An´alise de Potˆencia do Sinal ´
Optico em Sistemas
SAC-OCDMA Usando OFDM
K´atia Cibele Ribeiro da Cunha1, Jos´e Valdemir dos Reis Junior1 1Departamento de Computac¸˜ao – Universidade Federal do Piaui. (UFPI)
Teresina – PI – Brasil
katiacih@gmail.com, valdemirreis@ufpi.edu.br
Abstract. The Code Division Multiple Access System using Spectral Amplitude Coding (SAC-OCDMA) encounters several challenges to support the large num-ber of concurrent users such as noise and Multiple Access Interference (MAI) that is characterized by chip overlap. Thus, the use of the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technique can minimize the effects of noise sum on the system and reduce multiple access interference. In this context, the main objective of this article is to describe and analyze the mathematically the SAC-OCDMA system combined with the OFDM technique in order to determine the performance of the optical system as to the power of the transmitted signal. The analyzes were performed considering ballistic noise, intensity induced noise per phase (PIIN), number of concurrent users and different encodings. It was ob-served that ballistic noise and PIIN noise increases according to the increase in signal power, and it is concluded that the SAC-OCDMA system combined with OFDM is more efficient especially in noise reduction and the MAI effect with the use of codes Flexible Cross Correlation (FCC) and Modified Double Weight (MDW).
Resumo. O Sistema de Acesso M´ultiplo por Divis˜ao de C´odigo utilizando Codificac¸˜ao de Amplitude Espectral (SAC-OCDMA) encontra v´arias desafios para suportar o grande n´umero de usu´arios simultˆaneos como os ru´ıdos e a In-terferˆencia de Acesso M´ultiplo (MAI) que ´e caracterizada pela sobreposic¸˜ao de chips. Assim, o uso da t´ecnica de Multiplexac¸˜ao por Divis˜ao de Frequˆencias Or-togonais (OFDM) pode minimizar os efeitos das somas dos ru´ıdos no sistema e reduzir a interferˆencia de acesso m´ultiplo. Nesse contexto, o objetivo principal deste artigo ´e descrever e analisar matematicamente o sistema SAC-OCDMA combinado com a t´ecnica OFDM com o prop´osito de determinar o desempenho do sistema ´optico quanto a potˆencia do sinal transmitido. As an´alises foram rea-lizadas considerando o ru´ıdo bal´ıstico, o ru´ıdo de intensidade induzido por fase (PIIN), o n´umero de usu´arios simultˆaneos e diferentes codificac¸˜oes. Percebeu--se que o ru´ıdo bal´ıstico e o ru´ıdo PIIN aumenta de acordo com o aumento da potˆencia do sinal, concluindo-se que o sistema SAC-OCDMA combinado com OFDM ´e mais eficiente especialmente na reduc¸˜ao de ru´ıdos e do efeito MAI com uso de c´odigos Flexible Cross Correlation (FCC) e Modified Double Weight (MDW).
1. Introduc¸˜ao
O aumento da demanda de servic¸os de voz, v´ıdeo e dados exige que a infraestru-tura seja adequada para suprir a demanda de servic¸os. Assim as redes ´opticas
pas-III Escola Regional de Informática do Piauí. Livro Anais - Artigos e Minicursos, v. 1, n. 1, p. 88-93, jun, 2017. www.eripi.com.br/2017 - ISBN: 978-85-7669-395-6
sivas (PON) s˜ao importantes candidatas para este fim pois possuem vantagens como a capacidade de oferecer altas taxas de transmiss˜ao de dados com qualidade, pos-suir os menores custos de OPEX e CAPEX que representam o custo estimado de manutenc¸˜ao e implantac¸˜ao respectivamente [dos Reis Junior 2009], possui imunidade a interferˆencias eletromagn´eticas, logo uma candidata promissora para as redes ´opticas fu-turas [Muciaccia et al. 2014, Srivastava 2013].
Para possibilitar a transmiss˜ao de dados em redes PON para m´ultiplos usu´arios ´e necess´ario t´ecnicas para gerenciar o acesso a rede, como por exemplo a a t´ecnica de Acesso M´ultiplo por Multiplexac¸˜ao por Divis˜ao de C´odigo (OCDMA) que consiste na divis˜ao de dados em intervalos de tempo denominados chips, assim a largura de banda ´e dividida em c´odigos no qual cada c´odigo pertence a um usu´ario [dos Reis Junior 2009]. A transmiss˜ao utilizando essa t´ecnica possui seguranc¸a na camada f´ısica, uma vez que o c´odigo do usu´ario ´e formado por uma sequˆencia de chips, dificultando assim que o sinal seja interceptado.
Assim, em [Abd et al. 2011] e [Abd et al. 2012] foram realizados estudos que des-tacaram o uso de Codificac¸˜ao de Amplitude Espectral (SAC) associado a t´ecnica OCDMA para aumentar a capacidade de suportar um maior n´umero de usu´arios simultˆaneos, al´em de ser eficaz para minimizar a Interferˆencia de M´ultiplo Acesso (MAI) que ocorre devido a sobreposic¸˜ao de chips entre os c´odigos dos usu´arios, gerando uma interferˆencia, dificul-tando o processo de decodificac¸˜ao do sinal. Entretanto, um n´umero elevado de usu´arios pode acarretar a gerac¸˜ao outros ru´ıdos que degradam o sinal como o ru´ıdo bal´ıstico ocasi-onado quando um sinal incide no fotodetector comprometendo a sa´ıda de dados, enquanto que o ru´ıdo de intensidade induzida por fase (PIIN) esta relacionado ao efeito MAI de-vido a sobreposic¸˜ao de espectros pelos c´odigos dos usu´arios [Rashidi et al. 2014]. Assim uma soluc¸˜ao considerada na literatura [Aldhaibani et al. 2015b] para diminuir os ru´ıdos ´e o uso do sistema SAC-OCDMA associado a Multiplexac¸˜ao por Divis˜ao de Frequˆencia (OFDM) que consiste na transmiss˜ao de m´ultiplos sinais em paralelo denominados sub-portadoras [Agrawal 2014], em outras palavras, os dados s˜ao enviados pelo transmissor atrav´es de ondas de portadoras que s˜ao fracionadas para cada usu´ario em subportadoras.
Nesse contexto, este artigo tem como objetivo descrever e analisar um sistema SAC-OCDMA usando modulac¸˜ao OFDM relacionando a potˆencia do sinal e os ru´ıdos bal´ıstico e ru´ıdos de intensidade induzida por fase. Com esta t´ecnica as interferˆencias podem ser reduzidas dado que os sinais s˜ao modulados em subportadoras diferentes e combinados a t´ecnica de codificac¸˜ao de amplitude espectral (SAC) que comprovada-mente minimiza os efeitos MAI [Aldhaibani et al. 2015b]. Para atingir o objetivo pre-tendido, realizou-se uma avaliac¸˜ao matem´atica sobre o sistema proposto a fim de vali-dar seu desempenho considerando 4 cen´arios com os c´odigos OCDMA: Modified Dou-ble Weight (MDW) [Aljunid et al. 2005], Random Diagonal (RD)[Fadhil et al. 2009], Flexible Cross Correlation(FCC) [Aldhaibani et al. 2015a] e Enhanced Double Weight (EDW) [Zahid et al. 2009]. O trabalho est´a organizado da seguinte forma: na sec¸˜ao 2 ´e descrito o funcionamento do sistema SAC-OCDMA-OFDM e como possibilita a su-press˜ao de ru´ıdos; na sec¸˜ao 3 s˜ao apresentados os resultados encontrados, seguidos das conclus˜oes.
2. Descric¸˜ao do Sistema SAC-OCDMA com OFDM
O sistema SAC-OCDMA-OFDM ´e baseado na t´ecnica de detecc¸˜ao de subtrac¸˜ao AND no qual faz uso de um subtrator no lado receptor que atua como um filtro de banda ´optica para detectar os chips que foram alterados pela correlac¸˜ao inadequada e assim impedir que o efeito MAI ocorra [Rashidi et al. 2014, Sahbudin et al. 2009]. No processo de trans-miss˜ao o sinal ´e modulado atrav´es da divis˜ao de subportadoras no dom´ınio da frequˆencia como demonstrado na figura 1.a e na recepc¸˜ao observa-se a presenc¸a de um subtrator que possui a func¸˜ao de filtra os chips indesej´aveis que s˜ao detectados atrav´es da operac¸˜ao AND entre duas sequencias geradas pela divis˜ao do sinal de entrada e assim obtendo uma estrutura de filtro idˆentica ao codificador e outra estrutura idˆentica ao decodificador com o filtro AND [Kaur and Singh 2015, Aldhaibani et al. 2015b] como observado na figura 1.b.
(a) (b)
Figura 1. Sistema SAC-OCDMA-OFDM
3. Modelagem Matem´atica do Sistema SAC-OCDMA-OFDM
Para esta an´alise s˜ao considerados os ru´ıdos bal´ıstico < Ish > descrito em (1)
e ru´ıdo de intensidade induzido por fase < iP IIN > como mostrado em (2)
[Aldhaibani et al. 2015b]. A responsividade do fotodetector < ´e caracterizada pela equac¸˜ao < = (η e)/ (h V c), onde η ´e a eficiˆencia quˆantica, e ´e a carga de el´etron, h ´e a cons-tante de Planck e V c ´e a frequˆencia central de impulso ´optico [Aldhaibani et al. 2015b, Abd et al. 2012, Sahbudin et al. 2009].
Ish = 2eB<Psr(W + 3) N (1) iP IIN = B<2P2 srkW (W + 3) N2∆v (2)
Caracterizando c´odigos OCDMA, deve-se considerar W e N que representam a ponderac¸˜ao e o comprimento do c´odigo respectivamente, assim para cada tipo de c´odigo obtemos tamanhos diferentes de acordo com suas caracter´ısticas [Fadhil et al. 2009, Aljunid et al. 2005, Aldhaibani et al. 2015a]. Como pode ser observado nas equac¸˜oes (3), (4), (5) e (6) para calcular os comprimentos dos c´odigos (MDW), (FCC), (RD) e (EDW) utilizou-se as equac¸˜oes abaixo onde k representa o n´umero de usu´arios [Aljunid et al. 2005, Fadhil et al. 2009, Aldhaibani et al. 2015a, Zahid et al. 2009].
NM DW = 3k + 8 3[sin( kπ 3 )] 2 (3) NF CC = (W k) − (k − 1) (4)
NRD = k + 2W − 3 (5) NEDW = 2k + 4 3[sin kπ 3 ] 28 3[sin( (k + 1)π 3 )] 2+4 3[sin( (k + 2)π 3 )] 2 (6)
A tabela 1 cont´em os valores para os parˆametros adotados nas simulac¸˜oes dos Sis-tema SAC-OCDMA-OFDM. A modelagem matem´atica e valores utilizados para o tra-balho foram considerados com base em tratra-balhos relacionados [Aldhaibani et al. 2015b, Anuar et al. 2009, Kaur and Singh 2015, Zahid et al. 2009].
Tabela 1. Valores e Par ˆametros
Parˆametros Simbolo Valor Fonte de Banda Larga ∆v 3.75 THz Eficiˆencia quˆantica do fotodetector η 0.6
Carga do El´etron e 1.6 ∗ 10−19 Temperatura de Ru´ıdo Tn 300k Resistˆencia de Carga no Receptor Rl 1030 Ω
Constante de Planck h 6.66 ∗ 10−34js
Constante de Boltzmann’s Kb 1.38 ∗ 10−23jk Largura de Banda El´etrica B 311M Hz
Comprimento de Onda λ 1550 nm N´umero de subportadoras N 256
(a) (b)
Figura 2. Ru´ıdo Bal´ıstico e Ru´ıdo PIIN em Sistema SAC-OCDMA-OFDM
4. Resultados e Discuss˜oes
O sistema SAC-OCDMA-OFDM foi analisado relacionando os ru´ıdos bal´ısticos e os ru´ıdos de intensidade de fase (PIIN) gerados por cada c´odigo OCDMA levando em considerac¸˜ao variac¸˜oes da potˆencia do sinal. Dessa forma, foram analisados o uso de c´odigos OCDMA FCC, MDW, EDW e RD com ponderac¸˜ao de W = 4 para os c´odigos FCC, MDW e RD e ponderac¸˜ao de W = 3 para EDW, onde Psrvaria de -35 dB a 0 dB para
50 usu´arios. Os valores s˜ao fixos de acordo com a tabela 1 e as equac¸˜oes matem´aticas 1, 2 e ?? usadas para os c´alculos da responsividade de fotodetector, ru´ıdos bal´ıstico e ru´ıdo PIIN s˜ao usados para avaliac¸˜ao do desempenho do sistema.
A figura 2.a indica a variac¸˜ao do ru´ıdo bal´ıstico em relac¸˜ao a potˆencia Psr que
varia entre -35 dB a 0 dB . O resultado indica que `a medida que a potˆencia aumenta, o ru´ıdo de todos os c´odigos tamb´em aumenta proporcionalmente, al´em disso observa-se que o ru´ıdo para o c´odigo RD possui uma variac¸˜ao maior em relac¸˜ao aos outros com (10−15 W) enquanto FCC que possui o menor ruido de (10−18W) aproximadamente embora seja pequena a diferenc¸a entre FCC e MDW.
Matematicamente, a equac¸˜ao PIIN (2) mostra que o ru´ıdo ´e reduzido de acordo com o tamanho do c´odigo e o peso, com o valor de Psr fixo. Assim a figura 2.b
de-monstra o ru´ıdo PIIN considerando o n´umero de usu´arios fixado em 50, utilizando a rede simultaneamente e Psr variando de -35 dB a 0 dB.Os resultados apontam que para todos
os c´odigos o ru´ıdo aumenta `a medida que a potˆencia aumenta e as codificac¸˜oes MDW e FCC possuem desempenho melhor que os demais pois possuem menores ru´ıdos bal´ıstico e ru´ıdos PIIN.
5. Conclus˜oes e Trabalhos Futuros
Neste trabalho foram apresentados os resultados de desempenho do sistema SAC-OCDMA-OFDM em termos de potencia do sinal, considerando o ru´ıdo de intensidade induzido por fase (PIIN) e ru´ıdo bal´ıstico. Os resultados indicam que o ru´ıdo bal´ıstico aumenta `a medida que a potˆencia tamb´em aumenta para todos os c´odigos, por´em o FCC e MDW demonstraram ter o menor ru´ıdo bal´ıstico. Com relac¸˜ao ao ru´ıdo PIIN observou-se que para todos os c´odigos os resultados apresentam o mesmo comportamento em cor-respondˆencia ao aumento da potˆencia. Conclui-se que o sistema SAC-OCDMA-OFDM demonstra grandes possibilidades para arquitetura de rede e como soluc¸˜ao para reduc¸˜ao de ru´ıdos. Assim para trabalhos futuros, um estudo mais aprofundado sobre as potencia-lidades do sistema atrav´es de simulac¸˜oes para comprovar sua eficiˆencia em supress˜ao do efeito MAI e outras poss´ıveis interferˆencias.
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