Transmission of 5G signals in multicore fibers impaired by inter-core crosstalk

Abstract

A capacidade de dados exigida pelo surgimento do 5G levou a mudanças na arquitetura das redes sem fios passando a incluir fibras multinúcleo (MCFs, acrónimo anglo-saxónico de multicore fibers) no fronthaul. No entanto, a transmissão de sinais nas MCFs é degradada pela interferência entre núcleos (ICXT, acrónimo anglo-saxónico de intercore crosstalk). Neste trabalho, o impacto da ICXT sobre o desempenho na transmissão de sinais CPRI (acrónimo anglo-saxónico de Common Public Radio Interface) numa rede de acesso 5G com detecção direta, suportada por MCFs homogéneas com um acoplamento reduzido entre núcleos, é estudado através de simulação numérica. A taxa de erros de bit (BER, acrónimo anglo-saxónico de bit error rate), a análise de padrões de olho, a penalidade de potência e a indisponibilidade são utilizadas como métricas para avaliar o impacto da ICXT no desempenho do sistema, considerando dois modelos para a polariza- ção dos sinais. Os resultados numéricos são obtidos através da combinação de simulação de Monte Carlo com um método semi-analítico para avaliar a BER. Para uma penalidade de potência de 1 dB, para sinais CPRI com FEC (acrónimo anglo-saxónico de forward-error correction), devido ao aumento do walkoff da MCF de 1 ps/km para 50 ps/km, a tolerância dos sinais CPRI relativamente à ICXT aumenta 1.4 dB. No entanto, para níveis de interferência que levam a uma penalidade de potência de 1 dB, o sistema está praticamente indisponível. Para alcançar uma probabilidade de indisponibilidade de 10-5 usando sinais com FEC, são necessários níveis de interferência muito mais reduzidos, abaixo de -27:8 dB e -24:8 dB, para sinais de polarização única e dupla, respectivamente. Este trabalho demonstra que é essencial estudar a indisponibilidade em vez da penalidade de potência de 1 dB para garantir a qualidade do serviço em sistemas de comunicação óptica com detecção direta suportados por MCFs homogéneas com um acoplamento reduzido entre núcleos onde a ICXT domina a degradação do desempenho.

The data capacity demanded by the emergence of 5G lead to changes in the wireless network architecture with proposals including multicore fibers (MCFs) in the fronthaul. However, the transmission of signals in MCFs is impaired by intercore crosstalk (ICXT). In this work, the impact of ICXT on the transmission performance of Common Public Radio Interface (CPRI) signals in a 5G network fronthaul supported by homogeneous weakly-coupled MCFs with direct detection is studied by numerical simulation. Bit error rate (BER), eye-patterns analysis, power penalty and outage probability are used as metrics to assess the ICXT impact on the system performance, considering two models for the signals polarizations. The results are obtained by combining Monte Carlo simulation and a semi-analytical method to assess numerically the BER. For 1 dB power penalty, with forward error correction (FEC) CPRI signals, due to the increase of the MCF walkoff from 1 ps/km to 50 ps/km, an improvement of the tolerance of CPRI signals to ICXT of 1.4 dB is observed. However, for crosstalk levels that lead to 1 dB power penalty, the system is unavailable with very high outage probability. To reach a reasonable outage probability of 10−5 for FEC signals, much lower crosstalk levels, below -27:8 dB, and -24:8 dB, for single and dual polarization signals, respectively, are required. Hence, this work shows that it is essential to study the outage probability instead of the 1 dB power penalty to guarantee quality of service in direct-detection optical communication systems supported by weakly-coupled homogeneous MCFs and impaired by ICXT.