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Optischer Codemultiplex

Optischer Codemultiplex für den Zugangsbereich

von
Dr.-Ing. Jens Kissing

Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. Martin Windmann, MSc.

Zusammenfassung

Durch die stetig steigende Nachfrage nach Übertragungskapazität werden leistungsfähige Kommunikationssystem auch im Zugangsbereich benötigt. Optische Systeme verdrängen elektrische Systeme daher bis in die unteren Netzebenen. Wesentliche Anforderung für die Systeme im Zugangsbereich sind die Verwendung günstiger Komponenten und eine einfache Instandhaltung. Es wird daher weltweit an alternativen Konzepten zur konventionellen WDM-Technik (Wellenlängenmultiplex-Technik) geforscht. Vorteile von OCDMA-Systemen (engl.: Optical Code Division Multiple Access) sind die Benutzung günstiger, breitbandiger Quellen als Sender, in der Regel werden LEDs verwendet. Die Kodierung der verschieden Kanäle erfolgt mit frequenzperiodischen Filtern unterschiedlicher Periodizität (FSR, free spectral range). Fabry-Perot und Mach-Zehnder-Filter realisieren solche Übertragungsfunktionen. Das Hinzufügen neuer Kanäle mit unterschiedlichen FSRs ist einfach möglich, somit ist das System flexible erweiterbar. Aufgrund der hohen Anzahl an möglichen FSRs, ist die Realisierung eines gerouteten optischen Netzes mit geringer Blockierungswahrscheinlichkeit möglich. Nachteil aller optischen Systeme, welche mit breitbandigen Quellen arbeiten, ist das Intensitätsrauschen, welches bei der Detektion im Empfänger erzeugt wird. Dieses ruft einen Bitfehlerratenfloor hervor, welcher Kanalzahl und Datenrate der Systeme begrenzt.

Überblick

Das Projekt "Optischer Codemultiplex (OCDMA) für den Zugangsbereich" wird im Rahmen eines Unterauftrages der ALCATEL SEL AG aus Stuttgart bearbeitet. Im Rahmen des Unterauftrages wird die Entwicklung eines Systemdemonstrators bei der ALCATEL durch unterstützende Simulationen begleitet. Es werden die Kapazitätsgrenzen des vorgeschlagenen Konzeptes bestimmt und Optimierungsstrategien aufgezeigt. Ferner steht die Bestimmung günstiger Komponentenparameter sowie die Evaluierung der Toleranzanforderungen an die Komponentenparameter im Vordergrund. Wesentlich ist auch die Einbindung von OCDMA in die neu Generation geschalteter optischer Netze.

Systemaufbau

In dem betrachteten Zugangssystem werden Breitbandquellen, im Allgemeinen LEDs (engl.: light emitting diode) aber auch EDFSs (engl.: erbium doped fiber source) als Sender verwendet. Die breitbandigen Spektren werden durch Filter mit periodischer Leistungsübertragungsfunktion codiert, welche durch Mach-Zehner-Filter (MZ) oder Fabry-Perot-Filter (FP) realisiert werden können. Die Kanäle unterscheiden sich durch die spektrale Periodizität des Filters (FSR, engl.: free spectral range) und damit des übertragenen Spektrums. In der Literatur ist dieses System bereits als EFE-CDMA (engl.: equidistant frequency encoded-CDMA) bekannt. Die Kanäle werden über Koppler auf eine Faser gemultiplext, wo sich die Spektren überlagern. Zur Verstärkung des Signals werden breitbandige optische Verstärker, zum Beispiel EDFAs (engl.: erbium doped fiber amplifiers) eingesetzt. Der Demultiplexer besteht wiederum aus Kopplern, sowie periodischen Filtern, deren FSR auf die FSR des zu decodierenden Kanals abgestimmt wird. Durch Überlagerung der Kanalspektren auf der Faser wird auch Leistung von anderen Kanälen empfangen, welches sich als Kanalübersprechen bemerkbar macht. Zur Reduzierung des Kanalübersprechens wird ein Differenzempfänger eingesetzt. In Abbildung 1 ist der zu untersuchende Systemaufbau skizziert.

Abbildung 1: Prinzipieller Aufbau eines frequenzcodierten OCDMA-Systems für den Zugangsbereich

Das Verfahren erfüllt die Voraussetzungen eines Zugangssystems. Die Komponenten sind günstig, außerdem ist eine flexible Erweiterung des Systems durch Zuweisung neuer FSRs möglich.

Systemgüte und Kapazität

In diesem Kapitel wird das Verhalten von Systemgüte und erreichbarer Systemkapazität anhand zweier Beispiele dargestellt. In Tabelle 1 sind zunächst die wesentlichen Systemparameter zusammengefasst.

System Bitrate, Mbps 155,52
Quelle Form des Spektrums Gauß
Leistung, mW 1,0
Bandbreite, nm 60
FSR Werteberiech, GHZ 10-20
Faser Dämpfung, dB 10

Tabelle 1: Systemparameter

Es wird ein System mit einer Bitrate von 155,52 Mbps untersucht. Die Kanäle sind nicht synchronisiert. Als Quellen werden LEDs mit einem gausförmigen Leistungsdichtespektrum mit einer FWHM-Bandbreite (engl.: full width at half maximum) von 60 nm verwendet. Die Kanalzahl wird von 1 auf 64 Kanäle schrittweise erhöht, und die Bitfehlerrate über der detektierten optischen Leistung aufgetragen (Abbildung 2). Die Untersuchungen werden hier sowohl für ein System mit FP-Sende- und MZ-Empfangsfilter (Filterkombination: FP/MZ) als auch für ein System mit FP Sende- und Empfangsfilter (FP/FP) vorgestellt.

Abbildung 2: Bitfehlerrate über der empfangenen Leistung bei Verwendung der Filterkombination FP/MZ (links) und FP/FP (rechts)

In Systemen geringer Kanalzahl lässt sich eine Verbesserung der Bitfehlerrate durch eine erhöhte detektierte Leistung erzielen. Die detektierte Leistung wiederum kann durch Erhöhen der Sendeleistung der Dioden erzielt werden. In Systemen hoher Kanalzahl und detektierter Leistung erreicht die Bitfehlerrate einen konstanten Bereich, den sogenannten Bitfehlerratenfloor. Er ist durch das Intensitätsrauschen begründet, welches aufgrund der spektralen Überlappungen aller Kanäle auf der Faserstrecke bei hohen Kanalzahlen sehr groß ist. Bei Verwendung der Filterkombination (FP/MZ, linkes Bild) begrenzt das Intensitätsrauschen bereits die maximal erreichbare Kanalzahl auf 32 Kanäle, da hier im Floor ein BER von 10-9 erreicht wird. Durch Verwendung von FP-Filtern an Sender und Empfänger (rechts Bild) lässt sich der Floor bei gleicher Kanalzahl deutlich herabsetzten. Die gewonnene Systemgüte kann als Margin genutzt werden, eine Erhöhung der Kanalbitrate oder der Kanalzahl ist ebenfalls möglich.

Abbildung 3: Maximal mögliche Kanaldatenrate (Systembegrenzung durch BER-Floor) versus Kanalzahl für verschiedene Filterkombinationen, zusätzlich sind Kurven gleicher Systemkapazität eingezeichnet

Abbildung 3 zeigt die erzielbaren Kanalzahlen, bei welcher eine BER<10-9 im Floor erreicht wird in Abhängigkeit der Kanalzahl für die Filterkombinationen MZ/MZ, FP/MZ und FP/FP. Zusätzlich sind Kurven gleicher Systemkapazität von 10 und 100 Gbps eingezeichnet. Die höchsten Systemkapaziäten werden nach Abbildung 3 von Systemen mit FP Sende- und Empfangsfilter erreicht. Systeme mit MZ-Sende und FP-Empfangsfilter wurden hier nicht untersucht, da deren Systemkapazität wesentlich unter denen der gezeigten Systeme liegt. Ferner wird deutlich, dass eine maximale Systemkapazität von Systemen kleiner Kanalzahl und hoher Kanalbitrate erreicht wird.

Systemoptimierung

Wie bereits das vorherige Kapitel gezeigt hat, haben die verwendeten periodischen Filter wesentlichen Einfluss auf die Systemgüte. Die Filterkombination mit FP-Sende- und Empfangsfilter wird hier näher untersucht. In einem 64 x 155,52 Mbps-System werden Finessen der FP-Filter von 10 bis 50 untersucht, Abbildung 4.

Abbildung 4: Bitfehlerrate über der Finesse des FP-Sende- und Empfangsfilter für ein 64 x 155,52 Mbps - System im Floor (linkes Bild) und bei der tatsächlich detektierten Leistung (rechtes Bild)

Die Systemgüte im BER-Floor kann durch Erhöhen von Sende und Empfängerfilterfinesse kontinuierlich verbessert werden, was durch eine geringeres Intensitätsrauschen hervorgerufen wird. Mit hohen Finesse sinkt jedoch die Leistungstransmission der FP-Filter, wodurch die empfangene Leistung abnimmt. Im rechten Bild von Abbildung 4 ist die Systemgüte bei der tatsächlichen detektierten Leistung dargestellt. Während auf der einen Seite die Systemgüte aufgrund des geringeren Rauschens mit höheren Finessen besser wird, nimmt sie auf der anderen Seite aufgrund des s chlechteren Leistungsbilanz ab. Die beiden konkurierenden Effekte führen zu einer optimalen Finesse, bei welcher sich nach Abbildung 4 eine minimale BER ergibt.