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Impairment analysis and mitigation for cost-effective OFDM-based access systems
Duarte Sequeira André, Nuno Miguel
The growth in broadband connection speed has been exponential, and this trend will continue in the foreseeable future [1]. An access network is a connection between users and service providers and therefore a key element in support of this growth. While expanding its broadband offer a service provider must ensure seamless migration through compatibility with legacy networks, and also create an offer that is attractive to customers. Access networks are designed to support numerous users at different distances from the service provider. Cost-efficiency is mandatory. It usually relies upon using Passive Optical Networks (PONs) and low complexity electro-optical devices (direct modulation/detection), whose performance can be unlocked by digital signal processing to mitigate components’ limitations. Novel optical modulation formats help to achieve large spectral efficiencies and allow advanced signal distribution. One such modulation format is Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), which offers a compact spectrum, resilience to chromatic dispersion and flexible subcarrier allocation [2].
Legacy PON systems use C-band (1500nm) downlinks and O-band (1330nm) uplinks [3]–[9]. The C-band has low attenuation at the cost of higher chromatic dispersion [10]. The O-band has practically no chromatic dispersion but higher attenuation [10] enabling the use of simpler transmitters, Directly Modulated Lasers (DMLs) for example. The latest PON systems must enable parallel operation with legacy systems. For this reason they operate both in the C-band down- and uplink [11]. A DML has chirp as a by-product of transmission [12], [13]. Chirp interacts with fibre chromatic dispersion (C-band) to create Subcarrier-to-Subcarrier Intermixing Interference (SSII) at the receiver after direct detection [14]. This occurs despite OFDM’s resilience to chromatic dispersion and is one of the main impairments of cost-effective OFDM-based access systems. The main contribution of this work is to predict and analyse the impact of SSII as an impairment and to propose and experimentally verify mitigation techniques.
An analytical formulation capable of Signal-to-Noise Ratio (SNR) prediction for OFDM-based DML transmission is derived. This formulation is capable of determining the contribution of each subcarrier to SNR degradation. The DML intensity and frequency responses are included in the formulation by a, also presented, simplified laser model. The predictions of this formulation are experimentally validated under various conditions [15].
A bit-and-power loading algorithm is also proposed. It adapts the power and capacity of each subcarrier to the channel in order to maximize total transmission capacity [16].
Finally, an adaptive equalizer is presented. An optimization procedure is proposed to enable efficient mitigation of SSII [17]. Experimental results show a capacity increase of ≃33% when using the proposed optimized equalizer [18].
Der Bedarf an hochbitratigen Telekommunikationsverbindungen zeigt seit jeher ein exponentielles Wachstum, welches auch in näher Zukunft anhält [1]. Die Zugangsnetze bilden die Verbindungen zwischen Endnutzern und Telekommunikationsanbietern und leisten damit einen wesentlichen Beitrag zur Realisierung des Wachstums. Um das Breitbandangebot zu erweitern, müssen Telekommunikationsanbieter die rückwärtskompatible Aufrüstung existierender Netzwerke gewährleisten und dabei ebenso ein attraktives Kundenangebot schaffen. Zugangsnetze werden entworfen, um eine Vielzahl an Kunden in unterschiedlichen Entfernungen vom Telekommunikationsanbieter anzuschließen. Kosteneffizienz ist dabei zwingend nötig, weshalb häufig auf Passive Optische Netzwerke (PONs) und elektro-optische Komponenten (Detektoren, Modulatoren) von geringer Komplexität zurückgegriffen wird. Dessen Leistungsfähigkeit kann mit digitaler Signalverarbeitung verbessert werden. Neuartige optische Modulationsformate können ebenso eingesetzt werden, um eine gute spektrale Effizienz mit Hilfe komplexer Signalverteilung zu realisieren. Ein derartiges Modulationsformat ist Orthogonales Frequenzmultiplexverfahren (OFDM). Es bietet ein kompaktes Spektrum, Robustheit gegenüber chromatischer Dispersion und eine flexible Zuweisung der Signalträger im Spektrum [2].
Herkömmliche PONs nutzen das C-Band (1500nm) zum Downlink von Daten und das O-Band (1330nm) zum Uplink von Daten [3]–[9]. Das C-Band zeichnet sich durch eine geringe Dämpfung bei jedoch hoher chromatischer Dispersion aus [10]. Das O-Band hat fast keine chromatische Dispersion, jedoch eine höhere Dämpfung als das C-Band [10]. Dies ermöglicht den Einsatz einfacher Sender im O-Band wie zum Beispiel direkt-modulierte Laser (DML). Moderne PONs müssen einen parallelen Betrieb mit herkömmlichen Netzen erlauben. Aus diesem Grund werden im C-Band sowohl Uplink als auch Downlink vereint [11]. Ein DML verfügt als Nebeneffekt beim Senden über einen Chirp-Effekt [12], [13]. Dieser Chirp interagiert mit der chromatischen Dispersion (C-Band) der Glasfaser und erzeugt Träger-zu-Träger Mischung Übersprechen (SSII) nach einem direkt-detektierenden Empfänger [14]. Diese Störungen treten trotz der OFDM-typischen Robustheit gegenüber chromatischer Dispersion auf und erschweren den kosteneffizienten Einsatz OFDM-basierter Zugangsnetze. Der wesentliche Beitrag dieser Arbeit besteht in der Voraussage und Analyse der Auswirkungen von SSII auf Beeinträchtigungen der Signalqualität und dem Vorschlag und experimenteller Verifizierung von Kompensationstechniken.
Eine analytische Formulierung zur Voraussage des Signal-Rausch-Verhältnises (SNR), bei OFDM basierten DML Übertragungen wird angegeben. Die vorgeschlagene Methode ist in der Lage, den Einfluss einzelner Träger auf die Reduzierung des gesamten SNRs zu ermitteln. Die Intensitäts- und Frequenzantwort typischer DMLs sind ebenso in der Formulierung berücksichtigt. Sie werden in einem vereinfachten Lasermodell präsentiert. Die Voraussagen dieser Formulierung werden mithilfe von Experimenten unter verschiedenen Bedingungen validiert [15].
Des Weiteren wird ein Algorithmus zur Bit-und-Leistungsadaption präsentiert. Dieser kann die Leistung und Übertragunskapazität für jeden Träger auf dem Kanal anpassen, so dass ein maximaler Durchsatz erzielt wird [16].
Abschließend wird ein adaptiver Equalizer präsentiert. Das gezeigte Optimierungsverfahren erlaubt eine effiziente Kompensation von SSII [17]. Durch den Einsatz dieses optimierten Equalizers konnte in Experimenten eine Kapazitätssteigerung von ≃33% erreicht werden [18].
O crescimento das ligações de banda larga tem sido exponencial, e esta tendência manter-se-á no futuro previsível [1]. Uma rede de acesso é a ligação entre utilizadores e fornecedores de serviço, sendo um elemento chave no suporte do referido crescimento. Ao expandir a sua oferta de banda larga, um fornecedor de serviço tem, por um lado, de assegurar a sua migração através da compatibilidade com redes já existentes, e por outro lado, criar uma oferta atractiva para os consumidores. As redes de acesso são projectadas para suportar um grande número de utilizadores a diferentes distâncias do fornecedor de serviço, a viabilidade económica é obrigatória e é geralmente baseada no uso de Redes Ópticas Passivas (PONs) e componentes electro-ópticos de baixa complexidade (modulação/detecção directa), cujo desempenho pode ser melhorado através do uso de processamento digital de sinal com o intuito de mitigar limitações dos mesmos. Os mais recentes formatos de modulação também ajudam na obtenção de grande eficiência espectral assim como na distribuição avançada de sinal. Um destes formatos de modulação é Multiplexação por Divisão de Frequências Ortogonais (OFDM), que oferece um espectro compacto, é resiliente à dispersão cromática e possibilita a alocação flexível de subportadoras [2].
As redes já existentes usam a banda-C (1500nm) na ligação descendente e a banda-O (1330nm) na ligação ascendente [3]–[9]. A banda-C tem baixa atenuação apesar de ter elevada dispersão cromática [10]. A banda-O não tem practicamente dispersão cromática apesar da sua elevada atenuação [10], o que permite o uso de transmissores mais simples, tal como o Laser Directamente Modulado (DML). Os mais recentes sistemas PON devem permitir operação conjunta com redes já existentes. Por esta razão podem operar na banda-C tanto na ligação descendente como na ascendente [11]. Um DML tem chirp (variação da frequência de transmissão dependente da intensidade de emissão) como sub-producto da transmissão [12], [13]. O chirp interage com a dispersão cromática da fibra óptica (banda-C) criando Interferências de Mistura entre Subportadoras (SSII) num receptor de detecção directa [14]. Estas interferências podem ocorrer apesar da resiliência do OFDM à dispersão cromática e são uma das mais importantes limitações em sistemas de acesso economicamente viáveis baseados em OFDM. A principal contribuição deste trabalho é prever e analisar o impacto de SSII como limitação, propondo e verificando experimentalmente técnicas de mitigação.
Um modelo analítico capaz de prever a Relação Sinal-Ruído (SNR) para transmissão com DML baseada em OFDM é derivada. Este modelo tem a capacidade de determinar a contribuição de cada subportadora para a degradação da SNR. As respostas em intensidade e frequência do DML são incluídas na formulação através de um modelo simplificado de laser. As previsões desta formulação são validadas experimentalmente sob várias condições [15].
Um algoritmo de adaptação de bit-e-potência também é proposto, este algoritmo adapta a potência e capacidade de cada subportadora ao canal, maximizando assim a capacidade total de transmissão [16].
Finalmente um equalizador adaptativo é apresentado. Um processo de optimização capaz de conseguir mitigação eficiente de SSII é proposto [17]. Resultados experimentais demonstram um aumento de capacidade de ≃33% ao usar o equalizador optimizado proposto [18].
