Optik haberleşme sistemlerinde zeki optimizasyon teknikleri ile tepe gücü
ortalama güç oranının düşürülmesi / Peak-to-average power ratio reduction using intelligent optimization techniques in optical communication systems
Yazar: MAHMOUD Y K ALHALABI
Danışman: PROF. DR. NECMİ TAŞPINAR
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Yüksek hızlı fiber-optik iletişim ağlarında artan bant genişliği talebini karşılamak için, optik ortogonal frekans bölmeli çoğullama (O-OFDM), uzun mesafeli yüksek hızlı optik iletim sistemleri için umut verici bir teknoloji olarak yaygın şekilde kabul edilmiştir. Bu sistemin özellikleri; yüksek spektral verimlilik, kromatik dispersiyona dayanıklılık ve dinamik bant genişliği tahsisinde esnekliktir. Uzun mesafeli optik OFDM sistemleri için iki algılama yöntemi vardır: Doğrudan algılamalı optik OFDM (DDO-OFDM) ve evre uyumlu optik OFDM (CO-OFDM). Ancak, OFDM sistemi taşıyıcılar arası girişimini (ICI) oluşturan faz gürültüsünden dolayı çok duyarlı bir sistem sayılmaktadır. OFDM tekniğine sahip Dördün Genlik Modülasyonu (QAM), yüksek veri hızı ve düşük bit hata oranı'nı (BER) desteklemek için optik sistemlerin hem kapasitesini hem de verimliliğini artırmaktadır. Optik OFDM sistemlerinin bir türü olarak yoğunluk modülasyonlu/doğrudan algılamalı (IM/DD OFDM) sistemi, boş alan optik iletişim, iç mekân görünür ışık iletişimi, ışık tabanlı sualtı kablosuz iletişimi ve optik kablosuz OFDM iletişimlerinde geniş uygulamaları bulan uygun maliyetli bir optik iletişim sistemi sayılmaktadır. IM/DD OFDM sistemi, vericideki Mach-Zehnder Modülatörü (MZM) ve alıcıdaki fotodetektör (PD) olmak üzere iki ana bileşenden oluşmaktadır. CO-OFDM sistemi IM/DD optik OFDM sistemine göre yerel osilatör kullanılmasından dolayı daha karmaşık ve uygun maliyetli olmayan bir sistem sayılmaktadır. Evre uyumlu OFDM sistemleri daha yüksek alıcı hassasiyetini sunmaktadır. Doğrudan algılamalı (DD) OFDM, Pasif Optik Ağlar (PON) için cazip bir çözümdür; çünkü sistem karmaşıklığını azaltırken faz gürültüsünü ve frekans kaymasını azaltmaktadır. PON'ların işletme maliyeti, optik ağ birimlerinde (ONU'lar) renksiz optik kaynaklar kullanılarak azaltılabilmektedir.
Yansıtıcı yarı iletken optik amplifikatör (RSOA) ve enjeksiyon kilitli Fabry-Perot lazer diyot (FP-LD) gibi bu renksiz optik kaynaklar, aşağı akış sinyalini yukarı akış verileriyle yeniden modüle etmek için kullanılmaktadır. M-QAM gibi spektral olarak verimli modülasyon teknikleri, bu sistemlerin hem kapasitesini hem de verimliliğini artırmak için IM/DD optik OFDM sistemleri için kullanılabilmektedir. 
Optik OFDM sistemlerinde, taşıyıcıların üst üste binmeleri sonucu anlık güç yükselmeleri oluşmaktadır. Bu da gönderilen sinyallerin yüksek tepe gücü/ortalama güç oranına (PAPR) sahip olmasına neden olmaktadır. Yüksek PAPR, OFDM sistem uygulamasının maliyetini artırıp geniş bir lineer aralık gerektirmesi nedeniyle sayısal-analog dönüştürücülerde karmaşıklığa yol açmaktadır. Verici tarafındaki güç amplifikatörleri de bant dışı radyasyonları azaltmak için geniş bir doğrusal aralıkta çalışmalıdır. Bu sebeple, optik OFDM sistemlerinin performansını arttırmak için PAPR değerlerinin düşürülmesine gerek vardır.
Optik OFDM sistemleri için literatürde farklı klasik PAPR düşürme teknikleri önerilmiştir. Bu teknikler arasında en çok tercih edilenlerden kısmi iletim dizisi (PTS) yöntemidir. Bu tez çalışmasında ilk olarak PAPR değerini düşürmek için optik OFDM sistemlerinden hem IM/DD OFDM hem de CO-OFDM sistemlerine PTS tekniği uygulanmıştır. Ardından, bahsedilen sistemlere farklı zeki optimizasyon yöntemlerinin PTS metoduna entegrasyonu sonucunda, toplam üç çeşitli zeki optimizasyon tabanlı PAPR düşürme metodu elde edilmiştir. Bunların ilki ayrık fil sürüsü optimizasyonu tabanlı PTS (DEHO-PTS), ikincisi ayrık karga arama algoritması tabanlı PTS (DCSA-PTS) ve üçüncüsü ayrık istilacı ot optimizasyonu tabanlı PTS (DIWO-PTS) stratejileridir. PAPR düşürme stratejilerinde DEHO, DCSA ve DIWO algoritmaları gibi ayrık zeki optimizasyon teknikleri faz optimizatörü olarak kullanılmıştır. Yapılan simülasyon çalışmalarında, yukarıda bahsedilen iki optik OFDM sistemi için DIWO-PTS'nin daha düşük PAPR değerini verdiği görülmüştür.

Abstract:
Optical orthogonal frequency division multiplexing (O-OFDM) is a promising technology for long-distance high-speed optical transmission systems that can provide high-speed fiber-optic communication networks meet their growing bandwidth demands. High spectral efficiency, immunity to chromatic dispersion, and flexibility in dynamic bandwidth allocation are the features of this system. Long-reach optical OFDM systems use two detection methods: Direct-detection optical OFDM (DDO-OFDM) and coherent optical OFDM (CO-OFDM). However, OFDM system is considered to be a very sensitive system due to phase noise that creates inter-carrier interference (ICI). Quadrature Amplitude Modulation (QAM) with OFDM technique increases both the capacity and efficiency of optical systems to support high data rate and low bit error rate (BER). Intensity Modulation Direct Detection (IM/DD OFDM) system is considered a cost-effective optical communication system that finds wide applications in free space optical communication, indoor visible light communication, light-based underwater wireless communication and optical wireless OFDM communications. IM/DD optical OFDM system consists of two main components: the Mach-Zehnder Modulator (MZM) in the transmitter and the photodetector (PD) in the receiver. CO-OFDM system is considered a more complex and less cost-effective system than the IM/DD optical OFDM system due to the use of a local oscillator. Coherent OFDM systems offer higher receiver sensitivity. Direct detection (DD) OFDM is an attractive solution for Passive Optical Networks (PONs) because it reduces phase noise and frequency offset while reducing system complexity. The operation cost of PONs can be reduced by employing colorless optical sources at optical network units (ONUs).
These colorless optical sources, such as the reflective semiconductor optical amplifier (RSOA) and injection-locked Fabry-Perot laser diode (FP-LD), are used to re-modulate the downstream signal with the upstream data. Spectrally efficient modulation techniques such as M-QAM can be employed for IM/DD optical OFDM systems to increase both the capacity and efficiency of these systems.
In optical OFDM systems, which have more advanced features than OFDM signal, instantaneous power escalations occur as a result of overlapping carriers, as in other multi-carrier systems. This causes the OFDM signal to have a high peak-to-average power ratio (PAPR). High PAPR causes complexity in digital-to-analog converters as it increases the cost of OFDM system implementation and requires a wide linear range. Power amplifiers on the transmitter side must also operate over a wide linear range to reduce out-of-band radiations. For this reason, PAPR values must be reduced to increase the performance of optical OFDM systems. 
Different traditional PAPR reduction methods for optical OFDM systems have been proposed in the literature. The most used one among those methods is the partial transmit sequence (PTS) technique due to its distortionless PAPR reduction capability and quite suitable structure for modification.  In this thesis, first of all, PTS technique was applied to both IM/DD OFDM and CO-OFDM systems from optical OFDM systems to reduce the PAPR value. Then, the result of the integration of various intelligent optimization techniques into the PTS method was applied to the mentioned systems using a total of three different intelligent optimization-based PAPR reduction strategies. The first technique is Discrete Elephant Herd Optimization-based PTS (DEHO-PTS), the second one is Discrete Crow Search Algorithm-based PTS (DCSA-PTS), and the third one is Discrete Invasive Weed Optimization-based PTS (DIWO-PTS) strategies were used. In these PAPR reduction strategies, discrete intelligent optimization techniques such as DEHO, DCSA and DIWO algorithms are used as phase optimizers. In the simulation results, it has been seen that DIWO-PTS gives better results for the two optical OFDM systems mentioned above.