trừu tượng
Mạng truyền thông cáp quang đóng vai trò quan trọng trong mạng viễn thông toàn cầu. Tuy nhiên, các hiệu ứng phi tuyến trong nhiễu sợi quang và bộ thu phát hạn chế rất nhiều hiệu suất của hệ thống thông tin sợi quang. Trong bài báo này, tích của thông tin lẫn nhau (MI) và băng thông liên lạc được sử dụng làm thước đo tốc độ thông tin có thể đạt được (AIR). Tổn thất MI do bộ thu phát gây ra cũng được xem xét trong công việc này và MI theo bit, thông tin chung tổng quát (GMI), được sử dụng để tính toán AIR. Sự mất mát này đáng kể hơn khi sử dụng các dạng điều chế bậc cao hơn. Phân tích AIR được thực hiện ở các định dạng điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM và 256QAM cho các hệ thống liên lạc có băng thông liên lạc và khoảng cách truyền khác nhau dựa trên mô hình nhiễu Gaussian (EGN) nâng cao. Bài báo đưa ra gợi ý cho việc lựa chọn dạng thức điều chế tối ưu trong các kịch bản truyền dẫn khác nhau.
Trừu tượng đồ họa
1. Giới thiệu
Hơn 95% lưu lượng dữ liệu số được truyền qua mạng cáp quang [1]. Tốc độ truyền thông tin của hệ thống thông tin cáp quang giới hạn tốc độ truyền thông của mạng viễn thông toàn cầu. Với sự phát triển của công nghệ truyền thông sợi quang, băng thông truyền thông lớn hơn và tốc độ ký hiệu cao hơn được thực hiện để truyền nhiều bit hơn trong vòng một giây. Tuy nhiên, các hiệu ứng phi tuyến nghiêm trọng cũng xảy ra và dẫn đến số bit hợp lệ được truyền đi trong mỗi giây ít hơn. Trong khi đó, nhiễu pha tăng cường cân bằng (EEPN) càng làm giảm chất lượng tín hiệu [2]. Nói cách khác, tốc độ truyền thông hiệu quả bị hạn chế bởi hiệu ứng phi tuyến và nhiễu truyền. Hiện tượng này rõ ràng hơn khi áp dụng các dạng điều chế bậc cao. Nói chung, định dạng điều chế cao hơn có nghĩa là tỷ lệ lỗi ký hiệu (SER) cao hơn [3, 4]. Tuy nhiên, sử dụng định dạng điều chế bậc cao có thể truyền nhiều bit hơn cho mỗi ký hiệu. Vì vậy, việc sử dụng sóng vô tuyến tín hiệu trên tạp âm (SNR) là chưa đủ để đánh giá hiệu suất của hệ thống thông tin liên lạc. Để đo lường một cách hợp lý khả năng liên lạc, tốc độ bit truyền mà hệ thống có thể hỗ trợ hiệu quả phải được sử dụng làm thước đo. Thông tin chung tổng quát (GMI) có thể được sử dụng để đo tốc độ bit truyền hiệu quả của hệ thống. Đối với hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM), có thể sử dụng nhiều kênh hơn để truyền tín hiệu cùng lúc để đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn. Mặc dù băng thông lớn hơn sẽ làm giảm SNR hơn nữa do tương tác giữa các kênh, nhưng mức giảm hiệu suất sẽ thấp hơn nhiều so với mức tăng tốc độ thông tin phát sinh từ việc sử dụng nhiều kênh hơn [5]. Do đó, bài viết này sử dụng số bit được truyền hiệu quả trong một giây làm thước đo tốc độ thông tin có thể đạt được (AIR). Mô hình nhiễu Gaussian nâng cao (EGN) được áp dụng để phân tích hiệu suất của hệ thống cáp quang trong các điều kiện khác nhau. Cuối cùng, định dạng điều chế tối ưu có được bằng cách phân tích toàn diện các kịch bản truyền dẫn khác nhau. Các cuộc thảo luận được tiến hành nhằm đưa ra hướng tối ưu hóa cho các hệ thống thông tin cáp quang dung lượng cao trong tương lai.
Bài viết này đánh giá các kịch bản truyền thông khác nhau về tốc độ bit hiệu quả có thể được truyền đi một cách hiệu quả. Số liệu này cung cấp sự so sánh công bằng giữa các hệ thống và kết quả có ý nghĩa cơ bản cũng như đưa ra những đề xuất sâu sắc cho nghiên cứu tiếp theo. Các kết luận trong bài viết này dựa trên các hệ thống không áp dụng kỹ thuật sửa lỗi chuyển tiếp (FEC) [6, 7]. Các loại mã FEC khác nhau có khả năng sửa lỗi khác nhau và nghiên cứu về AIR trong trường hợp này chỉ cần thực hiện thêm một bước dựa trên kết quả của chúng tôi. Hơn nữa, tác động của việc đưa ra mã sửa lỗi lên tốc độ bit truyền là tuyến tính, vì vậy kết luận trong bài viết này rất sâu sắc và có thể áp dụng cho các hệ thống có FEC.
Bài viết này được sắp xếp như sau. GMI và MI được giới thiệu trong Phần. 2. Phần 3 thảo luận về mô hình EGN. Các kết quả và thảo luận có thể được tìm thấy trong Phần. 4 và một số đề xuất cho tương lai được trình bày trong Phần. 5.
2 Thông tin tổng quát chung
Thông tin lẫn nhau (MI) là thước đo lượng thông tin mà hai biến ngẫu nhiên chia sẻ. Nó định lượng mức độ mà kiến thức về một biến làm giảm sự không chắc chắn về biến kia. Đối với tín hiệu truyền thông, MI giữa máy phát và máy thu càng cao thì chất lượng truyền thông càng tốt. Điều này có nghĩa là nhiều thông tin được truyền tải chính xác hơn. Giới hạn Shannon được sử dụng để đo dung lượng kênh, bằng cách tính toán MI giữa các tín hiệu trước khi vào kênh và các tín hiệu khi rời kênh. Tuy nhiên, máy thu vẫn sẽ gây ra mất mát MI. Do đó, các tín hiệu được sử dụng trong tính toán được mở rộng thành các chuỗi bit, như trong Hình 1 và tốc độ thông tin được tính toán dựa trên GMI.
Hình 1
Sơ đồ MI và GMI
Hình ảnh kích thước đầy đủ
Giả sử rằng tín hiệu bit được điều chế tại thời điểmllà {c1,l,c2,l,...,cm,l}{c1,l,c2,l,...,cm,l}xlxlxi∈X,card(X)=Mxi∈ X,thẻ(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)
trong đó Ibm⊂{1,2,...,M}Imb⊂{1,2,...,M}card(Ibm)=M/2card(Imb)=M/2fY |X(y|x)fY|X(y|x)CNNBkBkEE
Hình 2
GMI và MI của DP-QPSK, DP-16QAM, DP-64QAM và DP-256QAM,DP: phân cực kép
Hình ảnh kích thước đầy đủ
3 Mô hình nhiễu Gaussian nâng cao
Do tồn tại các hiệu ứng phi tuyến nên việc truyền tín hiệu trong sợi quang rất phức tạp. Không thể cung cấp các biểu thức rõ ràng cho việc chuyển đổi tín hiệu. Tuy nhiên, các hiệu ứng phi tuyến của kênh không mạnh lắm ở gần công suất tối ưu, trong đó hoạt động truyền tín hiệu gần với hoạt động truyền tín hiệu tuyến tính. Đây là giả định cơ bản của mô hình nhiễu Gaussian dựa trên nhiễu loạn. Poggiolini và cộng sự. đề xuất mô hình EGN để ước tính nhanh SNR của hệ thống thông tin sợi quang [10, 11]. Trong bài báo này, mô hình EGN được sử dụng để tính toán nhanh SNR kênh, sau đó đánh giá nhiễu phi tuyến tương ứng dựa trên EGN được thêm vào để ước tính GMI của hệ thống. Mô hình EGN trong băng tần C có thể được biểu thị gần đúng bằng [12, 13]
SNR=Pσ2+σ2s-s+σ2s-n,SNR=Pσ2+σs-s2+σs-n2,
(3)
σ2=σ2TRx+σ2ASE,σ2=σTRx2+σASE2,
(4)
σ2s-s=Nϵ+1sηP3,σs-s2=Nsϵ+1ηP3,
(5)
σ2s-n≈3(Nϵ+1s2+Nϵ+2sϵ+2)ησ2ASEP2+3Nϵ+1sηκP3,σs-n2≈3 (Nsϵ+12+Nsϵ+2ϵ+2)ησASE2P2+3Nsϵ+1ηκP3,
(6)
Ở đâuP, 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)
trong đó Leff{{0}}(1−e− Ls)/ Leff=(1−e− Ls)/ 2 2NchNchRsRsC≈0.557C≈0.557 LsLsΦ (x)Φ(x)κκ]. Độ chính xác của mô hình EGN trong băng tần C đã được các học giả khác xác minh trong các công trình trước đây của chúng tôi [14,15,16,17].
4 Kết quả và thảo luận
Đối với hệ thống truyền thông quang học có khoảng cách Nyquist, theo định lý lấy mẫu Nyquist, số lượng ký hiệu được truyền mỗi giây có thể được đo thông qua băng thông của hệ thống. Giá trị của GMI biểu thị số bit hiệu dụng trong một ký hiệu. Nhân băng thông với GMI sẽ cho số bit hiệu dụng trên giây, được truyền qua từng chế độ phân cực. Bài viết này nghiên cứu kịch bản truyền thông của hệ thống truyền thông sợi quang 32 GBaud có tốc độ 80 km/nhịp với các định dạng điều chế, khoảng cách truyền và băng thông khác nhau. Kết quả của AIR so với khoảng cách truyền và băng thông được thể hiện trong Hình 3.
Hình 3
AIR so với khoảng cách truyền và băng thông liên lạc. Tốc độ ký hiệu là 32 GBaud và mỗi nhịp sợi là 80 km
Hình ảnh kích thước đầy đủ
Sự suy giảm MI ở máy thu đặc biệt nghiêm trọng đối với các định dạng điều chế bậc cao hơn, như trong Hình 2. Khi SNR thấp, GMI của định dạng điều chế bậc cao giảm mạnh và thậm chí có thể thấp hơn GMI của định dạng điều chế bậc cao. định dạng bậc thấp ở vùng SNR thấp. Hơn nữa, các định dạng điều chế bậc cao bị ảnh hưởng đáng kể bởi nhiễu hơn, dẫn đến suy giảm GMI nghiêm trọng hơn. Người ta chứng minh rằng các định dạng điều chế bậc cao hơn cho thấy ưu điểm của chúng trong trường hợp khoảng cách truyền ngắn hơn hoặc băng thông liên lạc nhỏ hơn. Đối với các hệ thống có khoảng cách truyền dài và băng thông lớn, một số định dạng điều chế bậc thấp có thể mạnh mẽ và phù hợp hơn. Hình 4 cho thấy định dạng điều chế tối ưu cho các tình huống truyền khác nhau.
Hình 4
Các định dạng điều chế tối ưu trong các khoảng cách truyền và băng thông liên lạc khác nhau. Tốc độ ký hiệu là 32 GBaud và mỗi nhịp sợi là 80 km
Hình ảnh kích thước đầy đủ
Đối với các hệ thống thông tin liên lạc mặt đất, chiều dài nhịp sợi phổ biến là 80 km và khoảng cách truyền dưới 10000 km. Khi tốc độ ký hiệu là 32 GBaud và khoảng cách truyền vượt quá 2000 km, định dạng điều chế 16QAM luôn có thể thu được AIR cao nhất. Khi khoảng cách truyền dẫn giảm xuống từ 240 đến 2000 km, sơ đồ điều chế của 64QAM trở thành định dạng phù hợp nhất. Tín hiệu 256QAM chỉ có thể vượt qua ba định dạng điều chế còn lại khi khoảng cách truyền dưới 240 km.
Để nghiên cứu các hệ thống có tốc độ ký hiệu cao hơn, chúng tôi đã ấn định khoảng cách truyền là 8000 km. Hình 5 cho thấy GMI với tốc độ ký hiệu khác nhau và băng thông liên lạc khác nhau ở khoảng cách truyền 8000 km và khoảng cách cáp quang là 80 km.
Hình 5
AIR trên mỗi máy phát so với tốc độ ký hiệu và băng thông truyền thông. Khoảng cách truyền là 8000 km và mỗi nhịp sợi là 80 km
Hình ảnh kích thước đầy đủ
Mọi đường cong trong Hình 5 gần như là đường thẳng và điều này có nghĩa là GMI có mối tương quan yếu với tốc độ ký hiệu. Tuy nhiên, việc tăng tốc độ truyền thông có thể tiết kiệm số lượng kênh truyền WDM và do đó tiết kiệm chi phí cho các bộ thành phần liên quan. Do đó, các máy phát tốc độ cao hơn có AIR trên mỗi máy phát hiệu quả hơn. Trong khi đó, GMI hoạt động gần như độc lập với tốc độ ký hiệu và do đó 16QAM vẫn có thể đạt được hiệu suất tốt nhất ở 8000 km như trong Hình 4.
Một hệ thống thông tin liên lạc dưới biển có chiều dài 50km cũng đang được nghiên cứu. So với hệ thống có nhịp 80 km, việc rút ngắn nhịp xuống 50 km có thể cải thiện đáng kể SNR của hệ thống [14], do đó các định dạng điều chế bậc cao hơn có thể được hưởng lợi từ điều này. Kết quả được thể hiện trong hình 6.
Hình 6
AIR so với khoảng cách truyền và băng thông liên lạc. Tốc độ ký hiệu là 32 GBaud và mỗi nhịp sợi là 50 km
Hình ảnh kích thước đầy đủ
Giao điểm giữa các đường cong với các màu khác nhau trong cùng một nhóm sẽ hướng tới khoảng cách liên lạc dài hơn khi sử dụng điều chế bậc cao hơn. Điều này chứng tỏ rằng định dạng điều chế bậc cao thu được nhiều cải tiến hơn định dạng bậc thấp hơn khi SNR của hệ thống tăng lên. Do kịch bản truyền dẫn hiện tại đề cập đến hệ thống tàu ngầm nên chúng tôi tập trung vào kịch bản trong đó khoảng cách liên lạc vượt quá 8000 km. Khi chiều dài nhịp là 50 km, có thể thấy rằng định dạng điều chế QPSK gần như có thể đạt GMI tối đa (2 bit/sym/phân cực). Đây cũng là lý do tại sao định dạng QPSK được sử dụng rộng rãi trong thông tin liên lạc dưới biển hiện nay. Tuy nhiên, định dạng điều chế 16QAM cũng có được sự cải tiến lớn và việc sử dụng định dạng 16QAM trong phạm vi 12000 km có thể cải thiện đáng kể AIR của hệ thống, đặc biệt đối với băng thông lớn hơn.
Tóm lại, tốc độ ký hiệu ít ảnh hưởng đến GMI của hệ thống, nhưng việc áp dụng tốc độ ký hiệu cao hơn có thể làm giảm hiệu quả số lượng bộ thu phát và thành phần liên kết cần thiết. Đối với các hệ thống thông tin liên lạc mặt đất ở khoảng cách xa (2000–10000 km) với 80 km mỗi nhịp, định dạng 16QAM có thể nhận được AIR cao nhất. Đối với các hệ thống thông tin liên lạc dưới biển có mỗi sợi quang dài 50 km [18], 16QAM cho thấy sự cải thiện hiệu suất đáng kể hơn so với định dạng QPSK. Trong hệ thống thông tin liên lạc trên mặt đất hoặc hệ thống liên lạc dưới biển, có thể thấy băng thông liên lạc có ảnh hưởng biên đến SNR, như trong Hình 5. Do đó, sự cân bằng giữa các máy phát tốc độ cao và số lượng kênh là rất quan trọng khi thiết kế hệ thống cáp quang mới. Để thuận tiện cho việc sử dụng, chúng tôi liệt kê các kết quả (lựa chọn tối ưu định dạng điều chế) cho băng thông vượt quá 2,4 THz như trong Bảng 1 và 2 sau đây.
Bảng 1 Định dạng điều chế tối ưu cho băng thông trên 2,4 THz và khoảng cách 80 km
Bảng kích thước đầy đủ
Bảng 2 Định dạng điều chế tối ưu cho băng thông trên 2,4 THz và khoảng cách 50 km
Bảng kích thước đầy đủ
5 Đề xuất cho tương lai
MI của dạng điều chế bậc cao luôn cao hơn MI của dạng điều chế bậc thấp. Tuy nhiên, GMI của định dạng điều chế bậc cao hơn có thể thấp hơn GMI của định dạng bậc thấp hơn do mất thông tin do bộ thu phát gây ra. Vì vậy, việc sử dụng các bộ thu phát tiên tiến hơn có thể là một giải pháp hiệu quả. Trên thực tế, sự khác biệt SNR giữa mỗi định dạng điều chế là rất nhỏ, đặc biệt khi bậc điều chế cao hơn 4 (bằng hoặc cao hơn 16QAM) [19]. Nhiều phương pháp khác nhau có thể làm giảm sự mất mát thông tin ở phía máy thu hoặc dịch chuyển giao điểm giữa các đường liền nét có màu sắc khác nhau (định dạng điều chế) sang trái (vùng SNR thấp) trong Hình 2 sẽ là hướng nghiên cứu thú vị cho truyền thông cáp quang thế hệ tiếp theo hệ thống. Mặt khác, một hướng nghiên cứu nóng khác sử dụng nhiều cách tiếp cận khác nhau, chẳng hạn như định hình chòm sao và định hình dạng sóng [20], để cải thiện GMI của hệ thống cáp quang, từ đó dịch chuyển đường chấm trong Hình 2 gần hơn với giới hạn Shannon ( đường màu xám). Hệ thống thông tin cáp quang, mặc dù vẫn còn một chặng đường dài phía trước, nhưng cuối cùng sẽ trở thành nền tảng của mạng viễn thông trong tương lai.
Sự sẵn có của dữ liệu và tài liệu
Dữ liệu hỗ trợ cho kết quả của nghiên cứu này có sẵn từ tác giả tương ứng, theo yêu cầu hợp lý.
