Arbitrary signal constellation design for optical coherent transmission systems
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Resumen
Esta tesis doctoral propone un enfoque basado en densidad no supervisado para la demodulación en tiempo real de constelaciones arbitrarias en comunicaciones ópticas coherentes. Los receptores de telecomunicaciones tradicionales asumen formatos de modulación simétricos y estandarizados que se basan en límites de decisión fijos para la recuperación de símbolos. Este trabajo extiende los marcos convencionales al detectar variaciones inesperadas en la señal mediante aprendizaje automático no supervisado. En lugar de imponer rejillas rígidas de decisión, la información se recupera a través del seguimiento de recurrencias estadísticas, reemplazando los umbrales de decisión estáticos con límites de clúster actualizados dinámicamente en tiempo real.
Para materializar este esquema en entornos de alta velocidad, se desarrolló DBDemod, un demodulador en tiempo real basado en FPGA para constelaciones arbitrarias, utilizando un algoritmo DBSTREAM adaptado. Este método de micro-agrupamiento basado en densidad unifica la ecualización, la sincronización y la detección en una cadena de procesamiento optimizada. La arquitectura heterogénea CPU-FPGA equilibra la eficiencia y la flexibilidad: la FPGA maneja la paralelización masiva de comparaciones recurrentes y el mapeo de estadísticas en un solo ciclo de reloj, incluso con recursos finitos, mientras que la CPU gestiona la matriz de adyacencia y las reglas de desmapeo, permitiendo actualizaciones de la lógica de constelación vía software sin rediseño de hardware.
Las optimizaciones técnicas minimizan los costos computacionales y energéticos al reemplazar exponenciales complejas con operaciones de corrimiento de bits (potencias de dos) en formato de punto fijo. Implementado en AWS F2 VU47P mediante Síntesis de Alto Nivel (HLS), alcanza un rendimiento de 210.52 Gbps con <7 % de utilización de recursos (LUT: 70,785; FF: 92,033; BRAM: 120; DSP: 512). Validado bajo AWGN, ruido de fase no lineal, 16/32/64-QAM y constelaciones arbitrarias, DBDemod habilita redes ópticas elásticas autoadaptativas, caracterización de canales ópticos submarinos (ONRG-AFOSR N62909-24-1-2088) y transceptores de próxima generación agnósticos al formato (Texto tomado de la fuente)
Abstract
This PhD thesis proposes an unsupervised density-based approach for real-time arbitrary constellation demodulation in coherent optical communications. Traditional telecommunications receivers assume standardized, symmetrical modulation formats relying on fixed decision boundaries for symbol recovery. This work extends conventional frameworks by detecting unexpected signal variations using unsupervised machine learning. Rather than imposing rigid decision grids, information is recovered through statistical recurrence tracking, replacing static decision thresholds with dynamically updated cluster boundaries in real time.
To realize this scheme in high-speed environments, DBDemod, a real-time FPGA-based demodulator for arbitrary constellations, was developed using an adapted DBSTREAM algorithm. This density-based micro-clustering method unifies equalization, synchronization, and detection into a streamlined processing chain. The heterogeneous CPU-FPGA architecture balances efficiency and flexibility: the FPGA handles massive parallelization of recurrent comparisons and statistics mapping in a single clock cycle, even with finite resources, while the CPU manages the adjacency matrix and demapping rules, enabling constellation logic updates via software without hardware redesign.
Technical optimizations minimize computational and energy costs by replacing complex exponentials with bit-shift operations (powers of two) in fixed-point format. Implemented on AWS F2 VU47P via High-Level Synthesis, it achieves 210.52 Gbps throughput with <7 % resource utilization (LUT: 70,785; FF: 92,033; BRAM: 120; DSP: 512). Validated under AWGN, nonlinear phase noise, 16/32/64-QAM, and arbitrary constellations, DBDemod enables self-adaptive elastic optical networks, underwater optical channel characterization (ONRG-AFOSR N62909-24-1-2088), and next-generation format-agnostic transceivers
Descripción
ilustraciones (graficas, tablas)