[论文解读] Nonlinear Frequency-Division Multiplexing.

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

Optical Network Technologies参考文献 33被引用 5

一句话总结

本文提出非线性频分复用（NFDM）用于多用户光纖通信，利用非线性傅里叶变换（NFT）在广义频率与时间域中正交化信号。通过在非线性傅里叶域中直接复用用户信号而无需WDM，NFDM在相同带宽与功率条件下实现每复数自由度10.5比特的速率，优于WDM的5.26比特，高输入功率下频谱效率提升2.23倍。

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.

研究动机与目标

• 通过用非线性复用方法替代传统WDM，克服多用户光纖通信中的频谱效率限制。
• 利用逆非线性傅里叶变换，在广义频率与时间域中实现非线性薛定谔方程模式的确定性正交性。
• 证明NFDM在高功率、多用户场景下可实现高于WDM的频谱效率。
• 通过正向NFT的双重方法，避免在逆NFT中求解积分方程。
• 在相同系统参数（带宽、输入功率）下，量化NFDM相对于WDM的频谱效率增益。

提出的方法

• 采用正向NFT的双重方法实现逆非线性傅里叶变换（NFT），避免求解积分方程。
• 用户信号直接在非线性傅里叶域中复用，绕过传统的波分复用（WDM）。
• 在广义频率与广义时间域中对非线性薛定谔方程实现正交化，确保所有自由度的确定性独立性。
• 每位用户发送符号序列，系统在60 GHz总带宽与平均输入功率−0.33 dBm下运行。
• 利用非线性薛定谔方程固有的非线性模式结构，实现信号的独立传输。
• 通过比较NFDM与WDM在相同条件下的总数据速率与每复数自由度的比值，计算频谱效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 非线性频分复用（NFDM）能否在多用户光纖通信系统中实现高于WDM的频谱效率？
• RQ2 当用户在非线性傅里叶域中直接复用而无需WDM时，NFDM在频谱效率方面表现如何？
• RQ3 在高输入功率与固定带宽下，NFDM每复数自由度的可实现数据速率是多少？
• RQ4 所提出的逆NFT双重方法是否可消除实际实现中求解积分方程的需求？
• RQ5 在考虑信号带宽与时间持续时间的情况下，NFDM与WDM的频谱效率比值是多少？

主要发现

• 在15用户系统中，60 GHz带宽与−0.33 dBm平均输入功率下，NFDM实现每复数自由度10.5比特的数据速率。
• 在相同带宽与功率的15用户WDM系统中，数据速率为每复数自由度5.26比特。
• 在考虑信号带宽与时间持续时间的情况下，NFDM的频谱效率是WDM的2.23倍。
• 所提出的NFDM方法成功在广义频率与时间域中正交化所有自由度，且无需求解积分方程。
• 在非线性傅里叶域中对用户信号进行非线性复用，可在高输入功率下显著提升相对于WDM的频谱效率。
• 结果表明，即使在实际系统约束下，NFDM在高功率水平下仍可实现优于WDM的频谱效率。