Μελέτη φυσικού στρώματος σύμφωνων οπτικών δικτύων
Authors: Ουζουνίδης Δημήτριος 
Published: September 2021

Τα οπτικά δίκτυα τις τελευταίες δεκαετίες έχουν αναδειχθεί ως ο κορμός των συστημάτων επικοινωνίας ο οποίος στηρίζει την εκθετικά αυξανόμενη ζήτηση για εύρος ζώνης κυρίως λόγω του video streaming αλλά και άλλων σύγχρονων εφαρμογών όπως εφαρμογές υπηρεσιών υγείας, πανεπιστημιακές, βιομηχανικές κλπ. Η ζήτηση αυτή επιταχύνεται επίσης λόγω της σύνδεσης στο ίντερνετ όλο και περισσότερων ασύρματων συσκευών οι οποίες με τη σειρά τους αυξάνουν τον όγκο της κίνησης σε παγκόσμιο επίπεδο. Σαν συνέπεια, βασικοί στόχοι των οπτικών επικοινωνιών είναι τόσο η μεγιστοποίηση της χωρητικότητας των ήδη εγκατεστημένων συστημάτων όσο και η εύρεση νέων όπως π.χ. νέοι τρόποι διαμόρφωσης, νέα είδη ίνας, τα οποία θα παράσχουν ακόμα μεγαλύτερους ρυθμούς μετάδοσης.Η παρούσα διατριβή έχει σκοπό τη μελέτη των συμφώνων οπτικών συστημάτων και πιο συγκεκριμένα τη δημιουργία αναλυτικών μοντέλων τα οποία υπολογίζουν με ακρίβεια την κυρίαρχη πηγή μη γραμμικότητας που είναι η μίξη τεσσάρων κυμάτων (Four Wave Mixing-FWM). Κάνοντας τη θεώρηση ότι το σήμα πλησιάζει Gaussian κατανομή όταν το FWM κυριαρχεί, μπορούμε να αθροίσουμε την ισχύ του FWM με την ισχύ του θορύβου ASE του ενισχυτή σε ένα μέγεθος αντίστοιχο του OSNR το οποίο εν συνεχεία εισάγεται άμεσα στον μαθηματικό τύπο του BER. Η απλή αυτή προσέγγιση δίνει τη δυνατότητα για εύκολο και γρήγορο υπολογισμό της απόδοσης των σύμφωνων οπτικών συστημάτων λαμβάνοντας υπόψη διάφορες παραμέτρους του συστήματος. Η σχέση αυτή επιπλέον μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ελαχιστοποίηση του BER ανά κανάλι ή για βελτιστοποίηση διαφόρων παραμέτρων όπως π.χ. η χωρητικότητα ή η απόσταση μετάδοσης για δεδομένο BER λειτουργίας. Τα οπτικά συστήματα μετάδοσης αναλόγως τα εγκατεστημένα στοιχεία που διαθέτουν, μπορεί να διαφέρουν σημαντικά μεταξύ τους, οπότε η εκτίμηση της απόδοσης απαιτεί διαφορετικές προσαρμογές ή ακόμη και διαφορετικές αναλυτικές εκφράσεις σε κάθε περίπτωση. Τα αναλυτικά μοντέλα που προτείνουμε, βρίσκουν εφαρμογή σε ένα μεγάλο εύρος διαφορετικών συστημάτων όπως είναι π.χ. συστήματα που περιέχουν κανάλια με συνεχές φάσμα με και χωρίς guard-band μεταξύ τους, μετάδοση σε συστήματα με και χωρίς οπτική αντιστάθμιση διασποράς in-line, συστήματα fixed-grid ή flex-grid και τέλος συστήματα με ίνες ίδιου ή διαφορετικού μήκους. Η αναλυτική έκφραση που προτείνουμε για τα συστήματα flex-grid μπορεί να θεωρηθεί σαν ένα καθολικό (global) μοντέλο το οποίο μπορεί να μοντελοποιήσει όλα τα προαναφερόμενα συστήματα.Για τη δημιουργία των αναλυτικών μοντέλων έχουμε ως αφετηρία το ακριβές μοντέλο του FWM το οποίο και απλοποιούμε για τα διαφορετικά σενάρια. Η ακρίβεια των δημιουργούμενων μοντέλων πιστοποιείται τόσο συγκρίνοντάς τα με το ακριβές μοντέλο σε ένα μεγάλο εύρος παραμέτρων του συστήματος, όσο και συγκρίνοντάς τα με αριθμητική μέθοδο. Από τις συγκρίσεις αυτές αποδεικνύεται ότι τα μοντέλα αυτά είναι πιο ακριβή από τα υπόλοιπα μοντέλα της βιβλιογραφίας σε ένα μεγάλο εύρος ρεαλιστικών παραμέτρων καθώς επίσης μοντελοποιούν περισσότερα συστήματα από ότι τα μοντέλα της βιβλιογραφίας. Αξίζει να σημειωθεί ότι η πιο γενική μαθηματική έκφραση που προτείνουμε, υπολογίζει την ισχύ οποιουδήποτε καναλιού ή superchannel στο φάσμα, θεωρώντας οποιαδήποτε κατανομή καναλιών στο φάσμα. Σαν συνέπεια, μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για βελτιστοποίηση διάφορων παραμέτρων του συστήματος (όπως π.χ ισχύς) με σκοπό την εισαγωγή της σε αλγορίθμους δρομολόγησης οι οποίοι λαμβάνουν υπόψη τα φαινόμενα που υποβαθμίζουν την ποιότητα του οπτικού σήματος κατά τη μετάδοση.Πρακτική εφαρμογή των μοντέλων αυτών αποτελεί η χρήση τους από μηχανικούς οπτικών συστημάτων οι οποίοι χρειάζονται αναλυτικά μοντέλα γρήγορα και ακριβή, τα οποία μπορούν να εκτιμούν την απόδοση των συστημάτων που θέλουν να εγκαταστήσουν κάθε φορά, ή να δίνουν τη δυνατότητα βελτιστοποίησης των υπαρχόντων συστημάτων ως προς τη χωρητικότητα, την απόδοση, το μήκος μετάδοσης κλπ.