Universidade Federal de Uberlândia
Faculdade de Engenharia Elétrica - Campus Patos de Minas Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações
FERNANDO TELES DA CRUZ
Análise de Redes Ópticas Coerentes baseadas na Tecnologia
CDMA
Patos de Minas
2016
FERNANDO TELES DA CRUZ
Análise de Redes Ópticas Coerentes baseadas na Tecnologia
CDMA
Trabalho de conclusão de curso apresentado à Faculdade de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Uberlândia, campus Patos de Minas, como requisito parcial para obtenção do Bacharelado em Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações.
Orientador: Prof. Dr. Pedro Luiz Lima Bertarini.
Patos de Minas
2016
Análise de Redes Ópticas Coerentes baseadas na Tecnologia
CDMA
Trabalho de conclusão de curso apresentado à Faculdade de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Uberlândia, campus Patos de Minas, como requisito parcial para obtenção do Bacharelado em Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações.
Patos de Minas, 05 de Dezembro de 2016.
Prof. Dr. Pedro Luiz Lima Bertarini (Orientador, UFU)
Prof. Dr. Diego de Brito Piau (Examinador, UFU)
Agradecimentos
Agradeço primeiramente a Deus pelo dom da vida. Aos meus pais, Silvio e Eliane, pelo apoio incondicional durante a toda graduação. As minhas irmãs, Julia e Juciara por estarem sempre comigo nessa árdua caminhada. A minha namorada Viviani pelo companheirismo em todos os momentos. E de forma especial a toda a minha família, minha fortaleza.
Agradeço imensamente a todos os professores pelos ensinamentos recebidos durante a graduação, de forma especial ao Prof. Dr. Pedro Luiz Lima Bertarini pela orientação na condução deste trabalho, aos técnicos administrativos pelos excelentes serviços prestados a universidade, e aos demais profissionais que contribuem pela excelência da UFU Patos de Minas.
Aos meus amigos e colegas da faculdade, minha gratidão por estarmos sempre juntos nos momentos bons e difíceis, pertinentes em uma graduação em engenharia.
E, finalmente, agradeço ao Laboratório de Processamento de Sinais e Sistemas Embarcados (LAPSE) por toda a infraestrutura fornecida para a realização deste trabalho, e a FAPEMIG pelo suporte financeiro.
Resumo
Este trabalho faz uma investigação detalhada de sistemas ópticos baseados na tecnologia de acesso múltiplo por divisão de código (OCDMA), analisando suas principais características, padrões de projeto e implementação. Por meio das diversas simulações realizadas foi possível compreender e otimizar o funcionamento deste sistema que surge como alternativa ao tradicional sistema de acesso múltiplo por comprimento de onda (WDMA) em redes ópticas locais. Neste contexto, este trabalho analisa o desempenho de redes ópticas coerentes baseadas na codificação de fase espectral (SPC) quando a fibra óptica é retirada do sistema (sistemas
back-to-back). Tal sistema utiliza 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). Diversos cenários são simulados com o objetivo de verificar a robustez e a escalabilidade do sistema em termos de taxa de erro de bit (BER) quando são variados parâmetros como potência do pulso inicial, tamanho do código, número de usuários simultâneos, entre outros. Em um cenário inicial, é realizada uma análise de desempenho em função da largura espectral do pulso à qual será realizada o processo de codificação. 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 30 Gbps por usuário com a utilização de códigos W-H de tamanho 16 quando 5 usuários estão ativos no sistema. Ainda no contexto da análise de um sistema back-to-back, este trabalho faz uma comparação do desempenho de redes SPC e redes ópticas incoerentes baseadas na codificação de intensidade espectral (SAC) quando é variada a taxa de transmissão do sistema. Para o sistema SPC, quando considerado o código corretor de erros RS-FEC (255,223), foi possível a obtenção de taxas de transmissão de 10 Gbps por usuário com a utilização de códigos W-H de tamanho 8 quando 5 usuários estão ativos no sistema. E por fim, esse trabalho também leva em conta a simulação de um sistema OCDMA SPC em um cenário com fibra óptica. Tal sistema também utiliza uma fibra compensadora de dispersão (DCF) e sua análise é realizada levando em consideração a variação da potência de transmissão. Quando considerado o código corretor de erros RS-FEC (255, 223) foi possível a obtenção de BER aceitáveis utilizando uma taxa de transmissão de 1 Gbps por usuário com a
utilização de códigos W-H de tamanho 16 quando 4 usuários estão ativos no sistema.
Palavras-chave: Comunicações ópticas; Acesso múltiplo por divisão de código;
Abstract
This work performs a comprehensive investigation of optical code-division multiple access system (OCDMA) analyzing its main characteristics, design patterns and implementation. Through of the several simulations, it was possible and to optimize the performance of these systems, which emerges as an alternative to the traditional wavelength division multiple access system (WDMA) system in local optical networks. In this context, this work analysis the performance of coherent optical networks based on spectral phase coding (SPC) when the optical fiber is removed from system (back-to-back system). Wash-Hadamard (H-W) codes are chosen to be used in coding/decoding processes as well as the non-linear loop mirror (NOLM) to reject multiple access interference (MAI). Several scenarios are simulated to verify the robustness and scalability of the system in terms of bit error rate (BER) when are varied parameters such as pulse power, code length, active users, among others. In an initial scenario, it was analyzed how the spectral width used in coding/decoding process affects the system performance. When forward error correction FEC-RS (255,223) were used, it was possible to obtain 30 Gbps transmission rate per user using W-H 16 with 5 simultaneous users in system. This work also analyzes and compares the performance of coherent optical networks based on spectral phase coding (SPC) and incoherent optical networks based on spectral amplitude coding when the transmission rate of the system is varied. 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 with 5 simultaneous users in system. Finally, this work performs a simulation of SPC-OCDMA system in a scenario with an optical fiber. This system also uses a dispersion compensating fiber (DCF) and its analysis is performed as function of the transmission power. When forward error correction FEC-RS (255,223) is used, it was possible to obtain 1 Gbps transmission rate per user using W-H 16 with 4 simultaneous users in system.
Keywords: Optical Communication; Optical code division multiple access; Spectral
Sumário
LISTA DE FIGURAS ... IX LISTA DE TABELAS ... X LISTA DE PUBLICAÇÕES ... XII
INTRODUÇÃO ... 13
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 18
2.1SISTEMAS CDMA ... 18
2.2SISTEMAS OCDMA ... 19
2.3SISTEMAS OCDMASÍNCRONOS E ASSÍNCRONOS ... 21
2.4SISTEMAS OCDMACOERENTES E INCOERENTES ... 23
2.4.1 Codificação de Intensidade Espectral ... 23
2.4.2 Codificação de Fase Espectral ... 24
2.5FAMÍLIA DE CÓDIGOS WALSH -HADAMARD ... 26
METODOLOGIA ... 28
3.1SIMULAÇÃO DO SISTEMA SPC-OCDMA ... 28
3.2SIMULAÇÃO DO SISTEMA OCDMA COERENTE E INCOERENTE ... 29
3.3SIMULAÇÃO DO SISTEMA SPC-OCDMA EM UM CENÁRIO COM FIBRA ÓPTICA ... 31
RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 33
4.1SISTEMA SPC-OCDMA ... 33
4.2SISTEMA OCDMA COERENTE E INCOERENTE ... 41
4.3SISTEMA SPC-OCDMA EM UM CENÁRIO COM FIBRA ÓPTICA ... 43
CONCLUSÃO ... 45
5.1TRABALHOS FUTUROS ... 46
Lista de Figuras
FIGURA 1–ATENUAÇÃO DO SINAL ÓPTICO EM RELAÇÃO AO COMPRIMENTO DE ONDA. ... 14
FIGURA 2–ESQUEMAS DE ACESSO MÚLTIPLO E/OU MULTIPLEXAÇÃO MAIS UTILIZADOS. ... 15
FIGURA 3–REPRESENTAÇÃO POR MEIO DE DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM SISTEMA OCDMA. ... 20
FIGURA 4–OCDMA ASSÍNCRONO. ... 22
FIGURA 5–OCDMA SÍNCRONO:(A) SINCRONIZAÇÃO POR CHIP, E (B) SINCRONIZAÇÃO POR SLOT. ... 22
FIGURA 6–PROCESSO DE CODIFICAÇÃO SAC-OCDMA UTILIZANDO REDES DE DIFRAÇÃO. ... 24
FIGURA 7–PROCESSO DE CODIFICAÇÃO SPC-OCDMA UTILIZANDO REDES DE DIFRAÇÃO. ... 25
FIGURA 8–SISTEMA OCDMA UTILIZANDO A CODIFICAÇÃO DE FASE ESPECTRAL IMPLEMENTADO NO SOFTWARE OPTISYSTEM.O PROCESSO DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO SÓ É DETALHADO PARA O USUÁRIO, POR QUESTÃO DE CLAREZA. ... 29
FIGURA 9–SISTEMA OCDMA INCOERENTE UTILIZANDO A CODIFICAÇÃO DE INTENSIDADE ESPECTRAL IMPLEMENTADO NO SOFTWARE OPTISYSTEM. ... 30
FIGURA 10–SISTEMA OCDMA COERENTE UTILIZANDO UMA FIBRA COMPENSADORA DE DISPERSÃO IMPLEMENTADO PELO SOFTWARE OPTISYSTEM. ... 32
FIGURA 11–(A)SEQUÊNCIA DE PULSOS TRANSMITIDOS PELO USUÁRIO 1, ANTES DA CODIFICAÇÃO DE FASE ESPECTRAL.(B)AMPLIAÇÃO DE UM DOS PULSOS DA SEQUÊNCIA DA FIGURA (A).(C)SEQUÊNCIA DE PULSOS TRANSMITIDOS PELO USUÁRIO 1, ESPALHADOS TEMPORALMENTE APÓS A CODIFICAÇÃO DE CODIFICAÇÃO DE FASE ESPECTRAL.(D)AMPLIAÇÃO DE UM DOS PULSOS DA SEQUÊNCIA DA FIGURA (C). 34 FIGURA 12–(A)COMBINAÇÃO DOS SINAIS DOS CINCO USUÁRIOS ATIVOS NO SISTEMA;(B)PULSOS DO USUÁRIO DE INTERESSE APÓS O PROCESSO DE DECODIFICAÇÃO, EVIDENCIANDO A MAI;(C)SEQUÊNCIA DE PULSOS DO USUÁRIO DE INTERESSE RECUPERADOS APÓS O NOLM. ... 35
FIGURA 13–DESEMPENHO DO SISTEMA SPECTS-OCDMA EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA DO PULSO INICIAL TOMANDO COMO PARÂMETROS O NÚMERO DE USUÁRIOS ATIVOS E O COMPRIMENTO DO CÓDIGO W-H. . 36
FIGURA 14–COMPARAÇÃO ENTRE O DESEMPENHO DE CADA UM DOS USUÁRIOS EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA DO PULSO INICIAL QUANDO EXISTEM 5 USUÁRIOS ATIVOS NO SISTEMA. ... 37
FIGURA 15–VISUALIZAÇÃO ESPECTRAL APÓS A CODIFICAÇÃO DO SINAL.OBSERVA-SE A FAIXA ESPECTRAL CODIFICADA CORRESPONDENTE A 40%(ESQUERDA) E 80%(DIREITA) DA MÁXIMA POTÊNCIA DO SINAL – EM VERMELHO, NO ESPECTRO, VERIFICA-SE OS DESLOCAMENTOS DE FASE. ... 38
FIGURA 16–DESEMPENHO DO SISTEMA EM FUNÇÃO DA TAXA DE TRANSMISSÃO COM 5 USUÁRIOS ATIVOS E UMA MATRIZ W-H DE TAMANHO IGUAL A 16, UTILIZANDO DIFERENTES FAIXAS ESPECTRAIS CORRESPONDENTES A MÁXIMA POTÊNCIA DO SINAL TRANSMITIDO. ... 39
FIGURA 17–DESEMPENHO DO SISTEMA EM FUNÇÃO DA FAIXA ESPECTRAL À QUAL FOI APLICADO O PROCESSO DE CODIFICAÇÃO.FORAM CONSIDERADOS 5 USUÁRIOS ATIVOS, CÓDIGOS W-H E TAXA DE TRANSMISSÃO DE 30GBPS. ... 40
FIGURA 18–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. .. 41
FIGURA 19–(A)RANGE DE FREQUÊNCIAS DO ESPECTRO A SER CODIFICADO;(B)VISUALIZAÇÃO ESPECTRAL APÓS A CODIFICAÇÃO DO SINAL. ... 42
FIGURA 20–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. ... 43
FIGURA 21–DESEMPENHO DO SISTEMA OCDMA COERENTE EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA DE TRANSMISSÃO QUANDO 4 USUÁRIOS ESTÃO TRANSMITINDO SIMULTANEAMENTE A UMA TAXA DE TRANSMISSÃO IGUAL A 1 GBPS. ... 44
Lista de Tabelas
TABELA 1–ASSOCIAÇÕES DE RANGES DE FREQUÊNCIAS DE ACORDO COM A MATRIZ W-H ... 33 TABELA 2–RELAÇÃO ENTRE A MÁXIMA POTÊNCIA DO PULSO E SUA FAIXA CORRESPONDENTE NO ESPECTRO
BER Bit Error Rate
BPSK Binary Phase Shift Keying
CDMA Code Division Multiple Access DS Direct Sequence
FEC Forward Error Correction FH Frequence Holding
ISI Inter-Symbol Interference LAN Local Area Network
LASER Light Amplified Stimulated
Emission of Radiation
LED Light Emitting Diode
MAI Multiple Access Interference NOLM Nonlinear Optical Loop Mirror OCDMA Optical Code Division Multiple
Access
QPSK Quadrature phase-shift Keying
RF Radio Frequency
SAC Spectral Amplitude Coding SPC Spectral Phase Coding
TDMA Time Division Multiple Access WDMA Wavelength Division Multiple
Access
W-H Walsh-Hadamard
Taxa de Erro de Bit
Modulação por deslocamento de fase Binário
Acesso Múltiplo por Divisão de Código Sequência Direta
Correção de Erro a Frente (destino) Salto em Frequência
Interferência Intersimbólica
Rede com Área de abrangência Local Luz Amplificada por Emissão
Estimulada de Radiação Diodo Emissor de Luz
Interferência de Acesso Múltiplo
Nonlinear Optical Loop Mirror
Acesso Múltiplo por Divisão de Código no domínio Óptico
Modulação por deslocamento de fase em Quadratura
Rádio Frequência
Codificação da Amplitude Espectral Codificação de Fase Espectral
Acesso Múltiplo por Divisão do Tempo Acesso Múltiplo por Divisão do
Comprimento de Onda
Lista de Publicações
CRUZ, F.T.; PINHEIRO, A.P.; VEIGA, A.C.P.; BERTARINI, P. L. L., "Análise do desempenho de sistemas OCDMA coerentes com codificação de fase espectral", 12º
CBMag - Congresso Brasileiro de Eletromagnetismo 17º SBMO - Simpósio Brasileiro de Micro-ondas e Optoeletrônica, MOMAG 2016, Rio Grande do Sul, Brasil,
Setembro 2016.
CRUZ, F.T.; BERTARINI, P. L. L., "Análise e Comparação do Desempenho de Sistemas OCDMA Coerentes e Incoerentes", XIV Conferência de Estudos em
Engenharia Elétrica, CEEL 2016, Uberlândia, Brasil, Outubro 2016.
CRUZ, F.T.; BERTARINI, P. L. L., "Análise e Comparação do Desempenho de Sistemas OCDMA Coerentes e Incoerentes", 2º Simpósio de Tecnologia e Ciência, SimTe Ci 2016, Patos de Minas, Brasil, Outubro 2016.
CRUZ, F.T.; MACHADO, G.E.D.; SOUZA, N.T.; BERTARINI, P. L. L., "Sistemas de Comunicações Ópticos baseados na Tecnologia de Acesso Múltiplo por Divisão de Código (OCDMA)", III Congresso Mineiro de Engenharias e Arquitetura, CENAR 2016, Patos de Minas, Brasil, Outubro 2016.
Capítulo 1
Introdução
A demanda por meios de transmissão que operam em altas taxas e, consequentemente, exigem uma extensa largura de banda têm crescido exponencialmente nos últimos anos. Um cenário que vivenciamos as expansões dos sistemas de telefonia, TV a cabo, o crescimento das redes de computadores e principalmente a internet de alta velocidade, e nos aproximamos cada vez mais de uma nova revolução tecnológica com o advento da internet das coisas, nos levam a buscar meios de transmissão que suportam trafegar toda essa robusta comunicação de dados. Neste contexto, a comunicação por fibra óptica se credencia como o meio mais apropriado para a transmissão de informações em sistemas de comunicações modernos que provêm altas taxas de transmissão de dados e uma alta capacidade de alocação de usuários.
O reconhecimento das vantagens das comunicações ópticas aconteceu no início da década de 70 e criou uma gigantesca onda de pesquisas e atividades relacionadas ao sistema óptico. Tal desenvolvimento levou a primeira demonstração em laboratório de um sistema de comunicação óptica que na época utilizavam fibras feitas de vidro. Diante do progresso obtido a cada experimento, as perdas na fibra óptica eram reduzidas drasticamente, de aproximadamente 1000 dB/Km para 20 dB/Km em 1970, e depois para 4 dB/Km em 1973 [1]. Ao se utilizar um comprimento de onda na faixa dos 1550 nm posteriormente, houve uma melhora significativa do desempenho dos sistemas ópticos onde a perda causada pela fibra foi reduzida para 2 dB/Km em 1974, 0.5 dB/Km em 1976 e 0.2 dB/Km em 1979. Tudo isso só foi possível graças a um estudo relacionado a resposta espectral das fibras de vidro. A Figura 1 ilustra a atenuação do sinal em função de diferentes comprimentos de onda. Ainda na Figura 1, pode-se visualizar que a atenuação do sinal transmitido obtém sua menor magnitude quando submetidos a uma faixa espectral
compreendida entre 1550 e 1600 nm, sendo a faixa de 1550.5 nm a fatia espectral comumente utilizada como o comprimento de onda central dos sistemas de comunicação óptica atuais.
No entanto, o desenvolvimento acelerado das transmissões por fibra óptica só foi possível devido ao desenvolvimento de equipamentos eletrônicos a serem empregados em diversas partes do sistema óptico. Dentre esses, podem-se citar, por exemplo, os lasers que provém a fonte de luz para o canal óptico, bem como os fotodetectores que realizam a conversão do sinal óptico em elétrico operando na recepção do sistema, ou ainda os amplificadores elétricos (ativos) e ópticos (passivos), os regeneradores de sinal, etc. O resultado dessa combinação foi um enlace de transmissão que possui inúmeras vantagens em relação aos tradicionais cabos coaxiais ou de par trançados, tais como: largura de banda extremamente maior, menor susceptibilidade à degradação do sinal se comparada aos cabos de cobre, menor peso e imunidade eletromagnética [2], [3]. Dessa forma as fibras ópticas têm sido bastante empregadas em meios de comunicação que exigem acesso múltiplo para transmissões de dados em alta taxa.
Além disso, técnicas de acesso múltiplo são necessárias para atender a demanda por alta capacidade nas comunicações em redes ópticas permitindo que múltiplos usuários compartilhem a mesma largura de banda da fibra. Os três esquemas de acesso e multiplexação mais conhecidos e utilizados estão
Figura 1 – Atenuação do sinal óptico em relação ao comprimento de onda.
representados pela Figura 2. No Acesso Múltiplo por Divisão do Comprimento de Onda (WDMA) mostrado à esquerda na Figura 2, todos os usuários podem transmitir ao mesmo tempo, no entanto, a cada usuário é atribuída uma faixa de frequência específica. Já no Acesso Múltiplo por Divisão do Tempo (TDMA) mostrado no centro na Figura 2, cada usuário transmite em seu próprio intervalo de tempo utilizando toda a largura de banda do sistema. Finalmente, no terceiro caso, o Acesso Múltiplo por Divisão de Código (CDMA), mostrado à direita na Figura 2, todos os usuários transmitem ao mesmo tempo espalhados em toda a faixa de frequências disponível e cada usuário é identificado por um código próprio que os distingue dos demais por uma sequência única.
Em sistemas WDMA e TDMA, a quantidade de usuários é limitada pela capacidade de alocação física dos assinantes no espectro de frequência disponível e no número de slots temporais respectivamente. Já no CDMA, a alocação dos assinantes não possui estes tipos de restrições, sendo limitadas apenas pela quantidade de interferências entre os usuários. Desta forma, os sistemas TDMA e WDMA possuem alocações de canais fixas, caracterizando-os como sistemas determinísticos. Porém o CDMA depende da quantidade de códigos presentes que
Figura 2 – Esquemas de acesso múltiplo e/ou multiplexação mais utilizados - WDMA à esquerda, TDMA ao centro e CDMA à direita.
se manifestam como interferentes em relação ao código desejado. Sendo assim, este último aceita uma degradação maior em função da quantidade de usuários presentes no sistema, o que o caracteriza como um sistema de multiplexação estatística [4].
O sistema CDMA óptico ou OCDMA foi proposto pois combina a grande largura de banda existente no canal óptico com a flexibilidade do CDMA. Inicialmente o CDMA foi investigado no contexto de sistema de comunicações em rádio frequência (RF), porém, na década de 80 ele foi aplicado no domínio óptico [5], [6]. 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, 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 [7]. Além disso, o OCDMA possui características únicas como capacidade flexível sob demanda, alta velocidade de processamento óptico dos dados, transmissão totalmente assíncrona com acesso de baixa latência, além do fornecimento de segurança às informações transmitidas. Tal vantagem é inerente do OCDMA pois os dados de cada usuário no sistema são transmitidos após um processo de codificação que obedece a determinados compromissos de auto correlação e ortogonalidade [8], [9].
Neste contexto, este trabalho busca analisar o desempenho de redes ópticas coerentes baseadas na tecnologia CDMA. Em um cenário inicial este trabalho investiga de forma ampla o comportamento do sistema OCDMA coerente que utiliza a codificação de fase espectral, onde será feita uma análise da forma com a qual a potência de transmissão afeta no desempenho do sistema, bem como averiguar a forma com que a sequência de códigos utilizados para a codificação e decodificação do sinal afeta de forma distinta o desempenho de cada usuário contido no sistema.
Posteriormente, ainda no contexto dos sistemas OCDMA coerentes, será realizada uma análise do sistema em função largura espectral do pulso à qual será aplicada o código. Isso permitirá que uma política de otimização seja sugerida. Além disso será considerado o acesso assíncrono a rede. Logo em seguida será feita uma análise da comparação do desempenho do sistema OCDMA coerente em relação ao sistema OCDMA incoerente quando ambos os sistemas são submetido a altas taxas
de transmissão. É importante ressaltar que em todos os cenários descritos acima será considerado o sistema back-to-back, do qual se caracteriza pela retirada da fibra óptica do sistema. E, finalmente, este trabalho analisa o desempenho de redes ópticas coerentes baseadas na codificação espectral em um cenário com fibra óptica.
Dessa forma, este trabalho está organizado da seguinte maneira: no Capítulo 2 é realizada uma revisão bibliográfica abordando e analisando os principais aspectos, vantagens e desvantagens do sistema OCDMA, bem como as principais configurações existentes neste sistema, analisando de forma detalhada os sistemas incoerentes e coerentes em virtude de suas configurações. É dado um maior enfoque nos principais aspectos dos sistemas SAC (incoerente) e SPC (coerente), onde este último será estudado, implementado e analisado de forma bastante abrangente. No Capítulo 3 é demonstrada toda a metodologia para a implementação em software do sistema OCDMA para todos os cenários investigados nesse trabalho. Os resultados das simulações e as discussões sobre desempenho de cada cenário são realizados no Capítulo 4. E, finalmente, no Capítulo 5 são apresentadas, respectivamente, as conclusões finais e aspectos futuros deste trabalho.
Capítulo 2
Revisão Bibliográfica
2.1 Sistemas CDMA
A técnica de espalhamento espectral foi incialmente desenvolvida em meados da década de 1950. Os primeiros sistemas (sistemas CDMA) que implementaram essa técnica de transmissão de dados eram exclusivamente militares, e tinham como principal propósito a segurança das informações trafegadas utilizando de maneira mais eficiente o espectro disponível [10]. De acordo com [11], a técnica de espalhamento espectral pode ser descrita como uma forma de transmissão eficiente do sinal, onde a energia total de cada sinal transmitido é distribuída por toda a banda disponível, assumindo assim o sinal um formato semelhante ao de um ruído. Dessa forma, o sinal de todos os usuários do sistema são sobrepostos no espectro e no tempo. Posteriormente no receptor, por meio do código apropriado, a informação do usuário de interesse pode ser extraída deste “ruído” e como consequência o sinal é recuperado.
Existem duas técnicas mais comumente utilizadas para proverem o espalhamento espectral: espalhamento espectral por sequência direta (DS) e o espalhamento espectral por salto em frequência (FH). No espalhamento espectral por sequência direta, o sinal de cada usuário é multiplicado por uma sequência pseudoaleatória, que é parte de um conjunto de sequências binárias ortogonais cuja correlação cruzada é igual a 0. Isso contribui de forma significativa para a atenuação do efeito da propagação multi-percurso. Já na técnica de espalhamento espectral por salto em frequência, a portadora de cada usuário "salta" entre as várias faixas de frequências disponíveis no espectro alocado também segundo uma sequência pseudoaleatória. A faixa original do sinal é mantida, no entanto, devido a capacidade de a portadora percorrer uma faixa muito extensa de frequências, o efeito resultante será então o espalhamento espectral do sinal.
Nesse contexto, o sucesso da tecnologia CDMA em sistemas como, por exemplo, redes de celulares, comunicações via satélite, entre outros, tem contribuído fortemente para implementação da mesma no domínio óptico. Com suas propriedades tais como a flexibilidade de alocação de usuários, maior eficiência espectral, acesso totalmente assíncrono e transmissão de dados em alta taxa credenciam as redes OCDMA como uma alternativa promissora, robusta e escalável para redes ópticas locais [12], [13].
Assim, a seguir é realizada uma abordagem sobre as principais motivações que levaram ao estudo e a implementação do sistema CDMA em redes ópticas.
2.2 Sistemas OCDMA
Em 1986, Prucnal, Santoro e Fan propuseram uma rede local (LAN) utilizando o processamento de sinal óptico. Eles usaram códigos primos na codificação do sinal transmitido e fibras ópticas para prover os atrasos temporais necessários para a decodificação do sinal no receptor [14]. Tal experimento teve como principal objetivo investigar a viabilidade da implementação de um sistema OCDMA incoerente utilizando a codificação no domínio temporal. Em 1988, Weiner, Heritage e Salehi demonstraram como espalhar um pulso óptico em rajadas. A partir daí, o espalhamento em frequência foi alcançado utilizando a codificação do espectro da luz em sequências pseudoaleatórias de fase binárias e em seguida decodificando o espectro para recuperar o sinal original [15]. A partir de então foi proposto que a codificação coerente utilizando o pulso ultracurto poderia ser aplicada para credenciar o OCDMA como uma tecnologia totalmente reconfigurável. O OCDMA pode ser descrito como uma tecnologia que permite o acesso múltiplo dos usuários ao sistema óptico por meio de sequências de códigos para cada usuário. Ou seja, todos os usuários transmitem simultaneamente utilizando todo o espectro de frequência disponível. Em comparação as outras técnicas de acesso e multiplexação tal como o TDMA e o WDMA, o OCDMA é visto como uma técnica promissora para as redes ópticas locais, especialmente por ser caracterizado como uma tecnologia altamente flexível e com uma capacidade de reconfiguração essencial para que uma rede de acesso seja robusta e escalável.
O grande atrativo do uso da tecnologia CDMA em redes ópticas é que ela permite um método de acesso múltiplo flexível para o tráfego assíncrono com baixa degradação na presença de interferentes, e as taxas de erro podem ser satisfeitas com a escolha adequada do código [16], [17]. Quanto maior a quantidade de usuários ativos no sistema, mais o sistema é degradado, deste modo, surge a necessidade de um compromisso entre a quantidade de usuários e a degradação do sistema. Esse comportamento caracteriza o sistema CDMA no que ele possui de mais atrativo, a capacidade flexível sob demanda [18]. O esquema básico de um sistema OCDMA é representado pela Figura 3.
Como é mostrado na Figura 3, os dados de cada usuário são transmitidos utilizando, primeiramente, um modulador óptico que converte o sinal elétrico em sinal óptico. Posteriormente este sinal chega a um codificador que codifica este sinal de forma coerente ou incoerente, utilizando uma sequência binária pseudo-aleatória. Cada bit dessa sequência, ou chip, corresponde à uma parcela do período do tempo e/ou frequência do pulso inicial. Assim, cada usuário de uma rede OCDMA possui uma única sequência código ou assinatura. Uma vez codificado, o sinal pode ser passivamente combinado com outros sinais OCDMA, sendo que cada um deles
Figura 3 – Representação por meio de diagrama de blocos de um sistema OCDMA.
possui suas características únicas de codificação. No receptor, utiliza-se um decodificador semelhante ao localizado no transmissor, e o sinal agora decodificado passa por um dispositivo de rejeição de MAI que garantirá com que o usuário receba somente o sinal desejado. Este sinal chegará por um fotodetector que converterá o sinal óptico em elétrico novamente, assim, este sinal é recebido pelo usuário de interesse. A interferência (crosstalk) entre diferentes usuários que compartilham o mesmo canal, conhecida como MAI, é geralmente a principal fonte de erros de bits em um sistema OCDMA [19]. Portanto, o projeto inteligente das palavras-códigos é importante para reduzir a contribuição da MAI com o sinal total recebido.
Na sessão seguinte serão abordadas as principais características de sistemas OCDMA síncronos e assíncronos.
2.3 Sistemas OCDMA Síncronos e Assíncronos
Uma das mais atrativas características do sistema OCDMA é sua natureza assíncrona. Ao contrário do TMDA, por exemplo, o OCDMA não requer uma sincronização entre o transmissor e o receptor, isso permite que todos os usuários transmitam seus dados em qualquer tempo. No OCDMA assíncrono, a magnitude da interferência entre os sinais, incluído a MAI e o ruído de batimento, irão variar de forma randômica no tempo de duração do bit de acordo com as posições relativas da correlação cruzada com pico da autocorrelação, como mostrado na Figura 4. Isso tem como consequência o redimensionamento da janela de atuação do filtro localizado no receptor que passa a assumir o pior cenário, ou seja, a extensa faixa de ruído deve ser levada em conta.
Em contra partida, no OCDMA síncrono existem dois níveis de sincronização, a sincronização por chip, mostrada na Figura 5 (a) e a sincronização por slot mostrada na Figura 5 (b). A sincronização por chip pode ser realizada no melhor cenário, onde existe uma menor concentração de ruído. Isso é ilustrado pela Figura 5 (a) onde é possível observar que o ruído é minimizado quando o sincronismo atua de modo que os centros de auto correlação e da correlação cruzada estejam alinhados. No slot de sincronismo mostrado na Figura 5 (b) a duração do bit é segmentada dentro do número de usuários ativos no sistema, e cada slot é alocado para diferentes usuários de modo que não haja sobreposição entre os slots, como
acontece no TDMA. Dessa forma, o slot de sincronismo OCDMA é totalmente livre de interferências. Contudo, o time-slot usado pelo OCDMA paga um preço pela sua capacidade de sincronização, que consiste no estabelecimento de um limite do tamanho do código, isso resulta em um número limitado de usuários contidos no sistema [18].
Figura 4 – OCDMA assíncrono.
Fonte: [18].
Figura 5 – OCDMA síncrono: (a) sincronização por chip, e (b) sincronização por slot.
A seguir será demonstrada a classificação dos sistemas OCDMA em termos da natureza da sobreposição do sinal óptico, onde o sistema se divide em sistemas OCDMA coerentes e sistemas OCDMA incoerentes.
2.4 Sistemas OCDMA Coerentes e Incoerentes
Sistemas OCDMA incoerentes utilizam a presença ou ausência de luz para representar, respectivamente os símbolos 1 e 0. Este tipo de sistema OCDMA pode fazer uso de fontes de luz incoerentes, como por exemplo, LEDs. São exemplos de sistemas incoerentes: a codificação de intensidade no domínio temporal [20] e a codificação de intensidade no domínio espectral [21].
Já os sistemas OCDMA coerentes utilizam codificação bipolar no sinal óptico, ou seja, um dado código de usuário geralmente é aplicado via codificação de fase óptica. Os deslocamentos de fase oriundos deste processo podem ser 0 ou π ou podem ter vários níveis de fase. Este tipo de sistema OCDMA requer fontes de luz banda-larga capazes de produzir pulsos ultracurtos, como por exemplo, lasers
mode-locked. São exemplos de sistemas coerentes: a codificação de fase espectral
[22] e a codificação de fase temporal [23]. Nas seções 2.4.1 e 2.4.2 serão abordadas de formas detalhadas as configurações do sistema incoerente SAC e do sistema coerente SPC.
2.4.1 Codificação de Intensidade Espectral
No sistema OCDMA incoerente que utiliza a Codificação de Intensidade Espectral (SAC), o processo de codificação é ilustrado pela Figura 6, onde 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, onde o pulso é modulado com o código conjugado Ā(w). Assim, por meio de uma detecção balanceada se obtém correlação cruzada nula entre diferentes sequências de códigos, eliminando a MAI.
2.4.2 Codificação de Fase Espectral
Em sistemas OCDMA coerentes com codificação de fase espectral (SPC), ambos os processos de codificação e decodificação ocorrem no domínio espectral. Em tal sistema, demonstrado em [24], a codificação é feita utilizando o espectro largo que o pulso ultracurto proporciona. Os pulsos ultracurtos gerados são submetidos a uma transformada de Fourier, que pode ser implementada utilizando o esquema ilustrado pela Figura 7, e as componentes espectrais do sinal são multiplicados por cada chip da sequência de códigos correspondente.
Figura 6 – Processo de codificação SAC-OCDMA utilizando redes de difração.
Fonte: o autor.
Assim, são realizados deslocamentos de fase “0” ou “π” de acordo com o código do usuário. A codificação resulta no espalhamento do pulso ultracurto no domínio do tempo. A decodificação aplica mudanças de fases conjugadas às realizadas no processo de codificação para as diferentes componentes espectrais. Dessa forma, quando o código correto é utilizado no processo de decodificação, o pulso original é reconstruído no domínio do tempo. Porém, nos demais receptores do sistema que utilizam códigos diferentes do transmitido, o processo de decodificação não reconstrói o pulso original que permanece se assemelhando a ruídos. Esse esquema de codificação será abordado de forma mais detalhada neste trabalho onde serão analisados aspectos de segurança, robustez e escalabilidade do mesmo.
A seguir são abordados todos os detalhes da geração e da implementação da matriz de códigos Walsh – Hadamard, utilizados para prover a codificação do sinal de cada usuário.
2.5 Família de Códigos Walsh - Hadamard
Os sistemas OCDMA possuem como principal princípio a habilidade de reconhecer o usuário de interesse dentre os outros usuários que compartilham o mesmo canal do sistema. Outra característica relevante dessa tecnologia é a capacidade de acomodar o maior número de usuários possível na rede. Neste caso, uma sequência de códigos com características ortogonais devem ser empregados. Em outras palavras, as sequências de códigos devem ser selecionadas de forma a maximizar a auto correlação e minimizar a correlação cruzada do sinal a fim de otimizar a maior diferenciação entre o sinal de interesse e a inferência gerada pelo sistema.
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 W-H, que é um conjunto de códigos ortogonais construídos recursivamente a partir da seguinte relação abordada em [25]:
( ) [ ( ) ( ) ( ) ( ) ] (1)
Onde k = 0, 1, 2, ... e H(0) = 1. Os elementos desta matriz são 1, e cada código de usuário são definidos como uma linha dessa matriz, onde “1” e “-1” representam deslocamentos de fase de “0” e “π”, respectivamente.
A codificação de dados consiste, portanto, 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 [26].
No capítulo seguinte será demonstrada toda a metodologia para a implementação em software realizada neste trabalho.
Capítulo 3
Metodologia
Simulações numéricas são uma importante forma de análise e avaliação de desempenho de sistemas. Para tal, foram realizadas simulações utilizando em conjunto os softwares Optisystem [27] e Matlab [28]. 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 e, no sistema coerente, para implementar o dispositivo NOLM. Vale ressaltar que todas as simulações foram feitas na tentativa de aproximar estes cenários simulados aos cenários mais realistas.
3.1 Simulação do sistema SPC-OCDMA
A configuração do sistema OCDMA coerente onde 5 usuários estão transmitindo ao mesmo tempo é mostrada na Figura 8, 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. O dispositivo NOLM, utilizado para maximizar o desempenho do sistema implementado neste trabalho, realiza um “recorte” temporal do sinal óptico, trazendo como benefício adicional a rejeição da maioria da energia vinda usuários interferentes [29].
3.2 Simulação do sistema OCDMA coerente e incoerente
Para este cenário, o sistema OCDMA coerente foi simulado utilizando as mesmas configurações citadas na sessão anterior ilustradas pela Figura 8, sendo alterados apenas alguns parâmetros do sistema tais como a taxa de transmissão e a potência de transmissão. No entanto a configuração do sistema OCDMA incoerente difere em alguns aspectos em relação ao OCDMA coerente. A Figura 9 representa a configuração do sistema OCDMA incoerente. Os codificadores e decodificadores
Figura 8 – Sistema OCDMA utilizando a codificação de fase espectral implementado no software Optisystem. O processo de transmissão e recepção só é detalhado para o usuário, por questão
de clareza.
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.
Fonte: o autor.
As saídas de cada conjunto de decodificadores são convertidas para o domínio elétrico utilizando dois fotodiodos 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.
Figura 9 – Sistema OCDMA incoerente utilizando a codificação de intensidade espectral implementado no software Optisystem.
3.3 Simulação do sistema SPC-OCDMA em um cenário com fibra
óptica
Quando utilizamos a fibra óptica como meio de transmissão do sinal, as perdas por dispersão são o principal fator que afeta esse meio de comunicação, causando a distorção do sinal que passa através da fibra. Dessa forma os pulsos transmitidos acabam se tornando indistinguíveis na entrada do receptor de interesse. Esse efeito é conhecido como interferência intersimbólica (ISI) [30]. Parâmetros tais como o comprimento da fibra ou a potência do sinal de transmissão afetam diretamente na degradação do sinal transmitido quando o mesmo é inserido na fibra óptica.
A fim de melhorar o desempenho geral do sistema, reduzindo a distorção do sinal de transmissão influenciada pela dispersão, várias tecnologias de compensação de dispersão foram propostas. Entre as várias técnicas propostas na literatura, uma que surge como uma solução imediata para compensação de dispersão é a utilização de uma fibra compensadora de dispersão (DCF). Uma fibra DCF é uma fibra especial com um parâmetro de dispersão negativo. Estas fibras podem ser adicionadas no fim da ligação de modo a compensar toda a dispersão acumulada. Em uma fibra óptica convencional existe uma dispersão positiva enquanto a dispersão da fibra DCF tem valor negativo, portanto, em aspectos teóricos, quando uma fibra DCF é inserida no sistema o valor da dispersão media resultante fica próximo de zero. De acordo com [31] a relação dos principais parâmetros da fibra convencional e da fibra de dispersão é dada pela equação (2).
| | (2)
Onde LSMF e LDCF são, respectivamente, o comprimento da fibra convencional
e o comprimento da fibra compensadora de dispersão, DSMF e DDCF são os
coeficientes de dispersão da fibra convencional e da DCF e, finalmente, µ é a taxa de compensação de dispersão. Para o sistema ilustrado pela Figura 10 foi utilizada uma fibra óptica com comprimento igual a 10 km e uma dispersão igual a 17 ps/nm/km, tal configuração simula a utilização do sistema OCDMA em redes
metropolitanas. Após a fibra, foi inserida uma fibra compensadora de dispersão com comprimento igual a 1 Km e uma dispersão igual a -170 ps/nm/Km.
Na sessão seguinte são apresentados os resultados das implementações em software executadas neste trabalho.
Figura 10 – Sistema OCDMA coerente utilizando uma fibra compensadora de dispersão implementado pelo software Optisystem.
Capítulo 4
Resultados e Discussões
4.1 Sistema SPC-OCDMA
Em uma análise inicial e para a validação das simulações do sistema SPC-OCDMA onde 5 usuários estão ativos na rede, foram utilizados como parâmetros uma taxa de transmissão de 2.5 Gbps e uma largura do pulso inicial de 5 picosegundos. A codificação foi aplicada à faixa de frequência de 193.24 THz a 193.48 THz e foram utilizados códigos W-H de tamanho igual a 8.
A Tabela 1 mostra a faixa de frequências que será codificada de acordo com cada usuário presente no sistema. Nas frequências onde estão associados os “1” será aplicado um deslocamento de π radianos e, nas frequências onde estão associados os “0” será aplicado um deslocamento de 0 radianos.
Tabela 1 – Associações de ranges de frequências de acordo com a matriz W-H
Ranges Faixa 1 Faixa 2 Faixa 3 Faixa 4 Faixa 5 Faixa 6 Faixa 7 Faixa 8 (THz) 193.24 – 193.27 193.27 – 193.30 193.30 – 193.33 193.33 – 193.36 193.36 – 193.39 193.39 – 193.42 193.42 – 193.45 193.45 – 193.48 Usuário 1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 Usuário 2 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 Usuário 3 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 Usuário 4 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 Usuário 5 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 Usuário 6 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 Usuário 7 1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 Fonte: o autor.
A Figura 11 (a) mostra a sequência de pulsos ópticos gaussianos transmitidos pelo usuário 1 no sistema. Esta sequência aleatória é gerada por um gerador de sequências de bits aleatórios implementado para cada usuário ativo no sistema. A ampliação (zoom) de um dos pulsos é mostrada na Figura 11 (b). Para mostrar o espalhamento temporal causado pela codificação de fase espectral, são mostradas nas Figuras 11 (c) e (d) os formatos dos pulsos após a codificação. A Figura 11 (c) mostra a mesma sequência de pulsos do usuário 1, agora codificados, enquanto a ampliação (zoom) de um desses pulsos codificados é mostrada na Figura 11 (d).
Fonte: o autor.
Figura 11 – (a) Sequência de pulsos transmitidos pelo usuário 1, antes da codificação de fase espectral. (b) Ampliação de um dos pulsos da sequência da figura (a). (c) Sequência de pulsos transmitidos pelo usuário 1, espalhados temporalmente após a codificação de codificação de fase
Quando os cinco usuários são misturados pelo Power Combiner, já não é possível mais fazer a distinção de cada um deles individualmente. Isso pode ser visto na Figura 12 (a), que mostra pulsos dos cinco usuários ativos juntos. O sinal decodificado pelo usuário de interesse (usuário 1) é mostrado na Figura 12 (b). É importante observar que nesta sequência de pulsos está presente a interferência de acesso múltiplo evidenciada pela sobreposição de sinais de usuários interferentes formando pulsos de amplitude semelhantes aos pulsos corretamente recuperados. E finalmente, na Figura 12 (c) é mostrada a atuação do dispositivo NOLM, que rejeita significativamente os sinais de usuários interferentes, melhorando consideravelmente o desempenho do sistema.
Figura 12 – (a) Combinação dos sinais dos cinco usuários ativos no sistema; (b) Pulsos do usuário de interesse após o processo de decodificação, evidenciando a MAI; (c) Sequência de
pulsos do usuário de interesse recuperados após o NOLM.
Posteriormente, em um segundo cenário, foi investigado o desempenho do sistema SPC-OCDMA em função da potência do pulso inicial antes da codificação. Assim, a potência inicial foi variada entre 13 dBm a 25 dBm, assim como o tamanho da família dos códigos W-H: 8 e 16. Além disso, o número de usuários ativos no sistema foi incrementado a cada simulação até um número máximo de usuários ativos igual a 5. Tais análises são mostradas na Figura 13, que mostra o desempenho do sistema SPC-OCDMA em função da potência do pulso inicial tomando como parâmetros o número de usuários ativos e o comprimento do código W-H. Pode ser verificado que conforme o número de usuários ativos no sistema aumenta, a degradação resultante também aumenta, o que reflete diretamente no aumento da BER do mesmo. Além disso, percebe-se claramente que o código W-H 16 atinge melhores desempenhos em termos de BER em comparação ao código de tamanho igual a 8, e isso ocorre devido a maior diferenciação dos códigos de tamanho 16. Outro fato relevante é que o desempenho melhora quando a potência de transmissão é aumentada. Assim, um cenário livre de erros (BER < 10-9) acontece para valores de potência maiores que 19 dBm para 5 usuários simultâneos utilizando códigos W-H 16. O mesmo não acontece para códigos W-H 8, mas se considerado o código corretor de erros RS-FEC (255,223), que corrige taxas de erro abaixo de 1,1∙10-3
, é necessária uma potência do pulso inicial de pelo menos 20 dBm para 5 usuários simultâneos. Vale ressaltar que os ruídos dos fotodetectores são considerados nas simulações, o que traz uma componente estocástica para a análise.
Figura 13 – Desempenho do sistema SPECTS-OCDMA em função da potência do pulso inicial tomando como parâmetros o número de usuários ativos e o comprimento do código W-H.
Outra análise interessante é que cada usuário apresenta um desempenho diferente pois sofrem diferentes interferências dos outros usuários ativos no sistema. Isso é mostrado com detalhes na Figura 14, que compara o desempenho de cada um dos usuários em função da potência do pulso inicial quando existem 5 usuários ativos no sistema. Isso acontece porque a ortogonalidade entre os códigos da mesma família de um cenário ideal não se mantém em um cenário mais realista, e a interferência de acesso múltiplo produzida por usuários incorretamente decodificados coincide com o sinal do usuário corretamente decodificado. Assim, cada usuário apresenta um desempenho diferente [29].
Para uma análise mais criteriosa do desempenho do sistema em relação aos diversos cenários possíveis, foi implementado nas simulações um procedimento de codificação e decodificação do sinal realizado em relação à máxima potência do sinal transmitido. Dessa maneira, a codificação só seria aplicada à parcela espectral do pulso que tem pelo menos uma porcentagem da potência máxima do pulso. Assim, é possível selecionar faixa espectral a ser codificada. Isso é exemplificado para os valores de 40% e 80% da potência máxima na Figura 15. Nota-se que a largura espectral à qual foi aplicado o processo de codificação é maior no cenário de 40% que 80%. As duas linhas paralelas foram inseridas com o propósito de fornecer uma melhor visualização da parcela espectral codificada.
Figura 14 – Comparação entre o desempenho de cada um dos usuários em função da potência do pulso inicial quando existem 5 usuários ativos no sistema.
A Tabela 2 relaciona as faixas de frequências a serem codificadas que foram selecionadas de acordo com valores relacionados a máxima potência do pulso gaussiano transmitido.
Máxima potência do Pulso (%) Largura espectral correspondente (THz)
40 193.28 – 193.42 50 193.29 – 193.41 60 193.30 – 192.40 70 193.31 – 193.39 80 193.32 – 193.38 Fonte: o autor
Figura 15 – Visualização espectral após a codificação do sinal. Observa-se a faixa espectral codificada correspondente a 40% (esquerda) e 80% (direita) da máxima potência do sinal – Em
vermelho, no espectro, verifica-se os deslocamentos de fase.
Fonte: o autor.
Tabela 2 – Relação entre a máxima potência do pulso e sua faixa correspondente no espectro que será codificada.
Nesse contexto, para analisar o desempenho do sistema SPC-OCDMA em função da largura espectral do pulso à qual será aplicada o código, utilizou-se uma potência inicial do pulso transmitido igual a 20 dbm, a forma de codificação e decodificação foi alterada baseando-se em valores entre 40 e 80% da máxima potência do sinal. Estes valores foram escolhidos por abranger de maior forma o range de frequência onde se concentra a maior parte da potência do sinal transmitido. As taxas de transmissões utilizadas variam de 5 a 30 Gbps com uma largura do pulso inicial igual 5 picosegundos.
A Figura 16 ilustra o desempenho do sistema conforme a taxa de transmissão é aumentada, utilizando uma matriz W-H de tamanho igual a 16, com 5 usuários transmitindo ao mesmo tempo, pode-se verificar que o sistema se comporta de forma distinta para cada taxa de transmissão conforme faixa do espetro a ser codificada é alterada.
Figura 16 – Desempenho do sistema em função da taxa de transmissão com 5 usuários ativos e uma matriz W-H de tamanho igual a 16, utilizando diferentes faixas espectrais correspondentes a
máxima potência do sinal transmitido.
Em tal sistema com a configuração citada acima é possível um desempenho superior com uma taxa de transmissão de 30 Gbps utilizando uma codificação que abrange a faixa espectral correspondente a 80% da máxima potência do sinal. A Figura 17 mostra de forma mais clara como o desempenho do sistema melhora substancialmente quando submetido a uma codificação que age sobre uma faixa mais restrita do espectro onde está concentrada a maior quantidade de energia do pulso. Desta forma o processo de codificação foi otimizado e obteve um melhor desempenho. Isso evidencia que a escolha ótima da faixa de frequências a serem codificadas levando em consideração a máxima potência do sinal transmitido contribui de forma substancial para o desempenho e robustez do sistema.
Figura 17 – Desempenho do sistema em função da faixa espectral à qual foi aplicado o processo de codificação. Foram considerados 5 usuários ativos, códigos W-H e taxa de transmissão de 30
Gbps.
4.2 Sistema OCDMA coerente e incoerente
Em uma análise posterior visando comparar o desempenho de sistemas OCDMA coerente (SPC) frente aos sistemas incoerentes (SAC) foram realizadas simulações onde ambos os sistemas foram submetidos a altas taxas de transmissão. 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 18 (a) ilustra o espectro do pulso gaussiano do qual posteriormente será codificado. A visualização espectral após a codificação do sinal é ilustrada pela Figura 18 (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 19 (a). A codificação desse sistema é evidenciada pela Figura 19 (b) onde verificamos o bloqueio da componentes de frequências onde foi atribuído o elemento 0 da matriz W-H.
Figura 18 – 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.
A Figura 20 ilustra o desempenho dos sistemas coerente e incoerente conforme a taxa de transmissão é aumentada. Verifica-se 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 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. Isso se 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, isso resulta em uma degradação significativa do sistema. Além disso, o sistema incoerente é considerado mais inseguro, pois um eventual espião poderia facilmente detectar a sequência do código de um determinado usuário observando apenas um padrão de ausência ou presença do sinal transmitido. 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
Figura 19 – (a) Range de frequências do espectro a ser codificado; (b) Visualização espectral após a codificação do sinal.
taxas, caracterizando-o assim o mais indicado para a utilização em redes ópticas locais.
4.3 Sistema SPC-OCDMA em um cenário com fibra óptica
Em todos os cenários simulados até agora foi considerado o sistema
back-to-back. Buscando analisar o desempenho do sistema SPC-OCDMA em um cenário
com fibra óptica esse trabalho realizou simulações onde foi inserida uma fibra óptica no sistema bem como uma fibra compensadora de dispersão, tal configuração possibilitou uma análise da atuação dos efeitos de dispersão e atenuação inerentes em um sistema com fibra óptica. Dessa forma o presente sistema foi simulado utilizando um número de usuários igual a 4, assim como o tamanho da família dos códigos W-H igual a 16. Todos os usuários do sistema transmitem de forma
Figura 20 – 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.
assíncrona com uma taxa de transmissão igual a 1 Gbps. A cada iteração a potência de transmissão foi incrementada atingindo um valor máximo de 30 dBm.
A Figura 21 ilustra o desempenho do sistema OCDMA coerente em um cenário com fibra óptica onde, para compensar o efeito da dispersão do sinal, foi utilizada uma fibra compensadora de dispersão. Pode-se verificar que o desempenho do sistema melhora substancialmente a medida que a potência do pulso inicial é aumentada, chegando em um valor ótimo quando temos uma potência de transmissão igual a 24 dBm, porém, quando esse valor é incrementado o sistema começa a ficar degradado, isso é explicado pelo fato de que em altas potências de transmissão os efeitos não lineares da fibra óptica começam a atuar de forma mais incisiva no sistema, degradando o desempenho do mesmo.
Figura 21 – Desempenho do sistema OCDMA coerente em função da potência de transmissão quando 4 usuários estão transmitindo simultaneamente a uma taxa de transmissão igual a 1
Gbps.
Capítulo 5
Conclusão
Este trabalho investigou de forma detalhada o sistema CDMA óptico, dando um enfoque especial ao sistema OCDMA coerente com codificação de fase espectral. Através da literatura existente foi verificado que no sistema OCDMA, comparado ao sistema convencional que disponibiliza acesso múltiplo por divisão de comprimento de onda, um maior número de usuários pode ser acomodado em consequência do grande número de sequências disponíveis. Atributos únicos como capacidade flexível sob demanda, segurança na comunicação e alta escalabilidade, justificam o esforço da pesquisa. A viabilidade do uso do OCDMA em redes ópticas locais foi evidenciada por meio das simulações em software realizadas neste trabalho, onde as mesmas foram feitas na tentativa de aproximar os cenários simulados aos cenários mais realistas. Isso possibilitou uma investigação bastante minuciosa do sistema, onde foi possível simular diversos cenários alterando os principais parâmetros de projeto do sistema.
Dessa forma, em um contexto inicial, foi verificado por meio das simulações realizadas para o sistema OCDMA coerente SPC, que parâmetros de projeto como a potência de transmissão, o tamanho do código utilizado para a codificação do sinal, e o número de usuários ativos no sistema refletem diretamente no desempenho do mesmo. Isso estimulou uma busca por soluções eficazes para melhorar de forma global a capacidade dos sistemas ópticos baseados na tecnologia de codificação de fase espectral.
A partir de então, uma política de otimização no processo de codificação do sinal transmitido foi sugerida, resultando em uma análise de desempenho em função da largura espectral à qual é realizado o processo de codificação, esta investigação permitiu provar que a escolha ótima da faixa de frequências a serem codificadas levando em consideração a máxima potência do sinal transmitido contribui de forma substancial para o desempenho e robustez do sistema.
Posteriormente esse trabalho comparou o desempenho de redes CDMA ópticas coerentes e incoerentes, onde foi evidenciado um desempenho superior em termos de BER das redes coerentes frente as redes incoerentes quando ambas são submetidas a altas taxas de transmissão, caracterizando as redes OCDMA coerentes como a melhor opção para o uso em redes ópticas locais.
E, finalmente, este trabalho permitiu analisar uma rede local OCDMA da qual utiliza uma fibra óptica como meio de transmissão em conjunto de uma fibra DCF para compensar a dispersão resultante sobre o sinal transmitido, onde foi possível verificar que a potência de transmissão do sinal interfere diretamente na robustez e desempenho do sistema. Isso permitiu encontrar um valor óptimo de potência a ser considerado no projeto de um sistema real levando em consideração a configuração do sistema simulado.
5.1 Trabalhos Futuros
Um cenário interessante a ser levado em conta em simulações futuras deste trabalho é a utilização de amplificadores ópticos e de regeneradores de sinais para compensar as distorções do sinal evidenciadas em sistemas de longa distância. Dessa forma seria possível analisar como atuação desses dispositivos afeta o desempenho sistema.
Uma segunda abordagem visando a otimização do desempenho de um sistema OCDMA é a escolha ótima do conjunto de códigos que são obtidos em termos de padrão de interferência causado por todos os códigos no usuário de interesse, esse estudo é investigado [29], onde foi demostrado que o uso de conjuntos ótimos de código não só melhora o desempenho geral do sistema em termos de BER, mas também elimina a quebra de ortogonalidade devido ao
crosstalk.
Além disso, podem ser utilizados também diferentes tipos de esquemas de modulação, tais como BPSK e QPSK, onde consequentemente pode ser dado enfoque ao desenvolvimento de técnicas de análise de desempenho e otimização que possibilite o acesso assíncrono dos usuários à rede.
Aspectos positivos de toda esta abordagem é que ela ainda é pouco explorada na literatura de OCDMA e pode ser realizada com a estrutura vigente da UFU – Campus Patos de Minas. Isso possibilita uma grande janela de oportunidades para integração de alunos do curso de Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações a este trabalho.
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