Application du CDMA Optique Temporel aux Réseaux d’Accès Hauts Débits

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1 Application du CDMA Optique Temporel aux Réseaux d’Accès Hauts Débits
Claire GOURSAUD & Younès ZOUINE Naufal M. SAAD, Anne VERGONJEANNE, Christelle AUPETIT BERTHELEMOT, Jacques ZANNINETTI, Jean Pierre CANCES, Jean Michel DUMAS UMOP/GESTE CNRS FRE 2701 Université de LIMOGES FRANCE Bonjour à toutes et à tous Cette présentation traite de l’application du CDMA optique aux réseaux d’acces hauts debits. Les auteurs de l’article appartiennent à l’université de Limoges

2 Introduction 2010-2015 : plusieurs limitations
D=155Mbit/s,622Mbit/s,1Gbit/s par utilisateur 32 utilisateurs BER (Bit Error Rate) < 10-9 plusieurs limitations IAM (Interférence d’Accès Multiple) bruit dû aux composants optiques et électroniques dispersion de la fibre Les normes prévoient que d’ici , le réseau d’accès haut débit supporte un débit de 155Mbits voire 1Gbit/s par utilisateur, pour 32 utilisateurs par exemple, et ceci avec un taux d’erreur binaire inférieur à 10-9. Pour cela, la technique CDMA déjà appliquée pour les communications hertziennes pourrait être utilisée dans les conmmunications optiques afin d’utiliser au mieux la bande passante offerte par les fibres optiques. Cependant, cette technique est sujette à plusieurs limitations : l’interférence d’acces multiple, le bruit des composants optiques ainsi que la dispersion de la fibre dans le cas du CDMA temporel, entres autres. Dans cet article, nous avons considéré l’IAM et son impact sur les performances du syteme.

3 Plan Description d’un système DS-CDMA Optique
Récepteur O-CDMA électrique Récepteur O-CDMA tout optique Tout d’abord, je décrirerai le principe du système DS CDMA optique. Ensuite, je présenterai les récepteurs électriques et optiques.

4 Plan Description d’un système DS-CDMA Optique
Récepteur O-CDMA électrique Récepteur O-CDMA tout optique Je vais donc vous présenter le principe d’un système DS-CDMA.

5 Système DS-CDMA Optique
Direct Sequence - Code Division Multiple Access Data bi(1){0,1} Data bi(k){0,1} Data bi(N){0,1} c 1 (t) k N Optique Modulateur Optique Fibre C o u p l e r Recepteur #1 Recepteur #k Recepteur #N r(t) PIN ou APD DS-CDMA signifie Direct Sequence Code Division Multiple Access c’est à dire Accès Multiple par Répartition de Code à Séquence Directe. Dans ce système, les utilisateurs utilisent la fibre optique simultanémént et de façon asynchrone. Afin que les utilisateurs soient différenciés, on attribue à chacun un code. Les données codées sont additionnées et transmises sur la fibre optique. Au récepteur, les données sont décodées grâce à un détecteur corrélateur.

6 Système DS-CDMA Optique
OOC : Optical Orthogonal Codes (F,W,λa,λc) F : longueur du code W : poids du code λa : contrainte d’auto correlation λc : contrainte de cross correlation Pour différencier les utilisateurs on utilise des codes. Nous avons utilisé une des familles de code les plus étudiées : les OOC : Optical Orthogonal Codes, c’est à dire codes optiques orthogonaux. Ces codes sont définis par 4 valeurs : la longueur du code, c’est a dire le nombre d’intervalles contenus dans un bit le poids, c’est a dire le nombre de ces intervalles ayant la valeur 1 la contrainte d’autocorrélation, cad le degré de ressemblance du code avec lui même la contrainte d’intercorrélation, cad le degré de ressemblance du code avec les autres Pour un code donné, des études ont montré que le nombre maximum d’utilisateurs possibles est donné par cette relation.

7 Système DS-CDMA Optique
Codage : Donnée «un » Donnée « zéro » T 1 2 3 4 5 6 7 1- Voici le principe du codage basé sur la modulation OOK : 2- Prenons l’exemple d’un code dont la longeur est 7 et le poids est 3. 3- Afin de coder les données, on multiplie le code avec la donnée envoyée, intervalle par intervalle. 4- Si la donnée envoyée est un 1, on retrouve le code 5- Si la donnée envoyée est un 0 6- La multiplication intervalle par intervalle 7- donne tojours un résultat nul. Cette opération est réalisée pour tous les utilisateurs et les signaux codés sont sommés et transmis sur la fibre optique.

8 Système DS-CDMA Optique
RC : Récepteur Conventionel T ) ( ˆ k i b O E ò r(t) S T OOC S T c (t) k Dans le cas d’une réception électrique, le décodage se fait après la photodiode. Le récepteur conventionnel peut être assimilé à un filtre adapté. Pour décoder la donnée envoyée de l’utilisateur #k, le récepteur multiplie le signal reçu par le code de l’utilisateur #k. Le résultat est ensuite intégré puis comparé au seuil de décision. Pour améliorer les performances, on peut rajouter un limiteur optique qui limite la puissance optique et permet d’éviter certaines erreurs. Prenons des exemples types de signaux recus: Recepteur #1

9 Système DS-CDMA Optique
Cas sans IAM (Interférence d’Accès Multiple) : ck(t) T r(t) 1- Tout d’abord, nous allons considérer qu’il n’y a qu’un seul utilisateur, donc qu’il n’y a pas d’IAM. Si l’utilisateur a envoyé un 1, le signal recu est le code de l’utilisateur. 2- Ce signal recu est multiplié par le code de l’utilisateur, intervalle par intervalle. 3- On constate que l’on retrouve le code de l’utilisateur. 4- Le résultat est intégré et on obtient la variable décisionnelle Z égale à 3. 5- Puis la variable décisionnelle est comparée au seuil de décision, qui ici, est à 3. Comme Z est supérieure ou égale à S, la donnée est decodée comme étant un 1. 6- Maintenant, nous considérons que la donnée suivante envoyée est un 0, alors le signal recu est nul. 7- Apres multiplication et integration, on obtient une variable décisionnelle Z nulle. Comme 0 est inferieur à 3, la donnée est décodée comme étant un 0. Nous pouvons vérifier que lorsqu’il n’y a pas d’interférence, il n’y a pas d’erreurs. Z=3 Z=0 Donnée « zéro » Donnée « un »

10 Système DS-CDMA Optique
IAM : cas où la donnée envoyée est : “1” Utilisateur #1 Utilisateur #3 Utilisateur #4 Utilisateur #2 1 r(t) c1(t) Maintenant, on considère qu’il y a 4 utilisateurs simultanés. On considére que les utilisateurs #1, #2 et #3 ont envoyé un 1 et que l’utilisateur #4 a envoyé un 0. Le signal recu est la somme de tous les signaux codés. Supposons que l’on veuille décoder les données de l’utilisateur #1. On multiplie le signal recu par le code de l’utilisateur #1. On peut observer que pour certains intervalles, le résultat de la mutilplication est égal à 2 : c’est la conséquence de l’interférence. La variable décisionnelle est égale à 5 donc la donnée est décodée comme étant un 1, donc il n’y a pas d’erreur. D’une manière générale, une donnée égale à 1 sera toujours bien décodée si le seuil de décision est inférieur au poids puisque la variable décisionelle sera au minimum égale au poids lorsque la donnée envoyée est un 1. Z=5 Donnée « un » Pas d’erreur

11 Système DS-CDMA Optique
IAM : cas où la donnée envoyée est : “0” Utilisateur #1 Utilisateur #3 Utilisateur #4 Utilisateur #2 1 r(t) c1(t) Maintenant, on considère que l’utilisateur #1 a envoyé un 0, et que les autres ont envoyé un 1. Quand on décode la donnée envoyée par l’utilisateur 1, on obtient une variable décisionnelle Z égale à 3. La donnée est donc décodée comme étant un 1. On peut observer que ce sont les autres utilisateurs qui, du fait de leur interference, ont fait que la variable décisionnelle soit plus grande que ce qu’elle aurait du être. Donc, plus le seuil de décision sera grand, moins il y aura d’erreurs sur les 0. Z=3 Donnée « un » Erreur

12 Système DS-CDMA Optique
Récapitulatif de l’impact de l’IAM : cas d’une donnée 1 : pas d’erreur si ST<=W cas d’une donnée 0 : erreur possible moins d’erreurs quand ST  En résumé : pour un récepteur conventionnel, dans le cas de l’envoi d’un 1, il est toujours bien décodé si St est inférieur ou égal à W. Par contre, dans le cas de l’envoi d’un 0, il peut y avoir des erreurs, et il y en aura d’autant moins que St sera grand. Le seuil optimal sera St égal à W.

13 Plan Description d’un système DS-CDMA Optique
Récepteur O-CDMA électrique Récepteur O-CDMA tout optique Nous allons maintenant présenter une réception électrique des données.

14 Récepteur O-CDMA électrique
Limitation : bande passante électronique Fmax=2*Bs/Db Bs=5GHz Db=155Mbit/s =>Fmax=64 La principale limitation du récepteur électrique est la bande passante de l’electronique. Elle implique une limitation de la longueur maximale possible des codes traités : fmax=2 fois Bs/Db, où Bs est la bande passante de l’electronique et Db le débit de données à vehiculer. Ainsi, pour la bande actuelle Bs=5Ghz, et Db=155 Mbit/s, la longueur maximale du code est de 64.

15 Récepteur O-CDMA électrique
Performances de codes OOC (F=64,W,1,1) W 2 3 4 5 N 31 10 TEB RC 1,2.10 -1 1,10 -2 -4 TEB LO+RC 6,9.10 2,5.10 -3 -5 =>Les contraintes ne sont pas respectées => Etude de codes avec λ=2 Ainsi, pour une longueur de 64, nous avons étudié les performances pour un poids variant de 2 à 5. Nous pouvons remarquer que les contraintes ne sont pas respectées soit à cause du TEB, soit à cause du nombre d’utilisateurs. Le limiteru optique permet d’améliorer les performances, mais pas suffisamment. Pour augmenter le nombre d’utilisateurs à F fixé, il faut augmenter les contraintes de corrélation. Nous allons donc étudier des codes avec lambda=2. Avec ces codes, l’IAM est plus importante : il convient donc de l’éliminer. Une solution possible est l’annulation parallèle d’interférence.

16 Récepteur O-CDMA électrique
RAP : Récepteur à Annulation Parallèle d’interférence c k (t) N 2 ) ( ˆ i b r(t) RC # 2 RC #k RC # N å - + ) 1 ( ˆ i b RC #1 Fibre 1- Le principe du récepteur à annulation parallèle d’interférence est le suivant : 2- Le signal recu est appliqué aux recepteurs conventionnels des utilisateurs non désirés 3- Puis les données estimées sont recodées par multiplication avc le code approprié 4- puis additionnées 5- et soustraites au signal recu 6- la detection de la donnée envoyée par l’utilisateur 1 va se faire sur ce signal “nettoyé” 7- La structure du PIC est entourée en pointillé

17 Récepteur O-CDMA électrique
Performances du code (64,4,2,2) Le code de longueur 64 avec un poids de 4 qui permettait 5 utilisateurs avec lambda=1, permet 30 utilisateurs avec lambda=2. Cependant, les contraintes au niveau du TEB ne sont pas encore respectées.

18 Plan Description d’un système DS-CDMA Optique
Récepteur O-CDMA électrique Récepteur O-CDMA tout optique Nous allons enfin présenter une réception optique des données.

19 Récepteur O-CDMA tout optique
Démarche : simulation d’un récepteur électrique simulation de la corrélation en optique L’interet du récepteur tout optique est qu’il permet de lever la contrainte sur la longueur du code : ainsi, le code utilisé peut avoir une tres grande longeur, permettant ainsi d’avoir beaucoup d’utilisateurs avec un faible taux d’erreur binaire. Nous avons tout d’abord simulé un récepteur électrique avec le simulateur systemepour valider le système, puis le récepteur tout optique a été réalisé. C’est une porte optique pilotée par le code qui réalise l’équivalent de la multiplication par le code en electrique, puis un splitter divise le signal obtenu en autant de branches que le poids du code. Sur chaque branche, une ligne a retard adaptée permet de positionner l’impulsion à la fin du temps bit, puis un coupleur superpose ces impulsions, cela corespond à l’intégration.

20 Récepteur O-CDMA tout optique
La simulation système a été effectuée pour un débit de 100Mbit/s pour une longueur de 64, d’une part pour comparer au récepteur électrique et d’autre part afin d’avoir des temps de calcul plus faibles. On peut constater que les résultats sont similaires dans le cas électrique et optique,et qu’ils correpondent à la théorie. Théorie Simulation en C du récepteur électrique Simulation système du récepteur éléctrique Simulation système du récepteur optique

21 Conclusion 2 solutions => 2 hypothèses à étudier
récepteur électrique limitation sur F due à l’électronique moins cher facilement reprogrammable récepteur tout optique pas de limitation sur F plus cher actuellement non reprogrammable => 2 hypothèses à étudier Afin de respecter les demandes des opérateurs de télécommunication, il faut un grand nombre d’utilisateurs. Pour cela, il faut augmenter soit la contrainte d’auto et d’inter correlation, soit la longueur du code . Si on augmente la contrainte de correlation, on pourra utiliser un récepteur électrique, si on augmente la longueur du code, il faudra utiliser un récepteur optique. La réception électrique est limitée par la bande passante électronique, mais la mise en œuvre est moins chère, et facilement reprogrammable. A l’inverse, la réception optique n’a pas de limitation dans le cas idéal, mais est plus chere et est actuellement non reprogrammable. Ainsi, dans le laboratoire GESTE, nous continuons à étudier les 2 récepteurs afin de les améliorer, et d’estimer celui qui sera le plus approprié.

22 Merci de votre attention
Je vous remercie pour votre attention. Si vous avez des questions ….

23 Récepteur O-CDMA électrique
Analyse Théorique (cas synchrone): contrairement au RC : erreur quand We have studied the PIC analytically in the synchrounous case : - we showed that with the PIC receiver, errors occurs only when the sent data is a 1 - we developed the theoretical expression for the Bit Error Rate - moreover, we showed that the ber can be null if this condition is verified. si

24 Récepteur O-CDMA électrique
Validation : 100 1 2 3 4 Sf BER 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 St=1 simulation St=2 simulation St=3 simulation St=4 simulation St=1 theory St=2 theory St=3 theory St=4 theory Upper bound of CCR obtained by Salehi We validated our theoretical analysis with simulation in C language. In this figure, we have plotted the numerical calculation obtained by the theoretical expression in full line, and the simulations with symbols. We can observe that the theoretical expression describes correctly the PIC system. Thus, from now on, we will use the theoretical expression to evaluate the PIC performances. PIC performances for a (64,4,1,1) OOC