Σύγχρονες και αποδοτικές μέθοδοι ψηφιακής επεξεργασίας υψίρρυθμων συστημάτων οπτικών επικοινωνιών

Abstract

Τα σύγχρονα συστήματα οπτικών επικοινωνιών παρουσιάζουν ραγδαία ανάπτυξη εξαιτίας της εμφάνισης αρχιτεκτονικών δικτύωσης υπολογιστικού νέφους/άκρου που σχετίζονται με σύγχρονες εφαρμογές και υπηρεσίες και καθορίζουν πώς θα εξελιχθεί το διαδίκτυο τις επόμενες δεκαετίες. Καθώς οι ρυθμοί μετάδοσης μεγαλώνουν διαρκώς πλησιάζοντας τα φυσικά όρια της μονότροπης οπτικής ίνας, ο στόχος της επίτευξης εξαιρετικά υψηλής χωρητικότητας ανά οπτική ίνα είναι επιτακτική ανάγκη και χωρίς ουσιαστική αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας, αποτελεί σημαντική πρόκληση. Στα συστήματα μετάδοσης μεγάλων αποστάσεων, όπου επικρατούν οι ψηφιακές σύμφωνες λύσεις, η βελτίωση της φασματικής απόδοσης παρεμποδίζεται κυρίως από τα μη γραμμικά φαινόμενα που αποδίδονται στο φαινόμενο Kerr. Στα συστήματα διαμόρφωσης έντασης/άμεσης ανίχνευσης (Intensity Modulation/Direct Detection, IM/DD) που προτιμώνται στις μικρές αποστάσεις η κύρια υποβάθμιση προέρχεται από το φαινόμενο εξασθένισης ισχύος, που προκαλείται από τη χρωματική διασπορά, από τους περιορισμούς του εύρους ζώνης και από τις μη-γραμμικότητες των πομποδεκτών. H εξέλιξη των αλγορίθμων μηχανικής μάθησης και των τεχνικών βαθιάς μάθησης δίνει τη δυνατότητα εφαρμογής τους σε ψηφιακούς επεξεργαστές τελευταίας τεχνολογίας, προκειμένου να επιλύσουν αποτελεσματικά, σύνθετα μη γραμμικά προβλήματα. Συνεπώς η υιοθέτησή τους για την αντιμετώπιση των μη-γραμμικών φαινομένων της οπτικής διάδοσης κερδίζει σταδιακά έδαφος. Τα κύρια αποτελέσματα της διατριβής ήταν η αντιμετώπιση των μη γραμμικοτήτων της οπτικής ίνας μέσω της εφαρμογής επαναλαμβανόμενων νευρωνικών δικτύων (recurrent neural networks, RNN) και η προσομοίωση μη-γραμμικών φωτονικών συστημάτων με τη χρήση αλγορίθμων μηχανικής μάθησης. Ειδικότερα, η χρήση αμφίδρομων RNN επιφέρει τη σημαντική βελτίωση της απόδοσης των υψίρρυθμων συστημάτων οπτικών επικοινωνιών. Η διατριβή βασίστηκε σε αναλύσεις, προσομοιώσεις και πειράματα που πραγματοποιήθηκαν σε διάφορα σενάρια εφαρμογής, τόσο σε δίκτυα μεγάλων αποστάσεων (>1000 km) που χρησιμοποιούν σύμφωνο δέκτη, όσο και σε οπτικά δίκτυα μικρών αποστάσεων (< 120 km) που βασίζονται σε IM/DD συστήματα. Οι σημαντικότερες θεματικές που αναλύθηκαν κατά τη διάρκεια εκπόνησης της συγκεκριμένης διατριβής είναι οι ακόλουθες: • Παρουσιάστηκε για πρώτη φορά η χρήση νευρωνικού δικτύου μακριάς βραχυπρόθεσμης μνήμης (Long Short Term Memory Neural Network, LSTM) για την αντιστάθμιση της μη γραμμικότητας των οπτικών ινών σε ψηφιακά σύμφωνα συστήματα. Πραγματοποιήθηκαν αριθμητικές προσομοιώσεις διάδοσης στη ζώνη-C και τη ζώνη-Ο, διαμόρφωσης 16-QAM με πολυπλεξία πόλωσης, ενός ή πολλών καναλιών. Αναλύθηκε λεπτομερώς η επίδραση του αριθμού των κρυφών μονάδων και του μήκους της λέξης των συμβόλων. Μελετήθηκε εκτενώς η απόδοση και τα όρια λειτουργίας ενώ αναδείχθηκε η ανθεκτικότητα του προτεινόμενου ισοσταθμιστή σε διάφορα σενάρια μεταβολής των συνθηκών διάδοσης. Οι προσομοιώσεις απέδειξαν πως τα νευρωνικά δίκτυα τύπου LSTM μπορούν να είναι πολύ αποτελεσματικά ως ψηφιακοί επεξεργαστές σήματος στον δέκτη και την ίδια στιγμή είναι λιγότερο πολύπλοκα συγκρινόμενα με τους ισοσταθμιστές τύπου Digital Back Propagation (DBP), ειδικά στο σενάριο διάδοσης πολλαπλών καναλιών σε μεγάλες αποστάσεις (> 1000 km.). • Μελετήθηκε η πολυπλοκότητα και η απόδοση μονάδων επεξεργασίας για την άρση των μη γραμμικών φαινομένων. Συγκρίθηκαν οι επικρατέστεροι τύποι RNN, bi-LSTM, bi-GRU και bi-Vanilla-RNN ως προς την πολυπλοκότητα και τις επιδόσεις τους και αποδείχθηκε πως όλοι οι τύποι διαθέτουν τη δυνατότητα να επιτύχουν μη γραμμική εξισορρόπηση ιδιαίτερα σε συστήματα μεγάλης διασποράς σε ψηφιακά σύμφωνα συστήματα, που μεταφέρουν σήματα διαμόρφωσης 16 και 32 QAM, με πολυπλεξία πόλωσης, ενός ή πολλών καναλιών. Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι τα τρία μοντέλα παρέχουν παρόμοια απόδοση αντιστάθμισης, επομένως, σε πραγματικά συστήματα, πρέπει να προτιμηθεί το απλούστερο σχήμα που βασίζεται στο μοντέλο Vanilla-RNN. Προτάθηκε η προσέγγιση πολλαπλών εισόδων πολλαπλών εξόδων (many to many) ως μια ιδιαίτερα αποδοτική μέθοδος ελαχιστοποίησης της πολυπλοκότητας. Πραγματοποιήθηκε σύγκριση με τους μη γραμμικούς ισοσταθμιστές τύπου Volterra και επιδείχθηκε η υπεροχή του Vanilla-RNN τόσο από την άποψη των επιδόσεων όσο και της πολυπλοκότητας. • Με βάση ένα πειραματικό σύστημα διάδοσης με διαίρεση μήκους κύματος (CWDM) στη ζώνη-O, διαμόρφωσης έντασης και άμεσης ανίχνευσης (IM/DD) και ρυθμού 4 × 50-Gb/s, αποδείχθηκε η σημαντικά καλύτερη επίδοση ρυθμού σφάλματος (bit error rate, BER) του σχήματος Vanilla-RNN σε σχέση με τον συμβατικό ισοσταθμιστή ανάδρασης απόφασης (DFE) για διαμορφώσεις OOK και PAM4. Αναδείχθηκε η ικανότητα του ισοσταθμιστή Vanilla-RNN να αντισταθμίζει τόσο τις γραμμικές όσο και τις μη γραμμικές αλλοιώσεις που προκαλούνται από τον πομποδέκτη και τη μονότροπη ίνα. Ως απότοκο της δράσης του Vanilla-RNN ισοσταθμιστή, επετεύχθη οπτική διάδοση έως και 100 km και 75 km για τις ΟΟΚ και PΑM4 διαμορφώσεις αντίστοιχα. Επιπλέον, μέσω της σύγκρισης με άλλα σχήματα εξισορρόπησης, συμπεριλαμβανομένου του γραμμικού ισοσταθμιστή, του ισοσταθμιστή 3ης τάξης Volterra και του Volterra+DFE, αποδείχθηκε ότι ο ισοσταθμιστής Vanilla-RNN επιτυγχάνει την καλύτερη επίδοση BER παρουσιάζοντας επίσης χαμηλότερη πολυπλοκότητα υλοποίησης σε σύγκριση με σχήματα που βασίζονται στο Volterra. • Προτάθηκε και εφαρμόστηκε η πολυκαναλική ισοστάθμιση WDM καναλιών προκειμένου να εξισορροπηθούν τα μη γραμμικά φαινόμενα μεταξύ των καναλιών, τροποποιώντας κατάλληλα τους επεξεργαστές bi-RNN των προηγούμενων εργασιών. Ο ισοσταθμιστής χρησιμοποιεί την αρχιτεκτονική επεξεργασίας πολλαπλών εισόδων πολλαπλών εξόδων (multi-input multi-output, MIMO) για την αποκωδικοποίηση των WDM καναλιών. Με αυτόν τον τρόπο, εκμεταλλεύεται τη χρήσιμη πληροφορία από τα γειτονικά κανάλια για την καλύτερη αναγνώριση και άρση των διακαναλικών αλληλεπιδράσεων. Αποδείχθηκε μέσω εκτεταμένων αριθμητικών προσομοιώσεων και πειραματικών αποτελεσμάτων ότι η προτεινόμενη προσέγγιση ξεπερνά τόσο την τυπική εξισορρόπηση πολλαπλών καναλιών με τη μορφή προσαρμοστικών ισοσταθμιστών, όσο και τους ισοσταθμιστές τύπου DBP αλλά και το μονοκαναλικό bi-RNN. • Χρησιμοποιήθηκαν οι προηγούμενες δομές RNN για την εξομοίωση της δυναμικής συμπεριφοράς ενός πραγματικού οπτικού συστήματος διάδοσης, βασιζόμενου σε laser επιφανειακής εκπομπής, VCSEL ρυθμού 106.25 Gb/s και PAM4 διαμόρφωσης. Αποδείχθηκε πως τα RNN δίκτυα είναι ικανά να αναπαράγουν τα δυναμικά χαρακτηριστικά του οπτικού συστήματος με ακρίβεια πρόβλεψης που πλησιάζει το 100%. Μελετήθηκε τέλος η ικανότητα εξομοίωσης περιοχών λειτουργίας του οπτικού συστήματος στις οποίες το διαθέσιμο νευρωνικό δίκτυο δεν έχει εκπαιδευτεί.