Uso de algoritmo de clusterização k-means 4D para mitigação de impedimentos não lineares em sistemas ópticos coerentes digitais DP-16QAM - Costa, Camila Bastos [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022)
Neste trabalho, foi proposto o uso de um método de clusterização 4D para abordar simultaneamente o efeito da automodulação de fase (SPM, self-phase modulation) e da modulação de fase cruzada (XPM, cross-phase modulation) em redes ópticas passivas de 100 Gbps empregando dupla polarização e modulação em amplitude em quadratura 16-ária. Foi realizado um vasto número de operações, considerando potências ópticas de transmissão variando de 0 dBm a 15 dBm e comprimentos de link de 125 km a 175 km. Os resultados obtidos indicaram que a clusterização 4D pode compensar não apenas a SPM, mas também a XPM intracanal entre as polarizações ortogonais. Como resultado, o alcance máximo é estendido de 138 km para 151,6 km e de 171 km para 180 km para um BER alvo de 10^-3 e de 10^-2, respectivamente, reduzindo a diferença em relação a um sistema com modulação com chaveamento por deslocamento de fase em quadratura de polarização dupla. O algoritmo proposto também foi aplicado em um sistema multicanal, com 5 canais de espaçamento de 100 GHz, porém, os resultados obtidos para esse sistema mostraram que o desempenho de compensação dos impedimentos não lineares pelo algoritmo diminui, dado que estes sistemas são afetados principalmente pela mistura de quatro ondas (FWM, four-wave mixing), que não pode ser compensada pelos algoritmos de clusterização. Finalmente, a complexidade do método proposto foi avaliada tanto em termos do tamanho de bloco de símbolos requerido para uma clusterização adequada, como em função do número de operações necessárias para a predição de um novo símbolo. Assim, concluímos que são necessários, ao menos, 8.000 símbolos para a obtenção de um valor médio de BER de 10^-3, e que a predição pode ser executada utilizando 5.632 operações de ponto flutuante, as quais podem ser paralelizadas em 19 operações sequenciais.

In this work, it was proposed to use a 4D-clustering method to simultaneously tackle the effect of self-phase modulation (SPM) and cross-phase modulation (XPM) in 100 Gbps passive optical networks employing dual-polarization 16-ary quadrature amplitude modulation. A large number of operations was executed considering launched optical powers ranging from 0 dBm to 15 dBm and link lengths from 125 km to 175 km. The results indicate that 4D-clustering indeed can compensate not only the SPM but also the intra-channel XPM between the orthogonal polarizations. As a result, the maximum range is increased from 138 km to 151,6 km and from 171 km to 180 km for target BERs of 10^-3 and 10^-2, respectively, reducing the gap with respect to dual-polarization quadrature phase shift keying. The proposed algorithm was also applied in a multichannel system, composed of 5 channels with 100 GHz frequency spacing. However, the results obtained for this system showed that the performance of compensation of nonlinear impediments by the algorithm decreases, given that these systems are affected by four-wave mixing (FWM), which cannot be compensated for by clustering algorithms. Finally, the complexity of the proposed method was evaluated in terms of both the symbol block size required for an adequate clustering and the number of operations necessary for the prediction of a new symbol. Thus, we conclude that at least 8,000 symbols are needed to obtain an average BER of 10^-3 and that the prediction can be performed using 5,632 floating point operations, which can be parallelized in 19 sequential operations.
Use of 4D k-means clustering algorithm to mitigate nonlinear impediments in DP-16QAM digital coherent optical systems
Keywords: Comunicações ópticas; Inteligência artificial; Fibras ópticas; Polarização (Luz)