MIMO Communications over Multi-Mode Optical Fibers: Capacity Analysis and Input-Output Coupling Schemes
我们考虑多输入多输出（MIMO）通信的多模光纤（MMF）。当前的MMF标准，如OM 3和OM 4，使用纤芯半径为50 μm的光纤，允许数百种模式传播。不幸的是，由于物理和计算复杂性的限制，我们不能耦合和检测进出光纤的数百个数据流。为了规避这个问题，我们提出了输入输出耦合方案，允许用户耦合和提取合理数量的信号从光纤与许多模式。这种方法特别有吸引力，因为它是可扩展的;即，不必在每次增加发射器或接收器的数量时都更换光纤，这种现象在不久的将来很可能发生。我们提出了一个统计信道模型，包括模间色散，色散，模式相关损耗，模式耦合，和输入输出耦合。我们表明，光纤的频率响应的统计是独立的频率。这简化了光纤的平均香农容量的计算。我们还提供了一个输入输出耦合策略，导致整体能力的增加。只要信道状态信息（CSI）在发射机处可用，就可以使用该策略。我们证明了在具有M>>Nt个模的光纤上的Nt乘Nt MIMO系统的容量可以接近没有模相关损耗的NT模光纤的容量。最后，我们提出了一个统计输入输出耦合模型，以量化的容量损失时，CSI是不可用的发射机。结果表明，对于宽范围的信噪比（SNR）和合理范围的MDL，相对于NT模光纤的损耗最小（小于0.5 dB）。
2013-04-01 cs.IT math.IT
Channel Model and Upper Bound on the Information Capacity of the Fiber Optical Communication Channel Based on the Effects of XPM Induced Nonlinearity
在考虑交叉相位调制（XPM）非线性传播效应的模型中，导出了波分复用光纤通信系统信息容量的上限。这项工作是基于Mitra等人的论文，找到所述信道容量的下限，其中使用用于传播的物理模型来计算与单个WDM信道中的输入和输出相关的条件概率分布的统计特性。在本文中，我们提出了一个易于处理的信道模型，将交叉相位调制的影响。利用这个模型，我们找到了一个上限的信息容量的光纤通信信道在高信噪比。结果提供了物理洞察的方式，其中非线性降低信息容量。
2005-11-30 cs.IT math.IT
Mismatched Models to Lower Bound the Capacity of Dual-Polarization Optical Fiber Channels
将正则微扰应用于Manakov方程，建立了双偏振光纤信道波分复用的广义相关相位加性噪声模型。该模型包括三个隐藏的高斯马尔可夫过程：相位噪声，极化旋转，和加性噪声。粒子滤波被用来计算具有频率相关的功率和延迟的多载波通信的容量的下限。相对于现有模型在其峰值数据率下实现了0.17比特/s/Hz/pol的频谱效率增益或0.8 dB的功率效率增益。频率相关的延迟也增加了单偏振信道的频谱效率。
2021-04-16 cs.IT math.IT
A SIMO Fiber Aided Wireless Network Architecture
光纤辅助无线网络架构（FAWNA）的概念在[Ray等人，Allerton Conference 2005]，它通过利用光网络的速度来实现高速移动连接。在本文中，我们考虑一个单输入，多输出（SIMO）FAWNA，它由一个SIMO无线信道和一个光纤信道，通过无线光接口连接。我们提出了一个方案，在每个接口接收到的无线信号进行量化，并通过光纤发送。虽然我们的结构类似于经典的CEO问题，但我们的问题与之不同，我们证明了我们的方案的容量接近于结构的容量，与光纤容量呈指数关系。我们还表明，对于一个给定的光纤容量，有一个最佳的操作无线带宽和最佳数量的无线光接口。我们的方案的无线光接口具有低复杂度，不需要发射机码本的知识。它们还可扩展到具有大量发射机和接口的FAWNA，并提供对可变速率、变化的信道条件和节点位置的适应性。
2006-03-25 cs.IT math.IT
New Bounds on the Capacity of Fiber-Optics Communications
通过利用WDM系统中非线性相位噪声的时间相关性，我们证明了非线性光纤链路的容量明显高于目前假设的容量。这一优势转化为固定传输速率的链路距离加倍。
2013-10-18 cs.IT math.IT physics.optics
Bounds on the Per-Sample Capacity of Zero-Dispersion Simplified Fiber-Optical Channel Models
基于微扰理论，已经提出了一些简化的光纤信道模型，并在文献中得到了广泛的应用。虽然这些模型主要是为低功率状态开发的，但它们也用于中等或高功率。目前尚不清楚这些模型的能力在多大程度上受到其简化假设的影响。在本文中，我们考虑基于三个连续时间光学模型的单信道数据传输i）一个规则的微扰信道，ii）一个对数微扰信道，和iii）随机非线性薛定谔（NLS）信道。我们应用两个简化的假设，这些渠道，以获得易于分析的离散时间模型。也就是说，我们忽略了信道记忆（光纤色散），我们使用采样接收机。这些假设使人们对本文所研究的模型的物理相关性提出了质疑。因此，结果应被视为分析更现实的渠道的第一步。我们研究了简化的离散时间模型的每样本容量。具体而言，i）我们建立严格的限制上的能力的定期扰动信道; ii）我们得到的对数扰动信道的容量;和iii）我们提出了一个新的上限的零色散NLS信道的容量。我们的研究结果表明，这些模型的容量偏离彼此在高功率，因为这些模型产生不同的容量前日志。由于这三种模型都是基于相同的物理信道，我们的研究结果强调，必须小心使用简化的信道模型在高功率政权。
2018-09-19 cs.IT math.IT
A Sequence Selection Bound for the Capacity of the Nonlinear Fiber Channel
提出了一种新的方法来优化非线性光纤信道的输入分布和计算信道容量的下限。该技术提高了以前的边界获得的加性高斯白噪声解码度量。
2021-06-08 cs.IT eess.SP math.IT
Mismatched Models to Lower Bound the Capacity of Optical Fiber Channels
针对光纤信道中的波分复用问题，提出了一种基于非线性薛定谔方程的相关相位加性噪声（CPAN）失配模型。CPAN模型的相位和加性噪声过程都是高斯-马尔可夫的，而以前的工作使用维纳相位噪声和白加性噪声。二阶统计量的推导和下限的容量计算模拟。CPAN模型的非线性特征比现有的模型在这个意义上，它实现了更好的信息速率。例如，当每个波长使用单个载波时，该模型在峰值数据率下的功率增益为0.35 dB。对于每个波长多个载波，该模型结合频率相关的功率分配增益0.14比特/s/Hz的速率和0.8 dB的功率在峰值数据率。
2020-09-15 cs.IT math.IT
Designing Cost- and Energy-Efficient Cell-Free Massive MIMO Network with Fiber and FSO Fronthaul Links
新兴的无小区大规模多输入多输出（CF-mMIMO）是解决无线网络容量危机的一种有前途的方案。在CF-mMIMIO中设计最佳前传网络对于部署具有成本和能源效率的网络至关重要。在本文中，我们提出了一个框架，以优化设计的前传网络的CF-mMIMO利用光纤和自由空间光（FSO）技术。我们研究了CF-mMIMO网络的上行链路数据传输，其中每个分布式接入点（AP）通过容量有限的前传连接到中央处理单元（CPU），这可能是光纤或FSO。在这里，我们已经推导出可实现的速率，并研究了网络的能源效率的存在下，在AP和前传链路的功耗模型。虽然光纤链路具有更大的容量，但是与FSO链路相比，它消耗更少的功率并且具有更高的部署成本。对于给定的AP总数，光纤和FSO链路的最佳数量和光纤的最佳容量系数推导出系统的性能最大化。最后，网络的性能进行了研究，通过数值结果，突出不同类型的光前传链路的影响。
2021-03-09 cs.IT math.IT
Autocorrelation Function for Dispersion-Free Fiber Channels with Distributed Amplification
具有高功率的光纤信号表现出似乎限制容量的光谱增宽。为了研究光谱展宽，给定输入信号的输出信号的自相关函数推导出一个简化的光纤模型，具有零色散，分布式光放大（OA），和理想化的空间噪声过程。自相关函数被用来上限的频带限制或时间分辨率有限的接收器的输出功率，从而绑定频谱展宽和接收器的热噪声的能力。输出功率最多按发射功率的平方根缩放，因此容量最多按发射功率的对数的一半缩放。传播信号带宽至少缩放为发射功率的平方根。然而，在实践中，OA带宽应该超过信号带宽以补偿衰减。因此，存在发射功率阈值，超过该阈值，光纤模型失去实际意义。然而，对于数学模型，当OA带宽缩放为发射功率的平方根时，容量的上限被开发，在这种情况下，容量最多缩放为发射功率的四次方根的倒数。
2018-01-01 cs.IT math.IT
Optical Fiber MIMO Channel Model and its Analysis
技术正朝着光纤中的空分复用发展，以保持速率随时间增加的趋势，并避免即将到来的容量紧缩。因此，估计这种方法的潜在收益至关重要。随着越来越多的空间信道被封装到单个光纤中，增加的串扰需要使用MIMO来保证可靠的操作。在本文中，我们利用光纤和一个模型之间的类比从介观物理-混沌腔-获得一个新的信道模型的光纤。该模型捕获随机分布的串扰和模式相关的损失，这是在散射理论的框架内描述。利用副本理论和随机矩阵理论，推导了光纤MIMO信道的容量模型。
2016-04-11 cs.IT math.IT
The Asymptotic Capacity of the Optical Fiber
它表明，信号能量是唯一可用的自由度（DOF）的光纤传输的输入功率趋于无穷大。当$n$信号自由度位于输入端时，$n-1$自由度将逐渐丢失到信号-噪声相互作用中。主要的观察结果是，非线性在信道中引入了乘性噪声，类似于无线信道中的衰落。在球面坐标系中观察信道，其中信号矢量$\underline{X}\in\mathbb{C}^n$根据其范数$|\underline{X}|$和方向$\underline{\hat{X}}$来表示。乘性噪声导致信号方向$\underline{\hat{X}}$在$\mathbb{C}^{n}$中的单位$(2n-1)$ -球的表面上随机变化，以使得$\underline{\hat{X}}$的支撑的有效面积不随着$|\underline{X}|\rightarrow\infty$而消失。另一方面，球体的表面积是有限的，因此$\underline{\hat{X}}$携带有限的信息。这一观察结果被用来显示几个结果。首先，令$\mathcal C(\mathcal P)$为具有分布式噪声和频率相关损耗的光纤的离散时间周期性模型的容量，作为平均输入功率$\mathcal P$的函数。它示出，渐近$\mathcal P\rightarrow\infty$，$\mathcal C=\frac{1}{n}\log\bigl(\log\mathcal P\bigr)+c$，其中…
2016-10-20 cs.IT math.IT
Capacity and Achievable Rates of Fading Few-mode MIMO IM/DD Optical Fiber Channels
Technical University of Denmark（丹麦技术大学）
研究了空间路径强度调制直接检测（IM/DD）的多输入多输出（MIMO）光纤信道。空间维度表示用于传输的多个模式，并且它们之间的串扰起源于复用器和解复用器，这是偏振相关的，因此是时变的。从自由空间IM/DD MIMO信道的上限适应光纤的情况下，星座约束容量的建设性估计使用Blahut-Arimoto算法。然后提出了一种自动编码器，以优化实际的MIMO传输的预编码器和检测器，假设在发射机的信道分布知识。预编码器被示出为是鲁棒的信道中的变化。
2022-01-27 cs.IT cs.LG math.IT
Lower Bound on the Capacity of the Continuous-Space SSFM Model of Optical Fiber
考虑了由分步傅立叶方法（SSFM）描述的光纤的离散时间模型的容量作为信噪比$\text{SNR}$和距离$K$中的段数的函数。结果表明，如果$K\geq \text{SNR}^{2/3}$和$\text{SNR} \rightarrow \infty$，所得到的连续空间无损耗模型的容量是下界由$\frac{1}{2}\log_2(1+\text{SNR}) - \frac{1}{2}+ o(1)$，其中$o(1)$趋于零$\text{SNR}$。作为$K\rightarrow \infty$，由于大数定律，符号间干扰（ISI）平均为零，并且SSFM模型倾向于对角相位噪声模型。由此可见，与在高功率下只有一个信号自由度（DoF）的离散空间模型相比，连续空间模型中的DoF的数量至少是输入维度$n$的一半。强度调制和直接检测可以达到这个速率。当$K= \sqrt[δ]{\text{SNR}}$通常以$δ$表征时，下限中的前对数。结果表明，当非线性参数$γ\rightarrow \infty$满足时，连续空间模型的容量为$\frac{1}{2}\log_2(1+\text{SNR})+ o(1)$。考虑了色散矩阵不依赖于$K$时的SSFM模型。结果表明，当$K= \sqrt[δ]{\text{SNR}}$、$δ>3$和$\text{SNR} \rightarrow \infty$为$\fra…
2021-09-26 cs.IT math.IT
Ergodic capacity evaluation of wireless THz fiber extenders
本文的重点是提供量化的结果，随机天线错位，多径衰落和硬件缺陷的太赫兹（THz）无线光纤扩展器的综合影响的评估。在这一行中，我们提出了适当的信号模型，可适应不同的技术和环境参数。特别是，它考虑到天线增益，中心频率，传输范围，环境条件，即温度，湿度和压力，发射机和接收机天线之间的空间抖动，这导致天线不对准，硬件缺陷的强度，以及无线信道的随机行为。基于此模型，我们评估天线错位和多径衰落的联合影响，通过提供信道遍历容量的蒙特卡罗模拟结果。
2019-10-04 cs.IT eess.SP math.IT
New Lower Bounds on the Capacity of Optical Fiber Channels via Optimized Shaping and Detection
星座成形是提高光通信系统性能和速率自适应性的一种实用而有效的技术。原则上，它还可以用于减轻非线性效应的影响，可能会增加信息速率超过光纤非线性所规定的电流限制。然而，这一吸引人的想法是沮丧的困难，设计一个有效的整形策略，考虑到非线性和长记忆的光纤通道，以及可能的相互作用与其他非线性缓解策略。因此，迄今为止只取得了很小的进展，而最佳成形分布和最终的信道容量仍然是未知的。在这项工作中，我们描述了一种新的技术，以优化在一个非常一般的设置和高维空间的成形分布。对于一个简化的块无记忆非线性光信道，所提出的技术得到的容量下限可以解析地表示，建立了一个无限增长的能力与功率的条件。在一个更现实的情况下，该技术可以实现由一个合适的成本函数驱动的拒绝采样算法，和相应的可实现的信息速率估计数值。所提出的技术与改进的（非高斯）解码度量的组合产生了一个新的容量下限的双偏振WDM信道。
2021-12-07 cs.IT eess.SP math.IT
Outage Capacity for the Optical MIMO Channel
光纤通信中的MIMO处理技术已经被提出作为一种有前途的方法来满足对信息吞吐量的日益增长的需求。在这种情况下，多个通道对应于光纤中的多个模式和/或多个芯。本文在一个简单的信道模型下，给出了高斯输入下该系统的互信息分布的特征。假设纤芯之间存在显著的串扰，后向散射可以忽略不计，光纤中的传播接近无损，我们将传输信道建模为随机复酉矩阵。传输中的损耗可以通过光纤中未利用的信道的数量来参数化。我们以双重方式分析系统。首先，我们评估了中断概率的封闭形式的表达式，这是方便的小矩阵。我们还应用渐近方法，特别是库仑气体方法从统计力学，得到封闭形式的结果的遍历互信息，其方差以及中断概率为高斯输入的限制大量的核心/模式。通过比较我们的分析结果模拟，我们看到，尽管这种方法是名义上有效的大量的模式，我们的方法是相当准确的，即使是小到中等数量的通道。
2013-12-01 cs.IT math.IT
Fiber Nonlinearity Mitigation in Coherent Optical Systems
该研究综述了相干光系统中光纤非线性抑制的两类主流方法及最新进展，提出星座整形、低复杂度DBP等未来方向，指出其兼具理论与实用价值。
2025-05-21 cs.IT eess.SP math.IT
Non-parametric Estimation of Mutual Information with Application to Nonlinear Optical Fibers
本文比较和评估了一组非参数互信息估计的目标提供了一种新的工具集，以进步的非线性光信道的容量的分析，这是目前一个悬而未决的问题。论文的第一部分介绍了本文的研究方法。第二部分详细介绍了它们在几个光学相关通道中的应用，以突出它们的特点。
2018-01-24 cs.IT math.IT
Digital Signal Processing for Optical Communications and Networks I: Linear Compensation
在过去的四十年中，随着光放大器、相干检测、先进调制格式和数字信号处理技术的引入和发展，光通信网络的可实现信息速率已经得到了广泛的提高。这些发展促进了光通信系统的革命和互联网的发展，朝着大容量和长距离传输的方向发展。长距离大容量光纤通信系统的性能由于传输损伤（例如色散、偏振模色散、激光相位噪声和克尔光纤非线性）而显著降低。利用相干光检测对信号的幅值和相位进行完整的捕获，利用电域数字信号处理技术可以实现对传输损伤的有力补偿和有效缓解。这成为下一代光通信网络实现接近香农容量极限的性能的最有前途的技术之一。本章将着重介绍和研究基于光信号相干检测的信道损伤补偿的数字信号处理，为实时光纤通信系统的设计和实现提供路线图。
2017-04-19 cs.IT math.IT
A Pragmatic Coded Modulation Scheme for High-Spectral-Efficiency Fiber-Optic Communications
提出了一种实用的编码调制系统，该系统结合了信号整形，并利用了阶梯码的优良性能和高效的高速解码结构。所提出的系统提供了在L=2000 km的系统的估计容量（每个极化）的0.62比特/s/Hz内的可靠通信，误差下限低于1 E-20。此外，它表明，数字反向传播增加了可实现的频谱效率-相对于线性均衡-由0.55至0.75比特/秒/赫兹每极化。
2012-01-19 cs.IT math.IT
An Achievable Rate for an Optical Channel with Finite Memory
光纤通道以各种方式建模;从简单的加性白复高斯噪声模型到在通道中包含记忆的模型。由于克尔非线性，简单的模型不是光纤的良好近似。因此，我们研究了光纤通道与有限的内存，并提供了一个可实现的限制信道容量，提高了以前已知的边界。
2017-10-29 cs.IT math.IT
Interference Focusing for Mitigating Cross-Phase Modulation in a Simplified Optical Fiber Model
介绍了一种无记忆干涉网络模型，该模型是基于使用波分复用在光纤上传输信息时观察到的非线性现象。该模型的主要特征是将一个载波上的幅度变化转换为另一个载波上的相位变化，即，载波通过幅相转换而相互干扰。对于两个载波的情况，提出了称为干扰聚焦的新技术，其中每个载波实现容量pre-log 1，从而使通过使用常规方法实现的pre-log 1/2加倍。该技术既不需要信道时间变化，也不需要全局信道状态信息。概括到两个以上的运营商概述。
2010-04-30 cs.IT math.IT
Digital Domain Power Division Multiplexed Dual Polarization Coherent Optical OFDM Transmission
通信系统的容量是通信系统永恒的追求，这是由于大量的带宽需求。作为现代通信网络的骨干基础设施，光纤传输系统通过利用光载波的可用物理维度（时间、频率、正交、偏振和空间）进行复用，在几十年中经历了显著的容量增长。对于每个维度，必须保证严格的正交性以完美分离独立的复用信号。为了赶上不断增长的容量需求，因此，开发新的复用方法是有趣和重要的，该方法放松正交约束，从而实现更好的频谱效率和更灵活的频率重用。受非正交多址接入（NOMA）方案思想的启发，提出了一种与现有双偏振相干光通信系统完全兼容的数字域功率分复用（PDM）传输技术。相干光正交频分复用（CO-OFDM）调制由于具有频谱利用率高、编码灵活、信道估计容易以及对光纤色散的鲁棒性等优点而被广泛采用。在1440 km标准单模光纤上实现了100 Gb/s波分复用（WDM）传输的PDM-DP-CO-OFDM。两个基带正交相移键控（QPSK）OFDM信号以不同的功率电平叠加在一起。PDM-DP-CO-OFDM信号经过IQ调制、偏振复用和长距离光纤传输后，在典型的偏振分集相干接收机中采用连续干扰抵消（SIC）算法成功地恢复出信号。
2017-06-01 cs.IT math.IT
Upper and Lower Bounds for the Ergodic Capacity of MIMO Jacobi Fading Channels
在多（芯/模）光纤通信中，传输信道可以被建模为Haar分布酉矩阵的复子矩阵（复Jacobi酉系综）。在这封信中，我们提出了新的解析表达式的上界和下界的遍历容量的多输入多输出雅可比衰落信道。最近的结果的Jacobi酉系综的行列式推导出一个严格的遍历能力的下界。我们使用詹森不等式提供了一个分析的封闭形式的上限遍历容量在任何信号噪声比（SNR）。的遍历能力，在低和高信噪比制度的封闭形式的表达式，也来自。仿真结果验证了推导表达式的准确性。
2017-02-27 cs.IT math.IT
Upper Bound on the Capacity of a Cascade of Nonlinear and Noisy Channels
一个上界的非线性和噪声信道的级联的容量。级联模拟分步傅立叶方法计算波形传播的随机广义非线性薛定谔方程。它示出的级联的频谱效率是最多的log（1+SNR），其中SNR是接收机的信噪比。所得结果可应用于光纤信道。然而，带宽的定义是微妙的，并留下开放的解释的界限。其中一些解释进行了讨论。
2015-04-23 cs.IT math.IT
Calculation of Mutual Information for Partially Coherent Gaussian Channels with Applications to Fiber Optics
基于极坐标将复值信道输入与其复值输出之间的互信息分解为四个部分：幅度项、相位项和两个混合项。对加性高斯白噪声（AWGN）信道中各种输入的数值结果表明，在高信噪比（SNR）下，幅度和相位项占主导地位的混合项。对于高斯输入的AWGN信道，推导了高信噪比下的解析表达式。的分解方法被施加到部分相干的信道和属性，这样的信道称为“频谱损失”的开发。光谱损耗发生在非线性光纤信道中，并且它可能是需要考虑的一种效应，以解释最近研究中提出的非线性光纤信道的容量的行为。
2011-04-08 cs.IT math.IT
Capacity of a Nonlinear Optical Channel with Finite Memory
重新讨论了非线性色散光纤链路的信道容量。为此，流行的高斯噪声（GN）模型扩展了一个参数，以考虑到现实的光纤通道的有限内存。这种有限记忆模型很难进行数学分析，但与以前的模型相比，它也适用于非平稳或重尾输入信号。对于未编码传输和标准调制格式，当信道的存储器为约10个符号或更多时，新模型给出与常规GN模型相同的结果。这些结果证实了以前的结果，GN模型是准确的未编码传输。然而，当考虑编码时，使用有限记忆模型获得的结果与以前的模型获得的结果非常不同，即使当信道记忆很大时。特别地，已经针对许多非线性信道模型报告的信道容量的峰值行为似乎是在编码（即，依赖）场景。
2014-03-13 cs.IT math.IT physics.optics
Constructing Sub-exponentially Large Optical Priority Queues with Switches and Fiber Delay Lines
光交换已被认为是跟上不断增长的光纤链路容量的自然选择。利用光交叉开关和光纤延迟线设计光队列是全光交换的一个关键研究课题。在本文中，我们专注于构建一个光优先级队列与一个单一的$(M+2)\times (M+2)$交叉开关和$M$光纤延迟线，并评估它的优先级队列的缓冲区大小。目前，缓冲区大小的最佳已知上限是$O(2^M)$，而现有方法只能构造具有缓冲区$O(M^3)$的优先级队列。在本文中，我们朝着缩小上述巨大差距迈出了一大步。我们提出了一个非常有效的构造优先级队列的缓冲区$2^{Θ(\sqrt{M})}$。我们使用4到1多路复用器与不同的缓冲区大小，这可以有效地构建与SDL，作为中间构建块，以简化设计。在我们的建设中的关键思想是路由每个数据包进入交换机的一些组的四个4-1多路复用器根据其当前的优先级，这是无冲突的。
2016-01-25 cs.IT math.IT
Bounds for the capacity error function for unidirectional channels with noiseless feedback
在诸如光纤通信的数字系统中，$1\to 0$和$0 \to 1$类型的错误概率之间的比率可以很大。实际上，可以假设只会发生一种类型的错误。这些错误是不对称的.单向错误不同于非对称类型的错误;这里$1 \to 0$和$0 \to 1$类型的错误都是可能的，但是在任何提交的码字中，所有错误都是相同类型的。这可以推广到$q$元情况。我们考虑$q$元单向反馈信道，并给出了容量误差函数的界。事实证明，边界取决于字母表$q$的奇偶性。此外，我们表明，反馈，二进制非对称信道的容量误差函数是不同的对称信道。这与没有反馈的函数的行为相反。
2020-04-28 cs.IT math.IT
Analysis of Laser & Detector Placement in MIMO Multimode Optical Fiber Systems
多模光纤（MMF）为中小型网络提供了一种经济高效的连接解决方案。然而，通过多模光纤的数据速率传统上受到模式色散的限制。信号处理和多输入多输出（MIMO）已被证明是有效地克服这些限制，但在MMF中的MIMO的特定目的的设备设计仍然是一个悬而未决的问题。本文利用一个统计场传输模型来辅助分析和设计模场光纤激光器和探测器阵列，旨在提高光纤的数据传输速率。仿真结果表明，最佳的设备设计可以拥有2-3倍的数据承载能力的次优的。
2011-10-04 cs.IT math.IT physics.optics
Optimal input signal distribution for nonlinear optical fiber channel with small Kerr nonlinearity
我们考虑加性高斯噪声下薛定谔方程描述的信息信道。我们介绍了输入信号的模型和输出信号接收器的模型。对于该信道，利用小非线性参数的微扰理论，我们计算了条件概率密度函数在非线性参数下展开的前三项。在大信噪比下，我们计算条件熵，输出信号熵，以及非线性参数中的前导和次前导顺序和参数$1/\mathrm{SNR}$中的前导顺序的互信息。使用互信息，我们找到了最佳的输入信号分布和信道容量的领先和次领先的顺序中的非线性参数。最后，我们提出了一种方法的输入信号的结构与最佳的统计量为给定的信号的形状。
2021-06-22 cs.IT math.IT
Models and Information Rates for Multiuser Optical Fiber Channels with Nonlinearity and Dispersion
针对单段光纤上波分复用和集总放大的信息传输，建立了两种离散时间干涉信道模型。该模型从非线性薛定谔（NLS）方程出发，考虑了自相位调制（SPM）和交叉相位调制（XPM）的非线性现象，忽略了WDM波段内的四波混频（FWM）、偏振效应和群速度色散（GVD）。第一个模型也忽略了跨WDM频带的GVD，称为群速度失配（GVM）。对于两个用户的情况，提出了一种称为“干扰聚焦”的新技术，其中每个载波实现容量pre-log 1，从而使通过使用常规方法实现的pre-log 1/2加倍。对于三个用户，干扰聚焦在某些条件下也是有用的。第二个模型捕捉GVM和滤波的效果，在接收器除了SPM和XPM。在一个三用户系统中，它表明，所有用户可以实现最大的前对数因子1同时通过使用干扰聚焦，一个时间限制的脉冲和一组滤波器在接收机。
2017-08-11 cs.IT math.IT
A Joint Wireless-Optical Front-haul Solution for Multi-user Massive MIMO 5G RAN
我们展示了一种用于多用户大规模多输入多输出5G RAN的高容量光纤中频移动前传解决方案。使用该方案，在没有光纤色散补偿的情况下，在40 km以上的单个光波长上传输了创纪录的25.6 GHz的聚合无线电带宽
2020-11-18 cs.IT eess.SP math.IT
Construction of Subexponential-Size Optical Priority Queues with Switches and Fiber Delay Lines
全光交换被认为是跟上不断增长的光纤链路容量的自然选择。全光交换的一个关键研究问题是解决分组竞争的光缓存器的设计。最通用的缓冲方案之一是光优先级队列，其中每个分组在其到达时与唯一的优先级相关联，并且按照优先级的顺序离开队列，并且当新分组到达但缓冲器已满时，具有最低优先级的分组总是被丢弃。本文研究了一种光优先级排队的反馈结构，该排队由一个$\boldsymbol{(M+2)\times (M+2)}$光交叉开关和连接开关$\boldsymbol{M}$输入和$\boldsymbol{M}$输出的$\boldsymbol{M}$光纤延迟线组成。我们提出了一种新的结构的光优先级队列的缓冲区$\boldsymbol{2^{Θ(\sqrt{M})}}$，这大大提高了所有以前的建设，只有缓冲区的$\boldsymbol{O(M^c)}$大小为常数整数$\boldsymbol{c}$。我们的建设背后的关键思想包括：（i）使用先进先出复用器，这承认有效的SDL结构，用于反馈数据包的交换机，而不是光纤延迟线，和（ii）使用的路由策略，这是类似于自路由，其中每个数据包进入交换机被路由到一些复用器，主要是由其当前的优先级排名。
2019-10-20 cs.IT math.IT
Achievable Rates of Multidimensional Rotationally Invariant Distributions
分析了加性高斯白噪声背景下多维旋转不变分布的最大可达速率或互信息。一个简单的表达式的特殊情况下，多球分布。这种分布由多维欧几里得空间中均匀分布在多个多维同心超球面上的点组成。对于2维情况，这样的分布先前已经被考虑，以减少找到光纤信道的信道容量上的边界的计算复杂性。这些分布利用了光纤通道中噪声和非线性失真的统计旋转不变性。利用推导出的互信息表达式，对线性噪声主导的光纤双偏振信道的二维和四维多球分布进行了比较。在高信噪比下，4维多球分布提供比在光载波的两个偏振中的每一个上传输的2维多球分布更高的可实现速率。这种4维多球分布也被证明是统计不变的4维非线性传输的光纤。
2016-04-14 cs.IT math.IT
Capacity Region Bounds for the K user Dispersive Nonlinear Optical WDM Channel with Peak Power Constraints
众所周知，光纤非线性在波分复用（WDM）系统中引起串扰，这限制了这种系统的容量，因为传输的信号功率增加。WDM系统中的网络用户是围绕给定光波长工作的实体。传统上，WDM系统的信道容量是在对其他用户的发送信号的不同假设下进行分析的，同时将来自这些用户的干扰视为噪声。本文从多用户信息论的角度出发，将受交叉相位调制和色散影响的WDM光系统看作是一个干扰信道。我们的特点是同时可达到的速率对的容量区域上的一个外边界，假设一个简化的K-用户扰动信道模型，使用基因辅助技术。此外，可实现的速率区域之间的某些单用户策略的时间共享获得。结果表明，这种分时可以实现更好的率元组相比，处理非线性干扰噪声。对于所考虑的单极化单跨距系统和高于最佳发射功率4.4 dB的功率，将非线性干扰视为噪声导致1.67 bit/sym的速率，而分时给出6.33 bit/sym的速率。
2022-06-06 cs.IT math.IT
Rates Achievable on a Fiber-Optical Split-Step Fourier Channel
推导了分步傅立叶信道容量的下界。所研究的信道是一个较小的段的串联，在其中对信号执行三个操作，即非线性、线性和噪声添加。仿真结果表明，对于一个固定的段数，我们的下限饱和在高功率区，段数越大，饱和点越高。我们还得到了另一个下界，这是不太紧，但有一个简单的封闭形式的表达。这个界限使我们可以得出结论，饱和点的增长与段数无界。具体而言，它以$c+(1/2)\log(K)$的形式增长，其中$K$是段的数量，而$c$是常数。我们的通道模型和非线性薛定谔方程之间的联系进行了讨论。
2016-10-21 cs.IT math.IT physics.optics
Introducing Meta-Fiber into Stacked Intelligent Metasurfaces for MIMO Communications: A Low-Complexity Design with only Two Layers
本文提出将meta-fiber引入堆叠智能超表面（SIM），设计出具有低复杂度的2层SIM结构。通过优化相移建立无干扰系统并提出闭式表达式，该设计在信道容量上提升超25%，同时显著减少了meta-atoms总数。
2025-09-16 cs.IT eess.SP math.IT
The Hermitian Jacobi process: simplified formula for the moments and application to optical fibers MIMO channels
利用对称函数代数中的基的变化，我们计算厄米特雅可比过程的矩。经过仔细安排的条款和评估的行列式的“几乎上三角形”矩阵，我们最终得到一个时刻公式，这是相当简单的比一个来自\cite{Del-Dem}。作为一个应用，我们提出了厄米雅可比过程作为一个动态模型的光纤MIMO信道，并计算其香农容量足够小的功率在发送端。此外，当Hermitian Jacobi过程的大小大于矩阶时，我们的矩公式可以写成单位辐角处的平衡终止${}_4F_3$ -级数的线性组合。
2020-06-19 cs.IT math.CO math.IT
Strong converse for the classical capacity of optical quantum communication channels
我们建立的经典容量的光学量子信道之间的急剧过渡制度-这是一个错误的制度，通信速率低于容量，和其他的概率正确解码的经典消息收敛到零，如果通信速率超过经典容量。这一结果是通过证明所有相位不敏感玻色高斯信道的经典容量的强逆定理而获得的，玻色高斯信道是光量子通信信道的一个完善模型，例如有耗光纤，放大器和自由空间通信。该定理在特定的光子数占据约束下成立，我们在本文中详细描述了这一点。我们的研究结果支持了对这些通道的经典容量的理解，并为应用开辟了道路，例如证明具有光链路的密码学的噪声量子存储模型的安全性。
2015-02-11 cs.IT math.IT quant-ph
Practical Implementation of Sequence Selection for Nonlinear Probabilistic Shaping
我们提出了两种新的技术来实现序列选择（SS）的光纤非线性缓解，表现出0.24位/秒/赫兹的非线性整形增益，只有0.1位/秒/赫兹以下的SS容量下限。
2022-10-23 cs.IT eess.SP math.IT
Closed-Form Expressions of Ergodic Capacity and MMSE Achievable Sum Rate for MIMO Jacobi and Rayleigh Fading Channels
多模/多芯光纤有望提供一种有吸引力的解决方案来克服当前光通信系统的容量限制。在模式/芯之间存在高串扰的情况下，输入/输出传输矩阵的平方奇异值遵循随机矩阵的雅可比系综的定律。假设信道状态信息仅在接收端可用，我们推导出MIMO雅可比衰落信道的遍历容量的新表达式。这个表达式涉及二重积分，可以很容易和有效地评估。此外，在推导该表达式时所使用的方法并不诉诸于随机矩阵模型的经典的一点相关函数。利用Jacobi多项式和Laguerre多项式之间的极限转换，我们推导出了MIMO瑞利衰落信道的遍历容量的类似公式。此外，我们推导出一个新的精确的封闭形式的表达式MIMO雅可比和瑞利衰落信道采用线性最小均方误差（MMSE）接收机的可达和速率。分析结果进行了比较，通过Monte Carlo模拟得到的结果和文献中的相关结果，这表明完美的协议。
2020-06-10 cs.IT math.IT math.PR
Capacity and Delay Analysis of Next-Generation Passive Optical Networks (NG-PONs) - Extended Version
基于以太网无源光网络（EPON）和千兆位PON（GPON）标准，下一代（NG）PON（i）提供增加的数据率、分流比、波长计数和光纤长度，以及（ii）允许接入和城域网的全光集成。在本文中，我们提供了一个全面的概率分析的能力（最大平均分组吞吐量）和分组延迟的子网，可用于形成NG-PON。我们的分析可以涵盖广泛的NG-PON通过采取的最小容量的子网络组成的NG-PON和加权的分组延迟的子网络。我们的数值和模拟结果表明，我们的分析相当准确地表征了EPON/GPON树型网络的吞吐量延迟性能，包括网络升级与更高的数据率和波长计数。我们的分析还描述了在城域范围内集成EPON/GPON树型网络时的权衡和瓶颈，其中包括环形、无源星形耦合器（PSC）或阵列波导光栅（AWG），以实现均匀和非均匀流量。据我们所知，所提出的分析是第一次考虑多个PON通过城域网互连。
2013-11-04 cs.IT cs.NI math.IT
Terminated and Tailbiting Spatially-Coupled Codes with Optimized Bit Mappings for Spectrally Efficient Fiber-Optical Systems
该研究针对频谱高效光纤通信系统，基于密度进化分析优化两类空间耦合前向纠错码的比特映射，显著提升尾咬型码性能且开销更低，验证终止型码顺序分配已近最优。
2015-01-08 cs.IT math.IT physics.optics
Ripple Distribution for Nonlinear Fibre-Optic Channels
由于Shannon证明了高斯分布对于加性高斯白噪声的线性信道是最优的，并计算了相应的信道容量，它仍然是光通信中最常用的分布，而容量结果被称为开创性的线性Shannon极限。然而，当它被应用在非线性信道（如光纤），它已被证明是非最佳的，产生相同的结果，在高非线性制度的未编码传输。这导致了非线性香农极限的概念，它预测在高非线性消失的能力。然而，最近的研究结果表明，非高斯分布可能会导致改进的容量估计，敦促一个令人兴奋的搜索非线性光通信的新方法。在这里，我们第一次表明，有可能通过使用一种新的输入信号的概率整形（我们称之为纹波分布）来传输高于现有限制的信息
2016-10-25 cs.IT math-ph math.IT
