[论文解读] Complexity Reduction of Volterra Nonlinear Equalization for Optical Short-Reach IM/DD Systems

Tom Wettlin, Talha Rahman+4 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2020

Optical Network Technologies被引用 5

一句话总结

该论文通过在自适应前选择性地消除高阶核项，提出了一种用于短距离光强度调制直接检测（IM/DD）系统中Volterra非线性均衡器（VNLEs）的结构复杂度降低技术。通过应用预定义规则修剪三阶核分量（如限制抽头间距），在90 GBd PAM6实验数据的1 km SSMF和背对背配置中，实现了三阶核减少50%且性能损失可忽略，展示了在复杂度与系统性能之间具有优势的权衡。

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.

研究动机与目标

• 在不显著降低性能的前提下，减少短距离光强度调制直接检测（IM/DD）系统中Volterra非线性均衡器（VNLEs）的计算复杂度。
• 基于结构约束，识别在自适应前可安全忽略的Volterra核项。
• 利用1 km SSMF和背对背配置下的实验90 GBd PAM6数据，评估核减少对系统性能的影响。
• 建立一种与动态方法（如剪枝或L1正则化）不同的静态复杂度降低框架。

提出的方法

• 作者定义了结构规则，以确定在系数计算前可省略的Volterra核项，重点考虑同一核内样本之间的抽头间距约束。
• 分析三阶VNLE，基于其在抽头上的空间与时间分布，识别冗余或影响较小的核项。
• 在自适应前应用静态剪枝规则，避免完整核计算及后续的阈值处理。
• 在90 GBd PAM6系统的实验数据上评估该方法，比较核减少前后的性能表现。
• 通过限制三阶核中的抽头间距规则，使核总数在某一示例情况下减少50%。
• 通过误比特率（BER）和星座图评估性能，比较背对背和1 km传输场景下全阶与降阶VNLE的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在短距离IM/DD光链路中，三阶非线性均衡器的Volterra核项中，哪些对系统性能影响最大？
• RQ2 能否通过静态的、基于规则的核选择方法，在不降低系统性能的前提下减少计算复杂度？
• RQ3 在对三阶核施加结构约束时，复杂度降低与性能损失之间的最优权衡是什么？
• RQ4 限制同一核内样本间的抽头间距如何影响整体系统性能与复杂度？
• RQ5 在实际90 GBd PAM6 IM/DD系统中，能否实现三阶核减少50%且性能影响可忽略？

主要发现

• 三阶Volterra非线性均衡器项对系统性能有显著影响，且需大量系数才能实现最优性能。
• 通过限制同一核内样本间的抽头间距，相比全阶三阶VNLE，可显著改善复杂度-性能权衡。
• 通过结构化剪枝规则，可实现三阶核数量减少50%且性能损失可忽略。
• 在背对背和1 km SSMF传输场景下，降阶VNLE的性能与全阶VNLE相当。
• 所提出的静态复杂度降低方法在计算节省和实现简便性方面优于动态方法（如阈值剪枝或L1正则化）。
• 该方法可实现高性能、高效率的VNLE设计，适用于高速短距离光链路，且性能损失极小。