Sum´ ario
1.3 Compara¸c˜ ao entre as Modula¸c˜ oes em Sistemas Coerentes Devido ao fato de tanto modula¸c˜ oes uniportadoras como as multiportadoras serem
solu¸c˜oes bastante atrativas para as tecnologias de transporte a taxas iguais ou superiores a 100 Gb/s, existe uma grande discuss˜ao por parte da comunidade cientifico-acadˆemica visando definir qual das tecnologias ´e superior. Este debate baseia-se fundamentalmente em dois crit´erios. O primeiro, diz respeito `a complexidade da estrutura do transmissor utilizado para cada op¸c˜ao. A Figura 2 mostra as estruturas dos transmissores ´opticos para sistemas uniportadoras e multiportadoras. As Figuras. 2 (a) e2 (b) mostram, respectivamente, a estrutura do modulador ´optico necess´ario para gerar sinais ´opticos de portadora ´unica para as modula¸c˜oes QPSK e 16-QAM. A Figura 2 (c) ilustra a estrutura mais comum de um transmissor OFDM em sistemas ´opticos com detec¸c˜ao coerente CO-OFDM (Cohe- rent Optical OFDM ) convencional. Sistemas uniportadoras usam uma arquitetura dita “convencional” para QPSK, em que modula¸c˜ao de n´ıvel digital ´e alimentada diretamente nas entradas de sinal RF do modulador ´optico. Em contraste, a CO-OFDM requer uma modifica¸c˜ao do sistema de portadora ´unica em que s˜ao necess´arios os m´odulos DSP e DAC.
O segundo crit´erio analisado na compara¸c˜ao diz respeito ao dom´ınio em que a informa¸c˜ao ´e codificada. Nas modula¸c˜oes uniportadoras a informa¸c˜ao ´e codificada no dom´ınio do tempo enquanto que nas modula¸c˜oes multiportadoras a informa¸c˜ao ´e codificada no dom´ınio da frequˆencia (Shieh e Djordjevic 2009). Baseado nisso ´e feita uma compara¸c˜ao que leva em conta as caracter´ısticas a seguir itemizadas.
1. Facilidade de uso de t´ecnicas de processamento digital de sinal. A utiliza¸c˜ao de t´ecnicas de processamento digital de sinais ´e uma caracter´ıstica inata dos sistemas CO-OFDM. Isto permite que transmissores ´opticos definidos via software SDOT (Software-Defined Optical Transmission) possam ser utilizados, trazendo benef´ıcios tais como a configura¸c˜ao dinˆamica e sem a interven¸c˜ao humana da camada f´ısica, a atribui¸c˜ao de uma taxa de linha ´otima a um determinado enlace, a descri¸c˜ao com precis˜ao dos parˆametros importantes do canal (OSNR, CD, PMD, entre outros), podendo assim identificar anomalias ou prever o falhas antes que elas ocorram. Duas das funcionalidades mais importantes do DSP em sistemas ´opticos com detec¸c˜ao coerente s˜ao estima¸c˜ao do canal e a estima¸c˜ao da fase da portadora. Em sistemas CO-OFDM, a utiliza¸c˜ao de subportadoras pilotos (s´ımbolos conhecidos pelo receptor) torna a estima¸c˜ao do canal e a estima¸c˜ao de fase relativamente simples2. Em sistemas de portadora ´unica com detec¸c˜ao coerente esta estima¸c˜ao ´e feita recorrendo-se a algoritmos “cegos” como por exemplo o CMA (Constant-Modulus Algorithm) ou
2 Uma vez que o receptor conhece a localiza¸c˜ao, a amplitude e a fase de alguns s´ımbolos transmitidos, designados de portadoras pilotos, uma simples compara¸c˜ao destes com os s´ımbolos recebidos nas posi¸c˜oes hom´ologas, permite estimar de forma r´apida a resposta do canal.
8 Cap´ıtulo 1. Introdu¸c˜ao
MZM IQ
π/2
CW Dados I Dados Q (a) CW Dados I1MZM
1IQ
π/2
π/2
Dados I2 Dados Q1 Dados Q2MZM
2IQ
π/2
(b) MZM IQ π/2 CW I Q DAC DAC LPF LPF OFDM TX Dados (c)Figura 2 – Arquitetura de transmissores ´opticos. (a) Sistema uniportadora QPSK; (b) sistema uniportadora 16-QAM; (c) Sistema CO-OFDM.
CW: Laser cont´ınuo; DAC: Conversor anal´ogico para digital; I: Componente em fase do sinal; MZM: Modulador Mach–Zehnder; OFDM TX : Transmissor OFDM; Q: Componente em
1.3. Compara¸c˜ao entre as Modula¸c˜oes em Sistemas Coerentes 9
decision feedback, os quais s˜ao propensos a erros de propaga¸c˜ao. A estima¸c˜ao de fase normalmente utiliza o algor´ıtimo de Viterbi, cuja eficiˆencia ´e maior para modula¸c˜oes de fase do tipo PSK. Al´em disso, a codifica¸c˜ao de fase diferencial deve ser empregada para resolver a ambiguidade de fase, que por sua vez degrada a taxa de erro de bit por um fator 2 (Ly-Gagnon et al. 2006).
2. Modula¸c˜oes avan¸cadas. O transmissor CO-OFDM mostrado na Figura 2.(c)
apresenta maior complexidade quando comparado com o transmissor de sistemas com portadora ´unica da Figura 2.(a). Esta complexidade s´o ´e menor a partir do momento que o n´umero de bits por s´ımbolo torna-se superior a 2 para as modula¸c˜oes 8-PSK ou 16-QAM por exemplo. O sistema CO-OFDM ´e facilmente escal´avel para n´ıveis de modula¸c˜oes por subportadoras superiores sem a necessidade de altera¸c˜ao dos componentes ´opticos, precisando apenas reconfigurar os m´odulos DAC e DSP. Em contraste, para sistemas de portadora ´unica, mudar para n´ıveis de modula¸c˜oes mais elevados requer uma estrutura de modulador ´optico mais complexa (vide Figura 2 (b)), o que inevitavelmente acarreta em maiores custos.
3. Balanceamento de bit e de potˆencia. Uma das principais vantagens da CO- OFDM ´e a capacidade de manipular a informa¸c˜ao no dom´ınio da frequˆencia. Isto envolve a atribui¸c˜ao eficiente de bits, dependendo das condi¸c˜oes do sub-canal e gest˜ao da potˆencia ao longo de um trecho recorrendo-se ao algor´ıtimo “water-filling”. Uma vez que a condi¸c˜ao de canal de cada subportadora ´e conhecida, o desempenho do sistema pode ser melhorado atrav´es da manipula¸c˜ao adequada de cada subportadora. Um dos modos mais simples e eficaz, chamado balanceamento de bits, ´e feito alocando otimamente diferentes esquemas de modula¸c˜ao em todas as subportadoras. Em particular, a rela¸c˜ao sinal-ru´ıdo (SNR) de cada subportadora pode ser monitorizada e `
as subportadoras com elevado valor de SNR ser˜ao atribu´ıdos esquemas de modula¸c˜ao com maior n´umero de bits. Como resultado, a taxa de dados global ´e maximizada. Outro m´etodo comumente usado ´e o balanceamento de potˆencia. Nesse esquema, diferentes tons de frequˆencia s˜ao ajustados com potˆencias diferentes. Ao fazˆe-lo, o desempenho do sistema, como por exemplo, a taxa de erro de bits (BER), pode ser melhorado (Yang et al. 2008). Esta vantagem ´e normalmente enfatizada nas comunica¸c˜oes sem fio em que o canal pode sofrer desvanecimento profundo, ou uma parte da resposta em frequˆencia do canal pode ser completamente atenuada devido ao multipercurso severo. Os benef´ıcios da taxa da modula¸c˜ao adaptativa ´e a redu¸c˜ao do custo do transponder pois um ´unico transponder pode ser usado para v´arias taxas de dados, aproveitando da melhor forma as condi¸c˜oes do canal e oferecendo taxas de transferˆencia mais elevadas quando a margem3 do sistema ´e elevada.
3 Sistemas de transmiss˜ao ´optica requerem uma gama definida de potˆencia de entrada do receptor ´
optico para uma opera¸c˜ao adequada. Na pr´atica, a potˆencia recebida deve ser superior ao n´ıvel m´ınimo e inferior ao n´ıvel m´aximo. A diferen¸ca entre estes n´ıveis de potˆencia ´e a margem ´optica.
10 Cap´ıtulo 1. Introdu¸c˜ao
4. Estreitamento espectral. Devido ao formato do espectro de seus sinais, sistemas CO-OFDM s˜ao mais tolerantes ao estreitamento espectral dos filtros. Enquanto a largura de banda do filtro permanecer maior do que a do seu espectro, o sinal OFDM praticamente n˜ao sofre penalidades. Ainda que as subportadoras de borda sofram atenua¸c˜ao devido ao estreitamento do filtro, algoritmos de balanceamento de bit e de potˆencia(bit and power loading) podem ser utilizados para atenuar tal efeito(Yang et al. 2008). J´a em sistemas de portadora ´unica, devido `a dificuldade de tratamento do jitter em altas taxas, ´e necess´ario manter uma banda adicional para que o sincronismo possa ser feito com precis˜ao.
5. Escalabilidade da largura de banda. O espectro do sinal OFDM ´e inerentemente mais estreito do que o de um sinal uniportadora, e o fato do sinal CO-OFDM ser “gerado” no dom´ınio da frequˆencia, oferece a possibilidade de um espectro largo ser subdividido em m´ultiplas sub-bandas, sendo cada uma processada independentemente. Adicionalmente, mantendo a ortogonalidade entre as sub-bandas adjacentes, elimina- se a necessidade de banda de guarda, ou seja, n˜ao h´a penalidade adicional na eficiˆencia espectral. Al´em disso, com a subdivis˜ao em sub-bandas, o transceptor OFDM deixa de estar limitado pelas restri¸c˜oes de largura de banda impostas pelo DAC. Por sua vez, sistemas uniportadoras codificam a informa¸c˜ao usando todo o espectro, tornando-se assim imposs´ıvel a sub-divis˜ao. De acordo com (Shieh e Djordjevic 2009), ´e previs´ıvel que os sistemas coerentes de portadora ´unica que dependem exclusivamente da codifica¸c˜ao de informa¸c˜ao no dom´ınio do tempo atinja a barreira da velocidade eletrˆonica impostas pelo DSP, muito antes do que os sistemas CO-OFDM.
6. Monitoramento de desempenho e concep¸c˜ao de redes com m´ultiplo acesso. Ter um bloco DSP no transmissor CO-OFDM ´e uma grande vantagem j´a que provˆe capacidade e flexibilidade para alocar um certo n´umero de subportadoras para estimativa de canal e monitoramento de desempenho. Isso viabiliza o monitoramento do desempenho apenas processando uma pequena parte do especto. Adicionalmente, a divis˜ao em sub-bandas permite aloca¸c˜ao de largura de banda dinˆamica em redes de m´ultiplo acesso usando a tecnologia OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Todos estas tarefas s˜ao dif´ıceis de conseguir em sistemas de portadora ´unica. 7. Taxa de amostragem. Para evitar imprecis˜ao na detec¸c˜ao de fase o teorema de
amostragem deve ser respeitado em sistemas uniportadoras. Na t´ecnica multiporta- dora a superamostragem pode ser feita simplesmente n˜ao preenchendo com dados ou zerando as subportadoras de borda. Dessa forma, evita-se a ocorrˆencia do aliasing de- vido ao DAC do transmissor. Segundo (Shieh e Djordjevic 2009,Jansen et al. 2009), esse fator de superamostragem situa-se entre 6 e 20 % da banda ocupada pelo sinal CO-OFDM.