Técnicas de Probabilistic Constellation Shaping para sistemas 400G

Abstract

O mundo está a evoluir nas mais diversas _áreas. Contudo, a evolução mais assinalável verifica-se ao nível do desenvolvimento tecnológico, como uma resposta ás necessidades da população. O avanço no mundo tecnológico implica um aumento no tráfego de dados e no ritmo de transmissão a que os mesmos são transportados. Para fazer face ás exigências no que toca ao desempenho dos sistemas digitais, é esencial que existam técnicas que permitam a otimização do processo de transferência de informação. Embora a utilidade da modulação Quadrature Amplitude Modulation (QAM) seja um dado adquirido, nomeadamente em aplicações de entrega de transmissão domésticas por cabo ou em comunicações por ondas de rádio, nada impede que a comunicação QAM seja melhorada. _E neste contexto que surge o Probabilistic Constellation Shaping (PCS), que promete diminuir o número de erros ocorridos durante a transmissão, assim como reduzir a energia necessária para que a modulação QAM seja efetuada. Tratando-se de um esquema de codificação, a aplicação do Forward Error Correction (FEC), a um sistema de transmissão digital, permite a obtenção de um número de erros extremamente reduzido. Tanto o PCS como o FEC providenciam ganhos, em termos de relação sinal-ruído, ao sistema no qual são aplicados. Nesta dissertação, pretende-se explorar o conceito de PCS, apresentando-se algumas técnicas para a sua implementação em sistemas a operar a uma taxa de 400Gb/s. Ilustrar-se-ão as constelações QAM modeladas probabilisticamente e comparar-se-ão os valores de Bit Error Ratio (BER), energia média e entropia dos sistemas com e sem o bloco de PCS presente. O conceito do FEC também é explicado, com destaque para os códigos de blocos, que são os escolhidos para a implementação do mesmo num contexto pratico. Nos resultados das simulações dos sistemas com codificação, o principal objetivo é a determinação do ganho de codificação.

The world is evolving in many different areas. However, the most remarkable improvement occurs in the technological development, as a response to the needs of the population. The advancement in technological world implies increases in data trafic and at the transmission rate at which they are carried over. To meet the performance demands of digital systems, techniques allowing the optimization of the information transfer process are essential. Although the usefulness of Quadrature Amplitude Modulation (QAM) is taken as guaranteed, namely in cable home transmission delivery applications or radio wave communications, nothing prevents QAM communication from being improved. It is in this sense that Probabilistic Constellation Shaping (PCS) arises, which promises to decrease the number of errors occured during the transmission, as well as reducing the required energy for QAM modulation being performed. As a coding scheme, Forward Error Correction (FEC) is applied to a digital transmission system to obtain extremely small error numbers. Both PCS and FEC provide gains, in terms of signal-to-noise ratio, to the system in which they are applied. In this dissertation, it is intended to explore the concept of PCS, introducing some techniques for its implementation on systems operating at a rate of 400 Gb/s. Probabilistically modeled QAM constellations will be ilustrated and the values of Bit Error Ratio (BER), average energy and entropy of the systems will be compared, with or without the PCS block. The concept of FEC is also explained, highlighting the block codes, which are the codes chosen for its implementation in a practical context. In the simulation results of systems with coding, the main objective is to determine the coding gain.