Autor(es):
Reis, Jacklyn Dias 
Data: 2012
Identificador Persistente: http://hdl.handle.net/10773/11299
Origem: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro
Assunto(s): Engenharia electrotécnica; Comunicações ópticas; Redes ópticas passivas; Arquitectura de redes; Multiplexagem; Processamento digital de sinal
Descrição
Este trabalho investiga novas metodologias para as redes óticas de acesso de
próxima geração (NG-OAN). O trabalho está dividido em quatro tópicos de
investigação: projeto da rede, modelos numéricos para efeitos não lineares
da fibra ótica, impacto dos efeitos não lineares da fibra ótica e otimização
da rede.
A rede ótica de acesso investigada nesse trabalho está projetado para suprir
os requisitos de densidade de utilizadores e cobertura, isto é, suportar
muitos utilizadores ( 1000) com altas velocidades de conexão dedicada ( 1
Gb/s) ocupando uma faixa estreita do espectro ( 25 nm) e comprimentos
de fibra ótica até 100 km. Os cenários são baseados em redes óticas
passivas com multiplexagem por divisão no comprimento de onda de alta
densidade (UDWDM-PON) utilizando transmissores/receptores coerentes
nos terminais da rede. A rede é avaliada para vários ritmos de transmissão
usando formatos de modulação avançados, requisitos de largura de banda
por utilizador e partilha de banda com tecnologias tradicionais de redes óticas
passivas (PON).
Modelos numéricos baseados em funções de transferência das séries de
Volterra (VSTF) são demonstrados tanto para a análise dos efeitos não
lineares da fibra ótica quanto para avaliação do desempenho total da rede.
São apresentadas as faixas de potência e distância de transmissão nas quais
as séries de Volterra apresentam resultados semelhantes ao modelo referência
Split-Step Fourier (SSF) (validado experimentalmente) para o desempenho
total da rede. Além disso, um algoritmo, que evita componentes espectrais
com intensidade nulo, é proposto para realizar cálculos rápidos das séries. O
modelo VSTF é estendido para identificar unicamente os efeitos não lineares
da fibra ótica mais relevantes no cenário investigado: Self-Phase Modulation
(SPM), Cross-Phase Modulation (XPM) e Four-Wave Mixing (FWM).
Simulações numéricas são apresentadas para identificar o impacto isolado de
cada efeito não linear da fibra ótica, SPM, XPM e FWM, no desempenho
da rede com detecção coerente UDWDM-PON, transportando canais com
modulação digital em fase (M-ária PSK) ou modulação digital em amplitude
(M-ária QAM). A análise numérica é estendida para diferentes comprimentos
de fibra ótica mono modo (SSMF), potência por canal e ritmo de transmissão
por canal. Por conseguinte, expressões analíticas são extrapoladas para
determinar a evolução do SPM, XPM e FWM em função da potência e
distância de transmissão em cenários NG-OAN.
O desempenho da rede é otimizada através da minimização parcial da
interferência FWM (via espaçamento desigual dos canais), que nesse caso,
é o efeito não linear da fibra ótica mais relevante. Direções para melhorias
adicionas no desempenho da rede são apresentados para cenários em que o
XPM é relevante, isto é, redes transportando formatos de modulação QAM.
A solução, nesse caso, é baseada na utilização de técnicas de processamento
digital do sinal. This work investigates novel methodologies and models for Next-Generation
Optical Access Networks (NG-OAN). The work is divided into four main
topics of research: network design, numerical models for fiber nonlinear
effects, impact of fiber nonlinear effects and network optimization.
The used case optical access network is designed to cope with high
user density over extended reach, i.e. support large number of
users ( 1000) with high speed dedicated connections ( 1 Gb/s) in a
narrow bandwidth ( 25 nm) distributed up to 100 km. The scenarios
rely on Ultra-Dense Wavelength-Division Multiplexing Passive Optical
Networks (UDWDM-PON) employing coherent transceivers in the network
terminals. The network is evaluated for various transmission rates using
advanced modulation formats, transmitters and receivers specifications,
user bandwidth requirements and coexistence with legacy Passive Optical
Network (PON) technologies.
Numerical models based on Volterra Series Transfer Function (VSTF) are
demonstrated for both the analysis of fiber nonlinear effects and evaluation of
the overall network performance. It is presented the power and transmission
ranges that Volterra series provides accurate results, compared to the
reference model Split-Step Fourier (SSF) (experimentally validated), for the
overall network performance. Moreover, an algorithm is proposed to provide
fast numerical calculations of the series by avoiding zero intensity signal
frequency components. The VSTF model is extended to identify the sole
effect of the most relevant fiber nonlinearities in UDWDM-PON network
scenarios: Self-Phase Modulation (SPM), Cross-Phase Modulation (XPM)
and Four-Wave Mixing (FWM).
Numerical simulations are performed to identify the impact of each nonlinear
effect, SPM, XPM and FWM, on the performance of coherent UDWDMPON
transporting either M-ary PSK (Phase-Shift Keying) or M-ary QAM
(Quadrature Amplitude Modulation) modulated channels. The analysis is
extended to different lengths of Standard Single-Mode Fibers (SSMF), power
per channel and bit rate per channel. From that, analytic expressions are
extrapolated to find the evolution of SPM, XPM and FWM with power and
transmission distance for NG-AON scenarios.
The performance of the network is optimized by mitigating some of the FWM
crosstalk (unequally spaced channels), which in this case is the most relevant
fiber nonlinear effect. The directions for further performance improvements
are pointed out for scenarios in which XPM is enhanced, i.e. networks
transporting QAM signaling. The solution in this case is based on digital
signal processing techniques. Doutoramento em Engenharia Electrotécnica/Telecomunicações
