Recherche en CDMA optique (Code Division Multiple Access)

Recherche en CDMA optique
(Code Division Multiple Access)
Prof. Leslie A. Rusch
[email protected]
2005-07-04
1
CDMA optique
„ Projet de recherche de longue date
„ Applications
– LANs et réseaux d’accès
– Trafic sporadique – pas d’agrégation, IP en lumière
„ Plusieurs configurations étudiées
– Encodage spectral en amplitude (SAC-OCDMA)
– Encodage spectral et temporel (λ-t OCDMA)
– Autres: encodage en phase (PE), encodage temporel
(DS)
2005-07-04
2
Recherche en cours
„ Simon Ayotte
– Expériences, simulation et analyse
– BER pour SAC et λ-t OCDMA avec FBG
„ Julien Penon
– Écriture de FBG pour OCDMA
– Réalisation de systèmes optimisés
„ Pegah Seddighian
– Étiquettes («labels») optiques par OCDMA
– Compatible avec MPLS
„ Martin Rochette
– Efficacité spectral des systèmes OCDMA
2005-07-04
3
Forces du WDM/TDM
„ Transmissions sur longues distances
– Taux de transmission élevés
(Grâce au multiplexage fréquentiel et temporel)
– Efficacité spectrale élevée
(Quand tous les canaux sont actifs)
„ Orthogonalité des canaux
– Performances stables en fct du # de canaux
2005-07-04
4
Faiblesses du WDM/TDM
„ Sur les réseaux métropolitains et locaux,
l’efficacité est faible quand:
– Nombre de terminaux actifs bas p/r au # total
– Taux de transmission modestes
– Flux de données sporadiques variant beaucoup
„ Routage électronique à chaque nœud
– Nécessite une conversion o-e-o
– Limité par les coûts et la vitesse des composants
électroniques
2005-07-04
5
Qu’est-ce que le OCDMA?
OCDMA: Optical Code Division Multiple Access
„ Un code est alloué à chaque usager
„ Ce code peut être fréquentiel, temporel, spatial,
basé sur la polarisation ou la phase; examinons
– Spectral Amplitude Coding (SAC)
– λ-t Coding (fast frequency hopped)
„ Les différents usagers utilisent et se partagent
tout le spectre optique
„ Les usagers encodés optiquement transmettent
simultanément de façon asynchrone
2005-07-04
6
Pourquoi le OCDMA? (performances)
„ Pour l’accès et taux de transmission modestes
– Très grand nombre d’usagers disponibles
„ Réseau tout-optique
– Pas de gestion du trafic avec multiplexage compliqué
„ Pas de synchronisation
– Pas de protocole complexe pour empêcher les
collisions
„ Division équitable de la largeur de bande
– Toute la bande est utilisée
– Taux de transmission et QoS variables
2005-07-04
7
Pourquoi OCDMA? (coûts)
„ Pas de laser stabilisé ou AWG coûtant cher
„ Sources à bas coût
– LED à modulation directe → très bon marché
– Laser à fibre multi-λ sans stabilisation → bon marché
„ Réseaux de Bragg comme décodeurs → très bon
marché quand le montage d’écriture est en place
„ Options intéressantes
– Éviter la dispersion en utilisant SMF à 1300 nm
– Effets non-linéaires négligeables avec sources
incohérents
2005-07-04
8
Plan de la présentation
„ Application de la technologie OCDMA pour MPLS
„ Efficacité spectral pour plusieurs systèmes OCDMA
„ SAC-OCDMA
– Étude expérimentale et par simulation des systèmes incohérents
– Optimisation d’un système prototype
– Comparaison des systèmes incohérents et cohérents
„ λ-t OCDMA
– Étude expérimentale des systèmes incohérents et cohérents
– Expérience avec horloge récupéré
– Simulations de performance moyenne
2005-07-04
9
Pegah Seddighian
Candidate au doctorat
CDMA pour les réseaux «Label Switched»
multi longueur d’onde
2005-07-04
10
CDMA en MPLS
„ «Label switching» multi-protocole
– Séparer les données et l’étiquette à la couche physique
– Traiter l’étiquette au lieu de toute l’entête
– Souvent appelé «lambda-switching»
• Routage déterminé par la longueur d’onde du signal
• Modulation des données sur la longueur d’onde; λ est l’étiquette
– Le code optique est l’étiquette
„ Ouvre la porte au routage tout-optique
2005-07-04
11
Étiquette OCDMA
„ Exploiter les avancements en OCDMA et en tirer
profit pour le traitement des étiquettes OCDMA
„ Examiner les avantages et désavantages de
l’étiquette étant séparable ou intégrée aux
données
„ Traitement rapide en utilisant un traitement
optique de l’entête – pas de détection des
données
2005-07-04
12
Réseaux optiques par «label switching»
Label Edge
Router (LER)
Label Edge
Router (LER)
Label Switch
Router (LSR)
2005-07-04
13
Caractéristiques recherchées
„ Grand nombre d’étiquettes disponibles
„ Génération/reconnaissance facile des étiquettes
„ Rapidité de reconnaissance/permutation
„ Augmentation matérielle minime pour une
augmentation de la famille d’étiquettes
„ Faible coût
2005-07-04
14
Encodage Multi-λ des étiquettes
„ Grande famille d’étiquettes:
– n longueurs d’onde donnent 2n étiquettes
– Compromis avec l’efficacité spectrale
„ Encodeurs/décodeurs moins complexes
„ Rapidité de reconnaissance/permutation
„ Augmentation matérielle minime pour une
augmentation de la famille d’étiquettes
„ Possibilité d’utilisé un adressage hiérarchique
– Reconnaissance de l’étiquette plus rapide
– Matériel moins complexe
– Commutage plus facile
2005-07-04
15
Encodage Multi-λ
Étiquettes à une dimension
2005-07-04
16
Élément commutateur
2005-07-04
17
Plan de la présentation
„ Application de la technologie OCDMA pour MPLS
„ Efficacité spectral pour plusieurs systèmes OCDMA
„ SAC-OCDMA
– Étude expérimentale et par simulation des systèmes incohérents
– Optimisation d’un système prototype
– Comparaison des systèmes incohérents et cohérents
„ λ-t OCDMA
– Étude expérimentale des systèmes incohérents et cohérents
– Expérience avec horloge récupéré
– Simulations de performance moyenne
2005-07-04
18
Martin Rochette
Assistant de recherche
Efficacité spectrale en CDMA optique
2005-07-04
19
Efficacité spectrale
„ Efficacité spectrale pour BER fixe:
(Unités, bit/s/Hz)
Σ BER =
N usagersTtrans.
Bopt . totale
„ Simulateur développé pour:
– SAC-OCDMA avec sources incohérentes
– OCDMA avec sources à impulsions courtes
2005-07-04
20
Σ BERen SAC-OCDMA pour différents codes
BER=10-10
Corrél-x unitaire
(Meilleur choix)
Corrél-x élevée
Encodeurs
Mach-Zehnder
2005-07-04
21
OCDMA sources à impulsions courtes
Encodage en phase (PE: Phase encoding)
Encodage temporel (DS: Direct sequence)
Réponse temporelle
Spectre
Statistiques du bruit:
mêmes que pour une
source incohérente
M. Rochette et L. A. Rusch, «Spectral Efficiency of OCDMA Systems with Coherent Sources», en soumission à J. Lightwave Technol.
2005-07-04
22
Architecture simulée
„ NLTH: élément non-linéaire permettant d’éliminer
l’énergie hors des pulses ultra-courts
2005-07-04
23
Σ BER pour sources à impulsions brèves
Source incohérente:
Σ BER max ~ 4×10-3
Ici, 1 ordre de
grandeur plus
efficace.
Toutefois, système
plus complexe et plus
coûteux.
2005-07-04
24
Plan de la présentation
„ Application de la technologie OCDMA pour MPLS
„ Efficacité spectral pour plusieurs systèmes OCDMA
„ SAC-OCDMA
– Étude expérimentale et par simulation des systèmes incohérents
– Optimisation d’un système prototype
– Comparaison des systèmes incohérents et cohérents
„ λ-t OCDMA
– Étude expérimentale des systèmes incohérents et cohérents
– Expérience avec horloge récupéré
– Simulations de performance moyenne
2005-07-04
25
Simon Ayotte
Candidat au doctorat
Analyse théorique et expérimentale des
performances en CDMA optique
2005-07-04
26
Défis en OCDMA
„ Bruit d’interférent
– interférence des autres usagers (multiple access
interference (MAI))
„ Bruit d’intensité
– Les usagers occupent tout le spectre:
battement entre les fréquences proches
– Source majeur de dégradation
– Intrinsèque aux sources incohérentes
– Comment les sources cohérentes se comparent-elles
aux sources incohérentes?
2005-07-04
27
Sources incohérentes
„ Bruit
Densité
d’intensité
spectrale
des
desources
puissance
incohérentes:
électrique (DSP)
Composantes spectrales avec phases aléatoires
DSP
A
φ1
φk φl φm
φn
A2×Bo2
2A2×Bo
Bo
Bruit
Bande de base (Hz)
Bo: Bande optique
2005-07-04
Puissance DC
28
Bo
Rapport signal à bruit
DSP
A2×Bo2
m × Bo2
SNR =
(2 Bo − Be ) Be
2A2×Bo
mBo
SNR ≅
, Bo Be
2 Be
Be Bande de base (Hz) Bo
– SNR augmente avec la bande optique (Bo)
– SNR diminue avec le taux de transmission (Be)
m: nombre de polarisations
2005-07-04
Be: bande électrique
29
SNR: rapport signal à bruit
SNR: Formule générale
Filtres optiques et électriques
de formes spectrales arbitraires
Puissance optique
au carré
SNR =
2
⎛
⎞
⎜ ∫ G (υ )dυ ⎟ × H (0) 2
⎜
⎟
⎝ −∞
⎠
∞
⎡∞
2⎤
∫−∞⎢⎣−∫∞G(υ )G(υ + f )dυ × H ( f ) ⎥⎦ df
∞
Auto-corrélation
du spectre optique
2005-07-04
Signal
30
Bruit
Filtre électrique
Fonction de densité de probabilité
„ Pdf du bruit d’intensité d’une source incohérente:
«pdf gamma»
⎛ SNR ⎞
PDFIntensité (W ) = ⎜
⎟
⎝ W ⎠
SNR
W SNR −1 exp( − SNR × W W )
,
Γ( SNR )
PDF: Fct de densité de prob.
W: Puissance intégrée
W : W moyen
Γ: Fonction gamma
J. W. Goodman, Statistical Optics
2005-07-04
31
OCDMA par encodage spectral (SAC)
SAC: Spectral Amplitude Coding
1 2 3 4 5 65 7 86 97 10 11 12
8 13 14 15
Code 1
„ Codes: découpage spectral
„ m-sequence
– Longueur = 15
– Poids = 8
– Corrélation - croisée = 4
Code 2
Code 3
Code 4
2005-07-04
32
Notre implémentation FE-OCDMA
FBG Superposés
Source
Détection
Décodage
Encodage
large
balancée
modulée
2005-07-04
33
Diagrammes de l’oeil
„ 1 usager: diagramme de
l’œil classique pour source
incohérente (155 Mb/s)
Usager 1
„ Détection balancée:
– Annule la puissance moyenne
des interférents (MAI)
– Le bruit d’intensité
s’additionne
Usager 1 + 3 int.
3 interférents
2005-07-04
34
Courbes de BER expérimentales
„ À 155 Mb/s: plancher de bruit pour 3 usagers
„ À 622 Mb/s: plancher de bruit pour 2 usagers
2005-07-04
35
Schéma du simulateur
pdf (W )
Corrélation croisée
pdf (W | W )
∞
pdf (W ) =
∫
pdf (W | W ) pdf (W )dW
Convolution
−∞
W: Puissance intégrée W : W moyen Pdf: Fct. de densité de probabilité
2005-07-04
36
Simulation vs. expérience
„ Excellente correspondance!
„ Théorie maîtrisée: permet de faire des prédictions.
2005-07-04
37
Simulateur général
„ Codes MQC à corrélation croisée unitaire
(MQC codes: Modified quadratic congruence codes)
„ Signal non-polarisé
„ Filtres optiques/électriques: forme spectrale
rectangulaire
„ Pas de bandes de garde (SNR proportionel à Bo)
mBo
, Bo Be
SNR ≅
2 Be
2005-07-04
38
Simulateur général
Bande optique: 10 nm
Bande optique: 30 nm
Expérience
622 Mb/s
Expérience
155 Mb/s
„ Caractéristiques
„ Codes Hadamard
de l’expérience:
moins performants que MQC
– Codes non-optimaux, Faible bande optique, Source polarisée
2005-07-04
39
Conclusions SAC incohérent
„ Bonne correspondance: expérience vs. théorie
„ Prédiction d’un système optimisé SAC-OCDMA
avec sources incohérentes:
– Meilleurs codes (corrélation-croisée unitaire)
– Exploiter toute la largeur de bande
(pas de bande de garde)
– Signal non-polarisé (bruit d’intensité plus faible)
2005-07-04
40
Julien Penon
Candidat au doctorat
Réseaux de Bragg adaptés et optimisés
pour SAC-OCDMA
2005-07-04
41
SAC-OCDMA incohérent
„ FBG en transmission pour maximiser la bande optique
„ Codes à faible corrélation-x diminuant le bruit d’intensité
1
1
i
i
Chirp FBG
1
0
1
0
0
t
2005-07-04
0
t
42
SAC-OCDMA incohérent
„ Avantages
– Compacts
– Ajustement de la largeur des fenêtres fréquentielles
Î bruit d’intensité moindre
– Pas de circulateur optique
Î pertes et complexité moindres
„ Désavantages
– Limitations sur le code (écriture des FBG)
2005-07-04
43
Application
„ Taux de transmission modestes, faible coût
– LAN, réseaux d’accès, (distance <10km)
– Taux de transmission (155MBit/s et 622MBit/s)
– Faible coût
• Sources: diodes électroluminescentes (LED)
• Encodeurs/décodeurs: FBG sans circulateurs
– Peu ou pas d’amplificateurs
2005-07-04
44
Schéma expérimental proposé (1)
„ Une LED par usager
2005-07-04
45
Schéma expérimental proposé (2)
„ Une source large bande partagée (BBS)
2005-07-04
46
Apodisation
Modulation Index
1
1
2
3
4
5
6
7
Amplitude [U.A]
0.8
0.6
2li
0.4
0.2
0
0
20
40
60
80
100
120
140
x [mm]
Super-Gaussienne
m
2005-07-04
zi
1
zi
7
z zi
li
i 1
mm li
47
mm
2m
Performances (BER)
0
10
-5
10
-10
BER
10
4.5
5.5
-15
10
6.5
optimum
-20
10
7.5
8.5
9.5
10.5
11.5
-25
10
2
3
4
Number of Interferers
2005-07-04
48
5
6
Apodisation optimale
„ Super-Gaussienne
– Réponse spectrale quasi-rectangulaire
– Bonne réjection des lobes secondaires
„ Espacement entre les pics adjacents
– Impact important sur le BER
– Optimal environ à la moitié de la séparation des pics
2005-07-04
49
Spectre super Gaussien
Transmission : Encoder (code 0101010)
1
0.8
a)
0.8
0.6
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
1
0
2
193.6
2005-07-04
3
193.8
4
5
194
194.2
Frequency [THz]
6
194.4
Transmission: Encoder (code 0111000)
1
7
b)
1
0
194.6
50
2
193.6
3
193.8
4
5
194
194.2
Frequency [THz]
6
194.4
7
194.6
NRZ vs. RZ
Encoder Spectrum (RZ)
Encoder Spectrum (NRZ)
1
1
0.8
0.8
0.6
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0
0
193.6 193.8 194 194.2 194.4 194.6
Frequency [THz]
2005-07-04
51
Return to 0
=
Decreased optical BW
193.6 193.8 194 194.2 194.4 194.6
Frequency [THz]
Performance selon l’usager décodé
„ RZ
-4
10
– QoS égale
pour tous
-6
10
„ NRZ
-8
BER
10
– QoS variable
– Performance
moyenne
améliorée
-10
10
User#1
User#2
User#3
User#4
User#5
User#6
User#7
-12
10
NRZ
RZ
-14
10
-16
10
2
3
4
5
Number of interferers
2005-07-04
52
6
Plan de la présentation
„ Application de la technologie OCDMA pour MPLS
„ Efficacité spectral pour plusieurs systèmes OCDMA
„ SAC-OCDMA
– Étude expérimentale et par simulation des systèmes incohérents
– Optimisation d’un système prototype
– Comparaison des systèmes incohérents et cohérents
„ λ-t OCDMA
– Étude expérimentale des systèmes incohérents et cohérents
– Expérience avec horloge récupéré
– Simulations de la performance moyenne
2005-07-04
53
Simon Ayotte
Candidat au doctorat
Analyse théorique et expérimentale des
performances en CDMA optique
2005-07-04
54
λ-t OCDMA
„ Analyse λ-t OCDMA en vue de comparer avec SAC
– Est-ce que λ-t peut mieux faire?
– Résultats expérimentaux maintenant, simulations sous
étude
„ Différences fondamentales
–
–
–
–
SAC: détection balancée éliminant complètement le MAI
SAC: transmission NRZ
λ-t: MAI est étendu en temps, donc moins de battement
λ-t: transmission RZ avec des pulses courts, donc
électronique plus rapide
2005-07-04
55
OCDMA λ-t
„ Code à 2 dimensions: Temps et Fréquence
Source large bande
Usager désiré
modulée
par lesdécodé
données
correctement
Seule
l’énergie dans la
fenêtre de
est
Puissance
dedétection
l’interférent
considérée
divisée
(MAI)
Pulses encodés par
l’usager désiré
FréquenceFréquence
Fréquence
Temps
du pulse
Temps
du bit
Interférent
Usager désiré
Fenêtre de détection
«1» «0»
«1» «0»
Temps
Temps
Temps
2005-07-04
56
Encodage par réseaux de Bragg
„ Le pas du réseau détermine la fréquence réfléchie
„ La position du réseau détermine le délai induit
H. Fathallah, L. A. Rusch, and S. LaRochelle, J. Lightwave Technol. (1999)
2005-07-04
57
Notre implémentation λ-t
Poids du code: 8
Longueur: 29
2005-07-04
4 usagers choisis parmi 16 encodeurs disponibles
58
Mesures de BER
„ Jusqu’à 16 usagers simultanés
BER
– Taux de transmission: 625 Mb/s
– Temps du bit: 1600 ps
– Largeur de pulse: 400 ps
0.1
0.01
1E-3
1E-4
1E-5
1E-6
1E-7
1E-8
1E-9
1E-10
1E-11
1E-12
1E-13
Délai fixe entre les usagers:
L’ordre d’ajout des usagers
peut changer l’allure de la
courbe (difficile à simuler)
Les performances sont modestes:
Autre type de source possible?
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Nombre d’usagers
2005-07-04
59
Source cohérente multi-lasers
„ Étant donné les résultats avec sources larges:
– Nouvelle expérience avec sources multi-lasers
„ Source large remplacée par:
– Une série de lasers DFB
„ Délai ajusté entre les usagers:
– Une fréquence par interférent dans la fenêtre de
détection
2005-07-04
60
Diagrammes de l’œil
Source multi-lasers
Amplitude, 1µV/div
Source incohérente
Time, 200 ps/div
Time, 200 ps/div
„ Le délai entre les usagers est le pire cas, mais:
→ comparaison entre les deux sources facilitée
2005-07-04
61
Diagrammes de l’oeil, 10 Gchip/s, 1.25 Gb/s
Un usager
2 usagers
4 usagers
(pola. alignées)
4 usagers
(pola. orthog.)
Source
incohérente:
Source
multi-laser:
„ Le délai entre les usagers est le pire cas
2005-07-04
62
Mesures de BER, 10 Gchip/s, 1.25 Gb/s
Source multi-laser
Source incohérente
(DFBs en série)
Plancher de BER avec 2 usagers
2005-07-04
Les 4 usagers transmis
correctement
63
Collaboration avec McGill
„ Un récepteur réel doit recouvrer l’horloge
„ Collaboration
– McGill a développé le module de recouvrement
d’horloge
– Laval a fourni le système λ-t and effectué les mesures
avec McGill
„ Défis du recouvrement de l’horloge
– Signal RZ avec de la puissance hors du pulse cherché
– Un besoin pour un fenêtrage accru a été identifié
2005-07-04
64
Mesures de BER, 1.25 Gchip/s, 155 Mb/s
Source incohérente
Source incohérente
Pénalité entre 2-3 dB pour tout nombre d’usagers
2005-07-04
65
Conclusions pour λ-t CDMA
„ Source multi-laser peut être meilleure pour λ-t
„ Travail en cours: simulateur λ-t OCDMA
– Correspondance entre l’expérience et la théorie
– Simulateur avec délais aléatoires, MAI et bruit d’intensité
– Comparaison des codes proposés dans la littérature
– Comparaison de SAC et λ-t
2005-07-04
66
Conclusions
„ Efficacité spectral pour plusieurs systèmes OCDMA
„ Application de la technologie OCDMA pour MPLS
„ SAC-OCDMA
– étudié expérimentalement et par simulation pour les systèmes
incohérents
– expériences futurs avec paramètres optimisés
– Comparison des systèmes incohérents et cohérents
„ λ-t OCDMA
– étudié expérimentalement pour les systèmes incohérents et
cohérents
– simulations futurs avec paramètres optimisés
2005-07-04
67