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

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.. Nếu một bước sóng riêng đ

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

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

Thời gian, t

Người sử dụng 1

Người sử dụng 2

Người sử dụng 3

Thời gian, t

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

Bước 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

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

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

nhị phân

Bộ mã hóa

OCDMA

Máy phát #1

Máy phát # K

Dữ liệu

nhị phân

Bộ mã hóa

OCDMA

Bộ phục hồi dữ liệu

Bộ giải mã OCDMA Máy thu #1

Máy thu # K

Bộ phục hồi dữ liệu

Bộ giải mã OCDMA Sợi quang

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



























1 0 0 1

0 0 1 1

0 1 0 1

1 1 1 1

4



























0 1 1 0

1 1 0 0

1 0 1 0

0 0 0 0

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

đây

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:

Si = (si,0 , si,1, , si,j, , si,(p−1)), i = 0, 1, , p − 1

nơi mà các phần tử trong chuỗi này nguyên tố là

s i,j = {i.j }(mod p)

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

Thuật toán xác định vị trí của xung trong vòng một khối có độ

≤ p h )

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

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





 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

trong hình Gói sóng không dịch chuyển ở trạng thái vận tốc của sóng riêng lẻ nhưng là quan sát để di chuyển tại một vận tốc





 d

d

Hình 2.1: Các đường bao của gói sóng hoặc nhóm của sóng

di chuyển với vận tốc nhóm V g Toán học

2.2.2 Tán sắc vận tốc nhóm

Tán sắc vận tốc nhóm (GVD) là hiện tượng trong đó vận tốc pha của sóng phụ thuộc vào tần số của nó hay cách khác khi vận tốc nhóm phụ thuộc vào tần số GVD là đôi khi 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 truyền 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 K đôi máy phát và máy thu tương ứng với K người dùng 1 bộ ghép quang được sử dụng để phân bố tín hiệu

quang từ 1 máy phát tới các máy thu Khi tín hiệu quang được truyền 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 truyền, công suất

Biểu đồ khối của 1 cặp máy thu và phát của hệ thống 2-D OCDMA sử dụng HDR cũng được thể hiện trong hình 2.3

Ở máy thu, tín hiệu nhận được (bao gồm cả MAI) trước tiên được trộn với 1 máy tạo dao động tại chỗ (LO) LO cũng là 1 nguồn băng thông rộng mà các đặc tính của nó (bước sóng và khoảng cách giữa chúng) như 1 máy phát Tín hiệu được trộn lẫn sau đó được giải mã ở máy giải mã WH/TS

Hình 2.2: Sơ đồ của hệ thống 2D OCDMA sử dụng máy thu

phát hiện phách

Tín hiệu được mã hóa bao gồm cả xung MAI và xung

Đa bước sóng

Xung mở rộng và giảm năng lượng cực đại

Lệch thời gian Lệch thời gian

Dữ liệu

nhị

phân

Tín hiệu tự tương quan

WH/TS

Bộ mã

hóa

Bộ Tạo

mã

Nguồn

băng thông

rộng

Bộ thu #1 nhiễu giao động nội

Bộ phát #2

Bộ phát #3

Bộ thu #2

Bộ thu #3

Bộ phát #1

K x K

Bộ ghép sao

3- dB

Bộ ghép

WH/TS

Bộ giải

mã

F

mạch giao động

Bộ tách sóng

LP

F

Bộ tạo

mã

Bộ tách sóng ngưỡng

Phục hồi

dữ liệu

Chiều dài cáp

chuẩn, được chuyển sang tín hiệu điện bằng 1 PD Ở đó OBI sẽ

đc diễn ra nhờ vào các nhịp giữa các xung với các bước sóng gần như nhau Dòng quang điện được chuyển qua 1 bộ lọc lấy dải (BPF) để loại bỏ hoàn toàn giao tiếp chéo, được chuyển thành 1 dải tần

cơ sở nhờ 1 mạch tách sóng, và được theo sau bởi bộ lọc thông thấp (LPF) Cuối cùng, dữ liệu nhị phân được phục hồi bởi 1 bộ dò ngưỡng Sự tách sóng được tiến hành cả đồng bộ

và không đồng bộ Tuy nhiên, để đơn giản cho việc tính toán, chúng ta chỉ quan tâm đến trường hợp đồng bộ

Cần lưu ý rằng khi truyền 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 2-D OCDMA sử dụng tách sóng heterodyne và xuất phát từ tỉ lệ bit lỗi (BER) Như đã đề cập ở những phần trước, ảnh hưởng của GVD sẽ được xem xét cùng với các nhiễu tín hiệu khác, bao gồm MAI, OBI, và nhiễu của máy thu

Để miêu tả ảnh hưởng của GVD đến tín hiệu tự tương quan,

ta lấy ví dụ cho ở hình 2.3, ở đó tín hiệu tự tương quan được

đương với t=0, cũng là thời điểm tạo ngưỡng Nếu không có ảnh hưởng của GVD, đỉnh tự tương quan (ko có MAI) bằng với