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Récents Travaux sur le CDMA Optique!
Philippe Gallion et al "
pour le Consortium CEM2 Montpellier, ENSIL & ENST, "
Le Consortium !
CEM2 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)"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
2"
Outline"
1.!
2.!
3.!
4.!
Le CDMA en RF"
Le CDMA en Optique, Pourquoi ? Comment ?"
Les Codes Optiques 1D et 2D"
Les Implémentations «Tout Optique » "
!!
!!
5.!
Temporelle par Réseaux de Bragg"
Spectrale par Optique intégrée"
Les Implémentations Electrique/0ptique "
Conclusion"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
3"
Outline"
1.!
2.!
3.!
4.!
Le CDMA en RF"
Le CDMA en Optique, Pourquoi ? Comment ?"
Les Codes Optiques 1D et 2D"
Les Implémentations «Tout Optique » "
!!
!!
5.!
Temporelle par Réseaux de Bragg"
Spectrale par Optique intégrée"
Les Implémentations Electrique/0ptique"
Conclusion"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
4"
Sharing 2 Increasingly Rare Resources:!
Time and Frequency"
f
f
f
f
t
t
Attribution de
fréquence
FDMA
Radiodiffusion
Etalement
de spectre
TDMA
t
t
Saut de fréquence
Accés multiple par
code
CDMA
GSM (Europe)
IS95 CDMA (USA)
1ms X 200kz
"!Allocation bidimensionnelle aléatoire et dynamique"
"!Signature (code) spectrale et temporelle"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
5"
Une Origine Hollywoodienne"
!! Actrice Hedy Lamar et George
Antheil"
!! Brouillage du guidage radio des
torpilles par des sauts de fréquence"
!! Brevet en 1941"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
6"
Initial CDMA Motivation"
!! Spread spectrum technique developed for the military"
"! Resistance to jamming"
"! Low probability of intercept"
!! “Civil” Properties"
"!
"!
"!
"!
"!
"!
Resistance to multi-path effect (selective fading)"
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…)"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
7"
Time Domain CDMA Principle"
Data sequence"
CDMA transmitted
signal"
t"
t"
Code sequence
user #1"
t"
!! Bit duration is divided in L time slots (chips)"
"! TB is the bit duration"
"! Tc is the chip duration"
Bipolar Code Sequence"
Unipolar Code Sequence"
1 –1 1 1 1 –1 –1 1 –1 -1"
100000 1 0 0100"
t"
Antipodal Signal
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
t"
On Off Keying Signal
8"
Excess bandwidth is not (necessarily)
wasted"
!! Channels sharing the same spectrum are simultaneously used"
!! No intrinsic gain using hard (single user) decision"
"! No area gain in the Time-Frequency space"
"! Repartition of resource shortage effects between users"
!! Number of users may be improved by soft (multi user) decision"
"! Other users are considered as signals"
"! Their contributions must be larger than others noise"
"! Decision on chips is mandatory"
!! Total number of users : "
"! Equals the allowed number active of users by using deterministic
code attribution"
"! Larger, by using random code attribution (Overbooking)"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
9"
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 ??"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
10"
Outline"
1.!
2.!
3.!
4.!
Le CDMA en RF"
Le CDMA en Optique, Pourquoi ? Comment ?"
Les Codes Optiques 1D et 2D"
Les Implémentations «Tout Optique » "
!!
!!
5.!
Temporelle par Réseaux de Bragg"
Spectrale par Optique intégrée"
Les Implémentations Electrique/0ptique "
Conclusion"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
11"
Optical Technologies Down to the End User"
!! Low loss-High bandwidth"
"! Optical “passive” transport between electronically
intelligent nodes"
"! Bottleneck of O/E and E/O conversions"
Transport network"
!! 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"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
12"
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 bit
rate into high bandwidth signals more appropriate to the
high optical channel bandwidth"
!! Multiple Access Interference (MAI) apparition threshold
higher in the noisy amplified optical channel (ASE)"
!! Privacy, Security"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
13"
Difficulties for CDMA Implementation in Optics"
!! Bandwidth extension is not free of fiber dispersion"
"! Not strongly relevant for access"
"! 1300nm"
!! Only direct detection is compatible with low cost
implementation"
!! 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"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
14"
Time and/or Frequency Domain!
Optical 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 several
wavelengths"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
15"
Outline"
1.!
2.!
3.!
4.!
Le CDMA en RF"
Le CDMA en Optique, Pourquoi ? Comment ?"
Les Codes Optiques 1D et 2D"
Les Implémentations «Tout Optique » "
!!
!!
5.!
Temporelle par Réseau de Bragg"
Spectrale par Optique intégrée"
Les Implémentations Electrique/0ptique "
Conclusion"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
16"
Code Sequence Properties"
!! Code Sequence = Address Code = Signature Sequence"
!! Extraction of data encoded with a given sequence from all
other sequences"
!! Each sequence easily distinguished from any time delayed
version "
"! 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 asynchronism"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
17"
Code Sequence Parameters"
!! Code parameters"
"! Code length L : number of chips "
Frequency spreading"
"! Code weight w : number of chips equals to 1"
Energy per bit"
"! Maximum number of active user N!
Multiplexing capacity!
!! Code Sequence is a periodic signal with period LTc :"
T = L Tc
Sequence: {0,4,9,l}
Weight = 4
Code length = L
0123456789…………………………l…….. L-1
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
18"
Optical Codes"
!! 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 , the
cross correlation is less than 1"
!! Only a one chip collision is allowed"
!! Intrinsic multi user interference"
!! Unsynchronized chip may reduces the residual correlation"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
19"
Selecting an Optical Code"
Optical Orthogonal Codes"
(OOC)"
- L : Code Length"
- ! : Code weight "
- N : Number of users"
"
"
"
"
"
"
N!
L!
3"
21" 3" Code 1 : 110001000000000000000"
Code 2 : 101000001000000000000"
Code 3 : 100100000010000000000"
!!
Optical Orthogonal Codes (OOC)"
Prime Sequences"
(PS)"
" p is a prime number:"
"
"
"
- L = p2 : Code Length"
- ! = p : Code weight "
- N = p : Number of users"
N!
L!
!!
Prime Sequences (PS)"
3"
9"
3"
Code 1 : 100100100"
Code 2 : 100010001"
Code 3 : 100001010"
!!Prime Sequences offers shorter code length for given number of users"
!!Low weight leading to low SNR"
!!Importance of correlations properties
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
20"
Codage en 2D ( Longueur d’onde -Temps)"
!! Code 2D = 2 x codes 1D"
"! En temps (n)"
"! En longueur d’onde (m) "
!! Plus grande capacité
Type de codage
1D"
(temps/longueur
d’onde)"
Dimension du code"
(m,n)"
Cardinalité"
N"
Valeur de l’inter
corrélation"
Prime/OOC"
L.p2"
L. Nooc. p"
1"
Prime/prime"
p.p2"
p.(p-1)"
1"
EQC/prime"
p2.(2p-1)"
p.(p-1)2"
2"
prime/EQC"
p.p2"
p2.(p-1)"
2"
OOC/prime"
p*L"
Nooc.p2"
1"
OOC/OOC"
L*L"
Nooc. L.(L+1)"
1"
p : nombre premier; L longueur du code OOC; Nooc cardinalité du code OOC
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
21"
Outline"
1.!
2.!
3.!
4.!
Le CDMA en RF"
Le CDMA en Optique, Pourquoi ? Comment ?"
Les Codes Optiques 1D, 2D"
Les Implémentations «Tout Optique » "
!!
!!
5.!
Temporelle par Réseau de Bragg"
Spectrale par Optique intégrée"
Les Implémentations Electrique/0ptique "
Conclusion"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
22"
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 focal plane intensity 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"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
23"
Sampling Bragg Grating (SBG) Encoder"
S-FBG
Input pulse
Tc =50ps
LFBG1-FBG2
LFBG2-FBG3
"B =1551nm
FBG1
R1
FBG2
FBG3
Bit rate : 2 Gb/s"
R2
R3
!!
!!
!!
!!
!!
!!
Chip rate : 20 Gb/s"
Passive, Integrability, Compactness and Low Cost "
50ps initial chip pulse is launched in a SBG"
Bragg grating reflexions produce the chip sequence"
Reflected chip pulses 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"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
24"
Clock
ILM
DS-OCDMA
Multiplexing System"
SG
Data
Circulator
EOM
BG1
BG2
BG3
3 dB
Coupler
Encoder 1
Clock
ILM
SG
Data
Circulator
Optical
Fiber
EOM
BG1
BG2
BG3
Encoder 2
May be!
by-passed!
for back to back
configuration"
Optical
Amplifier
BG1
Photodiode and
Oscilloscope
BG2
BG3
Decoder 1 or 2
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
25"
Code Generation Checking"
Experimental results (1)"
Code 1 (100100100)"
Code 2 (100010001)"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
26"
Auto and Cross-Correlation Functions"
Experimental results (2)"
(a)! Back to back self-correlation
function (2 users)"
(a)! Back to back self correlation
function"
(b)! Back to back cross-correlation
function (Mismatched decoder)"
(b)! Self-correlation function after
15 km optical fiber"
Negligible impact of dispersion in short range metropolitan and access networks
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
27"
Bit Error Rate (BER) Measurement"
Single User"
Theoritical"
Multiuser "
Maximun "
Theoritical
BER"
"
Multi user"
Synchronous "
Single User"
Measured"
Assynchronous
Multi User"
Measured"
Optical Power at the amplifier Input (dBm) "
A theorytical model has been developped for the amplified CDMA channel"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
28"
Outline"
1.!
2.!
3.!
4.!
Le CDMA en RF"
Le CDMA en Optique, Pourquoi ? Comment ?"
Les Codes Optiques 1D, 2D"
Les Implémentations «Tout Optique » "
!!
!!
5.!
Temporelle par Réseaux de Bragg"
Spectrale par Optique intégrée"
Les Implémentations Electrique/0ptique "
Conclusion"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
29"
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"
Spectre 0
0,3
Spectre 1
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
1,302 1,3036 1,3052 1,3068 1,3084
1,31
1,3116 1,3132 1,3148 1,3164
Les codes spectraux (combinaisons de longueurs d’onde) sont
synthétisés grâce à des filtres en ! et des coupleurs en Y pour
regrouper les sorties.
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
30"
Encodeurs/Décodeurs : Filtres en !!
!! Emission"
!! Detection différentielle"
!! Deux types étudiés à l’Université de Montpellier: "
"! Réseaux de guides avec MMI ( codes de type Hadamard Walsh)"
"! Star-couplers avec AWG ( codes de type M séquences)"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
31"
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 donnent les longueurs d’onde dans un ordre aléatoire"
!! Sorties adjacentes : spectres cannelés"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
32"
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’entrées
important "
!! Performances du filtrage en longueur d’ondes non
contrôlable:"
"! Nombre de guides imposé = nombre de sorties "
!! Nombre de codes orthogonaux réduits"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
33"
Encodeur/Décodeur :!
Star-Coupleur+Phasar (AWG)"
!!
!!
!!
!!
!!
Fabrication mieux maîtrisée (AWG)"
Performances théoriques supérieures (MMI)"
Plus de bras, moins de MAI"
Sorties ordonnées nécessitant un croisement des fibres"
Peu de pertes si angles de croisement >40°"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
34"
CDMA avec dispositif AWG !
!! Les Codes"
"! m-séquences possibles (générées à partir de 001101011110001)"
"! Propriétés statistiques de suite pseudo aléatoire : auto corrélation
optimale … "
" " 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.
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
35"
Outline"
1.!
2.!
3.!
4.!
Le CDMA en RF"
Le CDMA en Optique, Pourquoi ? Comment ?"
Les Codes Optiques 1D et 2D"
Les Implémentations «Tout Optique » "
!!
!!
5.!
Temporelle par Réseau de Bragg"
Spectrale par Optique intégrée"
Les Implémentations Electrique/0ptique "
Conclusion"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
36"
From Bits to Chips and Chips to Bits
Electrically ?"
!! 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"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
37"
Implantation Electrique du Codage/
Décodage OCDMA"
Domaine Electrique – Emission
Source
des données
Domaine Optique
Conversion
Electrique/
Optique
Codage
CDMA
Décodage
CDMA
Conversion
Optique/
Electrique
Domaine Electrique – Réception
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
38"
Limitations !
liées à la bande passante électrique"
Conversion
Codage
DxL
Electronique
D"
ElectroniqueOptique
DxL"
Solution « électrique »"
à l’émission"
Données
!! 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)"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
39"
Les Différents Récepteurs"
Utilisateur #1
1- Réception Conventionnelle
(Intégateur comparateur)"
Modulateur
Optique
(1)
bi
c1 (t )
Utilisateur #k
Modulateur
Optique
bi( k )
c k (t )
Utilisateur #N
C
o
u
p
l
e
u
r
2 - Réception
Conventionnelle"
" avec «$hard-limiter$»"
Fibre
Optique
PIN ou
APD
Modulateur
Optique
bi( N )
c N (t )
Signaux électriques
Signaux optiques
3- Réception par annulation
successive
d’interférences série"
4 - Réception par annulation
successive
d’interférences parallèle"
" (Multi user reciever)"
Signaux électriques
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
40"
Performances d’un Traitement Electrique"
codage 1D OOC ( L,W)"
Codage 2D OOC (5,56,5)"
CCR = Conventionnel"
HL+CCR = Hard Limiteur +CCR"
SIC = Serie Interference Cancellation"
PIC = Parallele interference Cancellation"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
41"
Forward Error Coding (FEC)!
!!Shannon Limit"
"!BER = 0.1 corrected to 10-9 "
"!0.5 efficiency"
!!Reed Salomon "
"!BER = 10-4 corrected to 10-9"
"!0.9 efficiency"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
42"
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"
!! Forward Error Coding"
!! Not yet a dynamic resource allocation ?"
CDMA Marcoussis, 25 Oct 2005"
43"