R cents Travaux sur le CDMA Optique

Récents Travaux sur le CDMA Optique

Philippe Gallion et al

pour le Consortium CEM2 Montpellier, ENSIL & ENST,

CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005 2

Le ConsortiumCEM2 Montpellier, ENSIL & ENST

! CEM2 Montpellier

" Yves MOREAU

" Guillaume PiLLE

! ENSIL

" Jean Michel DUMAS

" Christelle AUPETIT-BERTHELEMOT

" Anne JULIEN-VERGONJANNE

! ENST

" Philippe GALLION

" Catherine LEPERS

" Mounia LOURDIANE

" Ihsan FSAIFES

! Avec le soutien de

" CNRS

" France Télecom R&D (Philippe GUIGNARD)


Outline

1. Le CDMA en RF

2. Le CDMA en Optique, Pourquoi ? Comment ?

3. Les Codes Optiques 1D et 2D

4. Les Implémentations «Tout Optique »

! Temporelle par Réseaux de Bragg

! Spectrale par Optique intégrée

5. Les Implémentations Electrique/0ptique

Conclusion


Outline

1. Le CDMA en RF







Conclusion


t

f

t

f

t

f

t

f

Attribution de

fréquence

FDMA

Radiodiffusion

Etalement

de spectre

TDMA

Saut de fréquence

GSM (Europe)

1ms X 200kz

Accés multiple par

code

CDMA

IS95 CDMA (USA)

Sharing 2 Increasingly Rare Resources:Time and Frequency

"Allocation bidimensionnelle aléatoire et dynamique

"Signature (code) spectrale et temporelle


Une Origine Hollywoodienne

! Actrice Hedy Lamar et GeorgeAntheil

! Brouillage du guidage radio destorpilles par des sauts de fréquence

! Brevet en 1941


Initial CDMA Motivation

! Spread spectrum technique developed for the military

" Resistance to jamming

" Low probability of intercept

! “Civil” Properties

" Resistance to multi-path effect

" Multi-user interference turns to AGWN for a large number of it

" Opening of unlicensed Band (Trojan Horse)

" Software resource allocation

" Fair resource sharing

" Cell size adaptation

! Today applications

" Cellular mobile systems (IS95)

" Wireless local Area Networks (WLAN…)


Data sequence

t

t

Code sequenceuser #1

t

CDMA transmittedsignal

Bipolar Code Sequence

1 –1 1 1 1 –1 –1 1 –1 -1

t

Unipolar Code Sequence

1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0

t

Antipodal Signal On Off Keying Signal

Time Domain CDMA Principle

! Bit duration is divided in L time slots (chips)

" TB is the bit duration

" Tc is the chip duration


Excess bandwidth is not (necessarily)wasted

! Channels sharing the same spectrum are simultaneously used

! No intrinsic gain using hard (single user) decision

! Number of users improved by soft (multi user) decision

" Other users are considered as signals

" Their contributions must be larger than noise

" Decision on chips is mandatory

! Total number of users :

" Equals the allowed number active of users by using deterministiccode attribution

" Larger, by using random code attribution


Today CDMA Doubts in RF

! Near/far field effects leading to power divergence

! High density operation questioned

! Qualcomm patent monopole

! Is it a future for UMTS ??

" Price

" 200 000 subscribers in France 200kbit/s

" Killed by WiFi (Hot spots) and WiMax (WMAN i.e. wireless ADSL) ?

! Chinese 3G

" Required by only voice applications,

" Do not (exactly) use it (TD-SCDMA)

! 4G ??

" OFDM (Multicarrier MC) ?

" MC-CDMA ??


Outline

1. Le CDMA en RF







Conclusion


! Low loss-High bandwidth

" Optical “passive” transport between electronicallyintelligent nodes

" Bottleneck of O/E and E/O conversions

! Non Linear Optical Signal processing

" In line signal processing, GVD and PMD compensation,Soliton

" All Optical , 3R…

" WDM, OTDM

" OXC, OAD, ! Routing

" MUX, deMUX

! RF/Opto

! New optical layer functions

" FTTx

" From circuit to packet

" Transparency

" Quantum Cryptography

" CDMA

" Digital Optics….

Metropolitan network

Access Network

Transport network

Optical Technologies Down to the End User


CDMA Interest in Optics

! Achieving communication access, free of network control

! Asynchronous emission of the users

! Cost reduction of network installation

! Improvement of multiplexing capacity

! Transformation of low elementary access application bitrate into high bandwidth signals more appropriate to thehigh optical channel bandwidth

! Multi user interference apparition threshold higher in thenoisy amplified optical channel (ASE)

! Privacy, Security


Difficulties for CDMA Implementation in Optics

! Bandwidth extension is not free of fiber dispersion

! Only direct detection is compatible with low costimplementation

! Difficulty for numerical optical random sequence generation

" Only analog (chaotic) optical signal is easy generated

" Deterministic digital code attribution

# Reduction of the number of active users

# No statistical multiplexing

# Privacy reduction

! Difficulty for classical electronic logic function implementation

" Single XOR (addition mod 2) gate demonstrated with bulk optics

" No large scale integration expectable today


Time and/or Frequency DomainOptical CDMA Techniques?

! Temporal coding Techniques

" Standard Optical sources

# Narrow band (Coherent)

# Low noise

# High power

# Low cost

" Low dispersion sensitivity

! Spectral coding Techniques

" Sliced or filtered wideband optical Source

# Amplified Spontaneous Emission (ASE)/Supercontinum

# High relative intensity noise

# Beatings noise

" High dispersion sensitivity

! Multi-wavelength & temporal Techniques" WDM/CDMA : Independent CDMA on different wavelength

" Fast (Optical) Frequency Hoping (FFH)/CDMA : A given sequence uses severalwavelengths


Outline

1. Le CDMA en RF




! Temporelle par Réseau de Bragg



Conclusion


Code Sequence Properties

! Code Sequence = Address Code = Signature Sequence

! Extraction of data encoded with a given sequence from allother sequences

! Each sequence easily distinguished from any time delayedversion

" Of itself

" Of every other sequence in the set

! “Good” correlation properties

" Nearly Dirac delta autocorrelation functions

" Low level cross correlation functions

" Robust (or improved) by assynchronism


! Code parameters

" Code length L : number of chips

" Code weight w : number of chips equals to 1

" Maximun number of active user N

! Code Sequence is a periodic signal with period LTc :

0123456789…………………………l…….. L-1

Sequence: {0,4,9,l}

Weight = 4

Code length = L

T = L Tc

Code Sequence Parameters


! Optical codes are Quasi-Orthogonal Codes

! Correlation function are not equals to 0

" For any sequence x = {xn}, and any shift l , self correlation is :

• Less or equal to 1 for l !0,

• Equal to code weight w and for l =0 the

" For each pair of sequence x = {xn} and y = {yn}, and any shift l , thecross correlation is less than 1

! Only a one chip collision is allowed

! Intrinsic multi user interference

! Unsynchronized chip may reduces the residual correlation

Optical Codes


Selecting an Optical Code

Optical Orthogonal Codes

(OOC)

- L : Code Length

- " : Code weight

- N : Number of users

Code 1 : 110001000000000000000

Code 2 : 101000001000000000000

Code 3 : 100100000010000000000

3213

Optical Orthogonal Codes (OOC)"LN

Prime Sequences

(PS)

p is a prime number:

- L = p2 : Code Length

- " = p : Code weight

- N = p : Number of users

Code 1 : 100100100

Code 2 : 100010001

Code 3 : 100001010

393

Prime Sequences (PS)"LN

!Prime Sequences offers shorter code length for given number of users

!Low weight leading to low SNR

!Importance of correlations properties


Nooc. L.(L+1)

Nooc.p2

p2.(p-1)

p.(p-1)2

p.(p-1)

L. Nooc. p

CardinalitéN

L*L

p*L

p.p2

p2.(2p-1)

p.p2

L.p2

Dimension du code(m,n)

1OOC/OOC

1OOC/prime

2prime/EQC

2EQC/prime

1Prime/prime

1Prime/OOC

Valeur de l’intercorrélation

Type de codage1D

(temps/longueurd’onde)

Codage en 2D ( Longueur d’onde -Temps)

! Code 2D = 2 x codes 1D

" En temps (n)

" En longueur d’onde (m)

! Plus grande capacité

p : nombre premier; L longueur du code OOC; Nooc cardinalité du code OOC


Outline

1. Le CDMA en RF


3. Les Codes Optiques 1D, 2D





Conclusion


From Bits to Chips and Chips to Bits Optically ?(All Optical CDMA Technique)

! Temporal coding Techniques :

" Bragg grating fiber

" Fiber parallel optical delay lines

" Series/parallel fiber cascade

! Spectral Coding

" AWG and MMI optical integrated circuit

" Fourier amplitude or phase filtering

! Advantages

" Overcome O/E and E/O conversion bottleneck

" Passive and low cost implementation

! Drawbacks

" Deterministic (Hardware) sequence allocation

" Multi-user detection impossible

" Sequences generation limited


Sampling Bragg Grating (SBG) Encoder

! Passive, Integrability, Compactness and Low Cost

! 50ps initial chip pulse is launched in a SBG

! Bragg grating reflexions produce the chip sequence

! Reflected chip pulse collected by an optical circulator

! Bit duration is (9+1) = 10 times the chip duration

! A maximun rate of 2Gbit/s per user can be implemented

Input pulse

Tc =50ps LFBG1-FBG2 LFBG2-FBG3

FBG1 FBG2 FBG3

S-FBG

R1

R2

R3

!B =1551nm

Bit rate : 2 Gb/s

Chip rate : 20 Gb/s


Photodiode and Oscilloscope

BG1 BG2 BG3

Decoder 1 or 2

Optical

Fiber

Data

EOM ILM

SG

Circulator

Encoder 1

BG1 BG2 BG3

Clock

EOM ILM

3 dB Coupler

SG

Data Circulator

BG1 BG2 BG3

Clock

Encoder 2

Optical

Amplifier

DS-OCDMAMultiplexing System

May be by-passed

for back to backconfiguration


Experimental results (1)

Code 1 (100100100) Code 2 (100010001)

Code Generation Checking


Experimental results (2)

(a) Back to back self correlationfunction

(b) Self-correlation function after15 km optical fiber

(a) Back to back self-correlationfunction (2 users)

(b) Back to back cross-correlationfunction (Mismatched decoder)

Negligible impact of dispersion in short range metropolitan and access networks

Auto and Cross-Correlation Functions


Multiuser Maximun Theoritical

Single UserTheoritical

Single UserMeasured

AssynchronousMulti UserMeasured

Optical Power at the amplifier Input (dBm)

BER

Bit Error Rate (BER) Measurement

Multi userSynchronous

A theorical model has been developped for the amplified CDMA channel


Outline

1. Le CDMA en RF


3. Les Codes Optiques 1D, 2D





Conclusion


Système CDMA Spectral en Optique Intégrée! CDMA spectral

" Haut débit : pas de subdivision temporelle du bit

" Dispersion élevée mais peu sensible en accès

! Optique intégrée

" Fabrication de masse

" Pas d’alignement

" Compact

Les codes spectraux (combinaisons de longueurs d’onde) sontsynthétisés grâce à des filtres en ! et des coupleurs en Y pour

regrouper les sorties.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

1,302 1,3036 1,3052 1,3068 1,3084 1,31 1,3116 1,3132 1,3148 1,3164

Spectre 0

Spectre 1


Encodeurs/Décodeurs : Filtres en !

! Emission

! Detection différentielle

! Deux types étudiés à l’Université de Montpellier:

" Réseaux de guides avec MMI ( codes de types Hadamard Walsh)

" Star-couplers avec AWG ( codes de type M séquences)

AutresAutres

MessagesMessages

Message AMessage ASourceSource

LargeLarge

BandeBande

Spectre cor-Spectre cor-

respondant respondant àà 0 0

Spectre cor-Spectre cor-

respondant respondant àà 1 1WDMWDM

StarStar

CouplerCoupler

photo-diodes photo-diodes

en diffen difféérentielrentiel

WDMWDM

SpectreSpectre

correspondant correspondant àà 0 0

SpectreSpectre

correspondant correspondant àà 1 1

FibreFibre

OptiqueOptique


Encodeur/Décodeur : Réseaux de Guides et MMIs -1/2

! En sortie n images de l’entrée avec phases différentes

! changement d’entrée

" Permutations des phases

" Permutations des longueurs d’onde en sortie

" Changement de codes

! Les sorties donne les longueurs d’onde dans un ordre aléatoire

! Sorties adjacentes : spectres cannelés


Encodeur/Décodeur : Réseaux de Guides et MMIs -2/2

! Souplesse du multiplexage

" Le même dispositif implémente tous les codes

" Simple changement d’entrée pour changement de code

! Contrôle de fabrication difficile si nombre d’entréesimportant

! Performances du filtrage en longueur d’ondes noncontrôlable:

" Nombre de guides imposé = nombre de sorties

! Nombre de codes orthogonaux réduits


Encodeur/Décodeur :Star-Coupleur+Phasar (AWG)

! Fabrication mieux maîtrisée (AWG)! Performances théoriques supérieures (MMI)! Plus de bras, moins de crosstalk! Sorties ordonnées nécessitant un croisement des sorties! Peu de pertes si angles de croisement >40°


CDMA avec dispositif AWG

! Les Codes" m-séquences possibles (générées à partir de 001101011110001)

" Propriétés statistiques de suite pseudo aléatoire: auto corrélationoptimale …

Chip de rang k : 1 =>ln utilisé pour le spectre du «"1"»

Chip de rang k : 0 =>ln utilisé pour le spectre du «"0"»

" Un nouveau code quasi-orthogonal est obtenu par décalage

! Implémentation" Décalage d’une entrée => Permutation des longueurs d’onde en

sortie

" Changement de code par changement d’entrée

! Réalisation d’un démonstrateur en cours" Université -Montpellier

" KLOE S.A.


Outline

1. Le CDMA en RF







Conclusion


From Bits to Chips and Chips to BitsElectrically ?

! Advantages

" Random sequence allocation

" Easily implemented

" Realistic

" Electrical signal processing possible

" Multi-user detection possible

" Convenient for Hybrid Fiber Radio interface

! Drawbacks

" Enlarged electrical bandwidth


Implantation Electrique duCodage/Décodage OCDMA

Source

des données

Conversion

Optique/

Electrique

Décodage

CDMA

Conversion

Electrique/

Optique

Domaine Electrique – Réception

Domaine Electrique – Emission Domaine Optique

Codage

CDMA


Limitationsliées à la bande passante électrique

! Le produit débit x longueur de code (DxL) limité par la BP B

! Compromis entre" Longueur du code L" Nombre d’utilisateur N" Performance (BER)

! Exemple, B = LD = 10Ghz

" Pour N=30 D = 155 Mbit/s ND = 4.65 Gbit/s

" L< 64 donc Interférences d’Accès Multiple

Les codes courts génèrent plus d’IAM (à poids donné)

Codage

Electronique

DDxL

Conversion

Electronique-

Optique DxL

Solution « électrique » à l’émission

Données


Les Différents Récepteurs

1- RéceptionConventionnelle(Intégateur comparateur)

2 - RéceptionConventionnelleavec «"hard-limiter"»

3- Réception par annulationsuccessived’interférences série

4 - Réception par annulationsuccessived’interférences parallèle(Multi user receiver)

)(1 tc

)(tck

)(tcN

Modulateur

Optique

Modulateur

Optique

Modulateur

Optique

Co

upleu

r

Fibre

Optique

Utilisateur #1 )1(

ib

Utilisateur #k )(k

ib

Utilisateur #N )(N

ib

PIN ou

APD

Signaux électriques Signaux optiques

Signaux électriques


Performances d’un Traitement Electrique

CCR = Conventionnel

HL+CCR = Hard Limiteur +CCR

SIC = Serie Interference Cancellation

PIC = Parallele interference Cancellation

codage 1D OOC ( L,W) Codage 2D OOC (5,56,5)


Conclusion

! Great interest in OCDMA for access networks

! Wide range of possible implementations

" Time domain, Direct sequence

" Spectral encoding

! Low cost implementation technology is a key issue

" Fiber Bragg gratings for time domain direct sequences

" Integrated optics for spectral en coding

! Electrical vs all optical receiver implementation

" Electrical signal processing

" Wireless Network interconnect

! Not yet a dynamic resource allocation ?

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