Оптические сети с кодовым разделением абонентов

Оптические сети с кодовым разделением абонентов

Ключевые слова: оптическая сеть, OCDMA, кодовые последовательности, WDM, пакетная передача.

Рассматриваются оптические сети множественного доступа с кодовым разделением абонентов (CCDMA). Приведена классификация OCDMA. Виды кодирования: спектрально-фазовое, спектрально-амплитудное, позиционное. Используются квази ортогональные оптические последовательности сверхкоротких импульсов с хорошими авто и взаимно корреляционными свойствами, в частности, коды Голда, последовательности Лежандра с манчестерским кодированием, и др. Передача может производиться на одной частоте. В качестве генератора несущего сигнала используется лазер. Целесообразна интеграция кодирования и частотного разделения WDM. При этом передача идет на двух и более частотах с мультиплексированием длин волн. Известно 1 б канальное устройство, включающее 1 б лазеров и кодеров. Устройства реализуются в электронно-оптическом виде или в чисто оптическом виде. Кодеры/декодеры последовательностей выполняются на решетках Брега или в голографическом кодере. Модуляция сигналов амплитудная или ОФМ2 производится в модуляторах Маха-Цандера. Обработка сигналов может быть когерентной и некогерентной: на корреляторах или на согласованных фильтрах. Синхронизация в приемнике производится после демодуляции. Декодирование кодов проводится также оптическими устройствами. В рассматриваемых оптических сетях существенны интерференции. Их влияние уменьшается за счет нелинейного приема и уменьшения взаимных задержек сигналов. Полностью оптическая сеть CDMA обычно имеет топологию "звезда", передача пакетная, число узлов М, каждый узел имеет свой код. Протокол доступа R3T. Контроль доступа на уровне МАС, там же обнаруживаются коллизии. Эффективность сети оценивается отношением числа активных абонентов к общему числу пользователей. Скорость передачи может достигать 320 Гбит/с (32 пользователя по 10 Гбит/с.). Вероятность ошибки на бит составляет 10-9. По принципу OCDMA реализуются закрытые сети.

Сперанский В.С.,

профессор МТУСИ, www.speranskyv@yandex.ru

Клинцов О.И.,

старший научный сотрудник ФГУП НТЦ "Орион"

В последние годы происходит применение технологии кодового разделения абонентов CDMA в оптических сетях связи [1]. В таких сетях производится передача речи, данных и видеоизображений, причем характерна пакетная передача, как и в радиосетях. Ряд общих принципов кодового разделения абонентов остается таким же, как в радиоканале, однако, имеется ряд отличий: во-первых, волоконно-оптический канал распространения оптических сигналов, во-вторых, используются другие методы модуляции, в третьих, наряду с известными кодовыми последовательностями применяются последовательности, специфичные для оптического канала, в четвертых, элементная база оптических сетей CDMA (OCDMA) иная, чем радиоканале.

На рис. 1 представлена схема OCDMA сети, включающая оптические передатчик, кодер CDMA, коррелятор и фото детектор.

Сети OCDMA можно классифицировать по виду модуляции и используемых кодовых последовательностях По виду модуляции эти сети делятся на амплитудную, спектрально-фазовую [4, 8] и комбинацию спетрально-фазовой и частотного разделения подканалов (WDM) [5].

Для разделения абонентов и передачи сообщений применяются как известные коды: М последовательности, последовательности Голда,и последовательности Лежандра в комбинации с манческим кодом, последовательности Уолша [3, 7], так и позиционные коды [10 ].

Автокорреляционная функция (АКФ) последовательности {хп]

и взаимнокорреляционная функция (ВКФ) последовательностей {хп} и {уп} имеют вид

R (m ) = X

N-l

X;

n=0

d, m = О

< XN, при других m

R (m) = X хпУп+ m <^n, для 0 < m < N -1

где — т-дискретный временной сдвиг; п — уровень боковьх пиков.

Уровень боковых пиков ВКФ определяет интерференционную помеху от соседнего пользователя. На рис. 2 показаны АКФ и ВКФ кодов.

Рис. 1. Схема OCDMA сети

Рис. 2. АКФ пользователя и ВКФ интерферирующего пользователя

Рис. 3. Формирователь OCDMA

Сплиттер

Рис. 4. Оптическая CDMA+WDM система

Рис. 5. Матрица кодов и набор длин волн

На рис. 3 изображен формирователь сигнала OCDMA, содержащий источник сверхкоротких импульсов, оптический модулятор, спектрально-фазовые кодер и декодер и оптико-электронный преобразователь [5].

Для оптических сетей CDMA перспективно сочетание кодирования и частотного разделения каналов (WDM) [5, 11]. На рис. 4 показан пример такой передачи, а на рис. 5 — матрица кодов частот и наборы длин волн. Число частот равно 7. Сочетание OCDMA и WDM позволяет увеличить число кодовых последовательностей и, соответственно, число абонентов, а также скорость передачи сообщений. Основными характеристиками сетей OCDMA, как и радиосетях являются вероятность ошибки на бит с учетом интерференций., скорость передачи сообщений, число активных абонентов и структура сети.

На графике рис. 6 изображены графики зависимости битовой ошибки от общей мощности сигнала и помехи [8] в дБм для случая отсутствия интерференционной помехи и при ее наличии Наличие интерференции. существенно увеличивает вероятность ошибки. Следует отметить, что в отличие от радиоканала с аддитивным белым шумом в системах OCDMA уровень шумовой помехи мал, в ошибки зависят от общей мощности сигнала. Интерференционные помехи снижают скорость передачи. Для ослабления влияния интерференций в тракт приемника включают амплитудный ограничитель интенсивности входных сигналов [2]. Из графика зависимости нормированной скорости передачи от среднего числа пользователей сети (рис. 7) следует вывод, что скорость уменьшается достаточно медленно с ростом числа пользователей.

Эффективность сети оценивается отношением числа активных пользователей к их общему числу. Для увеличения скорости передачи сообщений применяется многоканальная параллельная передача с частотным разделением.. Так, в работе [11] описана сеть с 16 лазерными каналами и с частотным окном 80 ГГц. Кодирование производится последовательностями Уолша N=16 параллельно на всех частотах.

В сетях OCDMA как правило применяются линии "точка-точка", топология "звезда" и пакетная передача [10]. Контроль коллизий происходит на МАС уровне, имеется регулировка мощности излучения. Применяется протокол R3T (round-robin-receiver-transmitte).

Элементная база сетей OCDMA включает лазерные генераторы когерентные и ли некогерентные для случая позиционных кодов и некогерентного приема. Оптические кодеры-декодеры, модуляторы

1е-3

1 с—4

1е-5

1е-6

1е-7

1с-8

1е-9

le-10 It-II

^6tl III ITt|)(j)t| с z 1 s s

С ИНТЄ| )фЄ|)ЄІІ11І ей

-6 -4 -2 0 2 4

общая мощность

Р^с. 6. Зависимость битовой ошибки от общей мощности

Рис. 7. Зависимости нормированной скорости передачи от среднего числа пользователей сети

амплитлзныи

отклик k центр

/—\ \ правый

левый / 1

склон^/ 1 \ склон

(a; /і / 1 / I 1 1 1 1 © l\ 1 \ 1 \ ^

<•>1 <i>2 0>з

мощность мощность мощность

,JJ^

Лг,

©

Выводы

1. Оптические системы OCDMA обеспечивают высокие скорости передачи сообщений — при многоканальной передаче до сотен Гбит/с.

2. Сочетание технологии OCDMA и WDM дает большее число абонентов и лучшие A^ и ВКФ кодовых последовательностей.

3. Недостаток сетей OCDMA заключается в наличии интерференции кодов абонентов. Для ослабления влияния интерференции необходимы ортогональные кодовые последовательности и специальные меры обработки при приеме.

4. Элементная база систем включает лазерные генераторы, модуляторы Маха-Цандера, решетки Брегга, оптические линии задержки, мультиплексоры, голографические формирователи кодов и др.

5. В сетях OCDMA используется пакетная передача данных с контролем коллизий на МАС уровне.

6. В таких сетях обеспечивается высокий уровень защищенности передачи.

Рис. 8. Оптимальный фильтр, базирующийся на частотном дискриминаторе

РИс. 9. Голографический кодер последовательностей Уолша

Маха-Цандера, решетки Брегга [1, 4], оптические корреляторы и согласованные фильтры, фотодетекторы.

На рис. 8 представлен частотный дискриминатор на основе оптического полосового фильтра. Для разделения частот используются левый и правых склоны АЧХ фильтра [3].

Представляет интерес спектрально-фазовый голографический коде последовательностей Уолша [12], изображенный на рис. 9.

Кодер основан на решетке Брегга и цифровой планарной голографической технологией с комплексным спектрально-фазовым профилем. Имеется 4 выхода и, соответственно, 4 кода Уолша. Расстояние между каналами 40 ГГц. Размер чипа 7х7 мм.

Литература

1. Prucnal RR. Optical Code division multiple Access Fundamentals and Application -Taylor Frances, 2005.

2. ChovanY Uherek F, Habovoik P. Performance Analyses of optical CDMA Systems with Non-ideal Hardlimiters. — Int. Laser Center. Bratislava 2001.

3. Zeng F Wang Q. Yao Y. Sequence-Inversion-Keyed Optical CDMA cod-ing/ decoding Scheme using an Electrooptic Phase Modulator and Fiber Bragg Grating Arrays IEEE Н. Ша Silected Topics, 2007, 5.

4. Castro J.M., Geraghty D.F. Spectral phase encoders for optical CDMA using anti-symmetric gratings.. Univ. Arisona.

5. Пат. США №7.З08.199 В2. http://www.uspto.gov

6. Yov S.Y. et at. Spectral phase encoded time spread optical code division multiple access technology for next generation communication networks. // Journal of Optical Networking, 2007, v6, №10, p. 1210-1227.

7. MzZFA., Obayga SSA Manchester codes for spectral-amplitude coding based OCDMA. — IET Optoelectronics, 2011. V5. №2.

8. Yang Z. et. al Reconfigurable All-optical Code transmission in spectral-Coded OCDMA-Y. of Ligt ware Technology, 2005, v23, №6.

9. Mohamed M A., ShalabyH.Mh, El-Badaway El-Sa. Optical code- division multiple access protocol with selective transmission — Optical Engeniring 2006, v.45, 5.

10. Hsu C.S., Li VOK. Performance Analysis of Slotted Fiber-Optic Code Division Multiple Access (CDMA)Packet Networks — IEEE Trans on Commun. 1997, v45, №7, p8l9-826.

11. Yin H.,Etemad S., atc. Optical CDMA incorporating phase coding of coherent frequency bins.- Optical Society of America, 200З.

12. MacArtur A. Nanooptic encoder-decoder devices // mcartur@nanooptic devices.com.

Optic Network CDMA Speransky V.S., Klintsov O.I. Abstract

Technology application is considered. fiber-optical network. Realisation of devices in electron-optical or purely optical kind is possible. In the latter case speeds of transfers can reach 100 Gbit/s with and more. Coding principal views in optical systems. Are spectral phase kode, item and discretely frequency WDM.