Análise de Potência do Sinal Óptico em Sistemas SAC-OCDMA Usando OFDM

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1 III Escola Regional de Informática do Piauí. Livro Anais - Artigos e Minicursos, v. 1, n. 1, p , jun, ISBN: Análise de Potência do Sinal Óptico em Sistemas SAC-OCDMA Usando OFDM Kátia Cibele Ribeiro da Cunha 1, José Valdemir dos Reis Junior 1 1 Departamento de Computação Universidade Federal do Piaui. (UFPI) Teresina PI Brasil katiacih@gmail.com, valdemirreis@ufpi.edu.br Abstract. The Code Division Multiple Access System using Spectral Amplitude Coding (SAC-OCDMA) encounters several challenges to support the large number of concurrent users such as noise and Multiple Access Interference (MAI) that is characterized by chip overlap. Thus, the use of the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technique can minimize the effects of noise sum on the system and reduce multiple access interference. In this context, the main objective of this article is to describe and analyze the mathematically the SAC- OCDMA system combined with the OFDM technique in order to determine the performance of the optical system as to the power of the transmitted signal. The analyzes were performed considering ballistic noise, intensity induced noise per phase (PIIN), number of concurrent users and different encodings. It was observed that ballistic noise and PIIN noise increases according to the increase in signal power, and it is concluded that the SAC-OCDMA system combined with OFDM is more efficient especially in noise reduction and the MAI effect with the use of codes Flexible Cross Correlation (FCC) and Modified Double Weight (MDW). Resumo. O Sistema de Acesso Múltiplo por Divisão de Código utilizando Codificação de Amplitude Espectral (SAC-OCDMA) encontra várias desafios para suportar o grande número de usuários simultâneos como os ruídos e a Interferência de Acesso Múltiplo (MAI) que é caracterizada pela sobreposição de chips. Assim, o uso da técnica de Multiplexação por Divisão de Frequências Ortogonais (OFDM) pode minimizar os efeitos das somas dos ruídos no sistema e reduzir a interferência de acesso múltiplo. Nesse contexto, o objetivo principal deste artigo é descrever e analisar matematicamente o sistema SAC-OCDMA combinado com a técnica OFDM com o propósito de determinar o desempenho do sistema óptico quanto a potência do sinal transmitido. As análises foram realizadas considerando o ruído balístico, o ruído de intensidade induzido por fase (PIIN), o número de usuários simultâneos e diferentes codificações. Percebeu-- se que o ruído balístico e o ruído PIIN aumenta de acordo com o aumento da potência do sinal, concluindo-se que o sistema SAC-OCDMA combinado com OFDM é mais eficiente especialmente na redução de ruídos e do efeito MAI com uso de códigos Flexible Cross Correlation (FCC) e Modified Double Weight (MDW). 1. Introdução O aumento da demanda de serviços de voz, vídeo e dados exige que a infraestrutura seja adequada para suprir a demanda de serviços. Assim as redes ópticas pas-

2 sivas (PON) são importantes candidatas para este fim pois possuem vantagens como a capacidade de oferecer altas taxas de transmissão de dados com qualidade, possuir os menores custos de OPEX e CAPEX que representam o custo estimado de manutenção e implantação respectivamente [dos Reis Junior 2009], possui imunidade a interferências eletromagnéticas, logo uma candidata promissora para as redes ópticas futuras [Muciaccia et al. 2014, Srivastava 2013]. Para possibilitar a transmissão de dados em redes PON para múltiplos usuários é necessário técnicas para gerenciar o acesso a rede, como por exemplo a a técnica de Acesso Múltiplo por Multiplexação por Divisão de Código (OCDMA) que consiste na divisão de dados em intervalos de tempo denominados chips, assim a largura de banda é dividida em códigos no qual cada código pertence a um usuário [dos Reis Junior 2009]. A transmissão utilizando essa técnica possui segurança na camada física, uma vez que o código do usuário é formado por uma sequência de chips, dificultando assim que o sinal seja interceptado. Assim, em [Abd et al. 2011] e [Abd et al. 2012] foram realizados estudos que destacaram o uso de Codificação de Amplitude Espectral (SAC) associado a técnica OCDMA para aumentar a capacidade de suportar um maior número de usuários simultâneos, além de ser eficaz para minimizar a Interferência de Múltiplo Acesso (MAI) que ocorre devido a sobreposição de chips entre os códigos dos usuários, gerando uma interferência, dificultando o processo de decodificação do sinal. Entretanto, um número elevado de usuários pode acarretar a geração outros ruídos que degradam o sinal como o ruído balístico ocasionado quando um sinal incide no fotodetector comprometendo a saída de dados, enquanto que o ruído de intensidade induzida por fase (PIIN) esta relacionado ao efeito MAI devido a sobreposição de espectros pelos códigos dos usuários [Rashidi et al. 2014]. Assim uma solução considerada na literatura [Aldhaibani et al. 2015b] para diminuir os ruídos é o uso do sistema SAC-OCDMA associado a Multiplexação por Divisão de Frequência (OFDM) que consiste na transmissão de múltiplos sinais em paralelo denominados subportadoras [Agrawal 2014], em outras palavras, os dados são enviados pelo transmissor através de ondas de portadoras que são fracionadas para cada usuário em subportadoras. Nesse contexto, este artigo tem como objetivo descrever e analisar um sistema SAC-OCDMA usando modulação OFDM relacionando a potência do sinal e os ruídos balístico e ruídos de intensidade induzida por fase. Com esta técnica as interferências podem ser reduzidas dado que os sinais são modulados em subportadoras diferentes e combinados a técnica de codificação de amplitude espectral (SAC) que comprovadamente minimiza os efeitos MAI [Aldhaibani et al. 2015b]. Para atingir o objetivo pretendido, realizou-se uma avaliação matemática sobre o sistema proposto a fim de validar seu desempenho considerando 4 cenários com os códigos OCDMA: Modified Double Weight (MDW) [Aljunid et al. 2005], Random Diagonal (RD)[Fadhil et al. 2009], Flexible Cross Correlation (FCC) [Aldhaibani et al. 2015a] e Enhanced Double Weight (EDW) [Zahid et al. 2009]. O trabalho está organizado da seguinte forma: na seção 2 é descrito o funcionamento do sistema SAC-OCDMA-OFDM e como possibilita a supressão de ruídos; na seção 3 são apresentados os resultados encontrados, seguidos das conclusões.

3 2. Descrição do Sistema SAC-OCDMA com OFDM O sistema SAC-OCDMA-OFDM é baseado na técnica de detecção de subtração AND no qual faz uso de um subtrator no lado receptor que atua como um filtro de banda óptica para detectar os chips que foram alterados pela correlação inadequada e assim impedir que o efeito MAI ocorra [Rashidi et al. 2014, Sahbudin et al. 2009]. No processo de transmissão o sinal é modulado através da divisão de subportadoras no domínio da frequência como demonstrado na figura 1.a e na recepção observa-se a presença de um subtrator que possui a função de filtra os chips indesejáveis que são detectados através da operação AND entre duas sequencias geradas pela divisão do sinal de entrada e assim obtendo uma estrutura de filtro idêntica ao codificador e outra estrutura idêntica ao decodificador com o filtro AND [Kaur and Singh 2015, Aldhaibani et al. 2015b] como observado na figura 1.b. (a) (b) Figura 1. Sistema SAC-OCDMA-OFDM 3. Modelagem Matemática do Sistema SAC-OCDMA-OFDM Para esta análise são considerados os ruídos balístico < I sh > descrito em (1) e ruído de intensidade induzido por fase < i P IIN > como mostrado em (2) [Aldhaibani et al. 2015b]. A responsividade do fotodetector R é caracterizada pela equação R = (η e)/ (h V c), onde η é a eficiência quântica, e é a carga de elétron, h é a constante de Planck e V c é a frequência central de impulso óptico [Aldhaibani et al. 2015b, Abd et al. 2012, Sahbudin et al. 2009]. I sh = 2eBRP sr(w + 3) N (1) i P IIN = BR2 P 2 srkw (W + 3) N 2 v (2) Caracterizando códigos OCDMA, deve-se considerar W e N que representam a ponderação e o comprimento do código respectivamente, assim para cada tipo de código obtemos tamanhos diferentes de acordo com suas características [Fadhil et al. 2009, Aljunid et al. 2005, Aldhaibani et al. 2015a]. Como pode ser observado nas equações (3), (4), (5) e (6) para calcular os comprimentos dos códigos (MDW), (FCC), (RD) e (EDW) utilizou-se as equações abaixo onde k representa o número de usuários [Aljunid et al. 2005, Fadhil et al. 2009, Aldhaibani et al. 2015a, Zahid et al. 2009]. N MDW = 3k [sin(kπ 3 )]2 (3) N F CC = (W k) (k 1) (4)

4 N RD = k + 2W 3 (5) N EDW = 2k [sin kπ 3 ] )π [sin((k )] )π [sin((k )] 2 (6) A tabela 1 contém os valores para os parâmetros adotados nas simulações dos Sistema SAC-OCDMA-OFDM. A modelagem matemática e valores utilizados para o trabalho foram considerados com base em trabalhos relacionados [Aldhaibani et al. 2015b, Anuar et al. 2009, Kaur and Singh 2015, Zahid et al. 2009]. Tabela 1. Valores e Parâmetros Parâmetros Simbolo Valor Fonte de Banda Larga v 3.75 THz Eficiência quântica do fotodetector η 0.6 Carga do Elétron e Temperatura de Ruído Tn 300k Resistência de Carga no Receptor Rl 1030 Ω Constante de Planck h js Constante de Boltzmann s Kb jk Largura de Banda Elétrica B 311MHz Comprimento de Onda λ 1550 nm Número de subportadoras N 256 (a) (b) Figura 2. Ruído Balístico e Ruído PIIN em Sistema SAC-OCDMA-OFDM 4. Resultados e Discussões O sistema SAC-OCDMA-OFDM foi analisado relacionando os ruídos balísticos e os ruídos de intensidade de fase (PIIN) gerados por cada código OCDMA levando em consideração variações da potência do sinal. Dessa forma, foram analisados o uso de códigos OCDMA FCC, MDW, EDW e RD com ponderação de W = 4 para os códigos FCC, MDW e RD e ponderação de W = 3 para EDW, onde P sr varia de -35 db a 0 db para

5 50 usuários. Os valores são fixos de acordo com a tabela 1 e as equações matemáticas 1, 2 e?? usadas para os cálculos da responsividade de fotodetector, ruídos balístico e ruído PIIN são usados para avaliação do desempenho do sistema. A figura 2.a indica a variação do ruído balístico em relação a potência P sr que varia entre -35 db a 0 db. O resultado indica que à medida que a potência aumenta, o ruído de todos os códigos também aumenta proporcionalmente, além disso observa-se que o ruído para o código RD possui uma variação maior em relação aos outros com (10 15 W) enquanto FCC que possui o menor ruido de (10 18 W) aproximadamente embora seja pequena a diferença entre FCC e MDW. Matematicamente, a equação PIIN (2) mostra que o ruído é reduzido de acordo com o tamanho do código e o peso, com o valor de P sr fixo. Assim a figura 2.b demonstra o ruído PIIN considerando o número de usuários fixado em 50, utilizando a rede simultaneamente e P sr variando de -35 db a 0 db.os resultados apontam que para todos os códigos o ruído aumenta à medida que a potência aumenta e as codificações MDW e FCC possuem desempenho melhor que os demais pois possuem menores ruídos balístico e ruídos PIIN. 5. Conclusões e Trabalhos Futuros Neste trabalho foram apresentados os resultados de desempenho do sistema SAC- OCDMA-OFDM em termos de potencia do sinal, considerando o ruído de intensidade induzido por fase (PIIN) e ruído balístico. Os resultados indicam que o ruído balístico aumenta à medida que a potência também aumenta para todos os códigos, porém o FCC e MDW demonstraram ter o menor ruído balístico. Com relação ao ruído PIIN observou-se que para todos os códigos os resultados apresentam o mesmo comportamento em correspondência ao aumento da potência. Conclui-se que o sistema SAC-OCDMA-OFDM demonstra grandes possibilidades para arquitetura de rede e como solução para redução de ruídos. Assim para trabalhos futuros, um estudo mais aprofundado sobre as potencialidades do sistema através de simulações para comprovar sua eficiência em supressão do efeito MAI e outras possíveis interferências. Referências Abd, T. H., Aljunid, S., Fadhil, H. A., Ahmad, R., and Saad, N. (2011). Suppression of the phase induced intensity noise based on the dynamic cyclic shift code for sacocdma access networks. In Photonics (ICP), 2011 IEEE 2nd International Conference on, pages 1 5. IEEE. Abd, T. H., Aljunid, S., Fadhil, H. A., Radhi, I. F., Ahmad, R., and Rashid, M. (2012). Performance improvement of hybrid scm sac-ocdma networks using multi-diagonal csode. Scientific Research and Essays, 7(11): Agrawal, G. (2014). Sistemas de Comunicação Por Fibra Óptica, Tradução da 4 a Edição, volume 4. Elsevier Brasil. Aldhaibani, A., Aljunid, S., Anuar, M., Arief, A., and Rashidi, C. (2015a). Development of ocdma system based on flexible cross correlation (fcc) code with ofdm modulation. Optical Fiber Technology, 22:7 12.

6 Aldhaibani, A., Aljunid, S., Anuar, M., and Nordin, J. (2015b). Reducing the effect of noise for sac-ocdma system by using ofdm modulation. Indian Journal of Science and Technology, 8(31). Aljunid, S., Samad, M., Othman, M., Hisham, M., Kasiman, A., and Abdullah, M. (2005). Development of modified double-weight code and its implementation in multi-rate transmissions. In Networks, Jointly held with the 2005 IEEE 7th Malaysia International Conference on Communication., th IEEE International Conference on, volume 1, pages 5 pp. IEEE. Anuar, M. S., Aljunid, S. A., Saad, N., and Hamzah, S. (2009). New design of spectral amplitude coding in ocdma with zero cross-correlation. Optics Communications, 282(14): dos Reis Junior, J. V. (2009). Modelagem de redes CDMA-PON baseadas em técnicas de cancelamento paralelo e códigos corretores de erros. PhD thesis, Universidade de São Paulo. Fadhil, H. A., Aljunid, S. A., and Ahmad, R. (2009). New code structures based on coherent and incoherent sources for spectral amplitude coding-ocdma systems. In Information Management and Engineering, ICIME 09. International Conference on, pages IEEE. Kaur, A. and Singh, G. (2015). Performance comparison of various detection techniques for sac-ocdma system using dw and mdw code. In Computing and Communication (IEMCON), 2015 International Conference and Workshop on, pages 1 6. IEEE. Muciaccia, T., Gargano, F., and Passaro, V. (2014). Passive optical access networks: State of the art and future evolution. In Photonics, volume 1, pages Multidisciplinary Digital Publishing Institute. Rashidi, C., Aljunid, S., Ghani, F., Fadhil, H., Anuar, M., and Arief, A. (2014). Cardinality enrichment of flexible cross correlation (fcc) code for sac-ocdma system by alleviation interference scheme (ais). Optik-International Journal for Light and Electron Optics, 125(17): Sahbudin, R. K. Z., Abdullah, M. K., and Mokhtar, M. (2009). Performance improvement of hybrid subcarrier multiplexing optical spectrum code division multiplexing system using spectral direct decoding detection technique. Optical Fiber Technology, 15(3): Srivastava, A. (2013). Next generation pon evolution. In Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series, volume 8645, page 09. Zahid, A. Z. G., Hasoon, F. N., and Shaari, S. (2009). New code structure for enhanced double weight (edw) code for spectral amplitude coding ocdma system. In Future Computer and Communication, ICFCC International Conference on, pages IEEE.