[论文解读] Nonlinearity-tolerant 8D modulation formats by set-partitioning PDM-QPSK

Djalal Falih Bendimerad, Hartmut Hafermann+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2017

Optical Network Technologies参考文献 2被引用 3

一句话总结

本论文通过在8维空间对PDM-QPSK进行集合分割，提出了两种新型非线性容忍的8D调制格式——PB-5B8D（每4D符号2.5比特）和PA-7B8D（每4D符号3.5比特）。通过优先选择具有偏振平衡（PB）和偏振交替（PA）特性的符号，并采用非线性比特到符号的映射方式，这两种格式在保持与标准PDM-BPSK和PDM-QPSK兼容的前提下，实现了更高的传输距离-容量积，分别获得1.6%和15%的增益，且仅需对现有PDM-QPSK硬件进行最小程度的修改。

ABSTRACT

We present two new nonlinearity tolerant modulation formats at spectral efficiencies lower than 4bits/4D-symbol, obtained using a simplified bit-to-symbol mapping approach to set-partition PDM-QPSK in 8 dimensions.

研究动机与目标

• 设计具有2.5至3.5比特/4D符号之间频谱效率的非线性容忍8D调制格式，以优化传输距离-容量权衡。
• 通过从PB、PA和PI集合中选择符号，对8维空间中的PDM-QPSK进行集合分割，以最大化非线性容忍度。
• 通过采用简化的非线性比特到符号映射及开销比特，保持与现有PDM-QPSK硬件的兼容性。
• 证明避免使用偏振相同（PI）符号可降低XPolM引起的损伤，提升非线性鲁棒性。
• 提供一个统一框架，推广先前的8D格式，并支持灵活的频谱效率扩展。

提出的方法

• 通过将两个连续的PDM-QPSK符号（共8维）划分为三个互不相交的集合来构建8D调制格式：偏振平衡（PB，64个符号）、偏振交替（PA，128个符号）和偏振相同（PI，64个符号）。
• 优先选择PB符号而非PA和PI符号，以减轻交叉偏振调制（XPolM）影响并增强非线性容忍能力。
• 在设计过程中，通过施加约束条件（a）和（b），最大化最小欧几里得距离并保持星座图对称性。
• 通过5个信息比特和3个开销比特定义PB-5B8D，其中开销比特通过异或（XOR）和非（NOT）运算计算得出：$ b_6 = b_3 igoplus (b_4 igoplus b_5) $，$ b_7 = ar{b}_2 igoplus (b_4 igoplus b_5) $，$ b_8 = ar{b}_1 igoplus (b_4 igoplus b_5) $。
• 通过一个复杂的非线性公式（涉及多个比特组合的XOR和与（AND）运算）定义PA-7B8D，使用7个信息比特和1个开销比特。
• 仅在发射端的比特映射逻辑中进行微小修改，即可使用标准PDM-QPSK发射机和接收机实现该格式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在8维空间对PDM-QPSK进行集合分割，能否生成频谱效率介于2.5至3.5比特/4D符号之间的非线性容忍调制格式？
• RQ2 优先选择PB和PA符号而非PI符号，是否能降低XPolM引起的损伤并提升非线性容忍度？
• RQ3 与标准PDM-BPSK和PDM-QPSK相比，使用这些新格式可将距离-容量积提升多少？
• RQ4 所提出的格式能否仅通过最小硬件改动，利用现有PDM-QPSK组件实现？
• RQ5 非线性比特映射方案在光纤非线性和噪声存在下的性能表现如何？

主要发现

• PB-5B8D在频谱效率提高25%的情况下，相比PDM-BPSK实现了1.6%的传输距离增益，尽管线性域中Q²因子低0.4dB。
• PA-7B8D在频谱效率降低12.5%的情况下，相比PDM-QPSK实现了15%的传输距离增益，且在60跨段后Q²因子提升0.9dB。
• PA-7B8D中涉及10个逻辑运算的非线性比特映射，相比PDM-QPSK表现出更好的非线性容忍能力，这归因于避免了PI符号的使用。
• PB-5B8D在非线性域中优于PDM-BPSK，这是由于XPolM效应降低，且该性能增益随发射功率增加而提升。
• 这些格式与标准PDM-QPSK硬件保持兼容，仅需在发射端增加开销比特计算模块。
• 数值仿真结果证实，所提格式在频谱效率、非线性容忍度和实现复杂度之间实现了有利权衡，是海底传输系统中的有力候选方案。