Апстрактан
Комуникационе мреже са оптичким влакнима играју важну улогу у глобалној телекомуникационој мрежи. Међутим, нелинеарни ефекти у оптичком влакну и шуму примопредајника у великој мери ограничавају перформансе оптичких комуникационих система. У овом раду, производ међусобне информације (МИ) и комуникационог пропусног опсега је коришћен као метрика достижне брзине информација (АИР). Губитак МИ изазваног примопредајником је такође разматран у овом раду, а за израчунавање АИР се користи МИ по биту, генерализоване међусобне информације (ГМИ). Овај губитак је значајнији у коришћењу модулационих формата вишег реда. АИР анализа се спроводи у КПСК, 16КАМ, 64КАМ и 256КАМ модулационим форматима за комуникационе системе са различитим комуникационим пропусним опсегом и даљинама преноса на основу модела побољшаног Гаусовог шума (ЕГН). У раду су дати предлози за избор оптималног формата модулације у различитим сценаријима преноса.
Графички сажетак
1. Представљање
Преко 95% дигиталног саобраћаја података се преноси преко мрежа оптичких влакана [1]. Брзина преноса информација комуникационих система оптичких влакана ограничава брзину комуникације глобалних телекомуникационих мрежа. Са развојем оптичке комуникационе технологије, већи пропусни опсег комуникације и већа брзина симбола се реализују за пренос више битова у року од једне секунде. Међутим, јављају се и озбиљни нелинеарни ефекти који доводе до мањег броја валидних битова који се преносе у секунди. У међувремену, појачани фазни шум (ЕЕПН) додатно смањује квалитет сигнала [2]. Другим речима, ефективна брзина комуникације је ограничена нелинеарним ефектима и шумом преноса. Овај феномен је очигледнији када се примењују модулациони формати вишег реда. Генерално, виши формат модулације значи већу стопу грешке симбола (СЕР) [3, 4]. Међутим, коришћење формата модулације високог реда може пренети више битова по сваком симболу. Стога, није довољно користити радио сигнал-шум (СНР) за процену перформанси комуникационог система. Да би се разумно измерила способност комуникације, брзина преноса коју систем може ефикасно да подржи треба да се користи као метрика. Генерализоване међусобне информације (ГМИ) се могу користити за мерење ефективне брзине преноса система. За мултиплексиране системе са поделом таласних дужина (ВДМ), више канала се може користити за пренос сигнала у исто време како би се постигле веће брзине преноса података. Иако ће већи пропусни опсег додатно смањити СНР због међуканалних интеракција, казна перформанси је много мања од повећања брзине информација које произилази из употребе више канала [5]. Стога, овај рад користи број битова који се ефективно преносе у једној секунди као метрику достижне брзине информација (АИР). Модел побољшаног Гаусовог шума (ЕГН) се примењује за анализу перформанси система оптичких влакана у различитим условима. Коначно, оптимални формат модулације се добија свеобухватним анализама различитих сценарија преноса. Спроведене су дискусије дају правац оптимизације за будуће комуникационе системе са оптичким влакнима високог капацитета.
Овај рад процењује различите комуникационе сценарије у смислу ефективних брзина преноса који се могу ефикасно пренети. Таква метрика обезбеђује поштено поређење система, а резултати имају фундаменталне импликације и пружају проницљиве предлоге за накнадно истраживање. Закључци у овом раду засновани су на системима без примене техника исправљања грешака унапред (ФЕЦ) [6, 7]. Различити типови ФЕЦ кодова имају различите могућности исправљања грешака, а истраживање АИР-а у овом случају треба само да изврши даљи корак на основу наших резултата. Штавише, утицај увођења кодова за исправљање грешака на брзину преноса је линеаран, тако да су закључци у овом раду проницљиви и применљиви за системе са ФЕЦ.
Овај рад је уређен на следећи начин. ГМИ и МИ су представљени у одељку. 2. Одељак 3 говори о ЕГН моделу. Резултати и дискусија могу се наћи у одељку. 4 и неки предлози за будућност представљени су у одељку. 5.
2 Генерализоване међусобне информације
Међусобне информације (МИ) су мера количине информација коју деле две случајне варијабле. Квантификује степен до којег познавање једне променљиве смањује неизвесност у вези са другом променљивом. За комуникационе сигнале, што је већи МИ између предајника и пријемника, то је бољи квалитет комуникације. То значи да се више информација правилно преноси. Шенонова граница се користи за мерење капацитета канала, тако што се израчунава МИ између сигнала пре уласка у канал и сигнала при напуштању канала. Међутим, пријемник ће и даље узроковати губитак у МИ. Због тога се сигнали који се користе у прорачуну проширују у секвенце битова, као што је приказано на слици 1, а брзина информација се израчунава на основу ГМИ.
Фиг. 1
Шема МИ и ГМИ
Слика у пуној величини
Претпоставимо да је модулирани битни сигнал у временуlје {ц1,л,ц2,л,...,цм,л}{ц1,л,ц2,л,...,цм,л}клклки∈Кс,цард(Кс)=Мки∈ Кс,цард(Кс)=Мииииии∈Иии∈И{Л1,л,Л2,л,...,Лм,л}{Л1,л,Л2,л,...,Лм,л}
МИ=И(Кс:И)=1М∑и=1М∫ЦНфИ|Кс(и|ки)лог2фИ|Кс(и|ки)1М∑Мј{{5} }фИ|Кс(и|кј)ди,МИ=И(Кс:И)=1М∑и=1М∫ЦНфИ|Кс(и|ки)лог2фИ| Кс(и|ки)1М∑ј=1МфИ|Кс(и|кј)ди,
(1)
ГМИ{{0}}∑к=1мЕБк,И[лог2фИ|Бк(И|Бк)12∑б∈{0,1}фИ|Бк(И|б) ]=1М∑к=1м∑б∈{0,1}∑и∈Ибм∫ЦНфИ|Кс(и|ки)лог2∑ј∈ИбкфИ|Кс(и| кј)12∑Мп=1фИ|Кс(и|кп)ди,ГМИ=∑к=1мЕБк,И[лог2фИ|Бк(И|Бк)12∑б ∈{0,1}фИ|Бк(И|б)]=1М∑к=1м∑б∈{0,1}∑и∈Имб∫ЦНфИ|Кс( и|ки)лог2∑ј∈ИкбфИ|Кс(и|кј)12∑п=1МфИ|Кс(и|кп)ди,
(2)
где је Ибм⊂{1,2,...,М}Имб⊂{1,2,...,М}цард(Ибм)=М/2цард(Имб)=М/2фИ |Кс(и|к)фИ|Кс(и|к)ЦНЦНБкБкЕЕ
Слика 2
ГМИ и МИ за ДП-КПСК, ДП-16КАМ, ДП-64КАМ и ДП-256КАМ,ДП: двострука поларизација
Слика у пуној величини
3 Модел побољшаног Гаусовог шума
Због постојања нелинеарних ефеката, ширење сигнала у влакну је веома компликовано. Немогуће је дати експлицитне изразе за прелазе сигнала. Међутим, нелинеарни ефекти канала нису јако јаки близу оптималне снаге, где је понашање простирања сигнала блиско линеарном ширењу сигнала. Ово је основна претпоставка Гаусовог модела буке заснованог на пертурбацији. Поггиолини и др. предложио ЕГН модел за брзу процену СНР комуникационих система оптичких влакана [10, 11]. У овом раду, ЕГН модел се користи за брзо израчунавање СНР канала, а затим се додаје ЕГН заснована евалуација одговарајуће нелинеарне сметње за процену ГМИ система. ЕГН модел у Ц-опсегу може се приближно изразити као [12, 13]
СНР=Пσ2+σ2с-с+σ2с-н,СНР=Пσ2+σс-с2+σс-н2,
(3)
σ2=σ2ТРк+σ2АСЕ,σ2=σТРк2+σАСЕ2,
(4)
σ2с-с=Нϵ+1сηП3,σс-с2=Нсϵ+1ηП3,
(5)
σ2с-н≈3(Нϵ+1с2+Нϵ+2сϵ+2)ησ2АСЕП2+3Нϵ+1сηκП3,σс-н2≈3 (Нсϵ+12+Нсϵ+2ϵ+2)ησАСЕ2П2+3Нсϵ+1ηκП3,
(6)
гдеP, σ2АСЕσАСЕ2σ2ТРкσТРк2НсНс
ϵ=310лог⎡⎣1+6ЛсЛеффсинх−1(π2| 2|Р2сН2цхЛефф)⎤⎦,ϵ=310лог[1+6ЛсЛеффсинх−1(π2| 2| Рс2Нцх2Лефф)],
(7)
η≈827 2Леффπ| 2|Р2ссинх−1(π22| 2|ЛеффН2цхР2с)−8081κ 2Л2еффπ| 2|ЛсР2с[Φ(Нцх+12)+Ц+1],η≈827 2Леффπ| 2|Рс2синх−1(π22| 2|ЛеффНцх2Рс2)−8081κ 2Лефф2π| 2|ЛсРс2[Φ(Нцх+12)+Ц+1],
(8)
где је Лефф{{0}}(1−е− Лс)/ Лефф=(1−е− Лс)/ 2 2НцхНцхРсРсЦ≈0.557Ц≈0,557 ЛсЛсΦ (к)Φ(к)κκ]. Тачност ЕГН модела у Ц-опсегу су већ потврдили и други научници у нашим претходним радовима [14,15,16,17].
4 Резултати и дискусија
За оптички комуникациони систем са размаком Најквиста, према Најквистовој теореми узорковања, број симбола који се преносе у секунди може се мерити преко пропусног опсега система. Вредност ГМИ представља ефективни број битова у симболу. Множењем пропусног опсега са ГМИ добија се ефективни број битова у секунди, који се преносе преко сваког поларизационог мода. Овај рад проучава комуникациони сценарио 80 км по распону од 32 ГБауд оптичког комуникационог система са различитим модулационим форматима, даљинама преноса и пропусним опсегом. Резултати АИР у односу на раздаљину преноса и пропусни опсег приказани су на слици 3.
Слика 3
АИР у односу на даљину преноса и пропусни опсег комуникације. Брзина симбола је 32 ГБауд и сваки распон влакана је 80 км
Слика у пуној величини
Деградација МИ на пријемнику је посебно озбиљна за формате модулације вишег реда, као што је приказано на слици 2. Када је СНР низак, ГМИ формата модулације високог реда нагло опада, а може бити чак нижи од формат нижег реда на ниском СНР региону. Штавише, на формате модулације вишег реда у већој мери утиче шум, што доводи до озбиљније деградације ГМИ. Показано је да модулациони формати вишег реда показују своје предности у случају краћих раздаљина преноса или мањих комуникационих пропусних опсега. За системе са великим даљинама преноса и великим пропусним опсегом, неки модулациони формати нижег реда могу бити робуснији и прикладнији. Слика 4 приказује оптимални формат модулације за различите ситуације преноса.
Слика 4
Оптимални формати модулације под различитим даљинама преноса и пропусним опсегом комуникације. Брзина симбола је 32 ГБауд и сваки распон влакана је 80 км
Слика у пуној величини
За земаљске комуникационе системе, уобичајена дужина распона влакана је 80 км, а даљина преноса је мања од 10000 км. Када је брзина симбола 32 ГБауд и раздаљина преноса прелази 2000 км, формат модулације 16КАМ увек може да добије највећи АИР. Када се раздаљина преноса смањи на између 240 и 2000 км, модулациона шема 64КАМ постаје најпогоднији формат. 256КАМ сигнал може надмашити остала три модулациона формата само када је раздаљина преноса мања од 240 км.
Да бисмо проучавали системе веће брзине преноса, фиксирали смо раздаљину преноса на 8000 км. Слика 5 приказује ГМИ са различитим брзинама симбола и различитим комуникационим пропусним опсегом на удаљености преноса од 8000 км и распону влакана од 80 км.
Слика 5
АИР по предајнику у односу на брзину симбола и пропусни опсег комуникације. Удаљеност преноса је 8000 км, а сваки распон влакана је 80 км
Слика у пуној величини
Свака крива на слици 5 је скоро једнака правој линији, а то значи да је ГМИ у слабој корелацији са брзином симбола. Међутим, повећање брзине комуникације може да уштеди број канала за ВДМ пренос и тиме уштеди трошкове повезаних скупова компоненти. Стога, предајници веће брзине имају ефикаснији АИР по предајнику. У међувремену, ГМИ се понаша скоро независно од брзине симбола, тако да 16КАМ и даље може да постигне најбоље перформансе на 8000 км као што је приказано на слици 4.
Проучава се и подморски комуникациони систем дужине распона од 50 км. У поређењу са системом са распоном од 80 км, скраћивање распона на 50 км може значајно побољшати системски СНР [14], тако да би модулациони формати вишег реда могли имати користи од тога. Резултат је приказан на слици 6.
Слика 6
АИР у односу на удаљености преноса и пропусни опсег комуникације. Брзина симбола је 32 ГБауд и сваки распон влакана је 50 км
Слика у пуној величини
Пресек између кривих различитих боја у истој групи помера се ка већој комуникацијској удаљености када се користи модулација вишег реда. Ово доказује да формат модулације вишег реда добија више побољшања од формата нижег реда са повећањем системског СНР-а. С обзиром да се тренутни сценарио преноса односи на подморски систем, фокусирамо се на сценарио где комуникациона удаљеност прелази 8000 км. Када је дужина распона 50 км, може се открити да КПСК модулациони формат може скоро да достигне максимални ГМИ (2 бит/сим/поларизација). Ово је такође разлог зашто се КПСК формат широко користи у тренутним подморским комуникацијама. Међутим, 16КАМ модулациони формат такође добија велико побољшање, а употреба 16КАМ формата унутар 12000 км може значајно побољшати систем АИР, посебно за већи пропусни опсег.
Укратко, брзина симбола има мали утицај на системски ГМИ, али примена веће брзине симбола може ефикасно смањити број потребних примопредајника и компоненти везе. За земаљске комуникационе системе на великим удаљеностима (2000–10000 км) са 80 км по распону, формат 16КАМ може добити највећи АИР. За подморске комуникационе системе са сваким распоном влакана од 50 км [18], 16КАМ показује значајније побољшање перформанси у поређењу са КПСК форматом. У систему земаљске комуникације или подморском комуникационом систему, може се видети да пропусни опсег комуникације има маргиналне ефекте на СНР, као што је приказано на слици 5. Стога је компромис између предајника велике брзине и броја канала важан приликом пројектовања нових оптичких система. Ради погодности коришћења наводимо резултате (оптимални избор формата модулације) за пропусни опсег већи од 2,4 ТХз као у следећим табелама 1 и 2.
Табела 1. Оптимални формат модулације за пропусни опсег од преко 2,4 ТХз и удаљеност од 80 км
Табела пуне величине
Табела 2. Оптимални формат модулације за пропусни опсег од преко 2,4 ТХз и удаљеност од 50 км
Табела пуне величине
5 предлога за будућност
МИ формата модулације високог реда је увек већи од формата нижег реда. Међутим, ГМИ формата модулације вишег реда може бити нижи од формата нижег реда због губитка информација узрокованих примопредајником. Стога, употреба напреднијих примопредајника може бити ефикасно решење. У ствари, СНР разлика између сваког модулационог формата је веома мала, посебно када је редослед модулације већи од 4 (једнак или већи од 16КАМ) [19]. Различите методе које могу смањити губитак информација на страни пријемника или померити пресек између чврстих линија различитих боја (формати модулације) улево (ниски СНР регион) на слици 2 биће интересантан истраживачки правац за оптичку комуникацију следеће генерације система. С друге стране, други врући истраживачки правац користи различите приступе, попут обликовања сазвежђа и таласног облика [20], да побољша ГМИ система оптичких влакана, померајући тако испрекидану линију на слици 2 ближе Шеноновој граници ( сива линија). Комуникациони системи са оптичким влакнима, упркос томе што је пред њима још дуг пут, на крају ће постати камен темељац будућих телекомуникационих мрежа.
Доступност података и материјала
Подаци који подржавају налазе ове студије доступни су од одговарајућег аутора, на разуман захтев.
