Сочетание кодового разделения абонентов и OFDM при передаче данных по волокну Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

СОЧЕТАНИЕ КОДОВОГО РАЗДЕЛЕНИЯ АБОНЕНТОВ И OFDM ПРИ ПЕРЕДАЧЕ ДАННЫХ ПО ВОЛОКНУ

DOI 10.24411/2072-8735-2018-10245

Сперанский Валентин Сергеевич,

МТУСи, Москва, Россия

Абрамов Степан Владимирович,

ФГУП "НТЦ" "ОРИОН", Москва, Россия

Клинцов Олег Иванович,

ФГУП "НТЦ" "ОРИОН", Москва, Россия, oklintsov@mail.ru

Ключевые слова: кодовое разделение, OFDM, оптические сети, волокно, данные, псевдослучайные последовательности, битовая ошибка.

При высокоскоростной передаче данных по оптическому волокну применяется технология OFDM. С другой стороны в оптических сетях связи целесообразно кодовое разделение абонентов, которое позволяет иметь большое число абонентов и обеспечивает высокую помехоустойчивость к узкополосным и импульсным помехам и малый уровень интерференционных помех. Рассмотрена многоканальная передача данных с совместным применением кодового разделения абонентов и технология OFDM в оптической сети, позволяющая использовать достоинства обоих технологий, а передача по волокну большую дальность действия до тысяч километров. Описана структурная схема системы передачи CDMA-OFDM по волокну. Передаваемые данные абонентов поступают на многоканальный формирователь по числу абонентов. Каждый канал включает формирователь сигнала OFDM и затем умножитель на псевдослучайную последовательность. Каждому абоненту присваивется своя индивидуальная последовательность, которая является его адресом. Длину последовательности удобно выбрать равной числу частот OFDM.

Псевдослучайные кодовые последовательности должны обладать хорошими авто и взаимно-корреляционными свойствами, то есть иметь малый уровень боковых пиков, которые определяют шумы неортогональности и соответственно уровень интерференционных помех, которые наряду с шумом являются основной помехой при приеме. Каналы объединяются интерфейсом и далее поступают на модулятор света вместе с опорным сигналом лазера несущей частоты. Полученный модулированный оптический сигнал подается в волоконно-оптическую линию (фидер). Приемник данных включает оптический полосовой фильтр, выделяющий полосу принимаемых сигналов, фотодетектор преобразующий оптический сигнал в радиосигнал. После усиления радиосигнал поступает многоканальный декодер ПСП, оценивающий последовательности абонентов, и демодуляторы данных сигналов OFDM. Принятые данные отправляются абонентам. Представлены графики битовой ошибки от числа активных абонентов.

Сперанский Валентин Сергеевич, к.т.н., доцент, Московский технический университет связи и информатики, Москва, Россия Абрамов Степан Владимирович, к.т.н., начальник отдела ФГУП "НТЦ" "ОРИОН", Москва, Россия Клинцов Олег Иванович, к.т.н., заместитель начальника отдела ФГУП "НТЦ" "ОРИОН", Москва, Россия

Для цитирования:

Сперанский В.С., Абрамов С.В., Клинцов О.И. Сочетание кодового разделения абонентов и OFDM при передаче данных по волокну // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2019. Том 13. №3. С. 32-35.

For citation:

Speransky V.S., Abramov S.V., Klintsov O.I. (2019). Combination of CDMA and OFDM for data transmission over fiber. T-Comm, vol. 13, no.3, pр. 32-35. (in Russian)

32

1

При высокоскоростной передаче данных по оптическому волокну применяется технология OFDM [1, 2]. С другой стороны в оптических сетях связи целесообразно кодовое разделение абонентов С DMA, которое позволяет иметь большое число абонентов и обеспечивает высокую помехоустойчивость к узкополосным и импульсным помехам и малый уровень интерференционных помех [3, 4, 5]. Патент [6| описывает гибридную OFDM-CDMA систему передачи данных. В указанном патенте предлагается комбинация OFDM и CDMA для системы радиодоступа. Далее представлена многоканальная передача данных с совместным применением кодового разделения абонентов и технология OFDM в оптической сети, позволяющее использовать достоинства обоих технологий, а передача по волокну большую дальность действия до тысяч километров.

Сходство систем [6j и предлагаемой заключается в принципе разделения абонентов и применении технологии OFDM, а также передача в общей полосе частот сигналов всех абонентов. Существенным отличием является другой канал распространения сигналов — оптический кабель. В нем отсутствуют частотно-селективные замирания. Однако имеются дисперсионные искажения и нелинейности.

На рисунке I представлена структурная схема системы передачи CDMA-OFDM по волокну. Передававемые данные абонентов поступают на N канальный формирователь по числу абонентов. Каждый канал включает формитрователь сигнала OFDM и затем на умножитель на псевдослучайную последовательность (ПСП), Каждому абоненту присватается своя индивидуальная последовательность, которая является его адресом. Длину последовательности удобно выбрать равной числу частот OFDM.

данные (а,:

генератор ПСП 1

Формирователь OFDM

¿н

генератор ГСП N

Формирователь OFDM

»гель _

N_""УУ *

Прямой модулятор света

фидер

КШ^л

п

оптический фильтр

фотоде тектор

усилитель радиосигнала

декодер демодулятор

ПСП OFDM

декодер демодулятор

ПСП OFDM

Рис. 1. Структурная схема системы CDMA+OFDM по волокну

пригодны.Известны ПСП разработанные специально для оптических систем CDMA [7, 8]. Каналы объединяются интерфейсом и далее поступают па модулятор света. Модулятор света может быть как прямым, так и внешним Прямой способ соответствует модуляции данными лазера, формирующего оптическую несущую.

При внешней модуляции сигнал несущей с лазера подается на модулятор обычно Маха-Цандера, куда подаются данные. При полосе частот до 10 ГГц оба модулятора эквивалентны с точки зрения динамического диапазона и других характеристик. Поскольку при высокоскоростной передаче используются больщие полосы частот сигнала, то целесообразно использовать внешний модулятор. Полученный модулированный оптический сигнал подается в волоконпо-оптическю линию (фидер).

Возможны две реализации формирователя данного сигнала. Первая устройство до модулятора реализуется на радиочастоте. Вторая-устройство выполняется целиком в Оптикё:оптическиЙ формирователь сигнала OFDM, оптический формирователь ПСП, умножитель и интерфейс.

Приемник данных включает оптический полосовой фильтр, выделяющий полосу принимаемых Сигналов, фотодетектор преобразующийопгический сигнал в радиосигнал.

После усиления радиосигнал поступает многоканальный декодер ПСП, оценивающий последовательности абонентов, и демодуляторы данных сигналов OFDM. Принятые данные отправляются абонентам. Приемник может реалнзовыватьея в оптическом виде: оптические корреляторы ПСП, оптические демодуляторы OFDM и фотодетектор, преобразующий оптический сигнал в радиосигнал. В настоящее время система с передачей радио по волокну представляется более простой чем чисто оптическая.

Па рисунке 2 показана схема одного из вариантов оптического формирователя OFDM,

Генератор поднесущей 1

Генератор подмесущей J

генератор поднесущей Лг

Оптический фильтр

JLJL

Рис. 2. Оптический OFDM формирователь, OTDM - оптический временной мультиплексор

Псевдослучайные кодовые последовательности должны обладать хорошими авто и взаимно-корреляционными свойствами, то есть иметь малый уровень боковых пиков, которые определяют шумы неоптогональности и соответственно уровень интерференционных помех, которые наряду с шумом являются основной помехой при приеме. Наиболее подходят ПСП в виде последовательностей Годна, поледовательности на основе полиномов Лежанждра. Известны ортогональные коды на основе последовательностей Уолша, но они применимы при синхронном приеме При асинхронном режиме они не

Спектральная эффективность систем передачи OFDM-CDMA по волокну определяется характеристиками устройства OFDM и составляет порядка 2 бит/с/Гц. Формирователь OFDM хорошо сочетается с последующим формирователем Пайквиста - WDM [6].

В качестве кодовых последовательностей оптического CDMA кроме кодов Годна и последовательностей Уолша перспективно использовать коды квадратичных сравнений при циклических сдвигах. Алгоритм формирования имеет вид

T-Comm Vol.13. #3-2019

_

JWO'Hy i=(n-1) + [a(e+A)' + J^mod р + Ьр,Ь = 0,\..р-1

где п, а, е, Г- коэффициенты, определяющие свойства кода. п = 1, N - длина кода, а = 0, р -1

Пример

n e f '^ncf

1 0 0 100 000 010 000 010 000

1 0 1 010000 001 000 001 000

Кросс-корреляция кодов jjc^j и j.v^ | ■

Р e = g,f = h О e=g,f*h ] e*g

Длина кода Np", объем систем!.] сигналов M = N(p2-1)/2

Схема многоканального оптического формирователя и приемника сигналов CDMA представлена на рис. 3. Каждый канал формирователя включает источник данных, кодер последовательности ¡абонента, сумматор каин, лазер несущей и модулятор. Сигнал поступает в оптоволокно. Приемная часть включает N оптических корреляторов. В каждом из них опорный сигнал является кодовой последовательностью данного абонента. С корреляторов сигналы поступают па фотодетектор и ФНЧ, преобразующие оптические сигналы в электронные данные, которые

Источник Оптический

данных передатчик

Оптический колер CDMA

-И-

_CL

чн

Оптический корректор

Оптический усилитель

фотодегектор

ФНЧ

Рис. 3. Схема ОС ОМ А сети

На рисунке 4 даны графики битовой ошибки приема от мощности принимаемого сигнала дБВт. Кривая ] соответствует двум одновременно работающим абонентам, а кривая 2 восьми абонентам из 32.Увеличение числа активных абонентов приводит к увеличению битовой ошибки.

Вероятность битовой ошибки записывается как

]

где erf ( y) = — je\р( -г )í// - интеграл вероятности

Система передачи устойчива к нелинейности фидера и к хроматической дисперсии.

-5 Рпр

Рис. 4. Зависимость битовой ошибки от оптической мощности принимаемого сигнала

Пример системы. Длина волны 1550 им, скорость передачи 150 Мбит/с, мощность шума приемника -10 дБПт, битовая ошибка I О"9, спектральная эффективность 0,8 бит/с/Гц.

Число абонентов можно увеличить, используя коды с циклическим сдвигом. Целесообразно использовать спек-тралыю-амплитудное кодирование последовательности.

Выводы

1. Применение совместной кодовой модуляции и технологии OFDM при передаче но оптическому волокну обеспечивает высокую скорость передачи, многопользовательский доступ и передачу данных на большие расстояния.

2. Приведенная система передачи обладает высокой помехоустойчивостью и малочувствительна к нелинейным искажениям и хроматической дисперсии.

3. Спектральная эффективность достигает 1бит/с/Гц.

4 Предложенный способ передачи данных вполне реализуем на современной

Литература

!. OFDM и оптоволоконных сетях.-Вестник связи 2013 №10. С $41.

2. Guan P. end as All-Optical Ultra-High-Speed OFDM to Nyquist Conversion Based on Complete Optical Fourier Transformation II Journal of Lightwave Tcchn. 2016, vol. 34, №2, pp. 626-631.

3. Сперанский B.C.. Клинцов О.И. Оптические сети с кодовым разделением абонентов- T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2014. № 10. С. 141-142.

4. Liu J.С., Yang G.C., Chen Н. Kwong С. New Tree-Structured Optical Codes for Incoherent Optical-CDMA Applications // Journal of Lightwave Techn. 2015, vol. 33, №19, pp. 3968-3978.

5. Mofuuned M.A., Sholaby H M.H.. Badaway E.I. Optical code -division multiple access protocol with Selective transmission П Optical Engineering 2006,45(5).

6. Multiple-access llibrid OFDM-CDMA System. United States Patent № US7, 764,594 B2,

7. Data of Patent Jul.27,2010.

8. Salehi J.A. Engineering Optical CDMA Techniques and Applications // Intern. Journal Optic and Photonic 2007, vol. 1, №1.

9. Jiang L. Seo D.S., Leairol D.E.. Roussen R.V., Landrock C.. Feuer MM Rec on figurable AU-Optical Code Translation in Spectral-Codcd O-CDMA - Journal of Lightwave Technology 2005, v. 23, №6.

COMBINATION OF CDMA AND OFDM FOR DATA TRANSMISSION OVER FIBER

Valentin S. Speransky, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia Stepan V. Abramov, FSUE "STC "Orion", Moscow, Russia Oleg I. Klintsov, FSUE "STC "Orion", Moscow, Russia, oklintsov@mail.ru

Abstract

For broadband data transfer over optical, fiber OFDM technology is applied. On the other hand in optical subscriber networks, it is advisable code demultiplexing of subscribers to provide high interference immunity to narrow-band and impulse noises and low interference noise level. In this work we consider combination of CDMA multichannel data transmission and OFDM in optical subscriber network. It allows using the advantages of both technologies. In turn data transmission over fiber supplies long reach up to thousand kilometers. The structure chart of the CDMA-OFDM transmission system over fiber is described. Incoming transmitted subscribers' data are received by multichannel signal shaper according to the subscriber number. Each channel consists of OFDM signal shaper followed by pseudorandom sequence multiplier. Individual sequence (at the same time the address) is assign to every subscriber. It is comfortable to choose the length of sequence equal to a number of OFDM frequencies.

Pseudorandom code sequences should possess good auto and u joint correlation properties, i.e. have low level sideband peaks, determining nonorthogonality noise and therefore the interference noise level, being along with noise the main problem in reception process. Interface combines channels. Then, they come to light modulator together with carrier frequency laser reference signal. Received modulated optical signal is fed to fiber optic link (feeder). Data sink comprises optical band-pass filter, indicating received signals band, pho-todetector converting optical signal into radio signal. On amplification, radio signal comes into multichannel pseudorandom sequence decoder, estimating subscribers sequence, and OFDM data signal demodulators. Received data is sent to subscribers. In addition, the diagrams of BER in regard to the number of active subscribers are given.

Keywords: code demultiplexing, OFDM, optical network termination (ONT), fiber, data, pseudo-random sequence, bit error. References

1. Speransky V.S., Klintsov O.I. (2013). OFDM for optical network. Vestnik sviazy. No.10.

2. Guan P. end as All-Optical Ultra-High-Speed OFDM to Nyquist Conversion Based on Complete Optical Fourier Transformation. Journal of Lightwave Techn. 2016, vol. 34, no. 2.

3. Speransky V.S., Klintsov O.I. (2014). Optical network CDMA. T-Comm, no. 10.

4. Liu J.C. , Yang G.C., Chen H., Kwong C. (2015). New Tree-Structured Optical Codes for Incoherent Optical-CDMA Applications. Journal of Lightwave Techn., vol.33, no.19.

5. Mohamed M.A., Sholaby H. MH., Badaway El. (2006). Optical code - division multiple access protocol with Selective transmission. Optical Engineering, 45(5).

6. Multiple-access Hibrid OFDM-CDMA System. United States Patent № US7,764,594 B2. Data of Patent Jul.27, 2010.

7. Salehi J.A. (2007). Engineering Optical CDMA Techniques and Applications. Intern. Journal Optic and Photonic, vol. 1, no.1.

8. Jiang L., Seo D.S., Leairol D.E., Roussen R.V., Landrock C., Feuer M.M. (2005). Reconfigurable AU-Optical Code Translation in Spectral-Coded O-CDMA. Journal of Lightwave Technology, vol. 23, no.6.

Information about authors:

Valentin S. Speransky, MTSc, professor MTUCI, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia

Stepan V. Abramov, MTSc, head of a department FSUE "STC "Orion", Moscow, Russia

Oleg I. Klintsov, MTSc, deputy of a head of a department FSUE "STC "Orion", Moscow, Russia