2005-07-04 1

Recherche en CDMA optiqueRecherche en CDMA optique(Code Division Multiple Access)(Code Division Multiple Access)

Prof. Leslie A. Ruschrusch@gel.ulaval.ca

2005-07-04 2

CDMA optiqueCDMA 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 (Ȝ-t OCDMA)– Autres: encodage en phase (PE), encodage temporel

(DS)

2005-07-04 3

Recherche en coursRecherche en cours� Simon Ayotte

– Expériences, simulation et analyse– BER pour SAC et Ȝ-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 4

Forces du WDM/TDMForces 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

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Faiblesses du WDM/TDMFaiblesses 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 6

QuQu’’estest--cece queque le OCDMA?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)– O-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

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Pourquoi le OCDMA? (performances)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 8

Pourquoi OCDMA? (coPourquoi OCDMA? (coûûts)ts)

� Pas de laser stabilisé ou AWG coûtant cher� Sources à bas coût

– LED à modulation directe ĺ très bon marché– Laser à fibre multi-Ȝ sans stabilisation ĺ bon marché

� Réseaux de Bragg comme décodeurs ĺ 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 9

Plan de la prPlan de la préésentationsentation� 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

� O-t OCDMA – Étude expérimentale des systèmes incohérents et cohérents– Expérience avec horloge récupéré– Simulations de performance moyenne

2005-07-04 10

PegahPegah SeddighianSeddighianCandidate au doctorat

CDMA pour les réseaux «Label Switched»multi longueur d’onde

2005-07-04 11

CDMA en MPLSCDMA 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; Ȝ est l’étiquette

– Le code optique est l’étiquette�Ouvre la porte au routage tout-optique

2005-07-04 12

ÉÉtiquette OCDMAtiquette 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 13

RRééseaux optiques par seaux optiques par ««label label switchingswitching»»

Label EdgeRouter (LER)

Label SwitchRouter (LSR)

Label EdgeRouter (LER)

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CaractCaractééristiques recherchristiques recherchééeses

�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 15

� 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

Encodage MultiEncodage Multi--ȜȜ des des éétiquettestiquettes

2005-07-04 16

Étiquettes à une dimension

Encodage MultiEncodage Multi--ȜȜ

2005-07-04 17

ÉÉlléément commutateurment commutateur

2005-07-04 18

Plan de la prPlan de la préésentationsentation� 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

� O-t OCDMA – Étude expérimentale des systèmes incohérents et cohérents– Expérience avec horloge récupéré– Simulations de performance moyenne

2005-07-04 19

Martin Martin RochetteRochetteAssistant de recherche

Efficacité spectrale en CDMA optique

2005-07-04 20

EfficacitEfficacitéé spectralespectrale

� Efficacité spectrale pour BER fixe:(Unités, bit/s/Hz)

� Simulateur développé pour:– SAC-OCDMA avec sources incohérentes– OCDMA avec sources à impulsions courtes

.

.

usagers transBER

opt totale

N TB

6

2005-07-04 21

Corrél-x unitaire(Meilleur choix))

en SACen SAC--OCDMA pour diffOCDMA pour difféérents codesrents codesBER6

Encodeurs Mach-Zehnder

Corrél-x élevée

BER=10-10

2005-07-04 22

OCDMA sources OCDMA sources àà impulsions courtesimpulsions courtes

Réponse temporelle

M. Rochette et L. A. Rusch, «Spectral Efficiency of OCDMA Systems with Coherent Sources», en soumission à J. Lightwave Technol.

SpectreEncodage en phase (PE: Phase encoding)Encodage temporel (DS: Direct sequence)

Statistiques du bruit: mêmes que pour une source incohérente

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Architecture simulArchitecture simulééee

� NLTH: élément non-linéaire permettant d’éliminer l’énergie hors des pulses ultra-courts

2005-07-04 24

pour sources pour sources àà impulsions brimpulsions brèèvesves

BER6Source incohérente:

max ~ 4×10-3

Ici, 1 ordre de grandeur plus efficace.

Toutefois, systèmeplus complexe et plus coûteux.

BER6

2005-07-04 25

Plan de la prPlan de la préésentationsentation� 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

� O-t OCDMA – Étude expérimentale des systèmes incohérents et cohérents– Expérience avec horloge récupéré– Simulations de performance moyenne

2005-07-04 26

Simon AyotteSimon AyotteCandidat au doctorat

Analyse théorique et expérimentale des performances en CDMA optique

2005-07-04 27

DDééfis en OCDMAfis 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 28

Sources incohSources incohéérentesrentes

� Bruit d’intensité des sources incohérentes: Composantes spectrales avec phases aléatoires

ij1 ijk ijl ijm ijn

Bo

A

DSP

Bande de base (Hz) Bo

2A2×Bo

A2×Bo2

� Densité spectrale de puissance électrique (DSP)

Bruit

Puissance DC

Bo: Bande optique

2005-07-04 29

Rapport signal Rapport signal àà bruitbruit

– SNR augmente avec la bande optique (Bo)– SNR diminue avec le taux de transmission (Be)

2

(2 )o

o e e

m BSNRB B B

u

�

DSP

Bande de base (Hz) Bo

2A2×Bo

A2×Bo2

Be

,2

oo e

e

mBSNR B BB

# �

m: nombre de polarisations Be: bande électrique SNR: rapport signal à bruit

2005-07-04 30

SNR: Formule gSNR: Formule géénnééraleraleFiltres optiques et électriques de formes spectrales arbitraires

³ ³

³f

f�

f

f�

f

f�

»¼

º«¬

ªu�

u¸̧¹

·¨̈©

§

dffHdfGG

HdGSNR

2

22

)()()(

)0()(

XXX

XX Signal

Bruit

Auto-corrélationdu spectre optique Filtre électrique

Puissance optiqueau carré

2005-07-04 31

Fonction de densitFonction de densitéé de probabilitde probabilitéé

� Pdf du bruit d’intensité d’une source incohérente:«pdf gamma»

,)(

)exp()(1

SNRWWSNRW

WSNRWPDF

SNRSNR

Intensité *u�

¸¹·

¨©§

�

PDF: Fct de densité de prob.W: Puissance intégrée

: W moyenī: Fonction gammaW

J. W. Goodman, Statistical Optics

2005-07-04 32

OCDMA par encodage spectral (SAC)OCDMA par encodage spectral (SAC)

SAC: Spectral Amplitude Coding

� Codes: découpage spectral� m-sequence

– Longueur = 15– Poids = 8– Corrélation - croisée = 4

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 151 2 3 4 5 6 7 8

Code 1

Code 2

Code 3

Code 4

2005-07-04 33

Notre implNotre impléémentation FEmentation FE--OCDMA OCDMA

Source large moduléeEncodageDécodageDétection balancée

FBG Superposés

2005-07-04 34

Diagrammes de lDiagrammes de l’’oeiloeil

� Détection balancée:– Annule la puissance moyenne

des interférents (MAI)– Le bruit d’intensité

s’additionne

Usager 1

Usager 1 + 3 int.

3 interférents

� 1 usager: diagramme de l’œil classique pour source incohérente (155 Mb/s)

2005-07-04 35

Courbes de BER expCourbes de BER expéérimentalesrimentales

� À 155 Mb/s: plancher de bruit pour 3 usagers� À 622 Mb/s: plancher de bruit pour 2 usagers

2005-07-04 36

SchSchééma du simulateurma du simulateur

Corrélation croisée

Convolution( ) ( | ) ( )pdf W pdf W W pdf W dWf

�f

³

W: Puissance intégrée : W moyen Pdf: Fct. de densité de probabilitéW

( )pdf W

( | )pdf W W

2005-07-04 37

Simulation vs. expSimulation vs. expéériencerience

� Excellente correspondance!� Théorie maîtrisée: permet de faire des prédictions.

2005-07-04 38

Simulateur gSimulateur géénnééralral

� 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)

,2

oo e

e

mBSNR B BB

# �

2005-07-04 39

Simulateur gSimulateur géénnééralral

� Codes Hadamard moins performants que MQC

Bande optique: 10 nm Bande optique: 30 nm

Expérience 155 Mb/s

Expérience 622 Mb/s

� Caractéristiques de l’expérience:– Codes non-optimaux, Faible bande optique, Source polarisée

2005-07-04 40

Conclusions SAC incohConclusions SAC incohéérentrent

� 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 41

Julien PenonJulien PenonCandidat au doctorat

Réseaux de Bragg adaptés et optimisés pour SAC-OCDMA

2005-07-04 42

SACSAC--OCDMA incohOCDMA incohéérentrent� FBG en transmission pour maximiser la bande optique� Codes à faible corrélation-x diminuant le bruit d’intensité

Chirp FBG

t

1

0 0t

1

0 0

1 i 1 i

2005-07-04 43

SACSAC--OCDMA incohOCDMA incohéérentrent

� 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 44

ApplicationApplication

� 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 45

SchSchééma expma expéérimental proposrimental proposéé (1)(1)

� Une LED par usager

2005-07-04 46

SchSchééma expma expéérimental proposrimental proposéé (2)(2)� Une source large bande partagée (BBS)

2005-07-04 47

ApodisationApodisation

0 20 40 60 80 100 120 1400

0.2

0.4

0.6

0.8

1

x [mm]

Am

plitu

de [U

.A]

2li

Modulation Index1 2 3 4 5 6 7

mmlmmzzm

lzz

iii

i

m

i

i

1

7

1

2

Super-Gaussienne

2005-07-04 48

Performances (BER)Performances (BER)

2 3 4 5 6 10

-25

10-20

10-15

10-10

10-5

100

Number of Interferers

BE

R

4.55.56.57.58.59.510.511.5

optimum

2005-07-04 49

ApodisationApodisation optimaleoptimale

� 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 50

Spectre super GaussienSpectre super Gaussien

193.6 193.8 194 194.2 194.4 194.60

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency [THz]

Transmission : Encoder (code 0101010)

193.6 193.8 194 194.2 194.4 194.60

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency [THz]

Transmission: Encoder (code 0111000)

a) b)

1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7

2005-07-04 51

NRZ vs. RZNRZ vs. RZ

193.6 193.8 194 194.2 194.4 194.60

0.2

0.4

0.6

0.8

1Encoder Spectrum (NRZ)

Frequency [THz]193.6 193.8 194 194.2 194.4 194.6

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency [THz]

Return to 0=

Decreased optical BW

Encoder Spectrum (RZ)

2005-07-04 52

Performance selon lPerformance selon l’’usager dusager déécodcodéé� RZ

– QoS égale pour tous

� NRZ– QoS variable– Performance

moyenne améliorée

2 3 4 5 610

-16

10-14

10-12

10-10

10-8

10-6

10-4

Number of interferers

BER

User#1User#2User#3User#4User#5User#6User#7

RZNRZ

2005-07-04 53

Plan de la prPlan de la préésentationsentation� 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

� O-t OCDMA – Étude expérimentale des systèmes incohérents et cohérents– Expérience avec horloge récupéré– Simulations de la performance moyenne

2005-07-04 54

Simon AyotteSimon AyotteCandidat au doctorat

Analyse théorique et expérimentale des performances en CDMA optique

2005-07-04 55

OO--tt OCDMAOCDMA

� Analyse O-t OCDMA en vue de comparer avec SAC– Est-ce que O-t peut mieux faire?– Résultats expérimentaux maintenant, simulations sous

étude�Différences fondamentales

– SAC: détection balancée éliminant complètement le MAI– SAC: transmission NRZ– O-t: MAI est étendu en temps, donc moins de battement– O-t: transmission RZ avec des pulses courts, donc

électronique plus rapide

2005-07-04 56

OCDMA OCDMA OO--tt�Code à 2 dimensions: Temps et Fréquence

Temps

Fréq

uenc

e

Temps

Fréq

uenc

e

Temps du bit

Temps du pulse

«1» «0» «1» «0»

TempsFr

éque

nce

Usager désiréInterférentFenêtre de détectionSource large bandemodulée par les données

Pulses encodés par l’usager désiré

Usager désiré décodécorrectement

Puissance de l’interférent divisée (MAI)

Seule l’énergie dans la fenêtre de détection est

considérée

2005-07-04 57

Encodage par rEncodage par rééseaux de Braggseaux 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 58

Notre implNotre impléémentation mentation OO--tt

Poids du code: 8Longueur: 29 4 usagers choisis parmi 16 encodeurs disponibles

2005-07-04 59

Mesures de BERMesures de BER� Jusqu’à 16 usagers simultanés

0 2 4 6 8 10 12 14 161E-131E-121E-111E-10

1E-91E-81E-71E-61E-51E-41E-30.01

0.1

BER

Nombre d’usagers

– Taux de transmission: 625 Mb/s– Temps du bit: 1600 ps– Largeur de pulse: 400 ps 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?

2005-07-04 60

Source cohSource cohéérente rente multimulti--laserslasers

� 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 61

Diagrammes de lDiagrammes de l’œ’œililA

mpl

itude

, 1µV

/div

Time, 200 ps/div Time, 200 ps/div

Source incohérente Source multi-lasers

� Le délai entre les usagers est le pire cas, mais: ĺ comparaison entre les deux sources facilitée

2005-07-04 62

Diagrammes de lDiagrammes de l’’oeil, 10 oeil, 10 GchipGchip/s, 1.25 Gb/s/s, 1.25 Gb/s

Source incohérente:

Source multi-laser:

� Le délai entre les usagers est le pire cas

Un usager 2 usagers

4 usagers(pola. alignées)

4 usagers(pola. orthog.)

2005-07-04 63

Mesures de BERMesures de BER, 10 , 10 Gchip/sGchip/s, 1.25 , 1.25 Gb/sGb/s

Source incohérente Source multi-laser(DFBs en série)

Plancher de BER avec 2 usagers Les 4 usagers transmis correctement

2005-07-04 64

Collaboration avec Collaboration avec McGillMcGill� Un récepteur réel doit recouvrer l’horloge� Collaboration

– McGill a développé le module de recouvrement d’horloge

– Laval a fourni le système O-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 65

Mesures de BER, 1.25 Mesures de BER, 1.25 GchipGchip/s, 155 Mb/s/s, 155 Mb/s

Source incohérente

Pénalité entre 2-3 dB pour tout nombre d’usagers

Source incohérente

2005-07-04 66

Conclusions pour Conclusions pour OO--tt CDMACDMA

� Source multi-laser peut être meilleure pour O-t

� Travail en cours: simulateur O-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 O-t

2005-07-04 67

ConclusionsConclusions� 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

� O-t OCDMA – étudié expérimentalement pour les systèmes incohérents et

cohérents– simulations futurs avec paramètres optimisés