[论文解读] Kurtosis-limited Sphere Shaping for Nonlinear Interference Noise Reduction in Optical Channels

Yunus Can Gültekin, Alex Alvarado+5 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2021

Optical Network Technologies参考文献 58被引用 41

一句话总结

本文提出了一种改进的枚举球形成形算法——峰度受限球形成形（K-ESS），通过限制概率成形输入的峰度，减轻光纤信道中的非线性串扰（NLI）。通过约束输入分布的四阶矩（峰度），K-ESS在单跨距、400 Gbit/s系统中实现了0.4 dB的有效SNR增益，并将帧错误率降低为原来的一半。

ABSTRACT

Nonlinear interference (NLI) generated during the propagation of an optical waveform through the fiber depends on the fourth order standardized moment of the channel input distribution, also known as kurtosis. Probabilistically-shaped inputs optimized for the linear Gaussian channel have a Gaussian-like distribution with high kurtosis. For optical channels, this leads to an increase in NLI power and consequently, a decrease in effective signal-to-noise ratio (SNR). In this work, we propose kurtosis-limited enumerative sphere shaping (K-ESS) as an algorithm to generate low-kurtosis shaped inputs. Numerical simulations at a shaping blocklength of 108 amplitudes demonstrate that with K-ESS, it is possible to increase the effective SNRs by 0.4 dB in a single-span single-channel scenario at 400 Gbit/s. K-ESS offers also a twofold decrease in frame error rate with respect to Gaussian-channel-optimal sphere shaping.

研究动机与目标

• 为解决高斯峰度的概率成形输入在光通信系统中引起的性能代价问题。
• 减轻光纤信道中的非线性串扰（NLI），其强度随输入峰度增加而上升。
• 开发一种显式限制峰度的构造性成形算法，同时保持高光谱效率。
• 证明峰度受限成形在非线性光纤系统中优于高斯信道优化的成形方法。
• 通过改进的枚举球形成形算法，实现峰度约束成形的实际应用。

提出的方法

• K-ESS通过在输入分布上引入峰度约束（K•），对标准枚举球形成形（ESS）算法进行修改。
• 该算法从成形集合中排除高蜂度序列，优先选择在限定能量壳内峰度较低的序列。
• 成形集合由能量（E•）和峰度（K•）的联合约束定义，能量阈值E•_k相应提高，以补偿有效序列数量的减少。
• 该方法采用基于查找表的枚举方式，高效地将输入比特映射为同时满足能量和峰度约束的成形信号序列。
• 在单跨距、单通道场景中，算法在块长为108个幅度时进行数值评估。
• 该方法具有可扩展性，可进一步引入对更高阶矩的约束，以支持未来在非线性容忍度方面的改进。

实验结果

研究问题

• RQ1 峰度受限成形是否能比传统的高斯信道优化成形更有效地降低光纤信道中的非线性串扰（NLI）？
• RQ2 在有效SNR和帧错误率方面，峰度受限球形成形（K-ESS）与标准球形成形相比表现如何？
• RQ3 块长对K-ESS性能增益的影响如何，特别是在短距离和单跨距传输系统中？
• RQ4 峰度限制在高速光通信系统中对频谱效率和非线性容忍度的提升程度如何？
• RQ5 K-ESS是否可推广以包含对更高阶矩（如六阶矩）的约束，从而进一步增强非线性噪声抑制能力？

主要发现

• 在单跨距、400 Gbit/s光传输系统中，K-ESS相比传统球形成形实现了0.4 dB的有效SNR增益。
• 与高斯信道优化的球形成形相比，K-ESS将帧错误率降低了两倍。
• K-ESS的性能增益在较长块长和具有显著信道记忆的系统中最为显著。
• K-ESS中的峰度约束有效降低了输入分布的四阶矩，从而直接缓解了NLI功率。
• 在极短块长（如N < 18）时，K-ESS的增益减弱，因为标准ESS的峰度已接近最优值。
• K-ESS可进一步扩展以包含对更高阶矩（如六阶矩）的约束，从而在未来系统中进一步提升非线性容忍度。