[论文解读] Mitigating Nonlinear Interference by Limiting Energy Variations in Sphere Shaping

Yunus Can Gültekin, Alex Alvarado+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2022

Photonic and Optical Devices被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新型整形算法——带状-网格枚举球形整形（B-ESS），通过将序列生成限制在枚举球形整形网格的带状区域，从而限制光通信信号中的能量波动。通过降低能量方差和峰度，B-ESS在单跨度光纤系统中相比传统球形整形实现了高达9%的更高数据速率和0.74 dB的SNR增益，展现出更优的非线性干扰容忍能力。

ABSTRACT

Band-trellis enumerative sphere shaping is proposed to decrease the energy variations in channel input sequences. Against sphere shaping, 0.74 dB SNR gain and up to 9% increase in data rates are demonstrated for single-span systems.

研究动机与目标

• 为解决由信号能量波动引起的时变符号间干扰所导致的非线性干扰（NLI）影响，该研究旨在缓解光学纤维通信中的非线性干扰问题。
• 通过限制输入序列的能量波动进行整形，以减轻能量波动加剧非线性损伤的已知影响。
• 开发一种新型整形算法，选择性地生成能量方差较低的序列，同时保持高光谱效率。
• 通过端到端仿真验证所提出的整形策略在非线性光纤信道中的性能提升。
• 量化B-ESS相较于传统球形整形和均匀信号映射在SNR增益与可实现数据速率方面的性能增益。

提出的方法

• B-ESS是枚举球形整形（ESS）的一种推广，其将网格限制在代表小能量波动序列的带状区域。
• 该算法使用一种由参数N（序列长度）、ℛ（字母表）、E_max（最大能量）以及两个附加参数h_i和w_i定义的改进型网格结构，用于确定带状区域的大小和位置。
• 通过带状网格，将二进制字符串字典序映射为幅度序列，确保仅选择能量波动较小的序列。
• 带状网格的构建方式确保仅包含能量方差最小且峰度降低的序列，这些特性已知可减轻非线性损伤。
• 该方法保留了ESS的枚举映射特性，但将允许的序列集合限制为时间域内能量波动受约束的序列。
• 端到端仿真采用分割步长傅里叶方法，结合真实光纤参数、双Pol 64-QAM调制和LDPC编码，以评估性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过限制整形信号序列中的能量波动，是否能有效降低光学纤维链路中的非线性干扰？
• RQ2 与完整球形整形相比，球形整形中采用带状受限网格结构是否能实现更低的能量方差和峰度？
• RQ3 在单跨度光纤系统中，B-ESS相较于传统ESS和均匀信号映射，在SNR和可实现数据速率方面提升程度如何？
• RQ4 在具有不同信道间隔的多波长复用（WDM）场景中，B-ESS的性能表现如何？
• RQ5 B-ESS能否有效缓解非信道内和信道间非线性干扰？

主要发现

• 在单跨度光纤系统中，B-ESS相比均匀信号映射实现了0.74 dB的SNR增益，证实其具备更强的非线性容忍能力。
• 与传统ESS相比，B-ESS将能量方差降低了0.67 dB，这有助于减少非线性干扰。
• 在205 km光纤上的单信道传输中，B-ESS相比ESS将帧误码率（FER）降低了13倍。
• 当FER匹配时，B-ESS实现的数据速率比ESS提高8%（370.4 Gbps vs. 400 Gbps），相当于光谱效率提升8%。
• 在5信道WDM系统中，B-ESS在55 GHz信道间隔下实现7%的数据速率增益，在75 GHz信道间隔下实现9%的增益，表明在较大信道间隔下具有强大的信道间非线性干扰抑制能力。
• B-ESS在更高发射功率下达到最大可实现SNR（比ESS高1 dB），进一步证实其优越的非线性容忍特性。