ANÁLISE E COMPARAÇÃO DO DESEMPENHO DE SISTEMAS OCDMA COERENTES E INCOERENTES

Documentos relacionados
FERNANDO TELES DA CRUZ

MARCELO MALAQUIAS DOS SANTOS

INF003 Seminários de Pesquisa Modelagem de Redes Ópticas CDMA (OCDMA) Coerentes

Análise de escalabilidade de sistemas TS-OCDMA

Multiplexação por divisão de frequência em links de fibra ótica para arranjo de antenas defasadas

2 Comunicação Óptica: Apresentação e Análise das Tecnologias mais Relevantes na Atualidade

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO DIRETORIA DE PESQUISA

Redes de Computadores

Estação controladora envia mensagens a outras estações. Convidando-as a transmitir dados

CÓDIGOS CORRETORES DE ERROS

Modulações Digitais Binárias

Estudo sobre decodificação iterativa usando códigos de treliça

4 Multiplexação TDM/WDM

Modelo de Comunicação

2 Modelos de Sinais para Sistemas DS-CDMA

Instalação de Equipamentos de Redes IER 12503

1.1 Breve Histórico OFDM

COMUNICAÇÃO DIGITAL II

1 O esquema de Alamouti: Diversidade na transmissão

Transmissão em Banda de Base

3 Descrição das Técnicas Implementadas nas Configurações Experimentais

BETA TELECOM Consultores. Parte 2

Transmissão de Informação

Redes de Computadores

comunicação os quais foram aplicados a redes ponto a ponto,broadcast, e multi acesso como a figura 1 a seguir indica.

Uma abordagem educacional para o estudo de OFDM

III-1 Códigos detectores e correctores de erros

UNIDADE II Aula 2 Modulação parte 6. Fonte: Irene Silva Farias e Edmar José do Nascimento

Redes de Computadores I

Teoria das Comunicações

SUMÁRIO FUNDAMENTOS E VISÃO GERAL 19 CAPÍTULO 1 PROCESSOS ALEATÓRIOS 49

PEA-5716 COMPONENTES E SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO E SENSOREAMENTO A FIBRAS ÓPTICAS

Sistemas de Comunicações sem Fio. Múltiplo Acesso por Divisão em Códigos CDMA

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

XIX Encontro de Iniciação à Pesquisa Universidade de Fortaleza 21 à 25 de Outubro de 2013

TRANSMISSÃO DE DADOS PROTEGIDOS POR CÓDIGOS CORRETORES DE ERRO

5.1 Limitação do Pulso Gaussiano Utilizando Taxa de 2,48 Gbps

4 Sistema OFDR sintonizável

Trabalho n o 2 Códigos de Linha

ALGORITMOS DE DECODIFICAÇÃO POR DECISÃO SUAVE APLICADOS A CÓDIGOS BCH

Capítulo 1. Introdução 15

Computação Móvel: Teoria da Informação e Modulação

TÉCNICAS DE CODIFICAÇÃO DE SINAIS

Códigos de Permutação para Compressão de Dados e Modulação 13. Codificador de fonte. Decodificador. Figura 1.1: Modelo de um sistema de comunicações.

Códigos de controle de erros: introdução

2 Local Multipoint Distribution System LMDS

Redes de Computadores

Universidade de Pernambuco Escola Politécnica de Pernambuco

TRANSMISSÃO DE DADOS

2 Modelo Vetorial dos Sistemas de Transmissão

TE111 Comunicação Digital. Desempenho em Canais com Desvanecimento Rayleigh. TE111 Comunicação em Canais com Desvanecimento. Evelio M. G.

Princípios de comunicação de dados

ANÁLISES DA NÃO LINEARIDADE KERR EM SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO POR FIBRA ÓPTICA

Técnica de Acesso Múltiplo: CDMA. CMS Bruno William Wisintainer

TE060 Princípios de Comunicação. Sistemas de Comunicação Digital Notes. Por quê Digital? Notes. Notes. Evelio M. G. Fernández. 5 de novembro de 2013

Aula 4 Hardware de Comunicação sem-fio

Cabeamento Estruturado CAB Curso Técnico Integrado de Telecomunicações 7ª Fase Professor: Cleber Jorge Amaral

04/03/2013. Transmissão de dados. Transmissão por rádio Frequência

Acesso Múltiplo por Divisão de Código CDMA

Prof. Carlos messani

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS SÃO JOSÉ CURSO TÉCNICO INTEGRADO DE TELECOMUNICAÇÕES 1 MULTIPLEXAÇÃO

Explorando a Capacidade de Sistemas CDMA em Canais Unipolares

DESENVOLVIMENTO DE UM SIMULADOR DE COMUNICAÇÃO DIGITAL PARA FINS EDUCACIONAIS

3 Demodulação de sensores a rede de Bragg

Controle de acesso ao meio

Aula 3- Codificação de Canal. October 18, 2017

MPEG-2 TSP protegido pelo código RS

Capítulo 6 e 8. Comutação Circuitos/Pacotes/Mensagens Multiplexação FDM/TDM/WDM

EET-61 Introdução a Teoria da Informação

Comunicações Digitais

CRIPTOGRAFIA ÓPTICA MEDIANTE FATIAMENTO E EMBARALHAMENTO ESPECTRAIS DE SINAIS WDM

TRANSMISSÃO DE DADOS

Comunicação Digital Exercícios

Análise de desempenho de um sistema de comunicação óptica

Conceitos básicos de comunicação. Prof. Marciano dos Santos Dionizio

I-1 Introdução. Comunicações. ISEL - ADEETC - Comunicações

Princípios das comunicações sem fio

Carlos Roberto da Costa Ferreira. Interpolação Modificada de LSF's. Dissertação de Mestrado

I-1 Introdução. Comunicações. (30 de setembro de 2016) ISEL - ADEETC - Comunicações

Modelos Matemáticos e Ferramentas de Simulação para Estudo de Sistemas Ópticos

Transmissão de Informação

Edgardo Costa, António Pinho, Paulo Monteiro, Rui Ribeiro, J. Ferreira da Rocha, Tiago Maia

Modulação OFDM aplicada à Televisão Digital bibliografia: Megrich, A. Televisão Digital: Princípios e técnicas, Editora Érica Ltda

Redes de Comunicação de Dados Industriais Prof. Assoc. Mário Luiz Tronco

Transmissão de Sinais Digitais

Acesso Múltiplo por divisão de Código (CDMA) é o nome de uma tecnologia usada para comunicação sem fio em que o transporte das

Redes Modo Circuito: Visão Geral e Multiplexação

Transmissão da Informação - Multiplexação

PLANO DE ENSINO EMENTA DA DISCIPLINA: OBJETIVOS: CONTEÚDO PROGRAMÁTICO:

1 Modulação digital Noções básicas

Conceitos Básicos de Áudio Digital

A codificação primária é a representação digital de um canal de voz, sem a inclusão de bits de sincronismo e de verificação de paridade.

O QUE É QAM? Figura 1 (a) Sinal modulador, (b) portadora e (c) sinal modulado.

Simulador do receptor do sistema Is-95 empregando a plataforma Ptolemy. Is-95 receiver system simulator based on Ptolemy plataform

(orthogonal frequency-division multiplexing) e que proporcionam taxas de transmissão de até 54 Mbps [4]. Estes padrões são projetados basicamente

ELE-31 Principios de Telecomunicações

Comunicações Digitais

Software de cálculo em Engenharia

Ferramenta Computacional para o Estudo de Seqüências de Treinamento em Equalizadores LMS

Transcrição:

ANÁLISE E COMPARAÇÃO DO DESEMPENHO DE SISTEMAS OCDMA COERENTES E INCOERENTES Fernando Teles da Cruz, Pedro Luiz Lima Bertarini Faculdade de Engenharia Elétrica Universidade Federal de Uberlândia Patos de Minas, Brasil fernandoteles07@gmail.com, bertarini@ufu.br Resumo - Este trabalho visa analisar e comparar o desempenho de redes ópticas coerentes baseadas na codificação de fase espectral (SPC) em relação as redes ópticas incoerentes baseadas na codificação de Intensidade espectral (SAC) no cenário em que a fibra óptica é retirada do sistema (sistemas back-to-back). Tais sistemas utilizam a sequência de códigos da família Walsh Hadamard (W- H) para fazer a codificação do sinal transmitido, além do nonlinear optical loop mirror (NOLM) para rejeitar interferências de múltiplo acesso (MAI) no sistema SPC, e, um sistema de detecção balanceada utilizado com o mesmo intuito descrito acima para o sistema SAC. Os cenários são simulados com o objetivo de verificar a robustez e a escalabilidade dos sistemas em termos de taxa de erro de bit (BER) quando é variada a taxa de transmissão do sistema. Para o sistema SPC, quando considerado o código corretor de erros RS-FEC (255, 223), que corrige taxas de erro abaixo de 1,1 10-3, foi possível a obtenção de taxas de transmissão de 10 Gbps por usuário com a utilização de códigos W-H de tamanho igual a 8 quando 5 usuários estão ativos no sistema. Palavras-Chave - Comunicações ópticas; Acesso múltiplo por divisão de código; Codificação de fase espectral; Codificação de intensidade espectral. ANALYSIS AND PERFORMANCE COMPARISON OF COHERENT AND INCOHERENT OCDMA SYSTEMS Abstract This paper analyzes and compares the performance of coherent optical networks based on spectral phase coding (SPC) and incoherent optical networks based on spectral amplitude coding in the setting whose the optical fiber is removed from the system (back-to-back systems). Both systems use the Wash Hadamard (H-W) code sequence to code transmitted signal as well as the Non-linear Loop Mirror (NOLM) to reject multiple access interference (MAI) in SPC system, and a balanced detection system used with the same purpose described above for the SAC system. The settings are simulated to verify the robustness and scalability of systems in terms of bit error rate (BER) when the system the transmission rate is changed. For the SPC system, when forward error correction FEC RS (255, 223) is used, it was possible to obtain 10 Gbps transmission rate per user using W-H (8) and 5 users in the system. Keywords - Optical Communication; Optical code division multiple access; Spectral phase coding; Spectral amplitude coding. I. INTRODUÇÃO O OCDMA foi proposto pois combina a grande largura de banda existente no canal óptico com a flexibilidade do CDMA. Tal sistema foi inicialmente investigado no contexto do sistema de comunicação por Rádio Frequência (RF). Somente por volta de 1980 ele foi aplicado no domínio óptico [1], [2]. A largura de faixa disponível no canal óptico serviu de estímulo para a exploração da tecnologia CDMA em domínio óptico com o objetivo de fornecer acessos simultâneos e assíncronos para vários usuários. Comparado ao sistema convencional que disponibiliza acesso múltiplo por divisão de comprimento de onda (WDMA - Wavelenght Division Multiple Access), um número maior de usuários pode ser acomodado em consequência do grande número de sequências de códigos disponíveis, levando em consideração o desempenho de cada usuário [3]. Os sistemas OCDMA podem se classificar em termos da natureza da sobreposição do sinal óptico, quando eles podem ser divididos em sistemas OCDMA coerentes e incoerentes. Sistemas OCDMA coerentes utilizam codificação bipolar no sinal óptico, ou seja, o código do usuário é aplicado via codificação de fase óptica. Os deslocamentos de fase oriundos deste processo podem ser 0 ou π ou podem ter níveis intermediários de fase. Sistemas OCDMA coerentes requerem fontes de luz banda-larga capazes de produzir pulsos ultracurtos, como por exemplo, lasers mode-locked. Existem dois tipos de codificação em sistemas coerentes: a codificação de fase espectral [4] e a codificação de fase temporal [5]. Em sistemas OCDMA com codificação de fase espectral, ambos os processos de codificação e decodificação ocorrem no domínio espectral [4], [6]. Dessa forma, a codificação é feita utilizando o espectro largo que o pulso ultracurto proporciona e são aplicados deslocamentos de fase 0 ou π à cada fatia espectral de acordo com o código do usuário. A codificação resulta no espalhamento do pulso ultracurto no domínio do tempo. Durante o processo de decodificação são aplicadas mudanças de fases conjugadas às realizadas no processo de codificação para as diferentes componentes espectrais. Assim, quando o código correto é utilizado no processo de decodificação, o pulso original é reconstruído no domínio do tempo. No entanto, nos demais receptores do sistema que utilizam códigos diferentes do transmitido, o processo de decodificação não reconstrói o pulso original que permanece semelhante a sinais aleatórios, ou ruídos [3].

Já em sistemas OCDMA incoerentes baseado na tecnologia de codificação de intensidade espectral (SAC), o processo de codificação funciona da seguinte forma: o pulso é disperso espacialmente por uma rede de difração, e cada usuário tem um codificador de intensidade espectral para bloquear ou transmitir seletivamente determinadas componentes de frequências de acordo com o código do usuário. Esse processo de modulação resulta em distorção do pulso no domínio do tempo, configurando o espalhamento temporal do pulso de entrada. Neste esquema, quando o bit "1" é transmitido por determinado usuário, seu respectivo código A(w) é usado para modular em intensidade o espectro do pulso. O contrário acontece quando o bit "0" é transmitido quando o pulso é modulado com o código Ā(w). Assim, por meio da detecção balanceada se obtém correlação cruzada nula entre diferentes sequências de códigos, eliminando a MAI [3]. Neste contexto, este trabalho busca analisar o desempenho de redes ópticas coerentes e incoerentes baseadas na tecnologia OCDMA quando submetidas a altas taxas de transmissão. Além disso, será considerado o acesso assíncrono dos usuários à rede. Assim, este trabalho está organizado da seguinte forma: Na seção ӀӀ é demonstrada toda a metodologia para a implementação em software dos sistemas OCDMA coerente e incoerente. Os resultados das simulações e as discussões sobre desempenho destes sistemas é realizada na seção ӀӀӀ. E, finalmente, na seção ӀV são apresentadas as conclusões e aspectos futuros deste trabalho. II. METODOLOGIA De modo a analisar o desempenho e a robustez dos sistemas coerentes e incoerentes, foram realizadas simulações utilizando em conjunto os softwares Optisystem [7] e Matlab [8]. O primeiro foi utilizado para simular todo o sistema óptico, desde a geração até a recepção do sinal transmitido. O software Matlab, por sua vez, foi utilizado para realizar a codificação e a decodificação do sinal de cada usuário, isso foi feito tanto para o sistema coerente quanto para o incoerente, bem como para implementar o dispositivo NOLM. É importante destacar que todas as simulações foram realizadas visando a aproximação dos cenários simulados aos cenários mais realistas. A configuração do sistema SPC OCDMA é mostrada na Figura 1, onde podem-se destacar os principais componentes utilizados nas simulações. A fonte de laser é modelada por meio de um gerador de sequência pseudoaleatória (PBRS) operando com o comprimento de onda central igual a 1550,5 nm e um gerador óptico de pulsos gaussianos (OGPG). Os codificadores e decodificadores são modelados por meio de blocos Matlab. Os dispositivos Power Combiner e Power Splitter realizam, respectivamente, a combinação dos sinais transmitidos por todos os usuários e a separação do sinal resultante desta combinação para os respectivos decodificadores localizados na recepção do sistema. Na saída de cada decodificador o sinal decodificado é convertido para o domínio elétrico utilizando o fotodiodo PIN. Posteriormente, o sinal é filtrado por um filtro passa-baixa de Bessel, que é utilizado para rejeitar o ruído e interferência de componentes que estão fora do espectro do sinal de informação. Logo em seguida é utilizado um analisador de BER, responsável pela análise de desempenho do sistema. O processo de transmissão e recepção só é detalhado para o usuário, por questão de clareza. Já a configuração do sistema SAC OCDMA é apresentada na Figura 2. Utilizou-se para essa configuração um gerador de sequência pseudoaleatória (PBRS), posteriormente o sinal binário é codificado por meio do codificador non-return to zero (NRZ). Logo em seguida o sinal é modulado para o domínio óptico por meio do modulador Mach Zehnder em conjunto de um laser de luz branca operando com o comprimento de onda central igual a 1550,5 nm. Os codificadores e decodificadores são modelados por meio de blocos Matlab. Os dispositivos Power Combiner e Power Splitter realizam, respectivamente, a combinação dos sinais transmitidos por todos os usuários e a separação do sinal resultante desta combinação para os respectivos decodificadores localizados na recepção do sistema. As saídas de cada conjunto de decodificadores são convertidas para o domínio elétrico utilizando dois fotodiodos Figura 1 Sistema OCDMA coerente utilizando a codificação de fase espectral implementado no software Optisystem.

Figura 2 Sistema OCDMA incoerente utilizando a codificação de intensidade espectral implementado no software Optisystem. PIN conectados à uma estrutura equilibrada visando uma redução significativa da MAI. O sinal resultante a partir destes dois detectores é filtrado por um filtro passa-baixa de Bessel, que é utilizado para rejeitar o ruído e interferência de componentes que estão fora do espectro de sinal de informação. Os códigos utilizados para codificar os dados do usuário são baseados em algoritmos de codificação conhecidos, que respeitam determinados compromissos de correlação. Estes códigos buscam, principalmente, explorar características de ortogonalidade, que explora ao máximo a diferenciação entre códigos e a cardinalidade, que por sua vez, explora ao máximo a quantidade de códigos. A família de códigos escolhida para a implementação neste trabalho e que atendente aos requisitos citados acima será a matriz de código da família Walsh Hadamard (W-H), que é um conjunto de códigos ortogonais construídos recursivamente a partir da equação 1. H(k + 1) = [ H(k) H(k) H(k) H(k) ] (1) Onde k = 0, 1, 2,... e H(0) = 1. Os elementos desta matriz são ±1, e cada código de usuário é definido como uma linha dessa matriz, onde, nos sistemas coerentes, 1 e -1 representam deslocamentos de fase de 0 e π, respectivamente. Já em sistemas incoerentes os elementos 1 e -1 representam, respectivamente, 1 e 0. Figura 3 (a) Espectro do pulso gaussiano a ser codificado; (b) Visualização espectral após a codificação do sinal Em vermelho, no espectro, verifica-se os deslocamentos de fase.

Figura 4 (a) Range de frequências do espectro a ser codificado; (b) Visualização espectral após a codificação do sinal. A codificação de dados nos sistemas coerentes consistem na aplicação da mudança de fase associada à determinada frequência de acordo com o código W-H atribuído a cada usuário presente no sistema. A decodificação é feita utilizando um código complementar correspondente ao código utilizado na codificação dos dados, consequentemente, o codificador e o decodificador são idênticos. O sinal decodificado, em seguida, pode ser separado dos sinais de outros usuários por meio do chaveamento temporal óptico adequado [4]. O dispositivo NOLM, utilizado para maximizar o desempenho do sistema SPC implementado neste trabalho, realiza um recorte temporal do sinal óptico, trazendo como benefício adicional a rejeição da maioria da energia vinda usuários interferentes [8]. Na sessão seguinte são apresentados os resultados das implementações em software executadas neste trabalho. III. RESULTADOS Os sistemas coerente e incoerente foram simulados utilizando um número de usuários igual a 5, assim como o tamanho da família dos códigos W-H igual a 8. A cada iteração a taxa de transmissão foi incrementada atingindo um valor máximo de 10 Gbps. A análise é realizada primeiramente para o sistema coerente. A Figura 3 (a) ilustra o espectro do pulso gaussiano do qual posteriormente será codificado. A visualização espectral após a codificação do sinal é ilustrada pela Figura 3 (b), onde a parte em vermelho no espectro representa os deslocamentos de fase. Para o sistema incoerente, temos o espectro que será posteriormente codificado ilustrado pela Figura 4 (a). A codificação desse sistema é evidenciada pela Figura 4 (b) onde verificamos o abatimento do range de frequências onde foi atribuído o elemento 0 da matriz W-H. Vale ressaltar que os ruídos dos fotodetectores são considerados nas simulações, o que traz uma componente estocástica para a análise. A Figura 5 ilustra o desempenho dos sistemas coerente e incoerente conforme a taxa de transmissão é aumentada. Verificamos que o sistema incoerente SAC apresenta melhor desempenho frente ao sistema coerente somente no cenário onde ambos os sistemas são submetidos a taxas de transmissão abaixo de 1 Gbps. Porém em taxas mais elevadas o sistema coerente apresenta um desempenho bastante superior em relação ao sistema incoerente. Isso demonstra uma maior capacidade do sistema coerente quando submetido a altas taxas de transmissão onde o mesmo apresenta uma robustez mais eficiente. IV. CONCLUSÃO Por meio das simulações realizadas para o sistema OCDMA coerente e incoerente foi verificado que o sistema coerente obteve um desempenho satisfatório quando submetido a altas taxas de transmissão. Já o sistema OCDMA incoerente não se mostrou eficiente nas mesmas condições. Isso deve ao fato de que como sistemas incoerentes utilizam o abatimento do sinal para proverem a codificação do sinal transmitido, o sinal corretamente decodificado não apresenta todas as suas componentes espectrais que foram emitidas, degradando ainda mais o sistema, além de serem mais inseguros, pois um eventual espião poderia facilmente detectar Figura 5 Desempenho do sistema coerente e incoerente em função da taxa de transmissão com 5 usuários ativos e uma matriz W-H de tamanho igual a 8.

a sequência do código de um determinado usuário observando apenas um padrão de ausência ou presença do sinal transmitido. Já o sistema coerente, por utilizar deslocamento de fases para prover a codificação do sinal, não partilharia do problema de segurança citado acima, além do mesmo conseguir otimizar a recepção do sinal pelo usuário desejado operando em altas taxas, caracterizando-o assim o mais indicado para a utilização em redes ópticas locais. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer a CAPES, CNPq e FAPEMIG pelo apoio financeiro. REFERÊNCIAS [1] J. Y. Hui, Pattern Code Modulation and Optical Decoding A Novel Code-Division Multiplexing Technique for Multifiber Network, IEEE JSAC, vol. SAC-3, no. 6, Nov. 1985, pp. 916 27. [2] J. A. Salehi, Code Division Multiple-Access Techniques in Optical Fiber Networks Part I: Fundamental Principles, IEEE Trans. Commun., vol. 37, no. 8, Aug. 1989, pp. 824 33. [3] P. L. L. Bertarini, A. L. Sanches and B. H. V. Borges, "Optimal Code Set Selection and Security Issues in Spectral Phase-Encoded Time Spreading (SPECTS) OCDMA Systems," in Journal of Lightwave Technology, vol. 30, no. 12, pp. 1882-1890, June15, 2012. [4] S. Etemad, P.Toliver, R. Menendez, J. Young, T. Banwell, S. Galli, J.Jackel, P. Delfyett, C. Price, and T. Turpin, "Spectrally Efficient Optical CDMA Using Coherent Phase- Frequency Coding", IEEE Photonics Technology Letters, April 2005. [5] Bo Dai, Zhensen Gao, Xu Wang, Nobuyuki Kataoka and Naoya Wada, "Experimental Investigation on Security of Temporal Phase Coding OCDMA System with Code-Shift Keying and Differential Phase-Shift Keying", School of Engineering and Physical Sciences, Heriot-Watt University, Edinburgh, EH14 4AS, U.K. [6] X. Wang, "Novel time domain spectral phase encoding/decoding technique for OCDMA application", IEEE. Joint Research Institute for Integrated Systems, School of Engineering and Physical Sciences, Heriot-Watt University, Riccarton, Edinburgh, EH14 4AS, UK. [7] MATLAB 8.5. Natick, Massachusetts, US: The MathWorks Inc., 2015. [8] Optisystem 14. Ottawa, ON, Canada: Optiwave Systems Inc., 2016.