Haniaethol
Mae rhwydweithiau cyfathrebu ffibr optegol yn chwarae rhan bwysig yn y rhwydwaith telathrebu byd-eang. Fodd bynnag, mae effeithiau aflinol yn y ffibr optegol a sŵn transceiver yn cyfyngu'n fawr ar berfformiad systemau cyfathrebu ffibr. Yn y papur hwn, defnyddir cynnyrch gwybodaeth gydfuddiannol (MI) a lled band cyfathrebu fel metrig y gyfradd gwybodaeth gyraeddadwy (AIR). Mae'r golled MI a achosir gan y trosglwyddydd hefyd yn cael ei ystyried yn y gwaith hwn, a defnyddir y MI, gwybodaeth gydfuddiannol gyffredinol (GMI), i gyfrifo'r AIR. Mae'r golled hon yn fwy arwyddocaol yn y defnydd o fformatau modiwleiddio lefel uwch. Mae'r dadansoddiad AIR yn cael ei wneud yn y fformatau modiwleiddio QPSK, 16QAM, 64QAM a 256QAM ar gyfer y systemau cyfathrebu gyda lled band cyfathrebu gwahanol a phellteroedd trosglwyddo yn seiliedig ar y model sŵn Gaussian uwch (EGN). Mae'r papur yn rhoi awgrymiadau ar gyfer dewis y fformat modiwleiddio gorau posibl mewn gwahanol senarios trawsyrru.
Crynodeb Graffigol
1 Rhagymadrodd
Mae dros 95% o draffig data digidol yn cael ei gludo dros rwydweithiau ffibr optegol [1]. Mae cyfradd trosglwyddo gwybodaeth systemau cyfathrebu ffibr optegol yn cyfyngu ar gyfradd gyfathrebu'r rhwydweithiau telathrebu byd-eang. Gyda datblygiad technoleg cyfathrebu ffibr, gwireddir lled band cyfathrebu mwy a chyfradd symbolau uwch i drosglwyddo mwy o ddarnau o fewn un eiliad. Fodd bynnag, mae effeithiau aflinol difrifol hefyd yn digwydd ac yn arwain at lai o ddarnau dilys a drosglwyddir yr eiliad. Yn y cyfamser, mae'r sŵn cyfnod gwell i gydraddoli (EEPN) yn lleihau ansawdd y signal ymhellach [2]. Mewn geiriau eraill, mae'r gyfradd gyfathrebu effeithiol wedi'i chyfyngu gan effeithiau aflinol a sŵn trosglwyddo. Mae'r ffenomen hon yn fwy amlwg pan ddefnyddir fformatau modiwleiddio lefel uwch. Yn gyffredinol, mae fformat modiwleiddio uwch yn golygu cyfradd gwallau symbol uwch (SER) [3, 4]. Fodd bynnag, gall defnyddio fformat modiwleiddio lefel uchel drosglwyddo mwy o ddarnau fesul symbol. Felly, nid yw'n ddigonol defnyddio'r radio signal-i-sŵn (SNR) i werthuso perfformiad y system gyfathrebu. Er mwyn mesur y gallu cyfathrebu yn rhesymol, dylid defnyddio'r gyfradd didau trosglwyddo y gall y system ei chynnal yn effeithiol fel y metrig. Gellir defnyddio gwybodaeth gydfuddiannol gyffredinol (GMI) i fesur cyfradd didau trosglwyddo effeithiol y system. Ar gyfer systemau amlblecs rhaniad tonfedd (WDM), gellir defnyddio mwy o sianeli i drosglwyddo signalau ar yr un pryd i gyflawni cyfraddau data uwch. Er y bydd y lled band mwy yn lleihau'r SNR ymhellach oherwydd y rhyngweithiadau rhyng-sianel, mae'r gosb perfformiad yn llawer llai na'r cynnydd cyfradd gwybodaeth sy'n deillio o ddefnyddio mwy o sianeli [5]. Felly, mae'r papur hwn yn defnyddio nifer y darnau a drosglwyddir yn effeithiol mewn un eiliad fel y metrig o gyfradd gwybodaeth gyraeddadwy (AIR). Cymhwysir y model sŵn Gaussian gwell (EGN) i ddadansoddi perfformiad y system ffibr optegol o dan amodau gwahanol. Yn olaf, ceir y fformat modiwleiddio gorau posibl trwy ddadansoddiadau cynhwysfawr o wahanol senarios trosglwyddo. Cynhelir trafodaethau i ddarparu cyfeiriad optimeiddio ar gyfer systemau cyfathrebu ffibr optegol gallu uchel yn y dyfodol.
Mae'r papur hwn yn gwerthuso gwahanol senarios cyfathrebu o ran cyfraddau didau effeithiol y gellir eu trosglwyddo'n effeithlon. Mae metrig o'r fath yn darparu cymhariaeth deg o systemau, ac mae gan y canlyniadau oblygiadau sylfaenol ac yn darparu awgrymiadau craff ar gyfer ymchwil dilynol. Mae'r casgliadau yn y papur hwn yn seiliedig ar systemau heb gymhwyso technegau cywiro gwallau ymlaen (FEC) [6, 7]. Mae gan wahanol fathau o godau FEC wahanol alluoedd cywiro gwallau, a dim ond cam pellach y mae angen i ymchwil i AIR yn yr achos hwn ei wneud yn seiliedig ar ein canlyniadau. At hynny, mae effaith cyflwyno codau cywiro gwallau ar y gyfradd didau trosglwyddo yn llinol, felly mae'r casgliadau yn y papur hwn yn graff ac yn berthnasol ar gyfer systemau gyda FECs.
Trefnir y papur hwn fel a ganlyn. Cyflwynir y GMI a'r MI yn Sect. 2. Mae Adran 3 yn trafod y model EGN. Mae'r canlyniadau a'r drafodaeth i'w gweld yn Sect. 4 a rhai cynigion ar gyfer y dyfodol yn cael eu cyflwyno yn Sect. 5.
2 Gwybodaeth gyffredinol i'r ddwy ochr
Mae gwybodaeth gydfuddiannol (MI) yn fesur o faint o wybodaeth y mae dau hapnewidyn yn ei rannu. Mae'n meintioli i ba raddau y mae gwybodaeth am un newidyn yn lleihau ansicrwydd ynghylch y newidyn arall. Ar gyfer signalau cyfathrebu, po uchaf yw'r MI rhwng y trosglwyddydd a'r derbynnydd, y gorau yw'r ansawdd cyfathrebu. Mae hyn yn golygu bod mwy o wybodaeth yn cael ei throsglwyddo'n gywir. Defnyddir terfyn Shannon i fesur cynhwysedd y sianel, trwy gyfrifo'r MI rhwng y signalau cyn mynd i mewn i'r sianel a'r signalau wrth adael y sianel. Fodd bynnag, bydd y derbynnydd yn dal i achosi colled mewn MI. Felly, mae'r signalau a ddefnyddir yn y cyfrifiad yn cael eu hehangu i ddilyniannau didau, fel y dangosir yn Ffig. 1, a chyfrifir y gyfradd wybodaeth yn seiliedig ar GMI.
Ffig. 1
Sgematig o MI a GMI
Delwedd maint llawn
Tybiwch fod y signal did wedi'i fodiwleiddio ar amserlyw {c1,l,c2,l,...,cm,l}{c1,l,c2,l,...,cm,l}xlxlxi∈X,cerdyn(X)=Mxi∈ X,cerdyn(X)=Myiyiyi∈Yyi∈Y{L1,l,L2,l,...,Lm,l}{L1,l,L2,l,...,Lm,l}
MI=I(X:Y)=1M∑i=1M∫CNfY|X(y|xi)log2fY|X(y|xi)1M∑Mj{{5} }fY|X(y|xj)dy,MI=I(X:Y)=1M∑i=1M∫CNfY|X(y|xi)log2fY| X(y|xi)1M∑j=1MfY|X(y|xj)dy,
(1)
GMI{{0}}∑k=1mEBk,Y[log2fY|Bk(Y|Bk)12∑b∈{0,1}fY|Bk(Y|b) ]=1M∑k=1m∑b∈{{0,1}∑i∈Ibm∫CNfY|X(y|xi)log2∑j∈IbkfY|X(y| xj)12∑Mp=1fY|X(y|xp)dy,GMI=∑k=1mEBk,Y[log2fY|Bk(Y|Bk)12∑b ∈{0,1}fY|Bk(Y|b)]=1M∑k=1m∑b∈{0,1}∑i∈Imb∫CNfY|X( y|xi)log2∑j∈IkbfY|X(y|xj)12∑p=1MfY|X(y|xp)dy,
(2)
lle Ibm⊂{1,2,...,M}Imb⊂{1,2,...,M}cerdyn(Ibm)=M/2card(Imb)=M/2fY |X(y|x)fY|X(y|x)CNNCNBkBkEE
Ffig. 2
GMI a MI o DP-QPSK, DP-16QAM, DP-64QAM a DP-256QAM,DP: polareiddio deuol
Delwedd maint llawn
3 Model sŵn Gaussian gwell
Oherwydd bodolaeth effeithiau aflinol, mae lluosogi signal yn y ffibr yn gymhleth iawn. Mae'n amhosibl darparu mynegiadau penodol ar gyfer trawsnewid signal. Fodd bynnag, nid yw effeithiau aflinol y sianel yn gryf iawn ger y pŵer gorau posibl, lle mae ymddygiad lluosogi signal yn agos at ymlediad signal llinellol. Dyma dybiaeth sylfaenol y model sŵn Gaussian sy'n seiliedig ar aflonyddwch. Mae Poggiolini et al. Cynigiodd y model EGN ar gyfer amcangyfrif yn gyflym SNR systemau cyfathrebu ffibr optegol [10, 11]. Yn y papur hwn, defnyddir y model EGN i gyfrifo'r sianel SNR yn gyflym, ac yna ychwanegir gwerthusiad EGN o'r ymyrraeth aflinol cyfatebol i amcangyfrif y system GMI. Gellir mynegi'r model EGN yn y band C yn fras fel [12, 13]
SNR=Pσ2+σ2s-s+σ2s-n,SNR{7}}Pσ2+σs-s2+σs-n2,
(3)
σ2=σ2TRx+σ2ASE,σ2=σTRx{5}}σASE2,
(4)
σ2s-s=Nϵ+1sηP3,σs-s2=Nsϵ+1ηP3,
(5)
σ2s-n≈3(Nϵ+1s2+Nϵ{5}}sϵ+2)ησ2ASEP2+3Nϵ+1sηκP3,σs-n2≈3 (Nsϵ+12+Nsϵ+2ϵ+2)ησASE2P2+3Nsϵ+1ηκP3,
(6)
lleP, σ2ASEσASE2σ2TRxσTRx2NsNs
ϵ=310log⎡⎣1+6LsLeffsinh−1(π2| 2|R2sN2chLeff)⎤⎦,ϵ=310log[1+6LsLeffsinh−1(π2| 2| Rs2Nch2Leff)],
(7)
η≈827 2Leffπ| 2|R2ssinh−1(π22| 2|LeffN2chR2s)−8081κ 2L2effπ| 2|LsR2s[Φ(Nch+12)+C+1], η≈827 2Leffπ| 2|Rs2sinh−1(π22| 2|LeffNch2Rs2)−8081κ 2Leff2π| 2|LsRs2[Φ(Nch+12)+C+1],
(8)
lle Leff{0}(1−e− Ls)/ Leff=(1−e− Ls)/ 2 2NchNchRsRsC≈0.557C≈0.557 LsLsΦ (x)Φ(x)κκ]. Mae cywirdeb model EGN yn y band C eisoes wedi'i wirio gan ysgolheigion eraill hefyd yn ein gweithiau blaenorol [14,15,16,17].
4 Canlyniadau a thrafodaeth
Ar gyfer system gyfathrebu optegol â gofod Nyquist, yn ôl theorem samplu Nyquist, gellir mesur nifer y symbolau a drosglwyddir yr eiliad trwy led band y system. Mae gwerth GMI yn cynrychioli nifer effeithiol y didau mewn symbol. Mae lluosi'r lled band â'r GMI yn rhoi'r nifer effeithiol o ddarnau yr eiliad, a drosglwyddir dros bob modd polareiddio. Mae'r papur hwn yn astudio senario cyfathrebu system gyfathrebu ffibr 80 km y rhychwant 32 GBaud gyda gwahanol fformatau modiwleiddio, pellteroedd trosglwyddo a lled band. Dangosir canlyniadau AER yn erbyn pellteroedd trawsyrru a lled band yn Ffig. 3.
Ffig. 3
AER yn erbyn pellter trosglwyddo a lled band cyfathrebu. Cyfradd symbolau yw 32 GBaud ac mae pob rhychwant ffibr yn 80 km
Delwedd maint llawn
Mae'r diraddio MI yn y derbynnydd yn arbennig o ddifrifol ar gyfer fformatau modiwleiddio lefel uwch, fel y dangosir yn Ffig. 2. Pan fo'r SNR yn isel, mae GMI y fformat modiwleiddio gorchymyn uchel yn gostwng yn sydyn, a gall fod hyd yn oed yn is na hynny o y fformat gorchymyn isel yn rhanbarth SNR isel. Ar ben hynny, mae fformatau modiwleiddio lefel uwch yn cael eu heffeithio'n sylweddol gan y sŵn, gan arwain at ddiraddiad GMI mwy difrifol. Dangosir bod fformatau modiwleiddio lefel uwch yn dangos eu manteision yn achos pellteroedd trosglwyddo byrrach neu led band cyfathrebu llai. Ar gyfer systemau sydd â phellteroedd trosglwyddo hir a lled band mawr, gall rhai fformatau modiwleiddio lefel isel fod yn fwy cadarn a phriodol. Mae Ffigur 4 yn dangos y fformat modiwleiddio gorau posibl ar gyfer gwahanol sefyllfaoedd trawsyrru.
Ffig. 4
Y fformatau modiwleiddio gorau posibl o dan wahanol bellteroedd trosglwyddo a lled band cyfathrebu. Cyfradd symbolau yw 32 GBaud ac mae pob rhychwant ffibr yn 80 km
Delwedd maint llawn
Ar gyfer systemau cyfathrebu daearol, hyd y rhychwant ffibr cyffredin yw 80 km, ac mae'r pellter trosglwyddo yn llai na 10000 km. Pan fo'r gyfradd symbolau yn 32 GBaud a'r pellter trosglwyddo yn fwy na 2000 km, gall fformat modiwleiddio 16QAM bob amser gael yr AIR uchaf. Pan fydd y pellter trosglwyddo yn cael ei leihau i rhwng 240 a 2000 km, y cynllun modiwleiddio o 64QAM yw'r fformat mwyaf addas. Dim ond pan fydd y pellter trosglwyddo yn is na 240 km y gall y signal 256QAM ragori ar y tri fformat modiwleiddio arall.
I astudio systemau cyfradd symbol uwch, fe wnaethom osod y pellter trosglwyddo fel 8000 km. Mae Ffigur 5 yn dangos y GMI gyda chyfraddau symbol gwahanol a lled band cyfathrebu gwahanol ar bellter trawsyrru o 8000 km a rhychwant ffibr o 80 km.
Ffig. 5
AER fesul trosglwyddydd yn erbyn cyfradd symbolau a lled band cyfathrebu. Y pellter trosglwyddo yw 8000 km ac mae pob rhychwant ffibr yn 80 km
Delwedd maint llawn
Mae pob cromlin yn Ffig. 5 bron fel llinell syth, ac mae hyn yn golygu bod cydberthynas wan rhwng y GMI a'r gyfradd symbolau. Fodd bynnag, gall cynnydd yn y gyfradd gyfathrebu arbed nifer y sianeli ar gyfer trosglwyddo WDM ac felly arbed cost setiau cydran cysylltiedig. Felly, mae gan drosglwyddyddion cyflymder uwch AIR mwy effeithlon fesul trosglwyddydd. Yn y cyfamser, mae'r GMI yn ymddwyn bron yn annibynnol ar y gyfradd symbolau, ac felly gall 16QAM ddal i gael y perfformiad gorau ar 8000 km fel y dangosir yn Ffig. 4.
Astudir hefyd system gyfathrebu llong danfor gyda hyd rhychwant o 50 km. O'i gymharu â'r system sydd â rhychwant 80 km, gall byrhau'r rhychwant i 50 km wella'r system SNR yn sylweddol [14], felly gallai'r fformatau modiwleiddio lefel uwch elwa o hyn. Dangosir y canlyniad yn Ffig. 6.
Ffig. 6
AWYRAU yn erbyn pellteroedd trawsyrru a lled band cyfathrebu. Cyfradd symbolau yw 32 GBaud ac mae pob rhychwant ffibr yn 50 km
Delwedd maint llawn
Mae'r croestoriad rhwng cromliniau â lliwiau gwahanol yn yr un grŵp yn symud tuag at bellter cyfathrebu hirach pan ddefnyddir modiwleiddio lefel uwch. Mae hyn yn profi bod y fformat modiwleiddio lefel uwch yn sicrhau mwy o welliant na'r fformat gradd is gyda chynnydd SNR system. Gan fod y senario trawsyrru presennol yn cyfeirio at system llong danfor, rydym yn canolbwyntio ar y senario lle mae'r pellter cyfathrebu yn fwy na 8000 km. Pan fydd hyd y rhychwant yn 50 km, gellir canfod y gall fformat modiwleiddio QPSK bron gyrraedd yr uchafswm GMI (2 bit/sym/polarization). Dyma hefyd y rheswm pam y defnyddir fformat QPSK yn eang mewn cyfathrebiadau tanfor cyfredol. Fodd bynnag, mae fformat modiwleiddio 16QAM hefyd yn cael gwelliant mawr, a gall defnyddio'r fformat 16QAM o fewn 12000 km wella'r system AIR yn sylweddol, yn enwedig ar gyfer lled band mwy.
I grynhoi, ychydig o effaith y mae cyfradd symbolau yn ei chael ar GMI y system, ond gall cymhwyso cyfradd symbol uwch leihau nifer y trosglwyddyddion gofynnol a'r cydrannau cyswllt yn effeithiol. Ar gyfer systemau cyfathrebu daearol pellter hir (2000-10000 km) gyda 80 km y rhychwant, gall y fformat 16QAM gael yr AIR uchaf. Ar gyfer y systemau cyfathrebu llong danfor gyda phob rhychwant ffibr o 50 km [18], mae'r 16QAM yn dangos gwelliant perfformiad mwy arwyddocaol o'i gymharu â fformat QPSK. Mewn system gyfathrebu ddaearol neu system gyfathrebu llong danfor, gellir gweld bod y lled band cyfathrebu yn cael effeithiau ymylol ar y SNR, fel y dangosir yn Ffig. 5. Felly, mae cyfaddawd rhwng trosglwyddyddion cyflym a nifer y sianeli yn bwysig. wrth ddylunio systemau ffibr optig newydd. Er hwylustod defnydd, rydym yn rhestru'r canlyniadau (detholiad optimaidd o'r fformat modiwleiddio) ar gyfer lled band sy'n fwy na 2.4 THz fel yn y Tablau 1 a 2 canlynol.
Tabl 1 Fformat modiwleiddio gorau posibl ar gyfer lled band o dros 2.4 THz a phellter rhychwant o 80 km
Bwrdd maint llawn
Tabl 2 Fformat modiwleiddio gorau posibl ar gyfer lled band o dros 2.4 THz a phellter rhychwant o 50 km
Bwrdd maint llawn
5 Cynigion ar gyfer y dyfodol
Mae MI y fformat modiwleiddio lefel uchel bob amser yn uwch na'r fformat lefel isel. Fodd bynnag, gallai GMI y fformat modiwleiddio lefel uwch fod yn is na fformat y fformat is oherwydd colli gwybodaeth a achosir gan y trosglwyddydd. Felly, gall y defnydd o drosglwyddyddion mwy datblygedig fod yn ateb effeithiol. Mewn gwirionedd, mae'r gwahaniaeth SNR rhwng pob fformat modiwleiddio yn fach iawn, yn enwedig pan fo'r gorchymyn modiwleiddio yn uwch na 4 (sy'n hafal i neu'n uwch na 16QAM) [19]. Bydd dulliau amrywiol a all leihau'r golled gwybodaeth ar ochr y derbynnydd neu symud y groesffordd rhwng llinellau solet gyda gwahanol liwiau (fformatau modiwleiddio) i'r chwith (rhanbarth SNR isel) yn Ffig. 2 yn gyfeiriad ymchwil diddorol ar gyfer cyfathrebu ffibr cenhedlaeth nesaf systemau. Ar y llaw arall, mae cyfeiriad ymchwil poeth arall yn defnyddio gwahanol ddulliau, megis siapio cytser a siapio tonffurf [20], i wella GMI y system ffibr optegol, a thrwy hynny symud y llinell ddotiog yn Ffig. 2 yn agosach at derfyn Shannon (y llinell lwyd). Bydd systemau cyfathrebu ffibr optegol, er bod ganddynt lawer o ffordd i fynd o hyd, yn y pen draw yn gonglfaen rhwydweithiau telathrebu yn y dyfodol.
Argaeledd data a deunyddiau
Mae'r data sy'n cefnogi canfyddiadau'r astudiaeth hon ar gael gan yr awdur cyfatebol, ar gais rhesymol.