Nghiên cứu kỹ thuật mã hóa biên độ phổ SAC trong hệ thống OCDMA

Bài viết tập trung nghiên cứu kỹ thuật mã hóa biên độ phổ SAC trong hệ thống OCDMA. Hệ thống được thiết kế, khảo sát và mô phỏng trên phần mềm OptiSystem với các lần thực nghiệm về: khoảng cách, số người sử dụng hệ thống. Nghiên cứu này góp phần giải quyết vấn đề nâng cao hiệu năng cho mạng truy nhập quang đa bước sóng sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã quang OCDMA.

TNU Journal of Science and Technology 226(16): 60 - 66 RESEARCH OF SAC SPECTRAL AMPLITUDE CODING TECHNIQUE ON OCDMA SYSTEM Hoang Van Thuc*, Doan Thi Thanh Thao, Pham Thanh Nam TNU - University of Information and Communication Technology ARTICLE INFO ABSTRACT Received: 06/9/2021 Increasingly asserting in terms of transmission speed, transmission distance, transmission capacity, optical communication network is being the first choice not only for inter-provincial and intra-provincial backbone transmission routes, but also for used in access networks, fiber optic cables, etc in Vietnam's telecommunications network This advancement is due to the application of the technologies of time division multiplexing (TDM), wavelength division multiplexing (WDM) and optical code division multiplexing (OCDMA) This paper focuses on studying SAC spectrum amplitude encoding technique in OCDMA system The system is designed, surveyed and simulated on OptiSystem software with experiments on: distance, number of system users This study contributes to solving the problem of improving performance for multi-wavelength optical access networks using OCDMA optical code division multiple access technology Revised: 05/11/2021 Published: 08/11/2021 KEYWORDS SAC-OCDMA system SAC spectrum amplitude coding OCDMA MAI OCDMA technology under MAI NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MÃ HÓA BIÊN ĐỘ PHỔ SAC TRONG HỆ THỐNG OCDMA Hoàng Văn Thực*, Đoàn Thị Thanh Thảo, Phạm Thành Nam Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông - ĐH Thái Nguyên THƠNG TIN BÀI BÁO Ngày nhận bài: 06/9/2021 Ngày hồn thiện: 05/11/2021 Ngày đăng: 08/11/2021 TỪ KHÓA Hệ thống SAC-OCDMA Mã hóa biên độ phổ SAC Cơng nghệ OCDMA MAI OCDMA tác động MAI TÓM TẮT Ngày khẳng định ưu điểm tốc độ truyền, khoảng cách truyền, dung lượng truyền, mạng thông tin quang lựa chọn hàng đầu cho tuyến truyền dẫn đường trục liên tỉnh, nội tỉnh mà sử dụng mạng truy nhập, sợi dây nhảy quang… mạng viễn thông Việt Nam Sự tiến ứng dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM), ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) ghép kênh phân chia theo mã quang (OCDMA) Bài báo tập trung nghiên cứu kỹ thuật mã hóa biên độ phổ SAC hệ thống OCDMA Hệ thống thiết kế, khảo sát mô phần mềm OptiSystem với lần thực nghiệm về: khoảng cách, số người sử dụng hệ thống Nghiên cứu góp phần giải vấn đề nâng cao hiệu cho mạng truy nhập quang đa bước sóng sử dụng cơng nghệ đa truy nhập phân chia theo mã quang OCDMA DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.4989 * Corresponding author Email: hvthuc@ictu.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn 60 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(16): 60 - 66 Giới thiệu OCDMA phương thức đa truy nhập thông tin quang Kết hợp đặc tính ưu việt phương thức đa truy nhập phân chia theo mã CDMA truyền dẫn sợi quang Trong OCDMA, kênh truyền thông phân biệt mã quang thay bước sóng hay khe thời gian [1], [2] Quá trình mã hóa quang biến đổi bit liệu trước chúng truyền Tại đầu thu, thao tác giải mã ngược yêu cầu để khôi phục lại liệu gốc Đa truy nhập phân chia theo mã quang sử dụng kỹ thuật OCDM để phân xử việc truy nhập kênh truyền nhiều nút mạng mơ hình phân tán [3] Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mã quang (OCDM) với ưu điểm vượt trội là: truy nhập khơng đồng bộ, sử dụng hiệu băng thơng, có khả mở rộng bảo mật cao [4] Tuy nhiên, hệ thống PON sử dụng kỹ thuật OCDMA yếu tố ảnh hưởng đáng kể đến hiệu hệ thống nhiễu đa truy nhập (MAI) [5] Khi có nhiều người dùng truy nhập vào môi trường, thời điểm tần số để phát đồng thời dòng liệu chúng hệ thống OCDMA gây nhiễu MAI [6] Do đó, việc tiến hành nghiên cứu phân tích hiệu hệ thống OCDMA nhằm đánh giá khả triển khai giải pháp OCDMA truyền thông quang cần thiết [7] Kiến trúc hệ thống OCDMA Kiến trúc điển hình hệ thống OCDMA minh họa hình Tín hiệu từ K phát đưa đến kết hợp để truyền sợi quang đến thu chia quang Một sợi quang sử dụng để kết nối từ phía phát đến phía thu chia sẻ tất người dùng Hình Kiến trúc mạng PON-OCDMA OCDMA kỹ thuật ghép kênh mà kênh truyền thông phân biệt mã quang thay bước sóng hay khe thời gian Q trình mã hóa quang biến đổi bit liệu trước chúng truyền Tại đầu thu, thao tác giải mã ngược yêu cầu để khôi phục lại liệu gốc [1] Thông thường hệ thống OCDMA chia thành hai loại, khơng kết hợp kết hợp Cơ chế không kết hợp dựa kỹ thuật điều chế cường độ tách sóng trực tiếp (IM-DD) Hoạt động tách sóng trực tiếp làm cho thủ tục đơn giản giảm giá thành cho thu Bộ tách sóng quang (photodetector) phát cơng suất quang tín hiệu quang thay đổi tức thời pha tín hiệu quang Vì vậy, kỹ thuật xử lý tín hiệu khơng kết hợp sử dụng Trong OCDMA kết hợp, thông tin pha sóng mang quang quan trọng cho trình giải mã Do tính chất truyền dẫn sợi quang hiệu ứng phi tuyến mức độ phức tạp thu hệ thống OCDMA kết hợp làm cho kỹ thuật khó triển khai Tuy nhiên, hiệu chế kết hợp cao nhiều so với chế không kết hợp thu có tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR) nhạy [2] Ngồi ra, OCDMA phân loại theo phương thức mã hóa, mã hóa sử dụng miền thời gian, miền tần số hai Trong hệ thống mã hóa miền thời gian, tín hiệu http://jst.tnu.edu.vn 61 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(16): 60 - 66 mã hóa cách nhân bit liệu với từ mã theo miền thời gian Hệ thống không hiệu phổ từ mã dài thường yêu cầu để trì tương quan chéo thấp OCDMA miền tần số thực mã hóa pha cường độ phổ tín hiệu quang băng rộng việc sử dụng pha mặt nạ biên độ, mã hóa biên độ phổ (SAC) cho hiệu phổ tốt Một ưu điểm quan trọng khác SAC-OCDM khử nhiễu đa truy nhập (MAI) (là tín hiệu khơng mong muốn xuất nhiễu giải mã) Đây nguồn nhiễu chủ yếu OCDMA giới hạn hiệu hệ thống Tuy nhiên, theo lý thuyết, MAI khử việc sử dụng tách sóng cân Ngồi ra, khơng giống hệ thống miền tần số khác, SAC-OCDM sử dụng nguồn quang không kết hợp cho phép giá thành rẻ cấu trúc đơn giản [3] Hệ thống mã hóa biên độ phổ SAC-OCDMA Trong hệ thống OCDMA mã hóa biên độ phổ, thành phần tần số tín hiệu từ nguồn phát băng rộng mã hóa cách bị chặn lại cho qua tùy thuộc vào từ mã sử dụng Hình Sơ đồ khối hệ thống mạng PON dựa SAC/OCDMA Trên hình sơ đồ khối hệ thống mạng PON dựa SAC/OCDMA, liệu luồng xuống gửi tới người dùng mã hóa mã hóa phổ, mã hóa xây dựng từ cấu trúc cách tử Bragg Mỗi thiết bị ONU nhận tín hiệu khơng từ mã hóa mong muốn (tức tín hiệu liệu nó) mà cịn nhận từ mã hóa cịn lại (tức tín hiệu nhiễu đa truy nhập MAI) Có hai giải mã ONU, giải mã thứ có tính chất giống mã hóa trước đó, giải mã thứ hai có tính chất ngược lại (tính chất bù) [4] Các từ mã sử dụng hệ thống SAC/OCDMA thiết kế có giá trị tương quan chéo pha cố định mà số bước sóng qua giải mã trường hợp tín hiệu nhiễu (từ giải mã không mong muốn) giống Bởi tín hiệu giải mã từ hai giải mã tách sóng hai photodiode (PD1 PD2) kết nối theo chế cân nhánh dương nhánh âm, tất tín hiệu nhiễu (tức MAI) khử [5] Trong mã hóa biên độ phổ SAC-OCDMA, thu lọc tín hiệu vào thông qua lọc giải mã trực tiếp A(w) giống phát giải mã bù có thành phần phổ 𝐴̅(𝑤) Lối giải mã tách sóng hai tách sóng kết nối theo cấu trúc cân Đối với tín hiệu nhiễu, tùy thuộc vào từ mã gán, phần thành phần phổ khớp với giải mã trực tiếp phần khác khớp với giải mã bù Bởi lối thu cân tương ứng với hiệu hai lối tách sóng nên kênh nhiễu bị khử kênh phù hợp giải điều chế, tức MAI khử hệ thống SAC-OCDMA [6] http://jst.tnu.edu.vn 62 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(16): 60 - 66 Một vài loại mã đề xuất cho hệ thống SAC-OCDMA bao gồm: chuỗi M, mã Hadarmard mã tương đồng trọng số kép sửa đổi (MQC) Mỗi tập từ mã biểu diễn ký hiệu (𝑁𝑐 , 𝑤, 𝜇), 𝑁𝑐 độ dài mã, 𝑤 trọng số 𝜇 hệ số tương quan chéo [7] Mô thực nghiệm đánh giá 4.1 Phần mềm mô Optisystem Trên hình thể giao diện phần mềm mô Optisystem mô hệ thống thông tin quang Phần mềm có khả thiết kế, đo kiểm tra thực tối ưu hóa mạng thơng tin quang Trong thực tế, dựa tốn xây dựng mơ hình hóa hệ thống thơng tin Bên cạnh đó, phần mềm cho phép người sử dụng đưa thêm phần tử thiết kế bổ sung vào thư viện ứng dụng [8] Hình Giao diện phần mềm mơ Optisystem Hình Giao diện thiết lập tham số tồn cục Với giao diện thể hình 4, tham số liên quan đến tốc độ, độ xác yêu cầu nhớ cho việc thực mô thiết kế Các tham số gọi tham số tồn cục ảnh hưởng đến tất thành phần thiết kế có sử dụng tham số Trong OptiSystem, tham số bao gồm: Tốc độ bit (bit rate), chiều dài chuỗi bit (Bit sequence length), số mẫu bit (Number of samples per bit) [9] Các tham số sử dụng để tính tốn Time window (cửa sổ thời gian), Sample rate (tốc độ lấy mẫu) Number of samples (số lượng mẫu) sau: Time window = Sequence length * 1/Bit rate = 𝐿 𝑅𝑏 = 𝐿 𝑇𝑏 Number of samples = Sequence length * Samples per bit Sample rate = Number of samples / Time window OptiSystem dùng chung tham số Time window cho tất thành phần thiết kế, tức tất thành phần có Time window giống có Sample rates Number of samples khác [10] 4.2 Bài toán thực nghiệm Thiết kế, khảo sát chất lượng hệ thống thông tin quang OCDMA sử dụng kỹ thuật mã hóa biên độ phổ SAC với người sử dụng Khoảng cách truyền 10 km Tốc độ bit truyền 1Gb/s Hình sơ đồ thiết kế hệ thống OCDMA phía phát Với ba luồng liệu tạo ba tạo bit giả ngẫu nhiên PRBS Các chuỗi bit sử dụng để điều khiển tạo xung NRZ tạo tín hiệu non-return-to-zero (không trở không) Bộ điều chế Mach – Zender thực điều chế theo kiểu on-off (OOK) tín hiệu NRZ tín hiệu đa bước sóng Cuối http://jst.tnu.edu.vn 63 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(16): 60 - 66 cùng, tín hiệu OOK đa bước sóng mã hóa mã hóa cấu tạo từ cách tử Bragg Các cách tử FBG dùng hệ thống đóng vai trị mã hóa, giải mã cho tín hiệu quang khơng kết hợp Hình Sơ đồ mơ hệ thống phía phát Hình Sơ đồ mơ hệ thống phía thu Hình sơ đồ mô thiết kế hệ thống OCDMA phía thu Các tín hiệu sau giải mã biến đổi thành dòng quang điện sử dụng hai tách sóng quang PIN, tín hiệu từ PIN kết nối với trừ tín hiệu điện (Electrical Substractor) để tạo chế tách sóng cân Ở sử dụng phân tích tỉ lệ lỗi bit BER analyzer kết hợp với lọc thơng thấp Bessel để phân tích tín hiệu thu [10] 4.3 Mơ nhận xét đánh giá - Phân tích kết đầu người sử dụng: Hình Đồ thị mẫu mắt, Q Factor khoảng cách 10 km người dùng Hình Đồ thị mẫu mắt, Q Factor khoảng cách 10 km người dùng Từ hình 7, hình ta thấy, hệ số độ rộng mẫu mắt mở lớn, khoảng 91%, BERmin= 1.06623e-029, Qmax= 11.2569 đạt giá trị mong muốn - Phân tích kết cho kịch tăng số người sử dụng: user http://jst.tnu.edu.vn 64 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology Hình Đồ thị mẫu mắt, Q Factor khoảng cách 10 km người dùng hệ thống có người dùng 226(16): 60 - 66 Hình 10 Đồ thị mẫu mắt, Q Factor khoảng cách 10 km người dùng hệ thống có người dùng Qua kết hình 9, hình 10 với thơng số: Max Q Factor: 3.67103, Min BER: 0.000119726, Eye Height: 1.36411e-007 với khoảng cách truyền khác ta nhận thấy rằng, với sơ đồ hệ thống OCDMA ba người dùng, tốc độ bit truyền 1Gb/s khoảng cách từ 10 km đến 50 km đảm bảo tiêu chuẩn chất lượng mạng Tuy nhiên, khoảng cách 60 km tỷ lệ lỗi bít tăng lên nhiều, đồng thời hệ số phẩm chất Q giảm đáng kể độ mở mẫu mắt khoảng 72% đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng mạng Kết luận Bài báo nghiên cứu kỹ thuật mã hóa biên độ phổ SAC hệ thống OCDMA Qua việc mơ thực nghiệm ta thấy rằng, tăng số người dùng đảm bảo tiêu chuẩn chất lượng mạng Tuy nhiên, khoảng cách 60 km tỷ lệ lỗi bít tăng lên nhiều, đồng thời hệ số phẩm chất Q giảm đáng kể độ mở mẫu mắt khoảng 72% đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng mạng Bài báo góp phần giải vấn đề nâng cao hiệu cho mạng truy nhập quang đa bước sóng sử dụng cơng nghệ đa truy nhập phân chia theo mã quang OCDMA, ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao DWDM khuếch đại quang EDFA, khuếch đại quang Raman phân bố bơm công suất thấp (