1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO DIRETORIA DE PESQUISA PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA PIBIC : CNPq, CNPq/AF, UFPA, UFPA/AF, PIBIC/INTERIOR, PARD, PIAD, PIBIT, PADRC E FAPESPA Período : Agosto/2016 a Fevereiro/2017 (X) PARCIAL () FINAL RELATÓRIO TÉCNICO - CIENTÍFICO IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO Título do Projeto de Pesquisa: Modelagem e desenvolvimento de dispositivos e redes de sensores baseados em fibras ópticas e investigação de tecnologias para redes banda larga baseadas em cobre e fibra óptica. Nome do Orientador: João CrisóstomoWeyl Albuquerque Costa Titulação do Orientador:Doutorado em Engenharia Elétrica UNICAMP Faculdade :Faculdade de Engenharia da Computaçãoe Telecomunicações Instituto/Núcleo: Instituto de Tecnologia Laboratório: Laboratório de Eletromagnetismo Aplicado Título do Plano de Trabalho:Estudo do impacto de efeitos não-lineares em sistemas de rádio sobre a fibra na arquitetura Cloud RAN no contexto de coexistência Nome do Bolsista: Kárytha de Paula Nascimento Tipo de Bolsa : (X ) PIBIC/ CNPq ( ) PIBIC/CNPq AF ( )PIBIC /CNPq- Cota do pesquisador 1
2 ( ) PIBIC/UFPA ( ) PIBIC/UFPA AF ( ) PIBIC/ INTERIOR ( )PIBIC/PARD ( ) PIBIC/PADRC ( ) PIBIC/FAPESPA ( ) PIBIC/ PIAD ( ) PIBIC/PIBIT INTRODUÇÃO A constante demanda por largura de banda em diferentes aplicações, como acesso a internet em alta velocidade, serviços de voz e de dados, serviços de rede multimídia, dentre outros, requer uma alta capacidade de transmissão.dados de pesquisas apontam que de 2015 a 2020 [1], haverá um crescimento de tráfego de dados móveis previsto em 53% por ano. Com o objetivo de satisfazer às exigências por largura de banda, há uma busca crescente por técnicas avançadas de modulação, tais como a DPSK (Differential-phase-shift keying) e a Duobinária. O princípio fundamental da modulação DPSK é a transmissão de dados alterando a fase da onda portadora. O estudo dessa modulação não é novo, mas vem sendo retomado por conta da alta capacidade de alcance de longas distâncias. Junto a isso, tem se estudado modulações mais recentes como a Duobinária, a qual tem a vantagem de possuir um espectro de transmissão reduzido em relação às transmissões binárias comuns [2]. Este projeto concentrou-se, inicialmente, em um estudo de sistemas de redes ópticas no sentido amplo a fim de avaliar o desempenho de redes de rádio sobre a fibra em cenários de coexistência. Assim, o estudo possuiu enfoque no alto nível da rede em si. A partir disso, houve a necessidade de se compreender melhor o funcionamento dos componentes básicos dentro de sistemas ópticos, então, o enfoque do estudo passou a ser a investigação em baixo nível de transmissores e receptores, os quais foram desenvolvidos com tendo como base as modulações DPSK e Duobinária. Como base de comparação, utilizou-se o trabalho [3], no qual foi elaborado um estudo acerca da composição dos dispositivos de transmissão e recepção desses dois tipos de modulação e implementados no software Optisystem e no ambiente Simulink/MatLab. O Optisystem é uma ferramenta de simulação, amplamente utilizada na construção de sistemas ópticos, nela é possível desenvolver protótipos de simulação e verificar seu desempenho nos cenários desenvolvidos. Em paralelo a esse software, tem-se o aplicativo 2
3 Virtual Photonics Instruments (VPI), um dos mais utilizados por pesquisadores na área, no qual serão desenvolvidos os protótipos de simulação deste projeto. Assim, tomando como apoio os cenários do Optsystem apresentados em [3], este trabalho tem como enfoque inserir no VPI os cenários desenvolvidos em [3], tendo como objetivo ampliar os conhecimentos acerca dos componentes básicos dos sistemas ópticos e criar setups de simulação coerentes com as modulações estudadas. JUSTIFICATIVA Com o objetivo de superar os desafios referentes às novas tecnologias de acesso, busca-se o desenvolvimento de tecnologias que requerem formatos de modulação avançados. Dessa forma, este trabalho tem como foco o estudo de tecnologias de transmissão/recepção em sistemas de comunicações ópticas em cenários de modulação Duobinária e NRZ-DPSK, as quais são alternativas para esse contexto dos sistemas ópticos que requerem taxas de transmissão em torno de 40Gb/s. Dentre as vantagens encontradas no sistema de modulação Duobinária, encontra-se a sua tolerância em relação à dispersão cromática quando comparada a outros sistemas binários na filtragem de banda estreita [5]. Enquanto, o NRZ-DPSK possui como vantagem uma maior robustez às não linearidades da fibra [4]. Tendo em vista a relevância das modulações apresentadas, é necessária a compreensão da composição e do funcionamento dos dispositivos que compõem seu sistema óptico. Para tanto, foram criados cenários de simulação com transmissores e receptores com as modulações NRZ-DPSK e duobinária. OBJETIVOS Este trabalho tem por objetivo estudar e fundamentar o conhecimento teórico sobre os dispositivos de transmissão e recepção em sistemas ópticos, para posteriormente reproduzir e construir cenários com os mesmos. Tendo em vista, verificar os efeitos das diferentes modulações, as quais são NRZ-DPSK e Duobinária. Objetiva-se, assim, o desenvolvimento de cenários com transmissores e receptores para as modulações estudadas. Em seguida, busca-se comparar os resultados que serão apresentados pelo ambiente Simulink/Matlab. 3
4 MATERIAIS E MÉTODOS As simulações foram desenvolvidas no projeto utilizando a plataforma de simulação de redes de fibra óptica VPITransmissionMaker, largamente utilizada nas modelagem de sistemas ópticos, na qual é possível a modelagem de camada física de sistemas ópticos, por meio de módulos e componentes ópticos disponibilizados pela mesma. Posteriormente, busca-se desenvolver os cenários no Simulink/Matlab, visto que essa é uma ferramenta amplamente utilizada na engenharia. Além disso, foi utilizada a literatura sobre a temática a fim de consolidar os conhecimentos juntamente com a simulação. Sendo assim, o projeto desenvolveu-se com as seguintes etapas: Estudo sobre dispositivos e sistemas de Redes Ópticas; Estudo acerca dos sistemas das modulações Duobinária e DPSK; Desenvolvimento de cenários de transmissores e receptores. RESULTADOS Os sistemas de comunicação em fibra óptica são compostos por uma estrutura básica: o transmissor, o canal de transmissão e o receptor. O transmissor faz a conversão do sinal elétrico em óptico em seguida a emissão de luz (laser ou LED) no interior da fibra, enquanto o receptor faz o caminho inverso, pois recebe o sinal no domínio óptico advindo do canal de transmissão e o converte para o domínio elétrico. Figura 1 Sistema de Comunicação Óptica Fonte: AGRAWAL, 2002 Para a realização do envio e recebimento de dados em um enlace óptico, é necessária a utilização de um canal de comunicação, esse é responsável por transportar o sinal óptico sem a inserção de distorções. A fibra óptica é o meio comumente utilizado em sistemas de ondas luminosas, o qual é capaz de transmitir informações com perda de 0,2 db/km. Apesar 4
5 desse valor relativamente pequeno, as perdas que ocorrem na fibra são fatores importantes para a elaboração de um projeto de transmissão, no qual será determinado o espaçamento entre repetidores e amplificadores [6], a fim de que o sinal seja transportado com o melhor desempenho para o receptor. O transmissor possui a tarefa de converter para o domínio óptico os sinais elétricos. Para tanto, esse componente é geralmente composto por uma fonte de laser, um modulador, um pré-codificador e um gerador de dados. Sendo seu principal elemento a fonte óptica [6].Os sistemas ópticos utilizam fontes ópticas de semicondutores, tendo em vista as vantagens oferecidas por esses dispositivos, dentre as quais se têm a faixa apropriada de comprimento de onda, elevada eficiência, boa confiabilidade, tamanho compacto, além da possibilidade de modulação direta em altas frequências [6]. Já o receptor age de maneira inversa, o qual faz uma conversão do sinal que está no domínio óptico para o elétrico de uma maneira eficiente, possuindo sua composição de acordo com a modulação adotada pelo sistema, podendo ser mais simples ou mais complexos. Esse componente possui como principal dispositivo o fotodetector, o qual fará a conversão da luz em eletricidade. Semelhante às características de um transmissor, o receptor deve possuir uma alta sensibilidade, baixo ruído, alta confiabilidade e baixo custo. Neste trabalho, estudaram-se dois tipos de modulação o DPSK e o Duobinário, os quais possuem modelos diferentes de transmissão e recepção de sinais. Entretanto, para este momento foi desenvolvido apenas o transmissor e o receptor DPSK. Sendo que a tarefa de desenvolver os dispositivos na modulação duobinária será realizada na continuidade do projeto juntamente com as simulações com o Simulink. O formato DPSK consiste na modulação de fase, na qual os dados são codificados com o deslocamento de fase em 0 e π. O bit 1 é associado a uma mudança de fase em π e o bit zero é associado quando não houver uma mudança de fase. Quando os dois bits anteriores são opostos, o próximo bit é codificado em nível alto 1, caso contrário 0. Para tanto, utiliza-se uma porta xor ou ou exclusivo, a qual fará essa codificação. Quanto ao formato duobinário, o nível 1 relaciona-se a uma mudança de fase em π ou 0, enquanto o nível lógico 0 é relacionado à ausência de bit. Assim como na modulação DPSK, utiliza-se uma porta xor no precoder (Figura 2) do modelo duobinário [3]. Entretanto, para que o sinal elétrico no formato DPSK seja modificado para duobinário, é 5
utilizado um filtro elétrico que complementará o processo de modulação recuperando o nível 0. Fazendo com que os dados sejam codificados em três níveis -1, 0, +1. 6 Figura 2 Precoder do Transmissor Fonte: Elaborada pela autora O receptor do cenário NRZ-DPSK é composto por dois fotodiodos conectados a um interferômetro Mach-Zehnder. Esse dispositivo é composto por dois acopladores direcionais, uma linha de atraso e dois deslocadores de fase adicionais (em cada um dos braços do interferômetro) para a sintonia do dispositivo. Assim, o interferômetro conecta os fotodiodos, os quais posteriomente têm seus sinais sobrepostos sobrepostos por meio de um subtrador, sofrendo interferências construtivas e destrutivas, as quais resultarão na na recuperação do sinal elétrico inicial. O receptor duobinário possui implementação mais simples em relação ao modelo NRZ-DPSK, já que possui apenas um fotodiodo e um filtro elétrico passa baixa de 4ª ordem do tipo Bessel. Dessa forma, o sinal óptico é convertido para o domínio elétrico e filtrado. Simulação Figura 3 Transmissor DPSK Fonte: Elaborada pela autora 6
7 A Figura 3 representa o cenário do transmissor NRZ-DPSK desenvolvido no VPI neste trabalho com base em [3]. Primeiramente, foi utilizado um gerador de bits e uma porta lógica que fará a leitura dos dados booleanos recebidos, considerando os zeros como false e os valores não zeros como true. Em seguida, foi necessário considerar a informação contida nos deslocamentos de fase do DPSK. Para tanto, utilizou-se uma porta xor responsável por fazer a codificação entre o bit atual e o anterior, em que o primeiro é atrasado e combinado com o outro. Figura 4 - Receptor DPSK Fonte: Elaborada pela autora A Figura 4 representa o receptor DPSK, nesse receptor ocorre o processo de demodulação do sinal, em que é realizada a comparação do bit anterior com o atual por meio do interferômetro Mach-ZehnderDelay (MZDI). Esse interferômetro ocasionará um atraso de um bit. Em seguida, os bits são comparados com dois fotodiodos ligados ao MDZI, os quais sofrerão interferência, sendo construtiva em um e destrutiva no outro. Assim,os fotodiodos farão a transformação do domínio óptico para o elétrico. Os sinais elétricos advindos dos fotodiodos serão sobrepostos e em seguida filtrados por um filtro elétrico passa baixa que bloqueará a passagem de frequências indesejadas. Parâmetros de Simulação Taxa de bits Largura de linha Frequência do Laser Razão de Extinção do MZM Corrente de Escuro do fotodiodo pin Tabela 1 40 Gbps 10 MHz 193.1 THz 20 db 10 na 7
8 Para critério de validade dos cenários desenvolvidos, foram comparados os diagramas de olho entre o receptor e transmissor presente no software VPI e o desenvolvido neste trabalho, contendo os mesmos parâmetros de simulação. Assim, temos os parâmetros de simulação expostos na Tabela 1. Figura 5 - Diagrama de olho do Receptor NRZ-DPSK desenvolvido no VPI Na Figura 5, observa-se que o diagrama de olho resultante da simulação com a utilização do receptor NRZ-DPSK obteve um comportamento compatível com o modelo apresentado no VPI. Além disso, o aspecto do diagrama de olho está de acordo com o apresentado na literatura [5] [6], o que valida a simulação realizada. ATIVIDADES A SEREM DESENVOLVIDAS NOS PRÓXIMOS MESES As atividades a serem desenvolvidas nos próximos meses consistem no estudo e desenvolvimento de cenários dos componentes de transmissão e recepção em um sistema duobinário no VPI. Além disso, será utilizada a ferramenta Simulink do Matlab para a construção dos cenários NRZ-DPSK e duobinário. CONCLUSÃO Neste relatório parcial apresentam-se resultados relativos ao estudo de técnicas de modulação avançadas empregadas em redes ópticas de alto desempenho como a Duobinária e NRZ-DPSK. Para o aprendizado e simulação conseguiu-se empregar o transmissor e o receptor NRZ-DPSK, no software de simulação 8
9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Cisco Systems, Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2015 2020, pp. 1-39, 2016. [2] DJUPSJOBACKA, Anders. Prechirpedduobinary modulation. IEEE Photonics Technology Letters, v. 10, n. 8, p. 1159-1161, 1998. [3] VAL, João Lucas Dourado do et al. Modelos Matemáticos e Ferramentas de Simulação para Estudo de Sistemas Ópticos. Trabalho de Conclusão de Curso. Universidade de São Paulo, 2012. [4] GNAUCK, A. H; WINZER, P. J. Optical Phase-Shift-Keyed Transmission, Journal of Lightwave Technology, Vol. 23, Nº 1, 2005. [5] SILVEIRA, C. R. Estudo de formatos especiais de modulação digital para comunicações ópticas. Dissertação de Mestrado. Universidade de São Paulo, 2009. [6] AGRAWAL, Govind P. Fiber-Optic Communication Systems. John Wiley & Sons, Inc., 3 edição, 2002. DIFICULDADES Uma das principais dificuldades encontradas foi a implementação dos dispositivos no VPI. Visto que esse software possui peculiaridades na construção de cenários que requerem maior conhecimento teórico. Além disso, houve dificuldade no entendimento dos conceitos de sistemas de comunicações e dispositivos ópticos e comunicação digital. 9
10 PARECER DO ORIENTADOR: DATA : / / ASSINATURA DO ORIENTADOR ASSINATURA DO ALUNO INFORMAÇÕES ADICIONAIS: FICHA DE AVALIAÇÃO DE RELATÓRIO DE BOLSA DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA O AVALIADOR DEVE COMENTAR, DE FORMA RESUMIDA, OS SEGUINTES ASPECTOS DO RELATÓRIO : 1. O projeto vem se desenvolvendo segundo a proposta aprovada? Se ocorreram mudanças significativas, elas foramjustificadas? 2. A metodologia está de acordo com o Plano de Trabalho? 3. Os resultados obtidos até o presente são relevantes e estão de acordo com os objetivos propostos? 10
11 4. O plano de atividades originou publicações com a participação do bolsista? Comentar sobre a qualidade e a quantidade da publicação. Caso não tenha sido gerada nenhuma, os resultados obtidos são recomendados para publicação? Em que tipo de veículo? 5. Comente outros aspectos que considera relevantes no relatório 6. Parecer Final: Aprovado ( ) Aprovado com restrições ( Reprovado ( ) ) (especificar se são mandatórias ou recomendações) 7. Qualidade do relatório apresentado: (nota 0 a 5) Atribuir conceito ao relatório do bolsista considerando a proposta de plano, o desenvolvimento das atividades, os resultados obtidos e a apresentação do relatório. Data : / /. Assinatura do(a) Avaliador(a) 11