SIMULAÇÃO DE UM SISTEMA WDM DE DOIS CANAIS COM O SOFTWARE VPI

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5 SIMULAÇÃO DE UM SISTEMA WDM DE DOIS

CANAIS COM O SOFTWARE VPI

O software VPI foi originalmente introduzido em 1998 e era conhecido como PDA

(Photonic Design Automation). O VPI atualmente agrega os elementos do PDA como um

conjunto de elementos (desenvolvimento de metodologias, ferramentas desoftwaree serviços)

que norteiam a engenharia de redes ópticas (VPI, 2007a). A necessidade de baixo custo e

um maiorshakeoutdos enlaces de comunicações levaram ao uso de simulações nos diferentes

níveis de um enlace óptico.

Algumas das vantagens diretas na implementação de simulações são: base para a

cria-ção de processos, familiaridade com as próximas gerações de componentes (sem a necessidade

de aquisição imediata) e geração de conhecimento nos processos desenvolvidos.

A Figura (5.1) apresenta a estrutura geral dosoftwareVPI.

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Na camada inferior do VPI encontra-se o VPItransmissionMaker, responsável pela

análise delinksde comunicações ópticas. Nessa camada, o VPI permite selecionar o tipo e o

formato do sinal e estabelecer umtrade-off entre a rapidez da simulação e a precisão, podendo

esta ser otimizada dependendo da aplicação e do fenômeno estudado.

A base doVPItransmissionMakerpara a realização das simulações é construída sobre

um conjunto de sofisticados modelos matemáticos e numéricos, os quais seguem uma filosofia

Black Boxe modular. Os efeitos físicos fornecidos por esses modelos são determinados através

de parâmetros globais e locais de cada modelo.

Uma simulação com o VPI estabelece três elementos principais de monitoramento e

controle: Universo (Universe), Galáxia (Galaxy) e Estrela (Star). Uma Estrela é a menor

uni-dade (componente) dentro de uma simulação, não podendo ser alterada. Uma Galáxia é uma

unidade (módulo) constituída de várias Estrelas e outras Galáxias. Finalmente, um Universo

agrega todas as Galáxias e Estrelas. Dessa forma, o VPI permite a

comunicação/compartilha-mento de informações entre as Galáxias e as Estrelas. Essa abordagem leva o desenvolvicomunicação/compartilha-mento

da simulação a um paradigma de programação baseado na programação estruturada. Cada um

desses objetos permite ajustar seus parâmetros de forma global ou apenas localmente ao objeto.

Os principais parâmetros do VPI são:

• TimeWindow: configura o período de tempo para representar um bloco de dados

(tama-nho da palavra); esse parâmetro ajusta a resolução do espectro e a precisão da BER.

• SampleRateDefault: utilizado em todos os módulos como taxa de amostragem; no

en-tanto, diferentes taxas de amostragem podem ser configuradas em cada módulo pelo

pa-râmetroSampleRate.

• SampleModeCenterFrequency: configura a freqüência central global para todos os

ca-nais.

• BitRateDefault: utilizado em todos os módulos como taxa de bits; no entanto, diferentes

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Como exemplo, a Figura (5.2) apresenta o parâmetro global -TimeWindow.

Figura 5.2: Parâmetro global - TimeWindow (VPI, 2007a).

A escolha adequada desses parâmetros influencia diretamente o desempenho da

simu-lação e até se a mesma vai ser executada ou não. Algumas regras simples são:

• SampleRateDefault x TimeWindow: deve ser uma potência de dois, 2n

• BitRateDefault x TimeWindow: deve ser uma potência de dois, 2m

Uma forma de definir esses parâmetros adequadamente consiste em escolher

inicial-mente a Taxa de Bits (BitRate) do sistema a ser simulado. A próxima etapa consiste em escolher

quantos blocos de dados serão amostrados a essa Taxa de Bits e, em seguida, qual é o tamanho

da palavra utilizada (TimeWindow). A Tabela (5.1) resume esses parâmetros.

Sistema BitRate SampleRate TimeWindow Amostras/Bloco

2,5 Gbp/s único canal NRZ 2,5e9 8 * 2,5e9 64 / 2,5e9 512 16 * 2,5e9 512 / 2,5e9 8192 32 * 2,5e9 1024 / 2,5e9 32768

10 Gbp/s único canal NRZ 10e9 8 * 2,5e9 64 / 2,5e9 512 16 * 2,5e9 512 / 2,5e9 8192 32 * 2,5e9 1024 / 2,5e9 32768

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5.1 Taxa de Erro de Bit (BER)

Com o intuito de ganhar maior familiaridade com a montagem do sistema WDM de

dois canais (1310 nm e 1550 nm) utilizada no experimento remoto implementado, foram

reali-zadas simulações da medida da BER do sistema.

Todas as simulações foram realizadas utilizando-se modulação externa dos lasers e os

parâmetros para a fibra óptica mostrados na Tabela (5.2):

Canal (nm) Coeficiente de Atenuação (dBm/km) Coeficiente de Dispersão (ps/nm.km)

1310 0,35 0,22

1550 0 17,38

Tabela 5.2: Parâmetros da fibra óptica utilizados na simulação.

A Figura (5.3) mostra a estrutura do aplicativo desenvolvido com o VPI para a

simula-ção da BER do sistema.

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5.1.1 BER em função da Potência do Laser para vários Comprimentos

Esta simulação foi realizada com o objetivo de investigar o comportamento da BER

para cada canal com relação à variação da potência fornecida pelos lasers para diferentes

comprimentos da fibra óptica. Nas Figuras (5.4) e (5.5) são mostrados os resultados obtidos

utilizando-se respectivamente valores para a largura dos lasers iguais a 50 MHz e 1 GHz em

ambos os canais.

Observando a Figura (5.4) verifica-se para ambos os canais que a BER diminui à

me-dida que a potência dos lasers aumenta. Esse resultado era esperado, uma vez que o aumento

da potência do laser corresponde a um aumento do valor médio do nível de potência para o bit

1, de modo que melhora a capacidade do sistema de distinguir entre o bit 0 e o bit 1. Nota-se

ainda que para uma dada potência e comprimento da fibra, o desempenho do canal de 1550 nm

é significativamente melhor do que o do canal de 1310 nm. Esse resultado pode ser explicado

considerando-se que o canal de 1310 nm apresenta uma atenuação maior do que o canal de 1550

nm. Verifica-se também que os valores da BER aumentam quando a Taxa de Bits passa de 1

Gbps para 10 Gbps.

Comparando as Figuras (5.4) e (5.5) verifica-se que a BER aumenta significativamente

quando a largura dos lasers passa de 50 MHz para 1 GHz para ambos os canais operando a

taxa de bits igual a 1 Gbps. Quando a taxa de bits é igual a 10 Gbps esse aumento é menor,

indicando que o desempenho do sistema já está limitado pela taxa de bits. Nota-se também que

para largura do laser igual a 1 GHz as curvas tendem a um patamar mínimo à medida que a

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É importante observar que a análise das curvas obtidas permite determinar a potência

óptica mínima do laser necessária à operação do sistema com um nível de BER mínimo

espe-cificado para um determinado comprimento da fibra óptica. Geralmente, essa potência mínima

é determinada com base no canal de menor desempenho. Por exemplo, no caso de um sistema

operando com lasers de largura 50 MHz, taxa de bits 1 Gbps e comprimento da fibra 10 km,

para obter-se um nível de BER mínimo de referência igual a 10−10 é necessário utilizar uma

potência mínima igual a -15 dBm. Esse valor é determinado com base no canal de 1310 nm, o

qual apresenta a maior perda.

A Tabela (5.3) mostra os valores utilizados para os parâmetros principais.

Parâmetros Valores

Largura do Laser 1310 nm 50 MHz e 1 GHz Largura do Laser 1550 nm 50 MHz e 1 GHz

Potência Laser 0,01 mW até 0,5 mW (55 pontos) Taxa de Bit 1 Gbps e 10 Gbps

Atenuação de Entrada 1310 nm 0 dBm Atenuação de Entrada 1550 nm 0 dBm

Comprimento da Fibra 10 até 50 km (5 curvas)

Perda por Inserção 1,3 dBm Atenuação da Fibra 1310nm 0,35 dBm/km Atenuação da FIbra 1550nm 0,22 dBm/km Dispersão 1310 nm 0 ps/nm.km Dispersão 1550 nm 17,38.10−

6_ps/nm.km

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(a) (b)

(c) (d)

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(a) (b)

(c) (d)

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5.1.2 BER em função da Largura do Laser para vários Comprimentos

para cada canal com relação à variação da largura dos lasers para diferentes comprimentos

da fibra óptica. Nas Figuras (5.6) e (5.7) são mostrados os resultados obtidos utilizando-se

respectivamente valores para a taxa de bits dos lasers iguais a 1 Gbps e 10 Gbps em ambos os

canais.

Observando a Figura (5.6) verifica-se para ambos os canais que a BER aumenta à

medida que a largura dos lasers aumenta. Esse resultado era esperado, uma vez que o aumento

da largura do laser produz uma maior superposição de bits, modo que piora a capacidade do

sistema de distinguir entre bits 0 e 1 sucessivos. Esse efeito é mais pronunciado para fibras de

comprimento menor. Como no caso anterior, verifica-se que o desempenho do canal de 1550

nm é significativamente melhor do que o do canal de 1310 nm e, conforme esperado, que os

valores da BER aumentam quando a potência dos lasers passa de 0,1 mW para 0,065 mW.

Comparando as Figuras (5.6) e (5.7) verifica-se que a influência da largura sobre a BER

diminui para ambos os canais quando a taxa de bits passa de 1 Gbps para 10 Gbps, indicando

novamente que o desempenho do sistema já está limitado pela taxa de bits. Verifica-se que, esse

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Os resultados das simulações 5.1.1 e 5.1.2 mostram que, para as situações analisadas,

a atenuação é um fator mais importante do que a dispersão no que se refere à limitação do

desempenho do sistema, uma vez que a BER é sempre maior no canal de 1310 nm para o qual o

coeficiente de atenuação na fibra (0,35 dBm/km) é maior do que para o canal de 1550 nm (0,22

dBm/km). Isso ocorre embora o coeficiente de dispersão na fibra seja menor para o canal de

1310 nm (0 ps/nm.km) do que para o canal de 1550 nm (17 ps/nm.km).

Parâmetros Valores

Largura do Laser 1310 nm 50 MHz até 1 GHz (55 pontos) Largura do Laser 1550 nm 50 MHz até 1 GHz (55 pontos) Potência Laser 0,1 mW e 0,065 mW

Taxa de Bit 1 Gbps e 10 Gbps

Comprimento da Fibra 10 até 50 km (5 curvas)

6_ps/nm.km

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(a) (b)

(c) (d)

(12)

(a) (b)

(c) (d)

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5.1.3 BER em função da Potência Recebida para várias Taxas de Bits

para cada canal com relação à variação da potência recebida (ROP - Received Optic Power)

para diferentes taxas de bits. Nas Figuras (5.8) e (5.9) são mostrados os resultados obtidos

utilizando-se respectivamente valores para a largura dos lasers iguais a 50 MHz e 1 GHz em

ambos os canais.

Observando a Figura (5.8) verifica-se que para ambos os canais a BER diminui à

me-dida que a potência recebida aumenta. Nota-se também que, mantendo fixo o valor da potência

recebida, a BER não varia significativamente com a taxa de bits na faixa de 0,25 a 1,25 Gbps.

Na faixa de 2,5 a 12,5 Gbps a BER aumenta com a taxa de bits, sendo esse efeito mais

pronunciado para o canal de 1550 nm. Nesse caso, o desempenho do canal de 1310 torna-se

melhor do que o do canal de 1550 nm à medida que aumenta a taxa de bits.

Comparando as Figuras (5.8) e (5.9) verifica-se que, mantendo a potência recebida

fixa, a BER diminui com a taxa de bits na faixa de 0,25 a 1,25 Gbps quando a largura dos lasers

passa de 50 MHz para 1 GHz para ambos os canais. Na faixa de 2,5 a 12,5 Gbps a BER aumenta

com a taxa de bits, sendo esse efeito mais pronunciado para o canal de 1550 nm. É importante

notar que para o canal de 1310 nm ocorre um cruzamento das curvas correspondentes a taxas

de bits de 2,5 e 5,0 Gbps. Esses resultados permitem antecipar a existência de um ponto de

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Parâmetros Valores

Largura do Laser 1310 nm 50 MHz e 1 GHz Largura do Laser 1550 nm 50 MHz e 1 GHz

Potência Laser 1,2 mW

Taxa de Bit 0,25 até 1,25 Gbps (5 curvas) 2,5 até 12,5 Gbps (5 curvas)

Atenuação de Entrada 1310 nm 0 até 6 dBm (55 pontos) Atenuação de Entrada 1550 nm 6,5 até 12,5 dBm (55 pontos) Comprimento da Fibra 50 km

6_ps/nm.km

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(a) (b)

(c) (d)

(16)

(a) (b)

(c) (d)

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As Figuras (5.10) e (5.11) mostram os Diagramas de Olho para o sinal óptico de saída

correspondente ao canal de 1310 nm com largura do laser igual a 1 GHz para várias atenuações

(menor atenuação corresponde a maior potência recebida), respectivamente para Taxas de Bits

de 0,25, 0,5 e 1 Gbps e Taxas de Bits de 2,5, 5 e 10 Gbps. A partir da Figura (5.10) verifica-se

que, conforme esperado, para largura do laser igual a 1 GHz o desempenho do canal de 1310

nm melhora à medida que aumenta a taxa de bits na faixa de 0,25 a 1 Gbps. Nota-se também

que o desempenho piora à medida que aumenta a atenuação (diminui a potência recebida).

Observando a Figura (5.11) verifica-se que, conforme esperado, para largura do laser

igual a 1 GHz o desempenho do canal de 1310 nm piora à medida que aumenta a taxa de bits

na faixa de 2,5 a 10 Gbps. Como no caso anterior, o desempenho piora à medida que aumenta

a atenuação (diminui a potência recebida).

Nas Figuras (5.12) e (5.13) são mostrados os Diagramas de Olho para o sinal óptico

de saída correspondente ao canal de 1550 nm com largura do laser igual a 1 GHz para várias

atenuações, respectivamente para Taxas de Bits de 0,25, 0,5 e 1 Gbps e Taxas de Bits de 2,5, 5

e 10 Gbps. Observa-se um comportamento semelhante ao do canal de 1310 nm.

Nota-se também, conforme esperado, que para taxas de bits na faixa de 2,5 a 10 Gbps,

o desempenho do canal de 1550 nm é mais sensível à variação da taxa de bits e menos sensível

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0,25 Gbps 0,5 Gbps 1 Gbps

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2,5 Gbps 5 Gbps 10 Gbps

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5.1.4 BER em função do Comprimento da Fibra para várias Taxas De

Bits

para cada canal com relação à variação do comprimento da fibra óptica para diferentes taxas de

bits. Nas Figuras (5.14) e (5.15) são mostrados os resultados obtidos utilizando-se

respectiva-mente valores para a largura dos lasers iguais a 50 MHz e 1 GHz em ambos os canais.

Observando a Figura (5.14) verifica-se para ambos os canais que a BER aumenta à

medida que o comprimento da fibra aumenta. Nota-se também que, mantendo fixo o valor do

comprimento, a BER não varia significativamente com a taxa de bits na faixa de 0,25 a 1,25

Gbps. Na faixa de 2,5 a 12,5 Gbps a BER aumenta com a taxa de bits para ambos os canais,

sendo esse efeito novamente mais pronunciado para o canal de 1550 nm, embora o desempenho

do canal de 1550 mantenha-se sempre melhor do que o do canal de 1310 nm.

Comparando as Figuras (5.14) e (5.15) verifica-se que, mantendo o comprimento da

fibra fixo, a BER diminui com a taxa de bits na faixa de 0,25 a 1,25 Gbps quando a largura dos

lasers passa de 50 MHz para 1 GHz para ambos os canais. Na faixa de 2,5 a 12,5 Gbps a BER

não varia significativamente com a taxa de bits para o canal de 1310 nm e aumenta com a taxa

de bits para o canal de 1550 nm. Nota-se novamente a ocorrência de um cruzamento das curvas

correspondentes a taxas de bits de 2,5 e 5,0 Gbps, desta vez para o canal de 1550 nm, indicando

a existência de um ponto de mínimo na curva BER x Taxa de bits, cuja posição deve depender

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Parâmetros Valores

Largura do Laser 1310 nm 50 MHz e 1 GHz Largura do Laser 1550 nm 50 MHz e 1 GHz Potência Laser 0,05 mW e 0,035 mW

Taxa de Bit 0,25 Gbps até 1,25 Gbps (5 curvas) 2,5 Gbps até 12,5 Gbps (5 curvas)

Comprimento da Fibra 10 até 50 km (55 pontos)

6_ps/nm.km

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(a) (b)

(c) (d)

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(a) (b)

(c) (d)

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de saída correspondente ao canal de 1310 nm com largura do laser igual a 1 GHz para vários

comprimentos da fibra óptica, respectivamente para Taxas de Bits de 0,25, 0,5 e 1 Gbps e Taxas

de Bits de 2,5, 5 e 10 Gbps.

Observando a Figura (5.16) verifica-se que, conforme esperado, para largura do laser

igual a 1 GHz o desempenho do canal de 1310 nm melhora à medida que aumenta a taxa de bits

na faixa de 0,25 a 1 Gbps. Nota-se também que o desempenho piora significativamente à medida

que aumenta o comprimento da fibra, com o olho fechando-se totalmente para comprimento

igual a 100 km. A partir da Figura (5.17) verifica-se que, conforme esperado, para largura do

laser igual a 1 GHz o desempenho do canal de 1310 nm não varia significativamente com a taxa

de bits na faixa de 2,5 a 10 Gbps. Como no caso anterior, o desempenho piora à medida que

aumenta o comprimento da fibra.

Os Diagramas de Olho (Figuras 5.18 e 5.19), mostram o sinal óptico de saída

corres-pondente ao canal de 1550 nm com largura do laser igual a 1 GHz para vários comprimentos da

fibra óptica, para Taxas de Bits de 0,25, 0,5 e 1 Gbps e Taxas de Bits de 2,5, 5 e 10 Gbps.

Observa-se que na faixa de 0,25 a 1 Gbps o comportamento do canal de 1550 nm é

semelhante ao do canal de 1310 nm, embora um pouco menos sensível à variação da taxa de

bits. Na faixa de 2,5 a 10 Gbps o desempenho piora à medida que aumenta a taxa de bits e/ou

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5.1.5 BER em função da Taxa de Bits para várias Larguras

para cada canal com relação à variação da Taxa de Bits para diferentes larguras dos lasers. Na

Figura (5.20) são mostrados os resultados obtidos.

Observando a Figura (5.20) verifica-se para ambos os canais que, conforme indicado

pelos resultados das simulações 5.1.3 e 5.1.4, inicialmente a BER diminui à medida que a taxa

de bits aumenta, atingindo um valor mínimo a partir do qual passa a aumentar. O valor desse

mínimo aumenta com a largura do laser e diminui com o comprimento da fibra, situando-se no

caso das simulações realizada entre 1 a 5 Gbps. A Tabela (5.7) mostra os parâmetros utilizados.

Parâmetros Valores

Largura do Laser 1310 nm 50 MHz até 1,05 GHz Largura do Laser 1550 nm 50 MHz até 1,05 GHz

Potência Laser 0,035 mW para 10 km e 0,25 mW para 50 km Taxa de Bit 0,25 Gbps até 12,5 Gbps (5 curvas)

Comprimento da Fibra 10 e 50 km

6_ps/nm.km

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(a) (b)

(c) (d)

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de saída correspondente ao canal de 1310 nm para várias taxas de bits e larguras do laser,

respectivamente para valores do comprimento da fibra de 10 km e 50 km. Observa-se que,

conforme esperado, a partir da largura do laser igual a 0,55 MHz o desempenho de ambos os

canais melhora quando a taxa de bits passa de 0,25 a 5 Gbps e piora novamente quando a taxa

de bits passa para 12,5 Gbps.

de saída correspondente ao canal de 1550 nm para várias taxas de bits e larguras do laser,

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0,25 Gbps 5,0 Gbps 12,5 Gbps

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