感になり、最適性能を得るためにはより高い送信パワーが必要であり、最適CSPRは伝送距離に応じて変化した。
• 21秒にわたる継続的なリアルタイムトレースにおいて、7,600 kmでの4-, 8-, 16-QAMで安定したQファクターが得られ、受信機の強固で持続可能な動作を確認した。
• 非線形相互作用がMP QAM信号においてノイズよりも距離に強く依存して増大することを実証し、伝送距離が長くなるにつれて最適送信パワーが減少することを示した。