Abstrakt
Optik tolali aloqa tarmoqlari global telekommunikatsiya tarmog'ida muhim rol o'ynaydi. Biroq, optik tolali va qabul qiluvchi shovqindagi chiziqli bo'lmagan ta'sirlar tolali aloqa tizimlarining ish faoliyatini sezilarli darajada cheklaydi. Ushbu maqolada erishish mumkin bo'lgan axborot tezligi (AIR) ko'rsatkichi sifatida o'zaro ma'lumot (MI) va aloqa o'tkazish qobiliyatining mahsuloti ishlatiladi. Ushbu ishda qabul qiluvchi tomonidan kelib chiqadigan MI yo'qolishi ham ko'rib chiqiladi va AIRni hisoblash uchun bitli MI, umumlashtirilgan o'zaro ma'lumot (GMI) ishlatiladi. Ushbu yo'qotish yuqori tartibli modulyatsiya formatlaridan foydalanishda muhimroqdir. AIR tahlili kengaytirilgan Gauss shovqin (EGN) modeliga asoslangan turli aloqa o'tkazuvchanlik kengligi va uzatish masofalariga ega bo'lgan aloqa tizimlari uchun QPSK, 16QAM, 64QAM va 256QAM modulyatsiya formatlarida amalga oshiriladi. Maqolada turli uzatish stsenariylarida optimal modulyatsiya formatini tanlash bo'yicha takliflar keltirilgan.
Grafik abstrakt
1.Kirish
Raqamli ma'lumotlar trafigining 95% dan ortig'i optik tolali tarmoqlar orqali amalga oshiriladi [1]. Optik tolali aloqa tizimlarining axborot uzatish tezligi global telekommunikatsiya tarmoqlarining aloqa tezligini cheklaydi. Tolali aloqa texnologiyasining rivojlanishi bilan bir soniya ichida ko'proq bitni uzatish uchun kattaroq aloqa o'tkazish qobiliyati va yuqori belgi tezligi amalga oshiriladi. Shu bilan birga, og'ir chiziqli bo'lmagan effektlar ham yuzaga keladi va soniyada kamroq joriy bit uzatilishiga olib keladi. Shu bilan birga, fazaviy shovqinni tenglashtirish (EEPN) signal sifatini yanada pasaytiradi [2]. Boshqacha qilib aytganda, samarali aloqa tezligi chiziqli bo'lmagan effektlar va uzatish shovqinlari bilan cheklangan. Yuqori tartibli modulyatsiya formatlari qo'llanilganda, bu hodisa yanada aniqroq bo'ladi. Umuman olganda, modulyatsiyaning yuqori formati yuqori belgilar xatosi tezligini (SER) anglatadi [3, 4]. Biroq, yuqori tartibli modulyatsiya formatidan foydalanish har bir belgi bo'yicha ko'proq bitlarni uzatishi mumkin. Shu sababli, aloqa tizimining ishlashini baholash uchun signaldan shovqin radiosidan (SNR) foydalanish etarli emas. Aloqa qobiliyatini oqilona o'lchash uchun metrik sifatida tizim samarali qo'llab-quvvatlaydigan uzatish bit tezligidan foydalanish kerak. Umumiy o'zaro ma'lumot (GMI) tizimning samarali uzatish bit tezligini o'lchash uchun ishlatilishi mumkin. To'lqin uzunligi bo'linadigan multiplekslangan (WDM) tizimlar uchun yuqori ma'lumotlar tezligiga erishish uchun signallarni bir vaqtning o'zida uzatish uchun ko'proq kanallardan foydalanish mumkin. Kattaroq tarmoqli kengligi kanallararo o'zaro ta'sirlar tufayli SNRni yanada qisqartirishiga qaramasdan, ishlash jazosi ko'proq kanallardan foydalanish natijasida paydo bo'ladigan ma'lumot tezligini oshirishdan ancha past bo'ladi [5]. Shuning uchun, ushbu maqolada erishish mumkin bo'lgan axborot tezligi (AIR) ko'rsatkichi sifatida bir soniyada samarali uzatiladigan bitlar soni qo'llaniladi. Kengaytirilgan Gauss shovqin (EGN) modeli turli sharoitlarda optik tolali tizimning ishlashini tahlil qilish uchun qo'llaniladi. Nihoyat, optimal modulyatsiya formati turli uzatish stsenariylarini har tomonlama tahlil qilish orqali olinadi. Muhokamalar kelajakda yuqori sig'imli optik tolali aloqa tizimlari uchun optimallashtirish yo'nalishini taqdim etadi.
Ushbu maqolada turli xil aloqa stsenariylari samarali uzatilishi mumkin bo'lgan samarali bit tezligi nuqtai nazaridan baholanadi. Bunday ko'rsatkich tizimlarni adolatli taqqoslashni ta'minlaydi va natijalar fundamental ta'sirga ega va keyingi tadqiqotlar uchun chuqur takliflar beradi. Ushbu maqoladagi xulosalar xatolarni tuzatish (FEC) usullarini qo'llamasdan tizimlarga asoslangan [6, 7]. Har xil turdagi FEC kodlari turli xil xatolarni tuzatish imkoniyatlariga ega va bu holda AIR tadqiqoti faqat bizning natijalarimiz asosida keyingi bosqichni amalga oshirishi kerak. Bundan tashqari, xatolarni tuzatish kodlarini kiritishning uzatish bit tezligiga ta'siri chiziqli, shuning uchun ushbu maqoladagi xulosalar tushunarli va FECli tizimlar uchun amal qiladi.
Ushbu qog'oz quyidagicha tartibga solingan. GMI va MI Sektda kiritilgan. 2. 3-bo'limda EGN modeli muhokama qilinadi. Natijalar va munozaralarni Sektda topish mumkin. 4 va kelajak uchun ba'zi takliflar bo'limda keltirilgan. 5.
2 Umumlashtirilgan o'zaro ma'lumot
O'zaro ma'lumot (MI) - ikkita tasodifiy o'zgaruvchi almashadigan ma'lumotlar miqdorining o'lchovidir. U bir o'zgaruvchini bilish boshqa o'zgaruvchiga nisbatan noaniqlikni kamaytirish darajasini belgilaydi. Aloqa signallari uchun uzatuvchi va qabul qiluvchi o'rtasidagi MI qanchalik yuqori bo'lsa, aloqa sifati shunchalik yaxshi bo'ladi. Bu ko'proq ma'lumot to'g'ri uzatilganligini anglatadi. Shannon chegarasi kanalga kirishdan oldin signallar va kanaldan chiqish paytida signallar orasidagi MI ni hisoblash orqali kanal sig'imini o'lchash uchun ishlatiladi. Biroq, qabul qiluvchi hali ham MIda yo'qotishga olib keladi. Shuning uchun hisoblashda ishlatiladigan signallar 1-rasmda ko'rsatilganidek, bit ketma-ketligiga kengaytiriladi va axborot tezligi GMI asosida hisoblanadi.
1-rasm
MI va GMI sxemasi
To'liq o'lchamdagi rasm
Aytaylik, bir vaqtning o'zida modulyatsiyalangan bit signalilbu {c1,l,c2,l,...,sm,l}{c1,l,c2,l,...,cm,l}xlxlxi∈X,karta(X)=Mxi∈ X,card(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)
bu yerda Ibm⊂{1,2,...,M}Imb⊂{1,2,...,M}karta(Ibm)=M/2karta(Imb)=M/2fY |X(y|x)fY|X(y|x)CNCNBkBkEE
2-rasm
DP-QPSK, DP{1}}QAM, DP-64QAM va DP-256QAM GMI va MI,DP: ikki tomonlama polarizatsiya
To'liq o'lchamdagi rasm
3 Kengaytirilgan Gauss shovqin modeli
Chiziqli bo'lmagan effektlar mavjudligi sababli, tolada signalning tarqalishi juda murakkab. Signal o'tishlari uchun aniq ifodalarni berish mumkin emas. Shu bilan birga, kanalning chiziqli bo'lmagan ta'siri optimal quvvatga yaqin juda kuchli emas, bu erda signal tarqalishining harakati chiziqli signal tarqalishiga yaqin. Bu bezovtalikka asoslangan Gauss shovqin modelining asosiy taxminidir. Poggiolini va boshqalar. optik tolali aloqa tizimlarining SNR ni tezda baholash uchun EGN modelini taklif qildi [10, 11]. Ushbu maqolada EGN modeli SNR kanalini tezda hisoblash uchun ishlatiladi, so'ngra tizim GMI ni baholash uchun mos keladigan chiziqli bo'lmagan shovqinni EGN asosida baholash qo'shiladi. C-bandidagi EGN modeli taxminan [12, 13] sifatida ifodalanishi mumkin.
SNR=Ps2+s2s-s+s2s-n,SNR=Ps2+s-s2+s-n2,
(3)
s2=s2TRx+s2ASE,s2=sTRx2+sASE2,
(4)
s2s-s=Ns+1sēP3,ss-s2=Nss+1ķP3,
(5)
s2s-n≈3(Ns+1s2+Ns+2ss+2)ķs2ASEP2+3Ns+1sķkP3,s-n2≈3 (Nss+12+Nss+2s+2)ķsASE2P2+3Nss+1ķkP3,
(6)
qayerdaP, s2ASEsASE2s2TRxsTRx2NsNs
s=310log⎡⎣1+6LsLeffsinh−1(p2| 2|R2sN2chLeff)⎤⎦,s=310log[1+6LsLeffsinh−1(p2| 2| Rs2Nch2Leff)],
(7)
ē≈827 2Leffp| 2|R2ssinh−1(p22| 2|LeffN2chR2s)−8081k 2L2effp| 2|LsR2s[P(Nch+12)+C+1],ķ≈827 2Leffp| 2|Rs2sinh−1(p22| 2|LeffNch2Rs2)−8081k 2Leff2p| 2|LsRs2[P(Nch+12)+C+1],
(8)
Bu erda Leff{0}}(1−e− Ls)/ Leff=(1−e− Ls)/ 2 2NchNchRsRsC≈0.557C≈0.557 LsLsΦ (x)Φ(x)kk]. EGN modelining C diapazonidagi aniqligi boshqa olimlar tomonidan ham avvalgi ishlarimizda tasdiqlangan [14,15,16,17].
4 Natijalar va muhokama
Nyquist-oraliqli optik aloqa tizimi uchun Nyquist namuna olish teoremasiga ko'ra, soniyada uzatiladigan belgilar sonini tizimning tarmoqli kengligi orqali o'lchash mumkin. GMI qiymati belgidagi bitlarning samarali sonini ifodalaydi. O'tkazish qobiliyatini GMI ga ko'paytirish har bir polarizatsiya rejimida uzatiladigan soniyada samarali bit sonini beradi. Ushbu maqola har xil modulyatsiya formatlari, uzatish masofalari va tarmoqli kengligi bilan 80 km 32 GBaud tolali aloqa tizimining aloqa stsenariysini o'rganadi. AIR va uzatish masofalari va tarmoqli kengligi natijalari 3-rasmda ko'rsatilgan.
3-rasm
AIR va uzatish masofasi va aloqa o'tkazish qobiliyati. Belgilar tezligi 32 GBaud va har bir tolali masofa 80 km
To'liq o'lchamdagi rasm
2-rasmda ko'rsatilganidek, qabul qiluvchidagi MI degradatsiyasi yuqori tartibli modulyatsiya formatlari uchun ayniqsa og'ir. past SNR mintaqasida past tartibli format. Bundan tashqari, yuqori tartibli modulyatsiya formatlari shovqindan sezilarli darajada ta'sirlanadi, bu esa GMIning yanada jiddiy buzilishiga olib keladi. Yuqori tartibli modulyatsiya formatlari qisqaroq uzatish masofalari yoki kichikroq aloqa o'tkazuvchanlik kengligida o'zlarining afzalliklarini ko'rsatishi ko'rsatilgan. Uzoq uzatish masofalari va katta tarmoqli kengligi bo'lgan tizimlar uchun ba'zi past tartibli modulyatsiya formatlari yanada mustahkam va mos bo'lishi mumkin. 4-rasmda turli xil uzatish holatlari uchun optimal modulyatsiya formati ko'rsatilgan.
4-rasm
Turli uzatish masofalari va aloqa o'tkazuvchanlik kengligida optimal modulyatsiya formatlari. Belgilar tezligi 32 GBaud va har bir tolali masofa 80 km
To'liq o'lchamdagi rasm
Er usti aloqa tizimlari uchun umumiy tola uzunligi 80 km, uzatish masofasi esa 10000 km dan kam. Belgilar tezligi 32 GBaud bo'lsa va uzatish masofasi 2000 km dan oshsa, 16QAM modulyatsiya formati har doim eng yuqori AIRni olishi mumkin. Etkazish masofasi 240 dan 2000 km gacha qisqartirilganda, 64QAM modulyatsiya sxemasi eng mos formatga aylanadi. 256QAM signali faqat uzatish masofasi 240 km dan past bo'lganda boshqa uchta modulyatsiya formatidan oshib ketishi mumkin.
Yuqori belgilar tezligi tizimlarini o'rganish uchun biz uzatish masofasini 8000 km qilib belgiladik. 5-rasmda 8000 km uzatish masofasi va 80 km tola oralig'ida turli xil belgilar tezligi va turli aloqa o'tkazish qobiliyatiga ega GMI ko'rsatilgan.
5-rasm
Belgilar tezligi va aloqa o‘tkazish qobiliyatiga nisbatan har bir transmitter uchun AIR. Etkazish masofasi 8000 km va har bir tolali masofa 80 km
To'liq o'lchamdagi rasm
5-rasmdagi har bir egri chiziq deyarli to'g'ri chiziqdir va bu GMI ning belgi tezligi bilan zaif bog'liqligini bildiradi. Biroq, aloqa tezligini oshirish WDM uzatish uchun kanallar sonini tejashga yordam beradi va shuning uchun tegishli komponentlar to'plamining narxini tejaydi. Shuning uchun yuqori tezlikdagi transmitterlar har bir transmitter uchun samaraliroq AIRga ega. Shu bilan birga, GMI deyarli ramz tezligidan mustaqil ravishda harakat qiladi va shuning uchun 16QAM hali ham 4-rasmda ko'rsatilganidek, 8000 kmda eng yaxshi ko'rsatkichni olishi mumkin.
50 km uzunlikdagi suv osti aloqa tizimi ham o'rganilgan. 80 km masofaga ega tizim bilan taqqoslaganda, masofani 50 km ga qisqartirish SNR tizimini sezilarli darajada yaxshilashi mumkin [14], shuning uchun yuqori tartibli modulyatsiya formatlari bundan foyda olishi mumkin. Natija 6-rasmda ko'rsatilgan.
6-rasm
AIRlarni uzatish masofalari va aloqa o'tkazish qobiliyatiga qarshi. Belgilar tezligi 32 GBaud va har bir tola oralig'i 50 km
To'liq o'lchamdagi rasm
Xuddi shu guruhdagi turli rangdagi egri chiziqlar orasidagi kesishish yuqori tartibli modulyatsiyadan foydalanilganda uzoqroq aloqa masofasiga qarab harakat qiladi. Bu shuni ko'rsatadiki, yuqori tartibli modulyatsiya formati tizimning SNR ortishi bilan quyi tartibli formatga qaraganda ko'proq yaxshilanishga erishadi. Mavjud uzatish stsenariysi suv osti tizimiga tegishli bo'lganligi sababli, biz aloqa masofasi 8000 km dan oshadigan stsenariyga e'tibor qaratamiz. Qachonki, oraliq uzunligi 50 km bo'lsa, QPSK modulyatsiya formati deyarli maksimal GMI (2 bit / sim / polarizatsiya) ga yetishi mumkinligini aniqlash mumkin. QPSK formatining hozirgi suv osti aloqalarida keng qo'llanilishining sababi ham shu. Biroq, 16QAM modulyatsiya formati ham katta yaxshilanishga erishadi va 12000 km masofada 16QAM formatidan foydalanish tizim AIR tizimini sezilarli darajada yaxshilashi mumkin, ayniqsa kattaroq tarmoqli kengligi uchun.
Xulosa qilib aytganda, ramz tezligi GMI tizimiga unchalik ta'sir qilmaydi, ammo yuqoriroq belgilar tezligini qo'llash zarur qabul qiluvchilar va ulanish komponentlari sonini samarali ravishda kamaytirishi mumkin. Har bir oraliqda 80 km bo'lgan uzoq masofali (2000–10000 km) yer usti aloqa tizimlari uchun 16QAM formati eng yuqori AIRni olishi mumkin. Har bir tolali masofa 50 km [18] bo'lgan suv osti aloqa tizimlari uchun 16QAM QPSK formatiga nisbatan ancha sezilarli yaxshilanishni ko'rsatadi. Er usti aloqa tizimida yoki suv osti aloqa tizimida 5-rasmda ko'rsatilganidek, aloqa o'tkazuvchanligi SNR ga chekli ta'sir ko'rsatishini ko'rish mumkin. Shuning uchun yuqori tezlikdagi uzatgichlar va kanallar soni o'rtasidagi almashinuv muhim ahamiyatga ega. yangi optik tolali tizimlarni loyihalashda. Foydalanish qulayligi uchun biz quyidagi 1 va 2-jadvallardagi kabi 2,4 TGts dan ortiq tarmoqli kengligi uchun natijalarni (modulyatsiya formatini optimal tanlash) sanab o'tamiz.
1-jadval 2,4 TGts dan ortiq tarmoqli kengligi va 80 km masofa oralig'i uchun optimal modulyatsiya formati
To'liq o'lchamdagi stol
2-jadval 2,4 TGs dan ortiq tarmoqli kengligi va 50 km masofa oralig'i uchun optimal modulyatsiya formati
To'liq o'lchamdagi stol
Kelajak uchun 5 ta taklif
Yuqori tartibli modulyatsiya formatining MI har doim past tartibli formatdan yuqori bo'ladi. Biroq, qabul qiluvchi tomonidan ma'lumot yo'qolishi sababli, yuqori tartibli modulyatsiya formatining GMI darajasi quyi tartibli formatdan past bo'lishi mumkin. Shuning uchun yanada ilg'or qabul qiluvchi qurilmalardan foydalanish samarali echim bo'lishi mumkin. Aslida, har bir modulyatsiya formati orasidagi SNR farqi juda kichik, ayniqsa modulyatsiya tartibi 4 dan yuqori (16QAM ga teng yoki undan yuqori) [19]. Qabul qiluvchi tomonda ma'lumot yo'qotilishini kamaytiradigan yoki 2-rasmdagi turli xil rangdagi (modulyatsiya formatlari) qattiq chiziqlar orasidagi kesishuvni chapga (past SNR mintaqasi) siljitadigan turli usullar keyingi avlod tolali aloqa uchun qiziqarli tadqiqot yo'nalishi bo'ladi. tizimlari. Boshqa tomondan, yana bir qizg'in tadqiqot yo'nalishi optik tolali tizimning GMI ni yaxshilash uchun yulduz turkumini shakllantirish va to'lqin shaklini shakllantirish [20] kabi turli yondashuvlardan foydalanadi va shu bilan 2-rasmdagi nuqta chiziqni Shannon chegarasiga yaqinlashtiradi. kulrang chiziq). Optik tolali aloqa tizimlari, hali uzoq yo'l bo'lishiga qaramay, kelajakda telekommunikatsiya tarmoqlarining asosiga aylanadi.
Ma'lumotlar va materiallarning mavjudligi
Ushbu tadqiqot natijalarini tasdiqlovchi ma'lumotlar tegishli muallifdan oqilona so'rov bo'yicha mavjud.
