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Multidimensional modulation formats for optical transmission systems
Alreesh, Saleem
The ever-increasing demand for bandwidth is constantly driving deployment of new strategies to enable the upgrading of current optical transmission systems. Therefore, next generation optical networks are required to be elastic and more efficiently utilize the available optical spectrum; this in turn increases spectral efficiency and overall network capacity. To this end, future optical transceivers need to be able to adapt the bit rate and reach in a flexible manner based on actual network demand. Moreover, the cost and complexity of these transceivers should be kept as low as possible for practical implementation. In this thesis, multidimensional (multiD) optical modulation formats are studied as a promising approach to realize flexible and cost-efficient optical transceivers.
The first part of the thesis discusses the coding gain that can be obtained by designing a signal constellation based on a dense lattice of arbitrary dimension. In particular, four-dimensional (4D) signal constellations are considered for coherent optical communication systems. Various optimized 4-D modulation formats are studied showing their potential coding gain advantage over conventional 2-D modulation formats. In addition, novel digital signal processing (DSP) algorithms for some 4D modulation formats are proposed and tested by numerical simulation and in transmission experiments.
In the second part of the thesis, the advantages of combining advanced modulation formats and forward error correction (FEC) codes, so-called coded modulation, are explored. The idea of 2D trellis coded modulation (TCM) is first reviewed. Afterwards, the benefits of extending the dimensionality to multi-D space are explained. Following this, different partitioning schemes for multiD signal sets are reviewed, and from this the Multilevel coding (MLC) scheme is described in detail. Moreover, the principle of operation of the turbo TCM (TTCM) scheme is discussed as a means to enhance the coding gain and close the gap to the channel capacity.
The last part of the thesis presents two experimental realizations concerning multiD modulation formats. In the first experimental study, an optimized 4-D modulation format, namely 128SPQAM, is implemented and tested in a Nyquistwavelength division multiplexing (NWDM) system. The performance of 128SPQAM is first compared with PDM-16QAM in back-to-back (b2b) setup and after transmission. In addition, two different soft-decision (SD-) FEC codes are experimentally evaluated for the 128SPQAM modulation format.
In the second experiment, 4-D TCM based on PDMMQAM formats are experimentally realized. The coding gain advantages of 4-D TCM over conventional PDMMQAM are demonstrated in the b2b configuration and in WDM transmission system. In addition, the impact of burst error events, induced by the fiber nonlinearities, on the performance of 4-D TCM is experimentally analyzed. A multirate optical transceiver with a bitrate granularity of 25 Gb/s is realized by a single encoder/decoder structure. Furthermore, tolerance toward cycleslip events is enabled by the rotational invariant feature of the 4-D TCM scheme. Moreover, the performance of 4-D TTCM schemes is experimentally evaluated and their superior coding gains over 4-D TCM are validated. Finally, the performance of 4-D TCM and TTCM is compared with standard PDM-MQAM formats in presence FEC codes. Here it is shown that 4-D TCM concatenated with a low complexity HDFEC could be an alternative approach to SD-FE codes for complexity-performance tradeoff.
Die stetig ansteigende Nachfrage für zusätzliche Übertragungsbandbreite drängt nach dem Einsatz neuer Strategien, die Erweiterungen existierender optischer Übertragungssysteme ermöglichen. An die kommende Generation optischer Netzwerke wird folglich der Anspruch von Elastizität und einer effizienteren Nutzung des verfügbaren Spektrums gestellt, was zu einer Erhöhung der Gesamtnetzwerkkapazität führt. Künftige optische Transceiver werden daher ihre Datenraten und Reichweiten flexibel an vorliegende Netzwerke anpassen müssen, wobei in deren Implementierungen ein besonderes Augenmerk auf geringe Kosten und Komplexität gerichtet werden muss. In dieser Dissertation werden mehrdimensionale (multi-dimensional, multi-D) optische Modulationsformate als vielversprechende Ansätze für flexible und kosteneffizienten Transceiverentwürfe untersucht.
Der erste Teil dieser Arbeit untersucht den Codierungsgewinn, der sich durch das Design von Signalkonstellationen auf dichten mehrdimensionalen Gittern ergibt. Besondere Beachtung finden hier vier dimensionale (4-D) Signalkonstellationen für kohärent optische Übertragungssysteme. Zuerst wird der Kodierungsgewinn einer Vielzahl von 4-D Modulationsformaten gegenüber herkömmlichen 2-D Modulationsformaten untersucht. Zusätzlich werden neue Algorithmen der digitalen Signalverarbeitung (digital signal processing, DSP) einiger 4-D Modulationsformate vorgeschlagen und sowohl numerisch, als auch experimentell getestet.
Im zweiten Teil dieser Arbeit werden die Vorteile von codierte Modulation, d.h. einer Kombination fortschrittlicher Modulationsformate mit Vorwärtsfehlerkorrektur (forward error correction, FEC) Codes, erforscht. Nach einer Einführung des Ansatzes von 2-D trellis codierter Modulation (TCM), werden die Vorteile der Erweiterung des Signalraums zu einem multi-D Raum erläutert. Es folgt eine Übersicht zu verschiedenen Partinionierungsschemata für multi-D Signalmengen, von aus denen Multilevel coding (MLC) im Detail diskutiert wird. Zusätzlich wird das Verfahren von turbo TCM (TTCM) als Mittel zur Verbesserung des Codiergewinns und somit zur Schließung der Lücke zur Kanalkapazität betrachtet.
Der letzte Teil der Arbeit präsentiert zwei experimentelle Realisierungen, die sich mit mutli-D Modulationsformaten beschäftigen. In der ersten experimentellen untersuchung wird ein optimiertes 4-D Modulationsformat namens 128-SP-QAM implementiert und in einem Nyquist Wellenlaengenmultiplex (Nyquist wavelength division multiplexing, NWDM) System getestet. Die Performanz von 128-SP-QAM wird zuerst mit PDM-16QAM in einem Rücken-an-Rücken (back-to-back, b2b) und nach einer optischen Übertragungsstrecke verglichen. Zusaetzlich werden zwei unterschiedliche soft-decision (SD-) FEC Codes experimentell für 128-SP-QAM evaluiert.
Das zweite Experiment beschäftigt sich mit der Realisierung von 4-D TCM, welches auf PDM-MQAM basiert. Der Vorteil im Codiergewinn von 4-D TCM über herkömmlichem PDM-MQAM werden in einer b2b Konfiguration und einer WDM Übertragung demonstriert. Der Einfluss durch Fasernichtlinearitäten hervorgerufenen, gebündelten Bitfehlerereignissen auf die Performanz von 4-D TCM wird zusätzlich experimentell untersucht. Es wird ein mehrratiger optischer Transceiver mit einer einzigen Codier-/Decodierstruktur, einer Bitraten Granularität von 25 Gb/s und einer Toleranz gegenüber Zyklusschlupfereignissen durch die Rotationsinvarianz des 4-D TCM Schemas vorgestellt. Zusätzlich wird die Performanz von 4-D TTCM experimentell evaluiert und deren Vorteil erhöhter Codiergewinne im Vergleich zu 4-D TCM validiert. Abschliessend wird die Performanz von 4-D TCM und TTCM mit den herkömmlichen PDM-MQAM Formaten mit FEC Kodierung verglichen. Es wird gezeigt, dass das Zusammenspiel von 4-D TCM mit einer einfachen HD-FEC ein alternativer Ansatz zu SD-FEC Codes darstellen.
