Giải pháp nâng cao hiệu năng của hệ thống CDMA quang đa truy nhập kết hợp bước sóng – thời gian

1 MỞ ĐẦU Luận văn được trình bày thành 3 chương: Chương 1 Giới thiệu về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của các hệ thống CDMA quang (OCDMA), đặc biệt là hệ thống 2D  - t OCDMA. Giới thiệu về loại mã được sử dụng trong hệ thống 2D  - t OCDMA. Chương 2 Trình bầy về các loại nhiễu trong hệ thống 2D  - t OCDMA như nhiễu nhiệt, nhiễu lượng tử, nhiễu đa truy nhập (MAI), nhiễu giao thoa tín hiệu quang (OBI). Tán sắc và các ảnh hưởng của tán sắc trong hệ thống 2D  - t OCDMA. Chương 3 Đề xuất giải pháp làm giảm đồng thời ảnh hưởng của nhiễu và tán sắc thông qua việc cải tiến cấu trúc bộ thu và sử dụng các kỹ thuật điều chế mới. Xây dựng mô hình toán học đánh giá hiệu năng của hệ thống được đề xuất. So sánh hiệu năng của hệ thống được đề xuất trong luận văn với các hệ thống trước đây. 2 Chương 1 TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG CDMA QUANG 1.1 CÁC KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP 1.1.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian Hình 1.1 Chia sẻ tài nguyên dựa trên kỹ thuật CDMA Phần lớn PONs dựa trên TDMA để chia sẻ dung lượng giữa các người sử dụng khác. Trong hệ thống TDMA, mỗi kênh chiếm giữ một khe thời gian, mỗi khe thời gian này xen kẽ với các khe thời gian của các kênh khác như trong hình 1.1. Các tiêu chuẩn ITU ban đầu sử dụng TDMA cố định trong đó mỗi người dùng nhận được cùng một dung lượng, nhưng các tiêu chuẩn mới đang được phát triển dung lượng có thể được tự động gán cho người dùng khác nhau theo yêu cầu thay đổi của họ. Các cơ chế phân phối băng thông động đầu tiên yêu cầu tín hiệu giữa các ONUs và các OLT để thông báo cho OLT của các dung lượng cần cho mỗi ONU. Thứ hai, OLT cần phải thông báo cho nhau ONU về việc phân bổ dung lượng. Giao thức này được dựa trên tin nhắn yêu cầu từ ONUs đến OLT, mà quyết định về việc phân bổ tốt nhất dung lượng và đáp ứng với tin nhắn cấp. Để APONS chấp nhận chỉ dẫn số lượng các tế bào Bước sóng, λ Người sử dụng 1 Người sử dụng 2 Người sử dụng 3 Th ời gian, t 3 Ngư ời sử dụng 1 Ngư ời sử dụng 2 Ngư ời sử dụng 3 Thời gian, t Bước sóng, λ ONU được phép gửi. Để EPONS một cửa sổ truyền tối đa trong byte có thể được cấp thay vào đó, kể từ khi các khung Ethernet có thể có độ dài khác nhau. 1.1.2 Đa truy nhập phân chia theo bước sóng Trong hệ thống WDMA, mỗi kênh chiếm một băng thông xung quanh một bước sóng trung tâm như trong hình 1.2. Bước sóng có thể được sử dụng cho các dịch vụ riêng. Trong các dịch vụ quảng bá, WDM sẽ chỉ cần thiết trong đường xuống trong khi đó nó cũng sẽ được yêu cầu cho các đường lên nếu nó được sử dụng cho người dùng riêng. Nếu một bước sóng riêng được sử dụng để cung cấp các dịch vụ khác, chẳng hạn như phát thanh truyền hình, sự thay đổi trong mạng Hình 1.2: Chia sẻ tài nguyên dựa trên kỹ thuật WDMA có thể được giới hạn mỗi người gửi mới tại OLT và thu tại ONUs. Để sử dụng các kênh riêng WDM cho ONUs khác các công suất được chia tốt hơn nên được thay đổi cho một bộ định tuyến bước sóng hoặc bộ phân kênh, tách các bước sóng và chuyển chúng đến người nhận. Bằng cách chia nhỏ các bước sóng, ít năng lượng bị mất so sánh với phân chia công suất đơn 4 Bư ớc sóng, λ Thời gian, t Người sử dụng 1 Người sử dụng 3 Người sử dụng 2 Mã, C giản. Các bộ định tuyến bước sóng có thể được thực hiện bởi các thành phần thụ động, sử dụng một mạng lưới bước sóng (AWG) hoặc sợi cách tử 1.1.3 Đa truy nhập phân chia theo mã Hình 1.3: Chia sẻ tài nguyên dựa trên kỹ thuật CDMA Trong OCDMA, các tài nguyên mạng được chia sẻ giữa người sử dụng bằng cách gán cho một mã thay vì khe thời gian như TDMA hoặc bước sóng như WDMA. Sau đó, người dùng có khả năng tiếp cận các tài nguyên sử dụng cùng một kênh cùng một lúc, như thể hiện trong hình 1.3. OCDMA có thể thực hiện ghép kênh chuyển mạch và thêm / bỏ các tín hiệu đa kênh qua mạng xương sống và MAN riêng, hoặc kết hợp của TDM và WDM thông qua mã hóa và giải mã tín hiệu quang trực tiếp. OCDMA có thể sử dụng làm phương thức đa truy cập mạng giữa nhiều người sử dụng qua mạng LAN và các mạng truy cập và nó là một công nghệ lý tưởng cho mạng FTTH với tốc độ ~Gbit/s. 5 1.2 PHÂN LOẠI CÁC HỆ THỐNG OCDMA Nếu chúng ta phân loại chúng tùy thuộc vào sự khác biệt của phương pháp mã hóa cho các tín hiệu quang, có ba loại hệ thống OCDMA: - Hệ thống OCDMA mã hóa thời gian, trong đó bao gồm hệ thống mã hóa biên độ theo thời gian và mã hóa pha theo thời gian. - Hệ thống OCDMA mã hóa tần số, bao gồm bước mã hóa biên độ phổ (SEA) và hệ thống mã hóa pha phổ (SPE). - Hệ thống OCDMA mã hóa lai ghép, trong đó sử dụng một sự kết hợp của các phương pháp mã hóa nói trên. Chúng ta có thể có được mã hóa 2-D, chẳng hạn như, mã hóa bước sóng – thời gian (WH/TS). Nếu chúng ta sắp xếp chúng theo số lượng tài nguyên sử dụng, chúng có thể được chia thành các hệ thống một chiều, các hệ thống hai chiều và hệ thống ba chiều. Nếu sự phân cực này cũng đưa vào tài khoản, các hệ thống bốn chiều có thể đạt được. Nếu chúng ta phân loại chúng theo quy định với số lượng các bước sóng được sử dụng để mã hóa. Chúng có thể được chia thành các hệ thống OCDMA đơn bước sóng và đa bước sóng (MW-OCDMA). 1.3 HỆ THỐNG OCDMA Kiến trúc mạng điển hình cho OCDMA được hiển thị trong hình 1.4. Tín hiệu từ K máy phát được kết hợp bằng một bộ kết hợp và phát đến tất cả các máy thu bằng một bộ chia quang. 6 Một sợi quang được sử dụng để kết nối bên phát và bên thu, và được chia sẻ giữa tất cả người dùng. Các bộ mã hóa và giải mã OCDMA là những thành phần quan trọng để thực hiện hệ thống OCDMA. Để hiện thực dữ liệu thông tin liên lạc giữa nhiều người dùng dựa trên công nghệ truyền thông OCDMA, một mã duy nhất được gán cho mỗi người dùng trong một mạng OCDMA, mã được lựa chọn từ tập hợp mã OCDMA cụ thể, và do đó, người dùng khác nhau sử dụng các mã khác nhau. Hình 1.4: Sơ đồ khối của mạng OCDMA 1.4 MÃ SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG OCDMA 1.4.1 Mã M Mã có chiều dài cực đại ( chuỗi M) là một chuỗi giả ngẫu nhiêu được sử dụng phổ biến nhất, có thể được tạo ra bởi thanh ghi dịch chuyển hồi tiếp và có khoảng thời gian tối đa. Do đó, nó được gọi là tuyến tính cực đại chuỗi đăng ký dịch chuyển hồi tiếp. 1.4.2 Mã Hadamard Mã Hadamard thu được bằng cách chọn như mã số các hàng của một ma trận Hadamard. Nó cũng được biết rằng một ma trận Hadamard (N × N) bao gồm các số 1 và các số 0 có đặc . . . . . . Dữ liệu nh ị phân Bộ mã hóa OCDMA Máy phát #1 Máy phát # K Dữ liệu nh ị phân Bộ mã hóa OCDMA Bộ phục h ồi dữ liệu Bộ giải mã OCDMA Máy thu #1 Máy thu # K Bộ phục h ồi dữ liệu Bộ giải mã OCDMA Sợi quang 7 tính là bất kỳ dòng nào khác dòng còn lại đều khác ở vị trí N/2. Ngoại trừ tất cả hàng chứa N/2 số 0 và N/2 số 1. Ví dụ, đối với N = 4                1001 0011 0101 1111 4 M                0110 1100 1010 0000 4 M 1.4.3 Mã MQC Họ mã MQC (p2 + p, p 1, 1), được gọi là thay đổi đồng dạng bình phương (MQC) mã, Đối với một giá trị cố định cho trước, chúng ta có thể xây dựng (p-1) họ mã đặc biệt bằng cách sử dụng giá trị khác nhau của tham số d. Trong mỗi họ mã, có p 2 chuỗi mã có đặc tính sau đây. Chuỗi mã có p 2 + p các yếu tố có thể được chia thành (p + 1) nhóm. Và mỗi nhóm bao gồm “1” và “0”. Trong giai đoạn tương quan chéo giữa hai chuỗi là luôn luôn bằng 1. 1.4.4 Mã nguyên tố Mã nguyên tố là một đặc trưng mã đồng dư tuyến tính. Cấu trúc của mã nguyên tố như sau: Thứ nhất, chọn p là một số nguyên tố và dựa trên trường Galois GF (p), xây dựng một chuỗi nguyên tố: S i = ( s i, 0 , s i, 1 , , s i,j , , s i, ( p − 1) ) , i = 0 , 1 , , p − 1 nơi mà các phần tử trong chuỗi này nguyên tố là 8 s i,j = { i.j } (mod p ) S i,j , i và j là các phần tử trong trường Galois GF ( p ) = { 0 , 1 , , p − 1 } . 1.4.5 Mã nguyên tố 2-D Là mã được sử dụng trong hệ thống 2-D OCDMA, là sự kết hợp của một mô hình trải thời gian (TS) và mô hình nhảy bước sóng (WH). Mã nguyên tố 2-D sử dụng mã nguyên tô cho cả hai mô hình. Một mô hình TS có thể được tạo ra bằng cách sử dụng toán tử tuyến tính đồng dạng vị trí để đặt một xung trong một khối như sau: a xy = [ x, y ] x, y = 0 , 1 , , p s − 1 , p s là một số nguyên tố, và [.] ký hiệu modulo p s hoạt động. Thuật toán xác định vị trí của xung trong vòng một khối có độ dài p s . Một mô hình mã bao gồm p s các khối như vậy. Tương tự như vậy, WH là một mô hình tạo ra từ một số nguyên tố p h ( p s ≤ p h ). 9 Chương 2 NHIỄU VÀ TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG 2D  - t OCDMA 2.1 CÁC LOẠI NHIỄU 2.1.1 Nhiễu máy thu Nhiễu lượng tử và nhiễu nhiệt là hai cơ chế tiếng ồn cơ bản chịu trách nhiệm về biến động hiện nay ở tất cả các máy thu quang ngay cả khi các sự cố Pin quang điện là không đổi. Nhiễu lượng tử thực tế là một biểu hiện khi một dòng điện được tạo ra vào những thời điểm ngẫu nhiên một dòng các điện tử. Về mặt toán học, sự dao động của dòng điện có liên quan đến tạp nhiễu hạt là một quá trình đứng im ngẫu nhiên với số liệu thống kê Poisson, thường được tính xấp xỉ bằng số liệu thống kê Gaussian. Các sai nhiễu lượng tử có thể được thể hiện như sau Nhiễu nhiệt được tạo ra bởi các biến động ngẫu nhiên của nhiệt điện kích thích mang bên trong mọi phương tiện truyền dẫn, bao gồm các dây dẫn và chất bán dẫn, ở nhiệt độ Tn> 0 K. Dòng quang điện được tạo ra trong quá trình tách sóng quang được chuyển đổi thành điện áp thông qua tải. 2.1.2 Nhiễu Đa truy nhập Nhiễu đa truy nhập (MAI) là nguồn gốc của tiếng ồn trong OCDMA và là yếu tố hạn chế đến hiệu năng hệ thống. MAI là một loại nhiễu gây ra bởi nhiều người dùng đang sử dụng giao cùng một tần số cùng một lúc. Do đó, MAI được quy định bởi số lượng người dùng đồng thời và tương quan chéo giữa hai mã 10 khác nhau. Để giảm bớt ảnh hưởng của MAI, mã với tài sản tối thiểu tương quan qua lại được yêu cầu. 2.1.3 Nhiễu giao thao tin hiêu quang Hạn chế chính của hệ thống OCDMA nghiên cứu trong luận án này là OBI (nhiễu giao thao tín hiệu quang), xảy ra khi tín hiệu quang khác nhau được kết hợp. Mạch tách sóng bậc hai tại tách sóng quang (PD) sẽ có sự dao động giữa các xung tại cùng một bước sóng dẫn đến giao thoa. 2.2 TÁN SẮC VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG 2D  - t OCDMA 2.2.1 Các đặc điểm của truyền dẫn quang Trong tất cả các sóng điện từ, cho dù bằng phẳng hay không, có nhiều điểm giai đoạn không đổi. Đối với các sóng phẳng, những điểm trạng thái không đổi tạo thành sóng phẳng được gọi là mặt sóng. Như một làn sóng ánh sáng đơn sắc truyền dọc theo sợi quang. những điểm dịch chuyển trạng thái không đổi tại một trạng thái vận tốc v p xác định     p nơi ω là tần số góc của sóng và β là hằng số truyền. Tuy nhiên, trong thực tế không thể để tạo ra sóng ánh sáng đơn sắc, ánh sáng và năng lượng nói chung bao gồm một tổng hợp của các thành phần sóng phẳng của tần số khác nhau. Thường thì tình hình tồn tại nơi một nhóm các sóng có tần số gần tương tự như các hình thức truyền sóng do đó kết quả tạo thành một gói của sóng. Sự hình thành của một gói sóng do sự kết hợp của hai sóng có tần số khác nhau truyền cùng nhau được minh họa [...]... hợp đồng bộ Cần lưu ý rằng khi truy n dọc trục cáp quang, xung chip quang, kể cả xung chuẩn và MAI, sẽ bị méo bởi ảnh hưởng của GVD Vì vậy, sự méo này sẽ ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống Vì lí do đó, sự méo tín hiệu này cần được xem xét để phân tích 1 cách toàn diện hoạt động của hệ thống 2.3.2 Phân tích hiệu năng của hệ thống Trong phần này, chúng ta phân tích theo lý thuyết hoạt động của hệ thống. .. nhất một Xem xét hệ thống đồng thời với K người sử dụng, số lượng tối đa của xung MAI có thể nhìn thấy ở đầu ra của một bộ giải mã không mong muốn sẽ được K Các xung được phân phối trên bước sóng ps Sau khi quá trình giải mã, tín hiệu quang ở tất cả các nhánh giải mã được chuyển đổi thành dòng quang điện bởi bộ tách sóng quang (PD) Bởi vì 1 xung tối đa có thể nhìn thấy tại một bước sóng nhờ vào OHL,... Hình 2.3 Tín hiệu tự tương quan, Ad(t), cho trường hợp sử dụng SMF, dãy ban đầu có ps = 7 15 Chương 3 GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG 2D  - t OCDMA 3.1 ĐIỀU CHẾ ĐA MÃ (MCM) Trong phương pháp điều chế này, chúng tôi cũng sử dụng các từ mã M-ary như trong PPM, sẽ giúp giảm thiểu các tác động của MAI và OBI Tuy nhiên, thay vì sử dụng nhiều vị trí cho các ký hiệu M-ary, mỗi mã MW-OCDMA duy nhất... gọi là tán sắc để nhấn mạnh bản chất của nó phụ thuộc bước sóng Sự phụ thuộc tần số của vận tốc nhóm dẫn đến xung mở rộng chỉ đơn giản bởi vì các thành phần khác nhau quang phổ của các phân tán xung trong quá trình truy n và không đến cùng một lúc ở đầu ra cáp 2.3 ẢNH HƯỞNG CỦA TÁN SẮC TRONG HỆ THỐNG 2D  - t OCDMA 2.3.1 Mô tả hệ thống Sơ đồ mạch của hệ thống 2-D OCDMA được thể hiện trong hình 2.3 Có... mỗi nhánh, tín hiệu nhận được giải mã bởi một bộ giải mã.Giả sử rằng các máy phát được chọn gửi biểu tượng , quá trình giải mã cần phải được xem xét trong hai trường hợp: bộ giải mã mong muốn (1) (Dd), và (2) bộ giải mã không mong muốn (Du, u≠d) Ở bộ giải mã mong muốn, tất cả ps xung quang của chuỗi các chip biểu diễn kí hiệu Sd sẽ được lựa chọn cho đến khi bước sóng của chúng hợp với bộ giải mã này Sự... sơ đồ của hệ thống OCDMA 2-D sử dụng MCM và OHLs được thể hiện trong hình 3.1 Tín hiệu từ K máy phát được kết hợp bởi bộ kết hợp và phát sóng cho tất cả các máy thu bởi một bộ chia Để minh họa, máy phát và thu được mô tả chi tiết trong hình Giải điều chế đa mã sử dụng OHLs Mã phát Dữ liệu nhị phân Bộ phát #1 Từ các máy phát K-1 Kênh tán sắc quang tuyến tính Bộ tách sóng điều chế đa mã Bộ tổ hợp m-bit... ghép quang được sử dụng để phân bố tín hiệu 12 quang từ 1 máy phát tới các máy thu Khi tín hiệu quang được truy n từ máy phát tới máy thu bởi vì sợi cáp bị mỏng đi và bộ chia bị lỏng Đặt P0 , α, L theo thứ tự là bộ phát năng lượng, hệ số suy giảm sợi quang và độ dài của sự lan truy n, công suất nhận được được tính bằng công thức Ps=[P0exp(−αL)]/K Biểu đồ khối của 1 cặp máy thu và phát của hệ thống. .. hưởng lên chất lượng của hệ thống mô hình sửa đổi của xung Gaussian truy n trên một sợi quang đã được đề xuất trong chương 3 Ưu điểm của mô hình thay đổi trên thông thường là khả năng thể hiện làm lệch thời gian một hiệu ứng GVD gây ra trong hệ thống MW-OCDMA, bên cạnh những tác động thông thường bao gồm cả xung mở rộng và giảm công suất đỉnh Trong chương 3 cũng đề xuất mô hình tuyên truy n xung được áp... được áp dụng để đánh giá tác động của GVD về việc thực hiện của hệ thống 1-D và 2-D MW-OCDMA Tác động của GVD trên nhiều thông số hệ thống, bao gồm cả số lượng người sử dụng, truy n tải độ dài tối đa, và tốc độ bit của người sử dụng đã được phân tích định lượng Đề xuất một chương trình MCM cho việc giảm GVD trong hệ thống MW-OCDMA Tôi cũng đề xuất sử dụng OHL tại các bộ giải điều chế biểu tượng để giảm... phân tích và so sánh với của những người thông thường sử dụng OOK và PPM Những lợi thế chính của hệ thống đề xuất là khả năng đồng thời giảm thiểu sự tán sắc màu, MAI, và OBI Kết quả số cho thấy rằng hệ thống đề xuất tốt hơn những hệ thống trước về số lượng người sử dụng, tốc độ bit của người sử dụng, và công suất cần có 19 KẾT LUẬN Trong luận văn này, trong chương 2 tôi có giới thiệu, trình bày các loại . phương pháp mã hóa cho các tín hiệu quang, có ba loại hệ thống OCDMA: - Hệ thống OCDMA mã hóa thời gian, trong đó bao gồm hệ thống mã hóa biên độ theo thời. các bước sóng được sử dụng để mã hóa. Chúng có thể được chia thành các hệ thống OCDMA đơn bước sóng và đa bước sóng (MW-OCDMA). 1.3 HỆ THỐNG OCDMA